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模拟与理论(五)多尺度,多物理,应用和拼凑

已有 5171 次阅读 2017-5-16 13:20 |系统分类:科普集锦

像前面说的那样,虽然物理上充电问题非常简单,但实际模拟会碰到一个不可克服的困难,那就是对典型的高轨道飞行器来说,充电时间太慢了。

速度慢的原因非常简单就是时间尺度问题。等离子体演化时间在皮秒量级,而总充电时间在小时甚至天的量级。这种数值上的巨大差异有时候被称为多时间尺度问题。很显然,前面说的办法只能计算最多到豪秒时间的充电,而不可能处理真实状态。

时间尺度和空间尺度问题一直是理论研究的一个麻烦问题。因为这个原因,任何标榜“多尺度”的东西都很唬人,甚至很多人随便弄个标定方法就自称为一种理论。然而这里我需要说明的是,绝大部分标榜为“多尺度问题”的,其实都不涉及尺度问题。举个典型的例子,你拿个照相机在远处拍照,一个房子只能显示为一个像素点,这时候不同的反射区域会有不同的反射效果,所以你还原的时候需要了解每个反射区域性能;而每个区域的性能又依赖于在光的波长尺度上的物质结构。这很容易被标榜为多尺度问题,但这其实不是,因为它可以标定。

这里说的标定很简单,你反射出来的光分布就是个散射函数,你只要确定散射函数什么样就行了,比如均匀散射,cosx,cos^2x,。。。诸如此类,然后对于正问题就直接这么展开,对于反问题就去比对。核心是,我们可以用一个散射函数来写出正常目标产生的反射强度,而最后拍出来的效果仅决定于散射函数的积分,入射光的相位效应已经被抹掉了。

多尺度问题成为问题,是有时候标定不起作用。比如你拍照的时候用激光束,而标靶里面一堆干涉板甚至全息图。结果只要入射光稍微偏移一点点,干涉图样就没了,或者移动到了别的地方。这样你要知道反射强度的性质,就只有精确地重建每一个时间点的波形和目标结构,当然这做不到;又或者标靶里面有个主动雷达干扰器之类的东西,它能接收光信号并且修改其强度和相位(甚至频率),然后原路发射回去,那你就疯了。

很显然,对于高轨道充电问题,问题本身大致是可以标定的:我们可以先算10个微秒(T1),计算一下充电电流I1;然后按照这个充电电流,直接乘以一百万倍得出10秒后的充电电量Q1;然后,就像你能想象的那样,我们简单的从这个时间点开始,因为电量变了,各种电压参数也一定变了,我们盲目计算10个微秒(T1'),然后重新开始计时,计时并且再计算10个微秒(T2),得到充电电流T2;再乘以一百万倍得到继续10秒后的充电电量Q2,如此类推。

你会意识到这么算是很容易理解的,我们的T1时刻计算相当于定标,也就是得到了一个当前条件下的充电速度;然后向前做理论推进;每次推进之后,因为系统参数在变化,我们假设系统总是会趋向一个似稳状态,于是给他一个弛豫时间t1',然后重新定标T2

当然,这么做肯定是有误差的,但我们这里不用太在意误差,真正的问题在另一方面。我们可以这么做的理论根据,是我们假设空间等离子体演化极快,实际等于总是在似稳态附近。换句话说,系统的快速行为和慢速行为是接近于脱耦的,不会有突发的灾难过程,也不会有自发的限制过程。对系统来说,必须快速过程的时间尺度远远短于T1T1',而慢过程的时间又要远大于N*T1,N是加速倍数。

所以,比较幸运的是,这个问题并不真的是一个多尺度难题。我们利用上面说的加速预测方法,基本上可以处理一般的充电问题。

在另一方面,这个问题还是有一点点细节困难,那就是,在某些情况下,这个问题也具有一点点真正的多尺度困难。

首先让我们考虑一点“像是”多尺度困难的东西。太阳光照射在物质表面会引起电子发射,发射的同时留下正电荷,所以太阳光会趋向于给飞行器充正电。如果卫星被阳光照到,我们就需要考虑太阳光的效果。但是这里有个自身限制问题:光电子能量很低,也就一两个电子伏特,所以如果卫星带上了正电,就能把发射出去的光电子再吸收回来,于是充电停止。所以这个事情就是,太阳光充电在物体带上正电后会停止。

所以你给这个东西加速就成了困难:假设太阳光的充电效果比等离子体充电效果大,那么在阳光面,你加速的时候必须保证加速后电压不能超过正2伏特;而在背光面应该正常加速。但实际上你保证不了:阳光面和背光面的电压是相关的,你调一个就会影响另一个。

在这种情况下,我们只能想办法去拼凑一个结果。例如,我们假设卫星表面每个小块都有一个充电电荷,然后固定住背光面的充电电荷,去修改阳光面小块的电荷,反复修改到满足阳光面电压限制,而背光面充电等于N*q1为止。实际上这也不是总做得到的,但没有太好的办法。

这是应用中碰到理论上“看上去难解”问题的一个例子,对应的解决方法也是一种常规的处理手段,只是即使这种常规手段,实现起来也不会简单,往往需要一些Trick

理解了这个问题,下面的问题你就能理解了:在某些情况下,我们会碰到真正的多尺度问题。比如说,有两种充电粒子,一种电流大约是I,而能量只有0.1V;另一种能量有10KV,但电流只有百万分之一I。这个充电你基本没法算,因为这俩之间会竞争,你不能简单加速来求出效果(你不能说10KV的充电1000秒可以当0.1V的充电千分之一秒,因为随着10KV充电过程,0.1V的粒子充电效率会降低);同时实际上你也没有类似前面光电流的自限制特性,并不是说充电到0.1V就结束了。

这种问题是真正的理论难解问题,并且不是可以用Trick消灭掉的,也不是可以通过工程直觉或者理论分析来化简的。

所以你看到,实际问题模拟基本上是在严格理论基础上进行拼凑性设计,然后解决掉大部分问题,却必然会有某些问题无法解决。无论拼凑性设计,还是最后无解的问题,本质都只是因为实际资源限制。当然,如果各种“大师”因此鄙视模拟,那是他们的问题。

 

 



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