我们描述了一个拟议的实验研究计划将回答一个根本的问题：重连在打开和关闭太阳磁场中的作用是什么？在攻克这个问题时，我们还将解决在磁重连中长期存在的重要问题，即：是什么决定了重连的速度，以及它是否是突发的？释放的能量如何在热学、动力学和粒子之间划分开？当然，使用一个室内实验来研究开放系统看似是完全矛盾的，因为到目前为止所有实验室中的等离子体装置具有非常坚实的壁垒。我们计划的创新点是实验将在国际空间站（International Space Station，ISS）上进行。只有进入太空，我们才能获得开放域，这对研究所观测到的太阳/日球现象是极其必要的。我们在此描述了一个研究计划，该计划将提供仪器基础设施、建模和太阳数据专业知识以及初步科学理解，以此来将由私人资助的奥罗拉电力推进组与其VASIMR®VF-200高功率等离子体源发展为无壁的在轨运行的ISS空间等离子体实验室（ISS Space Plasma Laboratory，ISPL）国家设施。可变比冲量磁等离子体火箭（Variable Specific Impulse Magnetoplasma Rocket，VASIMR^®）是一种大功率电力航天器推进系统，能够以恒定功率进行Isp /推力调节。VASIMR®使用一个螺旋源产生等离子体,等离子体通过强磁镜泄漏到第二阶段。在第二阶段中，等离子体收到一个进程的激励，该进程使用了从离子回旋共振的高场侧所发出的左手偏振慢模式波。单通离子回旋加热（ion cyclotron heating，IC​​H）使得离子速度显著增加。Ad 阿斯特拉火箭公司（Ad Astra Rocket Company，AARC）计划在2014于ISS上运行一个等离子火箭实验，该实验将作为该公司的“奥罗拉”电力和推进测试平台的主要组成部分。奥罗拉平台将支持双喷射磁四极子200 kW版本的VASIMR等离子体火箭（VF-200）。它将包括两个具有相反磁偶极子的100 kW并联等离子体发动机，产生接近零转矩磁系统。该系统将可用于基本等离子体物理研究，并可同时用于VF-200发动机（作为大功率电力推进系统）的性能测试。因此，奥罗拉组将成为一个国家等离子体物理实验室（ISPL），适合在开放的无壁的近地轨道实验室环境中进行等离子体物理研究。ISS手臂仪器组已被提交给了NASA，该仪器组类似于STS-3结合OSS-1及STS-51F结合Spacelab 2实验中所使用的等离子体诊断包。奥罗拉等离子体诊断包（奥罗拉 Plasma Diagnostics Package，APDP）将携带朗缪尔探头、RPA、直流磁力计、等离子体波探测器、法拉第杯、静电分析仪、固态高能粒子望远镜、Ar II和宽带成像仪。在该革命性设施上即将开展的研究，不仅将为上述问题提供实验答案，而且无疑会在ISPL的独特环境中发现新的意想不到的等离子体行为，这也将引发对太阳和日球层的新理解。

 

介绍

太阳大气的一个定义属性是它没有“盖子”：等离子体和磁场可响应于它们的内力自由无限地扩展向外。这个非常重要的属性是场线恒定的打开和闭合的起源，所有的NASA任务在对日冕成像时都观察到这种开合现象，包括从太空实验室到太阳动力学观测站（Solar Dynamics Observatory，SDO）。我们观察到，场线的打开和闭合之间的动态互换发生在所有时间尺度，从准静态的流光扩张和收缩到缓慢（~100km / s）流光喷出和流入，再到爆炸性的CMEs和暴发的耀斑（> 1000 km / s）。事实上，场的动态打开和闭合可能是慢速太阳风的源头。科学家普遍认为，磁重联是所有这些活动中的基本过程—闭合场线在流光流入和耀斑活动中更是如此。然而，重联的物理性质远未被理解，因此，基本上重联现象是目前和即将到来的每个NASA太阳物理学任务的研究主题。例如，磁层多尺度（Magnetospheric MultiScale，MMS）任务旨在对重联现象的原位研究。

本文介绍了一个提议的空间模拟实验室—实验研究计划，即将回答以下基本问题：

重联在打开和闭合太阳磁场中的作用是什么？

在攻克该问题的同时，我们还将解决在所有情况下磁重联中最重要且长期存在的问题：

是什么决定了重联率，以及它是否是突发的？

释放的能量是如何划分到热能、动能和粒子之间的？

本文所提出的仪器基础设施将用来调查未来霍尔效应推进器（Hall Effect Thrusters，HET）或其它先进推进系统的等离子体参数和尾流物理学，从而构建起ISS的太阳物理研究能力，进而发展成为一个通用的国家实验室。此外，太阳物理学科学家仅需花费很少费用便可使用这一独特的新设施，该费用仅占该设备真实成本中的很小一部分。正如下面讨论的，我们的计划极大地利用了巨额投资的杠杆，而此前在VASIMR®和奥罗拉计划中已经投入了大量资金。我们的团队在实验室实验和太阳/日球理论/建模/数据探索方面，拥有广泛和深入的专业知识。我们将设计该仪器设备，使其能够直接处理所观察到的太阳现象。

 

背景：VASIMR^®项目

A. 什么是VASIMR^®设备？

该项目的工作将利用Ad阿斯特拉火箭公司（Ad Astra Rocket Company’s，AARC’s）私人资助的VASIMR^®发动机、VX-200和飞行VF-200。VX-200发动机是一个两操作阶段的高功率等离子体源，如图1所示。这些阶段可以相互独立地工作。第一阶段是工作在~6.78MHz的30kW螺旋波等离子体源。会聚-发散的磁场通到第二阶段，在其中离子被一个能注入170kW RF功率的离子回旋加热（ion cyclotron heating，IC​​H）耦合器加速。约20kG的峰值磁场位于第一和第二阶段之间。在第一和第二阶段长度内的磁场分布相对平均。然而，第二（ICH）阶段下游的场分布是发散的螺线管状的终端场¹⁸。该源可以产生每秒通量为10²²个离子的氩射流，束流的平行温度控制在0.5至20eV，大部分流速在10到> 50km / s，脉冲持续时间可能>30 s。VX-200真空室大约长10米，直径4米，该区域的尺寸是系统中其它区域尺寸的许多倍。点火时背景压力低于10^-4托，VX-200真空室内，的磁场下降到<5G。由于腔室足够大，足以用先前未做过的方式模拟等离子体射流扩展到处于低场和极低压的背景气体中。这项工作将允许我们发展仪器和验证模型专业知识，从而为真正的无墙ISPL实验做好准备。其关键点在于，该项目的工作利用了杠杆获取了对VASIMR^®的巨额投资。

图1. VX-200示意图，显示磁场线和耦合器位置

 

B. 奥罗拉组和VF-200

奥罗拉是一个商业测试平台，将作为ISS的一部分运行。奥罗拉的主要目标是在飞行中测试Ad阿斯特拉的200 kW VF-200VASIMR®发动机在空间环境中的性能。奥罗拉还将在人造空间平台中测试其它电力推进和电力技术。奥罗拉已经被NASA指定为ISS国家实验室的“探索者”外部单元，并且由Add阿斯特拉根据其在2008年12月8日与NASA签署的空间法协议进行开发，以实现先进电力推进和电力系统的商业测试，支持空间商业和勘探需求的发展。奥罗拉将通过商业发射器和机器人传送车（transfer vehicle，TV）传送到ISS上。奥罗拉概念的示意图如图2所示。图3显示了安装在ISS上Z1桁架右舷侧的硬件。

 

图2. 部署的奥罗拉概念的示意图

图3. 在国际空间站预期位置上部署的奥罗拉示意图

图4. 奥罗拉推进单元（Propulsion Element，PRE）概念的示意图，显示了VASIMR®VF-200发动机的总体结构

 

图5. 在真空结构中，VF-200-1的两个火箭核消除了偶极子的磁场线。一旦电动机点火，等离子体喷流将产生冕流

 

奥罗拉元素

奥罗拉包括两个主要元素：

a.         推进元件（Propulsion Element,PRE）：PRE由VF-200VASIMR®发动机组成（见图4）。图4显示出了VF-200是一个双核系统，由具有相反磁极性的两个VASIMR^®发动机组成，其将作为具有零偶极矩的磁四极子进行操作。包含在物理VF-200核心区域内的等离子体条件被认为是专有的AARC数据。空间法协议规定使用VF-200排气尾流作为空间等离子体实验室环境。AARC将永远不考虑把VF-200机身外的排气尾流的任何方面作为专有。AARC管理人员强烈支持使用这种排气尾流作为基础等离子体研究的资源。该装置的真空室和等离子体磁力线如图5和6所示。在正常操作中，两个核将被一起操作，并且等离子体压力将把场线拉伸成一个延展结构，能让等离子体排放出去进而产生推力。因此，发动机的操作状态将由包含内部Y型曲流层的磁性双极流光组成，它能从外部场线中将两个喷管之间的内部场线分离出来，并通过等离子体流进行无限延伸。该片材上的3D重联将释放磁场的U形环以及它们夹带的等离子体进入到喷流区中。这些过程的类似物是存在的，能产生盔流光、日球曲流层、以及在太阳日冕和太阳风中所喷射的等离子粒团。下面所要描述的内容旨在开发仪器，调查并理解在ISS上奥罗拉火箭的喷气流中所发生的磁重联的具体物理。

b.         平台元件（Platform Element，PLE）：包括支持VF-200和其它推进实验测试所需的组件（见图6）。这里面包含了一个最小的仪器套件，旨在验证VF-200的功能，监测Ar离子回流，和遥测喷流。对喷流区的详细在轨研究所需的仪器并不是奥罗拉PLE设计的组成部分。

作为PLE的一部分，奥罗拉将具有一个大容量（~50 kW-hr）的储能模块，能够装载高达200 kW的脉冲，持续时间长达15分钟。奥罗拉将包括几个外部设施，其中最重要的是结构、电源和数据接口，可用于支持第二级、商业大功率（200 kW）实验。这还将是辅助系统的外部接口。

在这些潜在的有效载荷中，有一个可操纵的奥罗拉等离子体诊断包（Aurora Plasma Diagnostics Package，APDP），其设计是本项目的主题，用于对等离子体和磁场进行测量，以了解发生在奥罗拉喷流区的重联。

C. AARC实验室实验

测试活动将使用新的AARC真空室，其直径为4.2m，总内部容积为150m³，见图7a和7b，并且具有四个58,000 l/s的低温板，对Ar的总泵送能力为232,000 l/s。真空室被分成两个部分，即火箭部分和喷流部分。在VX-200点火时，火箭部分保持在比喷流部分低的空间真空压力。图7b还展示出了2.5m×5m的平移台，现携带有一套用于喷流表征的等离子体诊断器件。平移台使用2个独立的滚珠丝杠，由真空兼容的步进电机驱动，可产生0.5 mm的位置分辨率。图7a中的红色实线描绘了等离子体可能测量的全部轴向范围。红色线延伸到VASIMR^®VX-200设备中，但不穿透螺旋源本身，并向下游延伸5米到真空室膨胀的喷流区域。

 

图6. VF-200-1在发动机点火的活动配置下，其消除了偶极子的两个火箭核磁场线的示意图

 

图7. 安装在150 m³ Ad阿斯特拉火箭公司高真空设施内的VX-200火箭总线的CAD概念图，内含交叠的真空磁力线（a），以及安装在2m×5m平移台（b）上的VX-200火箭（背景）和诊断平台的照片（前景）

 

AARC具有辅助水冷电磁体和可能附加等离子体源，使我们在实验室中能够模拟VF-200的非轴对称的四极场几何形状的某些面貌。我们已经翻新旧的VASIMR^®模型的磁体和VX-100，安装在VX-200喷口右边下游的主室外部（图8）。辅助电磁体的尺寸与VF-200超导体的尺寸大致相同，但在腔室端口处有一个附加的1.0米直径的线圈，可用于磁性几何控制。

图8. Ad阿斯特拉火箭公司设备的照片，展示了辅助的电磁铁（红色框标识）。左边的电子机架约2米高

 

开发ISS空间等离子体实验室

奥罗拉将于2015年被安装在ISS上。为了抓住将奥罗拉作为等离子源时进行原位空间等离子体研究的机会，目前最重要的是开发合适的仪器套件以及增加对喷流中等离子体条件的理解，这些也是我们项目的目标。特别地，我们将从以下方面开展工作：

1. 规划所需的仪器套件，获取其原型版本，并将其用于现有VASIMR^®VX-200的地面实验室实验。这项工作将在休斯顿大学（UH）、密歇根大学和Ad阿斯特拉火箭公司（AARC）里进行，主要使用高容量真空室。

2. 使用复杂的粒子/动力学和磁流体模拟模型，发展并验证对VASIMR^®等离子体废气的深入理解。这些任务将分别在AARC和NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center，GSFC）进行。

3. 结合实验室实验和数值模拟，设计ISS VF-200等离子体源的性能及其在与太阳和日球科学相关的在线空间等离子体研究的应用。这项工作将在GSFC进行建模、实验室实验和太阳/日球观测。

4. 完成一个计划且为可部署在ISS上的仪器组完成相关成本预算，并制定与之相关的科学计划。本报告将总结我们对ISPL所做的概念研究，并将涉及UH、AARC、NRL和GSFC。

利用ISS VF-200，我们将实现前所未有的开创性空间等离子体实验科学，而这永远无法在任何地面实验室里获得。我们将要研究的物理系统是一种打开闭合的偶极磁性装置，其重联发生在扩展的电流片中，这是主要太阳物理活动的基础，太阳物理活动例如冕流、爆发性耀斑和磁尾活动等。ISS VF-200设施为我们创造了一个真正独一无二的机会，让人们对太阳物理学的理解得到革命性的进步。

A.       子卫星仪器仪表

对发生在VF-200喷流区磁重联过程的详细研究将需要复杂的原位使用仪表，该研究将需要部署一个平台，并在距离下游25米的地方穿过喷流区。许多计划中的仪器将需要在等于或高于喷流区等离子体电位的条件下工作；由于该电位可能与ISS航天器地面存在有数十伏的差异，所以在轨仪器需要部署在被电学孤立的包装中。这一要求能通过使用远程操纵系统（Remote Manipulator System，RMS）的子卫星解决。该子卫星又称为奥罗拉等离子体诊断包（Plasma Diagnostics Package，APDP），被部署在RMS上，如图9所示。

使用等离子体诊断包（Plasma Diagnostics Package，PDP）子卫星来研究空间中的高功率等离子体源的概念，已经发展成为航天飞机/太空实验室系统的一部分。PDP仪器仪表包括朗缪尔探头、密度起伏计、电场和磁场波接收器、中性压力计、低能电子和质子静电分析仪、离子质谱仪、延迟电位分析仪（retarding potential analyzer，RPA）、差分离子通量探头、直流电场和磁力计、以及法拉第杯。PDP是一个直径1.07m高0.69m的圆柱体（由于所提出的APDP将不再是一个自由飞行器，其体积会更小），其重量为159kg，功率为45W。PDP所获得的科学结果太过广泛，无法在此赘述。最相关的结果是通过STS-3上的快脉冲电子枪实验观察等离子体波，以及在轨道卫星中观察离子分布函数的变化。这里描述的工作的主要努力方向是为APDP提炼要选择的仪器。 PDP仪器套件包含许多将用于研究VF-200喷流区的仪器类型。我们的主要工作将是进一步改进选择方案，添加遥感仪器，并估计所需的增益、灵敏度、动态范围和几何因素。我们在PDP实验中的重要收获是证明可以在RMS臂上使用子卫星封装，以让高能等离子体实验的原位观察变得安全。RMS的15米长度加上在VF-200喷口下游用于RMS安装和装载的10米可跨越范围，将打开一个长约25米，可直接开展研究的喷流区。所有低能量等离子体探头将被前置在直径为1cm长为1-2m的吊杆上，并被封装在尺寸为65cm×50cm×50cm的包裹中，以减少羽流的干扰。APDP将在最近点与约2%的羽流区相交，在最远点与约0.3%的羽流区相交。

等离子体羽流的特征长度在0.05至0.1m量级。我们设计APDP封装是为了在距离VF-200喷流0.5至25m的地方抵抗等离子体轰击和热通量。这种大范围的运动将允许对轴向和径向的双极电场结构进行观察，这之前也曾在实验室里也被观察过，但在等离子体压力占主导的更远区域除外。重联可以发生在等离子体压力占主导的远羽流中，而与太阳相关的重联将发生在磁场压力占主导的电流片的一侧，这些地方也伴随着磁场的反转。

B. 建模

为了能从ISS实验中获得最佳的科学返回，需要设计APDP仪器组的组件。了解在奥罗拉预期参数范围内的发动机喷流的预期磁场和等离子体特性至关重要。对这些要求的深入理解可以从实验室实验中获得，而实验室实验已经促进了奥罗拉的前身VX-200单核磁偶极子发动机以及VF-200设备规格的发展。然而，ISS将配置两个彼此通过磁性连接的火箭芯，这些火箭芯被嵌入在四极磁几何结构中，并且暴露在真空环境中。我们尚未完全了解这些新功能对奥罗拉喷流行为的影响，这需要通过实验室实验所验证过的具体模型来进行定量调查研究。VASIMR^®等离子发动机的发展表明分析和数值模型之间存在大量和丰富的相互影响。这些研究中涉及的主题包括在火箭芯^16,30中的单程离子-回旋共振加热、喷嘴中的双极离子加速、以及在近喷嘴区域的扩张磁场中的反式阿尔芬等离子体分离。虽然这种建模研究取得了成功，但现在我们必须对其进行扩展，用以解决磁等离子体的3D结构、系统时间相关现象、以及喷流的特性和演变等问题。

 

图9. 安装在RMS臂和延伸臂上的APDP原位观察VF-200喷流的概念图

 

为了获得所需的定量信息和定性理解，我们将使用自适应精细磁流体动力学解算器（Adaptively Refined Magnetohydrodynamics Solver，ARMS）。ARMS使用完全3D通量修正传输对流算法来解决MHD的时间依赖的非线性方程，该算法专门用于处理强冲击波、电流片和其它MHD不连续性。ARMS还通过GSFC的PARAMESH工具包，使用自适应网格细化和大规模并行计算，从而在需要精确会聚的地方可以获得前所未有的空间分辨率。ARMS已被用于调查太阳日冕中与重联相关的现象，在许多情况下可获得前所未有的数值分辨率。

VASIMR^®发动机和太阳风冕流的喷流在物理上高度相似，如图6和10所示。两者产生于火箭核心和低日冕的区域，其中等离子体热（P）和动力学（ρv²/ 2）压力远小于磁压力（B² / 8π）。然而，随着与源距离的增加，磁压力比由火箭喷嘴和外部日冕的发散场几何结构所引起的等离子体压力下降地更快。等离子体热能驱动的膨胀最终会变成超音速和超级阿尔芬，并且产生一个由打开和闭合场组成磁结构，正如冕流。

我们将使用ARMS进行数值模拟，以了解VASIMR^®等离子发动机喷流的3D结构和时间依赖性。现有的模型已经还原了火箭核特有的行为。因此，ARMS的模拟域将从喷嘴出口处开始，其将是笛卡尔域左侧x轴壁的一小部分，而发动机轴线沿着+ x方向。根据模拟需要放置y轴和右x轴及四个侧壁，按照AARC真空室尺寸规定的距离且存在有封闭边界的情况下，对实验室VX-200和VT-200进行研究；我们用远离并且具有开放边界的情况来仿效VF-200-1的ISS空间环境。最初均匀的等离子体和真空磁场会被由左侧x壁处流入的等离子体扰动，因为等离子体会传播进入并穿过该域，相应的其磁流管也得到延展。

初始情况下，我们是利用ARMS研究其处于单流体、单温度、理想MHD模式与各向同性热压力下的情形，研究时仅需增加对初始真空磁场和和圆形喷管进口区域的设置，并且AARC将为其提供技术参数。我们将开展这些基准数值实验，以用于对现有VX-200实验进行最初的粗略检查，并提供用于预测喷流条件的起始点，以及提供用于ISPL的VF-200-1的诊断依据。

随后，我们将致力于改进ARMS模型，并对简单的VX-200和复杂的VT-200（具有正交的双核及磁场）在数值实验和实验室实验上进行更详细的比较。我们将考虑场对准电子热传导并且讨论其在辅助热膨胀中的意义。我们还会将MHD模型进行推广，以允许电子和离子温度存在不同，并且允许在平行和垂直于磁场方向上存在有区别的离子温度（和压力），该步骤将要求直接包括离子压力张量和两个关于T||（平行）和T（垂直）的新绝热方程。这种添加是由半碰撞VX-200等离子体的测量所激发的，其显示了在VASIMR喷嘴区域中所发生不规则各向异性温度的条件，该温度应该会持续出现在喷流中。在这种情况下，远的喷流可能会遭受各种不稳定性，通常人们认为这些不稳定性在太阳风中很重要，例如，MHD平行火焰不稳定性会激发大振幅的阿尔芬波。

这个扩展和改进的ARMS模型被提议在实验室实验中进行验证，该模型将在项目中被用来 推测ISPL的奥罗拉羽流的预期情况。 奥罗拉将由两个相同的VX-200核心组成，它们并排着排列，具有反向平行的磁偶极场，并且没有界壁会来限制它的喷流。这种配置在物理上比实验室装置更简单，但给建模带来了更大的挑战。

图10. 在太阳赤道上的偶极冕流重联的A​​RMS模拟。黑线是磁场；彩色阴影是太阳风质量密度

 

C. 实验设计过程

VF-200的全功率操作将产生高度拉伸的反平行场线的冕流型外形，伴随一个相反极性的Y型电流片分离的区域。在该结构中，我们期望活跃的重联点发生在距离VF-200几个喷嘴间隔（1.5m）的下游区域，并与冕流的几何形状保持一致，还与地球磁尾重联位置保持一致。这些位置完全在部署APDP的RMS臂范围（0-25m）内。设计特定的VF-200操作模式强制驱使重联发生在放置APDP的可预测位置上是最富有成效的。可调节的VF-200控制参数，包括可在高达20 kHz的频率下进行改变的ICH功率水平，在时间尺度可以缩减到毫秒的气体通量，以及ICH功率与气体通量的平衡。上述ARMS建模的目标之一是鉴定操作模式和输入参数时间表，这些会驱使重联发生在预测地点处。

D. 仪器选择和设计

要研究的物理过程决定了仪器的选择，原始PDP的仪器补充是一个很好的出发点。为进一步研究而设计的草图中省略了直流电场检测器，增加了包括宽带可见光和Ar II发射线成像器的相机。初始建模工作的结果将为改进仪器选择、增益和几何因子等参数选择所需要的输入提供参考。科学工作小组将根据其对特定科学目标的重要性来优化这些仪器。

该团队还将整体复查仪器选择，以评估是否忽略了关键的部件。仪器内的候选器件包括总电子含量监视器、直流电场检测器、多搜索线圈的阵列、其它成像器以及x射线和高能粒子检测器。我们将在模型中寻找到重联区域可能足够活跃，并能将电子加速到10ke​​V或更高的证据。

APDP的仪器补充草案通常是众所周知的并且公开的，对其详细的描述是多余的。由于VF-200将比正常的电离层等离子体表现出更致密和更快速的流动，因此我们应当清楚的是，信噪比和充分小的小灵敏度并不是问题。

热管理设计将是原型设计过程中最大的设计挑战。在VX-200喷嘴附近，喷流的能量可能会熔化探头，因而需要使用高耐火材料。常规电离层仪器不会经历VF-200排气中的极端条件。仪器的规划设计主要是设计每个仪器的传感器头，使其能在预想的热环境中运行。APDP子卫星总线将设计带有绝缘壁垒，该绝缘壁垒位于火箭喷流、仪器数据传感器、数据处理电子设备和航天器系统之间。

一旦我们选择了补充的仪器，模型将根据科学目标估计每个仪器的信号范围，然后选择传感器尺寸和放大器增益以提供足够的灵敏度和信噪比。

 

表1 APDP仪器列表

E. 数据分析

1. 计算和建模资源

所有UH数据简化和分析软件都将使用交互式数据语言（Interactive Data Language，IDL）编写，该语言功能强大且易于移植到不同的操作系统。每个公众用户将能够在网页（在UH上维护）下载任何版本的UH软件包，全部下载或一次下载一个任务。所有项目软件将由休斯敦大学进行版本控制和质量检查。现有的为MINIS软件所设的UH CVS存储库将用于此项目的版本控制。IDL例程的UH MINIS CVS库位于UH空间物理过程服务器。根据安全外壳（Secure Shell，SSH2）协议，所有授权的项目软件开发人员将设置密码保护来访问该存储库。标准的CVS登入/登出程序将用于版本控制，UH人员将会进行最终的审查和认可。

本项目所需的ARMS数值模拟将在DoD和NASA计算资源上进行开展和归档。打印和图形输出，包括来自HelioSpace可视化工具的图像（参见图10），也将被传送到UH计算机系统以供团队和公众访问。

2. 深入分析

分析计划在结构上是相当标准的。概括地说，该过程包括数据简化和验证，对来自多重拍摄参数扫描的数据进行组织、整理和绘制，建模比较和验证，以及详细解释。每个目标将分配给一个特定的团队成员进行分析领导。

在第一步中，由模块化图形用户界面控制的软件将被用于检索原始数据，应用校准和仪器响应模型来产生物理单元中的数据向量，该数据向量将被写回到MDSplus树中的分析的数据节点。UH数据简化软件是在IDL中编写的，而Ad阿斯特拉组件是在MATLAB中进行维护。在第二步中，多点数据被组合起来以探索扩展参数空间。这个任务将使用UH团队开发的定制IDL软件来执行。

最后的模型比较和解释将涉及数据与各种重联和喷流模型预测值的比较。这个团队有几个可用模型，但并未在使用VX-200和VT-200初始和边界条件下运行。如有必要，除了上述的ARMS模型之外，这些模型可以作为这项工作的一部分进行扩展和运行。根据实验结果与ARMS模拟之间的比较结果，我们将瞄准特定的物理问题来运行这些模型。

实验室和数值模拟的结果也会与多个任务的观测数据进行比较，特别是SDO和SOHO、STEREO的日冕图，以此找到对应于这些模型的太阳进程的证据。我们将对太阳和日球观测太平洋观测台（SOlar and Heliospheric Observatory，SOHO）和日地关系观测台（Solar TErrestrial RElations Observatory，STEREO）进行扩展，探索可用的太阳数据，并编制一套关于实验预期的重联类型观测证据的综合数据集。该数据集对于未来的IPSL研究也是必不可少的。

F. 数据归档和传播

原始实验室数据由仪器数字化系统存储在Ad阿斯特拉火箭公司的MDSplus服务器中。 MDSplus是由麻省理工学院、意大利帕多瓦的融合研究小组和洛斯阿拉莫斯国家实验室为了磁聚变能计划所开发的社区型开源软件。它是实验室等离子体物理学领域使用最广泛的数据管理系统，因此适合用作公共传播工具。MDSplus是一套用于数据采集、存储和管理的软件工具。MDSplus将数据存储在单个自描述分层树中。这些工具允许对树模型的轻松扩展，以包括各种各样的数据源，包括分析数据产品。由于它使用一个客户端/服务器模型，因而它非常适合提供对数据的公共访问和远程访问。

休斯顿大学（UH）将遵守所有要求，向公众提供项目数据。所有项目实验室数据不包含ITAR控制或专有信息，它们将实时存储在主MDSplus数据库的每个镜头的单独子树中。来自所有项目相关VASIMR®镜头的该子树的副本将被放置在位于Ad阿斯特拉火箭公司大楼的单独MDSplus服务器上，该服务器的空间物理地址在ITAR控制区域之外，而在逻辑上是处在防火墙外部。感兴趣的社区用户将能够注册并获取一个MDSplus存档的密码。

G. 连接到太阳/日球

鉴于VF-200喷流的磁性拓扑与冕流的磁性拓扑相同，但在全局空间尺度上显然不是这样的；因此，我们的研究计划的一个关键方面将是确定如何才能最好地将实验结果与太阳相关联。尽管全局尺度是非常不同的，而实际的等离子体参数和动力学尺度与日冕值相差不是太远。VF-200喷流的等离子体贝塔（热与磁压力的比率）和马赫数，与冕流和内部太阳风中的等离子体贝塔和马赫数水平相当。发动机的惰性气体推进剂（在典型操作模式中的氩气，将在ISPL实验中用于检查的氖气和氦气）主要是各自电离的，其数量比太阳风主成分质子的数量更多，但这也提供了一种更简单的单一类型等离子体，可用于研究羽流中的重联物理学现象。

表2列出了用于ISPL羽流与太阳日冕比较的几个关键参数。我们假设一个日冕尺度的长度（100m）具有与声流相同的流动时间（1ms），与穿过APDP尺寸（10m）的VASIMR^®喷流流动时间也是相同的。可以肯定的是，这只是一个更大的延伸更远的日冕电流片中的一小部分。然而，由于ISPL采样的部分包括所有重要的电子和离子动力学，在ISS上进行的实验将能够用来研究在日冕电流片内发生的通量破坏过程。ISPL实验和日冕之间的唯一差异是当前VASIMR^®冷电子具有可与APDP尺度相当的平均自由路径。

如表格所示，在整个VF-200喷流中，电子趋肤深度和回转半径都非常小；同时，离子趋肤深度和回转半径分别约为4 m和0.7 m，与日冕中的相似。这些离子相关长度足够大，使得电流片可以在实验上毫无困难地探测到，使我们能够在发生重联的磁通量断裂的动力学尺度下检查片属性。另一方面，这些长度又足够小，使得电流片可以延伸到数百个趋肤深度。这是重联研究中开放式ISPL结构的巨大优点：大的电流片长宽比对将实验室实验与太阳/日球实例进行关联是绝对有必要的。我们期望在ISPL羽流中获得伦德奎斯特数字S，该数字至少在10⁴的数量级，远大于其它实验室实验所获得的数值，并可与重联电流片的当前高精度3D数值模拟所获得的数值相当。最近的研究预测，转变过渡发生在S~10⁴，从缓慢的Sweet-Parker重联到等离子体粒团主导的快速重联。如果预测是正确的，这个结果对理解爆炸性的太阳物理活动具有巨大的影响。我们明显需要开展实验室研究，来提供对这些预测的实验测试；这些研究反过来也将增加我们将数值模型外推到向具有数值S~10¹²的太阳系的信心。

表2 ISPL/日冕参数

我们的实验肯定不会达到太阳伦德奎斯特数字，没有哪个实验或模拟可以做到这一点：因为我们所构建的物理系统–无论是等离子体发动机还是数值网格–都无法接近太阳的空间尺度。然而，有一方面非常重要，ISPL实验首次实现将系统的外边界设置于无穷远处，就像现实中的太阳和日球一样。

H. 与太阳/日球观测进行比较

许多研究已经报道了冕流的等离子体密度增强和自顶部流出的动力学，正像使用SOHO / LASCO、STEREO / SECCHI日冕仪和STEREO / HI日球成像器远程观察到的结果一样，也与在STEREO，ACE和Wind中所使用的等离子体和磁场设备原位测量的结果类似。通常公认的是，这些相对较小的尺度和相对缓慢移动的等离子体团块及其夹带的通量线，通过在冕流顶端附近所发生的间歇性磁重联事件进行释放。冕流顶部的Y型零点在倒转的Y形之下具有几乎处于静态的闭合场线，但是具有向两边外流的太阳风等离子体的开放场线。因此，零点结构不断地被推挤，导致最外面的闭合磁通表面的反复伸展、挤压和向下松弛，同时在最内部的开放通量表面中的分离等离子粒团将有伴随物向外喷出。这种现象可通过ARMS模拟图像进行例证，如先前的图10所示，其中具有增强等离子体密度的新分离的通量线正缓慢地从冕流的顶部离开。

冕流顶部重联过程的实验研究需要诸如ISPL的设施，其中等离子体可以自由地膨胀并且将磁场拉伸到很远的距离处。有了它，我们可以解决关于管理重联机制的许多问题。断开的等离子体团块的性质（密度、宽度、长度、速度、温度、频率）是如何取决于冕流的参数的？高能粒子是否通过重联电场进行加速？重连是稳定的还是间歇的？是什么决定了它的时间行为？电阻性MHD是否为重联动力学提供了一种充分陈述？电阻率是斯皮策型的（由粒子/粒子碰撞决定），异常的（由微观等离子体湍流设定）还是动力学的（通过在离子趋肤深度的磁通破坏确定）？虽然ISPL无法达到具有极高伦德奎斯特数字的真正日冕区域，它仍会获得非常大的值，这些值在我们数值模拟的能力范围内，并将对我们目前物理上的理解进行前所未有的测试。通过确定可达范围内的实验和数值结果之间的尺度关系，我们将会把我们的发现外推到日冕参数范围，用于与未来的遥感、冕流动力学和慢速太阳风的原位观测进行比较。而我们对空间等离子体中磁重联的理解的进展，将对太阳物理学的耀斑喷发和地球上研究磁顶层和磁尾重连过程产生更广泛的影响。

 

结论

这个项目主要是一个仪器开发项目，将产生一个概念研究报告和原型仪器。若要达到最终的科学目标，只能通过APDP任务和ISS实验的实际飞行来获得。未来的ISPL实验将使我们能够攻克前面提出的基本科学问题：

• 重联在打开和闭合太阳磁场中的作用是什么？

独特无壁的ISPL将支持在敞开磁场的原位实验，而这无法在任何地面实验室中进行。打开和闭合场边界处的动态相互作用可能是慢速太阳风的起源，这可以通过ISS上的APDP仪器直接观察到。更一般地，我们可在具有敞开磁场的真实空间环境中研究重联的基本过程，通过改变VF-200等离子体发动机的操作参数来控制其位置和速率。对喷流中的电场、磁场以及颗粒分布函数的测量，将使我们能够回答磁重联过程中长期存在的重要问题：

• 是什么决定了重联率，以及它是否是突发性的？

• 释放的能量如何在热量、动力学和粒子之间进行分配？

在该项目下所开展的工作将主要为ISPL开发仪器组，通过比较预测值和更简单的实验室配置所得数据，可以验证用于ISPL喷流行为预测的模型，并预测ISPL的具体运行模式，这将有益于提高我们对重联的理解。我们还将开始制作一个由SDO/AIA在高分辨率和高频率下观察到的太阳事件列表，作为在F-200喷流模拟和用于与ISPL实验进行比较的对象。上述这些基本步骤为ISPL打下基础，将使我们对太阳和太阳物理学的了解取得革命性进展。

 

参考文献

Edgar A. Bering, Gregg Edeen, Spiro K. Antiochos, et al., ISS Space Plasma Laboratory: An ISS instrument package for investigating the opening/closing of solar and heliospheric magnetic fields[C], 52nd Aerospace Sciences Meeting, National Harbor, Maryland, 2014.

刘艳 俞文凯 编译 张伟 校对