采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径

在简述载人航天器再入过程、等离子鞘套特点和中继传输原理的基础上,分析了采用卫星中继克服再入通信黑障的具体途径。考虑到必须采用较高工作频率(Ka频段)的一次中继方法存在一定局限性,提出了一种采用二次中继的新方法,它可以将再入通信的工作频率向低扩展到多数载人航天器在轨常用的S频段。文章讨论了这两种方法的优缺点,论述了实施它们对中继站和再入航天器的主要要求,并就影响其效果和航天器设计的重要因素进行了分析。链路计算结果表明:两种方法都可满足传输需求,从总体上考虑二次中继方法更好一些。考虑到我国空间基础设施和相关技术背景条件,在近期内卫星中继将是解决再入通信黑障问题可实现的技术途径。     

飞行器再入大气层通信黑障的消除方法

文章通过分析等离子体鞘层与电磁波的相互作用,考察了通信黑障的产生原理及其影响,详细介绍了各种通信黑障消除方法的基本原理及其优缺点,包括改变空气动力学形状、亲电子物质注入、磁开窗、引入交叉电磁场、提高发射功率和入射波频率以及采用Raman散射通信等,为进一步开展通信黑障消除方法的应用研究指明了方向。     

类X-37B升力体再入飞行通信特性中断研究

针对再入非平衡等离子流场的数值仿真方法及等离子体鞘套对不同波段电磁波传输特性的预测开展研究。首先，利用某工程钝头体飞行器再入实测通信飞行测量数据，初步校验数值仿真等离子体特性和通信特性方法的正确性；其次，在典型弹道下针对升力体再入飞行器开展等离子体鞘套数值仿真，分别给出S波段、Ka波段与K波段电磁波衰减特性，研究指出结合当前国内中继星体制情况采用高频段电磁波Ka波段或K波段中继通信方式是解决通信黑障的技术途径之一；最后，研究了电磁波数衰减受传播方向角和攻角的影响规律。研究结果可为发展解决我国再入飞行器通信黑障的设计方案提供参考。     

临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述

首先对国内外黑障问题研究历史进行了回顾，然后从等离子体鞘套形成机理和基本特征、电波传播机理及信道特征等方面阐述了高超声速飞行器黑障问题的成因。随后，着重介绍了等离子体流场和电波传播数值模拟方法并分析了方法的适用性。进一步对等离子体地面模拟方法和诊断技术进行了概述，并对国内外地面黑障实验结果进行了详细分析。在此基础上，针对临近空间高超声速飞行器的特点，采用层次分析法(AHP)对现有黑障消除技术进行了评估，给出了目前工程实用方法、近期可能实现的工程实用解以及未来具有应用潜力的消除技术。最后，对黑障问题后续研究方向提出了几点建议。     

时变等离子鞘套相位抖动对GPS导航的影响

飞行器再入过程中产生的时变等离子鞘套会引起信号的时变衰减和相位抖动,其产生的相位抖动对调相体制的GPS导航系统必然产生影响。探讨了时变等离子鞘套引起信号相位抖动的机理,通过传输矩阵法计算了由时变等离子鞘套引起GPS导航信号的相位抖动的统计特性,结合Hilbert方法建立了受到相位抖动影响的GPS信号模型,研究了黑障发生前等离子鞘套的相位抖动对GPS导航的影响。仿真结果表明GPS导航受到影响的程度和相位抖动方差大小密切相关。在NASA数据下相位抖动方差为0.1142时,定位变化大于10m的最大比例超出了1.5%,大于5m的最大比例超出了14%。     

磁窗天线增强等离子体鞘套透波特性研究

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时,周围形成的等离子体鞘套将影响电磁波的传播特性,严重时传输完全中断(黑障).外加强磁场可以形成“磁窗”,有效地增强右旋圆极化电磁波在等离子体鞘套中传播时的透波特性,但是在产生磁窗过程中(例如使用超导产生磁窗)有一系列的问题如磁体的重量和复杂性等需要克服.为解决这一问题,提出了天线和强永磁体一体化综合设计的新思路——磁窗天线.设计出一种圆极化GPS天线,它的表面贴片为对磁场影响很小的镀铜片,接地板为稀土永磁体NdFeB(钕铁硼),永磁体同时也做为强磁场的发生装置.分析了圆极化GPS天线的性能和周围磁感应强度的分布,估算了磁窗天线减缓通信中断的效果,在所研究的情况下,使用磁窗天线可以显著地提高等离子体鞘套的透波特性.     

航天器防护高能带电粒子的新方法

文章介绍了航天器防护高能带电粒子的一种新方法——利用磁鞘进行主动防护。阐述了磁鞘防护高能带电粒子的基本原理,分析了其在工程应用上的可行性,并提出了磁鞘的一种设计方案。针对这种设计方案进行了数值分析计算,结果表明该方案可以有效防护0.15MeV以下的电子。     

基于碱金属辅助电离的等离子鞘套模拟方法

为解决再入过程中通信黑障与探测异常问题，对等离子体鞘套地面模拟方法进行了研究。以RAM C-II 飞行试验为依据，计算了等离子体鞘套的参数范围。分析现有模拟设备，概括提出了高焓低速风洞的模拟方案，选取相适应的放电方式，并对流量功率进行了计算。针对高温环境对电磁设备造成损坏以及所需功率难以实现的问题，提出添加碱金属的解决方案，并进行了试验验证。试验结果表明，添加碱金属可以使电子密度提升约一个数量级。对方案效果进行评估，预期功率需求降至兆瓦量级。     

等离子体鞘套对飞行器再入过程信号传播特性的影响分析

再入飞行器表面所形成的等离子体鞘套会对通信信号的传播产生影响,甚至形成通信黑障。文章从电磁波在等离子体中的传播理论出发,分析建立鞘套对电磁波吸收和反射的数学模型;并以数学模型为基础,编制面向对象的计算软件,考察影响通信信号传播特性的各种因素。结果表明,等离子体鞘套内的电子密度及其分布对通信信号的传播特性有重要影响,减小等离子体密度可显著降低信号的衰减。     

火星探测进入、下降、着陆过程通信方案

基于火星探测任务进入、下降、着陆过程(Entry,Descent and Landing,EDL)的特点,从信号微弱、高多普勒动态和黑障通信等3方面提出了该过程中通信的主要技术难点;简述了国外成功完成火星表面软着陆探测任务——海盗号、"火星探路者"、"火星探测巡视器"、凤凰号、"火星科学实验室"EDL过程采用的通信方案,并在其基础上进行了归纳总结;详细介绍了EDL过程所采用的直接对地通信、中继通信方案组成、通信能力和关键单机等;论述了中继通信、信号调制、信道编码以及黑障分析、防护与减轻等通信关键技术及其工程现状。最后给出了对我国火星探测EDL过程通信技术方案设计的一些建议。     

再入飞船通信环境建模研究

再入飞船的通信环境所受影响主要体现于飞船周围等离子体鞘对电磁波产生衰减。为了研究飞船再入过程中衰减对通信的影响,需要建立飞船外围的三维通信衰减仿真模型,在此基础上可以研究适用于再入通信环境的新型通信技术。为此文章提出了再入飞船通信衰减的动态建模方法,并根据气动、热力学和电磁波理论公式提出了具体的飞船再入动态通信环境建模方案,同时阐述了各部分建模的研究方法,为进一步研究应对黑障的新型通信技术奠定了基础。     

载人航天器的再入与回收

文中主要概述了美国载人飞船回收技术的发展,介绍了保证载人飞船安全返回着陆的方法、采用的回收控制技术、地面对再入返回段的测控支持、载人飞船的回收作业、载人飞船的应急返回和回收救援等技术问题。     

遗传算法在载人飞船返回轨道一体化设计中的应用

载人飞船返回再入轨道设计的主要任务是确定出标准返回轨道和再入制导规律。遗传算法具有全局寻优的特点，适合于工程设计的要求。文章探讨采用遗传算法实现飞船返回轨道的一体化设计，并给出飞船返回轨道设计步骤。     

我国数据中继卫星系统发展建议

天链一号数据中继卫星在轨成功运行,标志着我国在天基信息传输领域的重大突破,今后发展方向是建设中继卫星组网系统,以满足数据中继不断增长的需求.分析表明:经度间距约为180°的地球静止轨道(GEO)双星组网系统,只需在我国本土设立控管站,利用地面高速光纤干线,双星就能对离地高度大于95km的航天器实现100%轨道覆盖的中继...     

空间次生环境研究及探测方法概述

文章基于空间次生环境及其效应定义,分别结合不同次生环境阐述了国内外在磁场作用下带电粒子对航天器的影响、航天器非金属材料出气的影响、航天器与空间等离子体相互作用影响、航天器发动机羽流效应和航天器舱内电子环境及效应等的研究状况,并有针对性地开展了典型的发动机羽流效应、放电监测系统和航天器自身磁场分布探测研究。     

电推进航天器的特殊环境及其影响

文章介绍了应用离子和霍耳电推进系统在航天器周围产生的等离子体和电磁场等特殊环境,讨论了这些特殊环境对航天器各分系统或部件产生的溅射腐蚀、沉积污染、充放电、等离子体干扰、碰撞动力学扰动等影响效应,探讨了研究电推进与航天器相互作用效应的地面试验技术、空间飞行试验技术和模型分析技术,介绍了离子电推进系统与航天器相容性分析评价的技术要点。     

航天继电器浪涌电流作用下电接触寿命研究

近年来,卫星上的航天继电器在使用过程中发生了多次触点粘连故障,经分析发现,虽然在继电器设计中均根据其稳态工作电流进行了一级降额设计,但由于非纯阻性负载的存在,继电器在通断瞬间均存在一定程度的浪涌电流,该浪涌电流可以使触点迅速熔蚀,甚至熔焊失效。文章针对继电器接通瞬间浪涌电流对触点的熔蚀现象开展研究,利用试验测试并验证航天继电器的抗浪涌电流能力,对触点熔蚀、熔焊机理进行分析研究,研究结论可以指导航天继电器的使用,提高继电器在轨应用的可靠性和安全性,延长其使用寿命。