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。     

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。     

Q/V频段电磁波在等离子体鞘套下的传输特性

高超声速飞行器再入地面时，由于飞行器表面等离子体电子密度分布不均匀，因此从背风面向天基中继卫星传输，可避开迎风面的高电子密度，并以Q/V频段为测控频段，经中继卫星转发至地面测控站。本文以波阻抗方法为基础，分析了Q/V频段在不同等离子体参数下的传输特性，并仿真了等离子体对Q/V频段天线波束指向的影响。结果表明：Q/V频段在等离子体中穿透性更好，可在更高的等离子体电子密度和碰撞频率下保持较低的衰减值。但Q/V频段下的天线波束指向偏差较大，随着频段的提高和入射角度的减小，偏差值逐渐减小。因此，应用Q/V频段，通过中继卫星转发实现实时通信，有利于缓解再入飞行器“黑障”现象。     

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。     

等离子体电磁信号多维度特征测量系统研究

为进一步研究等离子体鞘套特性及其对电磁波传输的影响,研制等离子体电磁信号多维度特征测量系统。系统可在地面实验环境中对高速目标等离子体下通信信号进行多维度特征测量,分析信号传输衰减、相位畸变等特性。系统完成Ka测控通信频段等离子体透射测量实验,验证多维度特征测量系统宽带测量、大动态微弱信号的检测能力。对采集的数据进行分析,初步验证等离子体对通信信号的衰减和相位特性的影响。     

等离子鞘套热力学波动对电磁波传播的影响

针对等离子鞘套热力学波动造成电磁波传播特性变化的问题，结合湍流理论、等离子理论和电磁波传播理论，得到了热力学参数波动与介电常数间的关系。计算了不同状态下热力学参数波动引起S和Ka波段电磁波透射和反射系数的变化。结果表明，当电子密度增大，S波段反射系数变化减小、透射系数变化增大；当Ka波段在碰撞频率10MHz时，反射系数变化增大、透射系数变化减小，在碰撞频率1GHz和50GHz时透射系数变化反射系数变化先增后减。不同高度下波动的影响也不同，S波段透射和反射系数变化随高度升高先减后增；Ka波段透射系数变化先减后增、反射系数变化先减后增而后再次减小。因此，应根据实际环境状态获得波动的包络范围，进而针对性开展测控通信系统设计。     

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。     

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。     

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。     

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.     

钝头型航天器再入通信黑障及对策研究

首先介绍了无线电波在等离子体环境中传播的基础理论,在此基础上分析和讨论了钝头型航天器再入时形成的等离子鞘套及相关通信黑障现象。从13个方面(包括近期和远期实现的可能性等)对多种减轻或消除黑障的设想和方法:包括高频、激光、高等效全向辐射功率(Effective Isotropic Radiated Power,EIRP)和品质因素(G/T值)、选择空气动力外形、亲电子材料、磁或电磁控制、中继等进行了全面的比较和评估。考虑到我国的空间基础设施和技术背景条件,利用中继法应是在近期可实现的工程技术解;而亲电子材料、磁或电磁控制法对解决各种等离子鞘套问题具有广阔的远期发展前景。文章的研究结果对我国今后的再入类航天器工程顶层构想具有参考意义。     

临近空间高速飞行器综合信道模型研究

针对临近空间飞行器在高速飞行时所经历的高动态多普勒和等离子鞘套等恶劣通信环境以及其通信中断问题,提出了临近空间高速飞行器的综合信道模型方案,在对综合信道内电波传输信道特性分析的基础上将其建模为频率选择性快衰落信道;同时建立了等离子鞘套信道的数学模型,利用传输矩阵法和FDTD算法计算了表征大尺度衰落的电波传输透射系数,并根据散射信道建模方法给出了小尺度衰落的仿真模型并对其参数的获取进行了分析.仿真计算和定性分析表明了该综合信道模型方案的可行性.     

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%。     

一种基于分步过渡的再入段组合导引法

针对比例导引法在弹道导弹再入段误差修正时可能引起的导弹攻角和侧滑角变化剧烈的问题,提出了一种基于分步过渡的再入段组合导引法,并采用了一种考虑弹道倾角增量和弹道偏角增量变化范围的过渡段计算方法。仿真结果表明,改进的组合导引法减小了侧滑角和横向过载的变化范围,并减弱了两种导引法交班段的攻角、侧滑角和过载突变问题,在保证导弹末段飞行稳定控制的同时减小了再入段误差对导弹射击精度的影响。