等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

 针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。     

翼面隐身结构电磁散射特性的数值模拟

隐身结构是指由蒙皮和多种内部材料组成的、能满足承载要求、并能明显降低雷达散射截面的结构。针对某无人侦察机隐身性能的要求,设计出两种低成本的翼面隐身结构方案。但由于隐身结构由多种媒质构成,其雷达散射截面(RCS)的计算和分析是个难题。应用时域有限差分法(FD-TD法)建立隐身结构电磁散射的数值模型,对两种低成本的翼面隐身结构方案的RCS进行了计算和比较分析。数值模拟结果表明,两种翼面隐身结构方案能有效降低翼面的RCS,并且翼面前、后缘和梁腹板之间填充的含有石墨的发泡聚苯乙烯对RCS值有很大影响。这一结论对隐身结构的优化设计具有指导意义。     

开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究

采用时域有限差分（FDTD）方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件。采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积（RCS）的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验。研究表明：在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心;在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大。     

ICP中放电模式转化过程中悬浮电位变化的多样性

研究了射频感性耦和等离子体(ICP)中悬浮电位在模式转化过程(E-H模式)的变化多样性。实验研究了射频功率在5W-1000W,气压在2Pa-50Pa的范围内,通过改变导电地面积、匹配网络、气压等参数,使用Z-Scan系统、电流电压探头以及静电探针进行测量的等离子体悬浮电位在模式转化过程中随功率变化的多种形式,同时给出了r型射频匹配网络的正负反馈区的区别,并对产生的多种现象进行了的理论解释。     

底部形状对钝锥体模型气动与电磁散射性能的影响

开展了飞行器气动与隐身综合特性数值研究。分别利用时域有限差分法和数值求解N—S方程的方法对飞行器的电磁散射与气动特性进行了数值模拟，研究了钝锥体模型底部形状对其雷达散射截面（RCS）和零升阻力的影响。由数值计算结果可知：合理地改变钝锥体模型底部形状，可以降低模型的RCS。并且，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的RCS逐渐减小。当飞行马赫数为5．0，高度为20km时，底部形状为椭球体或锥体的模型，随着椭球体轴的长度或锥体高度的增加，模型的零升阻力略有下降。     

高超声速半球绕流流场电磁散射特性分析

分析再入流场对飞行器再入通信及空间散射特性的影响,研究电磁波与再入等离子体作用机理.采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法计算导电金属半球高超声速绕流流场电磁散射特性,分析半球等离子体包覆绕流流场雷达散射截面(RCS)随入射电磁波频率、双站角、飞行马赫数和高度变化特性.计算表明,前向是全方位散射中RCS取得最大值的方向.马赫数Ma≤10时,马赫数及高度变化对半球高超声速绕流流场L,S波段后向RCS和双站RCS影响很小;在L,S波段,绕流流场及半球本体的后向和前向RCS差距较小.马赫数Ma=14,16时,过密等离子体鞘套的形成增大了本体投影面积,在L,S波段,绕流流场前向RCS比本体前向RCS大;绕流流场存在对半球本体双站散射特性影响很大.      

平面埋入式进气道的电磁散射特性

 对一种平面埋入式进气道在Ku波段选择入射频率15 GHz情况下进行了电磁散射特性的实验和仿真研究,取得了平面埋入式进气道雷达散射截面（RCS）随方位角、迎角和终端的变化规律。研究结果表明: (1)平面埋入式进气道布局的导弹模型在水平极化终端为风扇时±60°RCS均值为-27.42 dBsm,垂直极化为-28.50 dBsm是一种隐身方案;(2)迎角变化对埋入式进气道RCS的影响不大,在-5°~10°的迎角范围内RCS均值的变化不大于4 dB;(3)运用时域有限差分法(FDTD)计算所得的RCS随方位角变化曲线与实验曲线趋势基本一致,±60°均值误差在1 dB左右。     

超高速模型及其等离子体鞘套RCS特性研究(英文)

为了研究等离子体对超高速模型雷达散射截面的影响,利用气动物理靶测量超高速模型及其绕流的雷达散射截面(RCS),给出了雷达接收信号、信号频谱和模型雷达散射截面的一维距离像。利用时域有限差分方法(FDTD)分析了等离子体鞘套对模型电磁散射特性的影响。将数值模拟结果和试验结果进行了对比,对比结果显示二者符合得很好。数值模拟结果还表明雷达入射角小角度偏移对测量结果有较大影响。     

典型布局飞机电磁散射特性数值计算研究

电磁隐身对飞行器战场生存力具有重要影响,作战任务不同,对应的飞行器布局形式也不同,而飞行器布局形式会影响其电磁散射特性。建立四种典型布局形式和电磁模型,基于物理光学法,数值模拟不同布局飞行器的RCS曲线,并分析RCS分布特点;对常规和特殊布局模型,研究其电磁散射的频率响应特性。结果表明:飞机布局决定RCS分布形式,在前向角域内,布局A-1、A-2、B、C、D的电磁隐身性能呈震荡提高趋势,RCS均值从7.770 0dBsm震荡降低至-30.067 3dBsm,布局B的RCS均值为-10.434 7dBsm;而不同布局的后向和周向角域电磁隐身性能依次提高,后向RCS均值由常规布局的22.702 5dBsm缩减为-25.093 8dBsm,周向由7.039 1dBsm缩减为-15.137 3dBsm;在高频区域,频率增加对RCS曲线分布特点影响较小,但曲线震荡性更加明显,RCS算术均值降低。     

座舱及进气道对某飞翼布局电磁散射影响

座舱和进气道对飞行器隐身性能有重要作用。为分析座舱及进气道的散射影响特性,建立了四种包含不同部件的电磁模型,结合物理光学法和雷达截面积(RCS)均值相对增值概念,研究了RCS曲线分布影响、俯仰角响应特性、频率响应特性。结果表明:考虑隐身设计的座舱和进气道不改变散射分布特性,RCS曲线分布特性相似;俯仰角增加,座舱影响较小,进气道、混合座舱和进气道前向、后向、周向角域相对增值震荡性递增,频率增加,座舱对电磁散射影响不大,进气道、混合座舱和进气道的前向、后向角域的相对增值震荡减小。座舱对电磁散射影响较小,前向相对增值位于-2.4～1 dB之间,进气道对电磁散射影响较大,前向相对增值为2～12 dB。     

用于飞行器的强电离放电非平衡等离子体隐身方法研究

着重研究了等离子体临界电子密度、电子等离子体频率等参数对电磁波的折射、吸收、反射的影响。在此基础上,采用了强电场电离放电方法,在放电间隙内产生高密度、高能量的电子,它足以电离氮、氧等气体,在飞行器表面形成具有一定梯度的高密度等离子体层,能够吸收、折射电磁波,衰减雷达散射面积达千余倍。该等离子体器件是一个很薄的组合件,仅有百余克重,可贴附在电磁波强散射部位和进气道壁上。此方法具有吸收频带宽、吸收率高等特点,有望成为机载微型等离子体产生器件。     

电磁波在等离子体高温气体中传输特性实验研究

针对高超声速飞行器头身部形成的等离子体鞘套对通信的影响,在中国空气动力研究与发展中心的粉末激波管上开展了电磁波在等离子体高温气体中传输特性的实验研究。实验中获得了等离子体气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率。实验结果表明：X波段和Ka波段电磁波在高激波马赫数Mas=16.1、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=15.9、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X波段和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=10.1、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的高温等离子气体中平均传输损耗较小,可以进行有效传输;Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=8.9、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体气体中平均传输损耗小于1dB,可以进行有效传输。实验得到的等离子体高温气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率与理论计算值基本一致。     

再入飞行器尾迹流场及其雷达散射效应研究

对再入飞行器等离子体尾迹及其雷达散射特性进行了分析、研究和大量的计算。讨论了物形、流场各因素对尾迹雷达散射截面的影响。流场计算使用准一维粘性尾迹方程，以修正基尔方法（多值法）求解，用一阶Ｂｏｒｎ近似完成亚密雷达散射截面（ＲＣＳ）计算。计算中使用８组元混合空气、１４个非平衡化学反应模型，考虑５种不同尺度的小钝头锥形物体，沿再入轨道取６５至３４公里，共１３个高程的飞行条件。通过计算得到了再入体尾迹各流场参数、电子密度分布及湍流亚密尾迹的ＲＣＳ。结果说明再入钝锥细长体粘性尾迹的转捩特性对于等离子体的散射性质具有决定性的作用；再入弹头尾迹等离子体对地面单站雷达发射波的回波主要来源于尾迹湍流亚密的非相干散射；对确定的波长，当环境雷诺数达到临界值之后，可能出现ＲＣＳ的突增现象；不同物形及来流条件造成尾迹转捩位置的改变，从而影响ＲＣＳ的数值及其沿轨道的分布；改变尾迹颈部初值会引起ＲＣＳ值的明显变化。     

射频感性耦合等离子体中的受迫振荡研究

实验研究了匹配状态、放电气压对氩气射频感性耦合等离子体中受迫振荡的影响.结果表明:受迫振荡总是出现在放电的正反馈区;在高气压下(>30Pa)受迫振荡的频率较低.对于使用射频感性耦合等离子体进行薄膜沉积的参数选择给予了理论指导.     

微波在薄层等离子体中传输效应研究

为了准确预测再入飞行过程中等离子体对微波传输特性的影响,采用WKB方法、FDTD方法、平面波理论和薄层等离子体理论4种方法,结合粉末激波管上开展的试验研究了X波段和Ka波段微波在薄层等离子体中的传输效应。对于X波段,试验时激波马赫数为9.6、10.7和10.5;对于Ka波段,试验时激波马赫数为10.5。通过对比与分析获得的主要结论有：当等离子体厚度和入射波波长相近时,薄层等离子体理论计算结果比其它三种方法的计算结果更接近于试验结果;在碰撞频率接近并且电子密度小于临界电子密度的条件下,Ka波段微波信号穿过相同厚度的等离子体比X波段微波信号衰减小得多,具有更强的穿透性;如果等离子体碰撞频率和微波入射频率相同,随着电子密度的增加,微波信号穿过相同厚度的等离子体时衰减变大;当碰撞频率和入射波频率差不多时,共振吸收导致衰减达到最大值。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.     

等离子体单极天线辐射特性和隐身性能研究

在等离子体单极天线工作原理的基础上,详细研究了等离子体表面波的色散关系,推导了等离子体的浓度分布和等离子体气柱长度与激励源的关系。并分析了离子体参数对等离子体天线谐振频率、方向图的影响,计算并比较了等离子体天线和普通天线的雷达散射截面。结果表明了等离子体天线具有优良性能和很好的隐身效果。     

热平衡等离子体的二维复合流动数值计算

采用中性气体流动欧拉方程的近似因子分解法，耦合等离子体的热平衡模型方程，对用微波产生的等离子体在喷管内二维轴对称复合流动进行了数值计算。计算结果表明：微波等离子体电子数密度不超出临界值，1kW以下功率微波产生的是弱电离等离子体；气流的马赫数分布不受微波加热功率、喷管入口压强的影响，喷管内等离子体中电子数密度随微波功率的加大而增加，随入口压强的增加而减小。     

基于120°波束宽度的移动通信基站天线-罩系统的电性能研究

利用Ansoft HFSS软件,以带有平板反射器的单极子柱状扇形天线为研究对象,通过对比单层罩结构和B夹层罩结构对天线电性能影响的异同,分析了天线谐振频率,远场区辐射和带宽随罩壁厚度,天线罩内径以及夹芯层占罩壁总厚度之比例等参数的变化趋势,找出了以上参数对带宽影响的最优化范围,在半功率波束改变不大的情况下,B夹层天线罩具有单层罩近2倍的带宽。