项目简介

  在太阳风的作用下，地球周围存在一个磁场与等离子体强耦合的结构，被称为地球磁层，它是地球的屏障，也是人类走向外太空的窗口。然而，地球磁层中存在许多爆发性的现象，如磁暴、亚暴和高能粒子暴，它们对航天器、通信系统和电力设施等构成严重威胁。因此，研究空间等离子体环境的演化规律具有重大意义。目前，受制于卫星探测的局限性，人们对地球空间等离子体演化规律的认识还很不充分，直接影响了绝大部分航天器所处的地球磁层空间等离子体环境模型建立、航天器与等离子体相互作用、航天器防护设计和任务规划等一系列重要问题的深入研究。由于在全局测量、可控性、可重复性等方面的优势，实验室模拟已经成为研究空间等离子体的重要手段。目前，虽然国际上存在多个空间等离子体环境的模拟装置，但它们均无法实现地球磁层三维整体结构的模拟。本项目来源于“十二五”国家重大科技基础设施—空间环境地面模拟装置【发改委批复文件参见附件】，国际上首次针对地球磁层三维整体结构模拟，解决了从物理设计到工程技术的诸多难题，取得了如下创新成果：（1）提出了地球磁层三维整体结构的模拟方法，通过一组特殊设计的多自由度磁体线圈组合与脉冲电源系统首次实现了地球磁层三维整体结构的模拟，为开展地球磁层顶三维非对称磁重联、辐射带波—粒相互作用、磁暴等空间关键物理过程的研究提供了必要的支撑条件。（2）解决了极端脉冲电磁力载荷条件下磁体线圈在高真空环境中的支撑、运动、密封和连接问题，实现了多自由度偶极磁场线圈位形、磁层顶位形精确控制等一系列世界首创的独特设计，保障了高真空下线圈组的可靠运行。（3）针对磁体线圈强耦合、参数差异大的特点，提出了脉冲电源的模块化设计方法，并研制了20 kV、3 kA/μs条件下的半导体开关组件，结合5ns的高精度同步控制，实现了电源系统的集成控制和可靠运行，保障了磁体线圈产生磁场的同步以及磁场拓扑结构的快速变化。

  本项目授权发明专利20项，发表SCI论文19篇，获批国家重点研发计划常规项目1项。本项目在国际上首次实现了地球磁层三维整体结构的模拟，使我国直接进入了国际空间等离子体环境地面模拟研究领域的前沿，将促进具有我国自主知识产权的地球磁层空间等离子体环境模型建立，推动我国空间基础科学的研究，并支撑航天任务的设计与规划。本项目通过了以时任美国等离子体物理学会主席Stewart Prager为组长的国际专家组评审，专家组认为：“空间等离子体地面模拟装置”的设计是非常巧妙、非常具有创新性、非常独特的，这个新实验装置已处于世界领先水平，将会在国际空间科学领域获得独一无二的重要地位。