毫米波大气窗口在临近空间等离子体鞘套中的传播特性

针对飞行器再入和以高超声速在临近空间飞行时出现的通信黑障问题,依据RAM C提供的飞行试验数据建立等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体厚度及等离子体碰撞频率和等离子体电子密度等参数对毫米波大气窗口传输的反射和衰减特性.综合分析表明,可以采用大气窗口35 GHz所在的Ka波段作为临近空间主通信平台,辅以大气窗口0.22 THz所在的太赫兹波段天基中继平台,以期实现飞行器在临近空间飞行时的实时测控.     

高超声速飞行器太赫兹测控通信设计与分析

针对高超声速飞行器在临近空间通信是面临的黑障问题，提出了一种利用太赫兹波来进行测控通信(TT & C)的方法。在建立时变、非均匀等离子体模型的基础上，采用移位算子时域有限差分（SO-FDTD）方法分析了不同的等离子体参数对电磁波散射特性的影响。在此基础上建立了太赫兹抗黑障测控通信系统模型，并重点研究了太赫兹抗黑障测控通信的系统性能。结合实际的通信系统参数和环境参数，进行了太赫兹抗黑障测控通信系统性能仿真，结果表明，通信距离、等离子体上升时间、温度和压强都会对通信系统的误码率性能产生影响，其中通信距离对系统性能的影响显著。总体来看，提升入射波频率是减轻等离子体影响的有效方法，其次为了保障系统的误码率性能应根据链路预算设计合理的通信距离。     

基于传输矩阵法的等离子体鞘套传输特性分析

引入分层模型传输矩阵法,分析高速临近空间飞行器等离子体鞘套传输特性.通过对典型飞行器模型进行纳维-斯托克斯方程组数值求解,仿真了等离子体鞘套的流场电子密度分布,分析了电磁波在等离子体鞘套内传输时的衰减常数,给出信号传输的反射系数和透射系数.基于传输矩阵法的仿真结果与理论分析结果和时域有限差分法仿真分析结果有良好的一致性,同时,该方法有效降低了计算复杂度,适用于任意电子密度分布和厚度的等离子体鞘套传输特性的数值求解.      

再入航天器表面亚波长等离子体薄层对微波信号影响效应研究

为了建立电磁波在亚波长等离子体薄层中传播的物理数学模型,并针对通信频段的电磁波,研究电磁波在再入航天器表面等离子体薄层中的透射问题,相关研究成果可为再入航天器通信“黑障”现象研究提供理论基础。模型从麦克斯韦方程组出发,采用微分薄层法进行数值求解,获得了不同等离子体密度条件下亚波长等离子体中目标电磁波的透射特性及传播规律,揭示了截止反射效应和碰撞吸收效应在其中发挥的作用。本研究对于深入了解亚波长碰撞等离子体薄层中电磁波的传播过程具有意义。     

等离子体鞘套对C波段通信信号传输影响的试验

飞行器在稠密大气层超音速飞行时,由于其周围形成等离子体鞘套对通信信号的屏蔽或能量大幅度衰减效应,可使飞行器与地面间通信产生中断.以等离子体鞘套对通信信号透射相位改变和能量吸收为基本出发点,以高温激波管试验装置产生的、生存时间为几百微秒量级的等离子体鞘套为研究对象,利用四进制相移键控（QPSK,Quaternary Phase Shift Keying）调制、载波频率为7.5GHz的信号生成与测量系统获取有无等离子体鞘套时信号相位特征、眼图特征、图像传输等的对比试验结果,利用矢量网络分析系统E8362B获取了有无等离子体鞘套时透射能量衰减对比试验结果.试验结果不仅进一步证明了等离子体鞘套对通信信号能量大幅度衰减将不同程度影响飞行器与地面的正常通信;同时表明等离子体鞘套能够使QPSK信号相位特征产生改变,从而在信号解调解码后眼图特征产生严重畸变,通信系统误码率P_e 大大提高,最终导致接收端无法复现发送端发送的原始信息.     

飞行器大气再入过程中黑障缓解方法综述

为了方便研究人员更好地掌握黑障的缓解方法及其研究现状,系统地介绍了目前航天领域中用于缓解黑障的多种技术方法.首先,简要介绍了黑障的成因以及研究现状,并阐述了电磁波在等离子体中的传播机理;其次,详细说明了14种黑障缓解方法的基本原理及其优缺点,这些方法包括改变空气动力学形状、引入正交电磁场、驻波检测法、提高入射频率以及太...     

外加正交电磁场等离子体中电磁波透射特性

在基于磁流体动力学和电磁波传播理论的基础上，针对航天飞行器再入过程中的黑障问题，提出了一种物理模型.利用数值分析方法，研究电磁窗周围的电子密度在不同的飞行器轴向距离下，随着飞行器法向距离增加呈现出的变化趋势；改变外加电场和磁场的交叉角度，分析不同角度下电磁窗周围电子密度的变化趋势；研究有外加正交电磁场的电子密度与无外加电磁场电子密度比值的变化趋势和电磁波衰减的变化趋势.结果表明:当外加正交电磁场时，接收天线周围的电子密度随飞行器法向距离的增加而不断减小，其与无外加电磁场时电子密度之比呈现不断下降的趋势；电磁波的衰减在不同飞行高度和外加磁场强度下，随着电磁波频率的增加而不断减小.这为减缓“黑障”问题提供了一种新的方法.      

面向空间通信的DTN一体化传输性能约束研究

相比于地面网络，空间通信链路具有较长的延迟、频繁的中断、较高的误码率及上下行链路非对称等特性，互联网成熟的网络技术并不适用，对网络可靠传输性能的保障提出了挑战。不同于空间IP协议体系方案，针对空间通信链路特性，采用多种传输机制兼容的DTN（delay tolerant networking）协议架构。重点针对链路非对称、和信道误码率等特性，研究对保障可靠传输的TCP和LTP两种传输机制的性能制约，并给出LTP（Licklider transport protocol）机制的跨层包尺寸优化模型。基于半实物仿真平台，构建静止轨道GEO以下的空间通信场景，进行真实数据流仿真，分析链路因素对协议传输性能的影响。仿真结果表明，在近地端误码率和信道非对称比例较小的空间通信场景中，仍可以采用TCP机制保障可靠传输，但对于误码率和信道非对称比例较高的通信场景，应考虑采用LTP传输机制保障通信的有效性和可靠性。     

航宇局的小型试验空间通信平台

图二,这是航宇局拟在八十年代中后期用航天飞机发射的小型空间通信平台。此试验平台长24.4米,可用一架航天飞机一次送入低地球轨道,然后再用其它助推器送入同步轨道。该平台可安装C波段、K_a波段、L波段和K_a波段的通信载荷。用6个这种平台在同步轨道上可完成目前124颗通信卫星所完成的通信业务量。详细报道见本刊1980年第七期第10页。     

磁鞘等离子体密度统计建模

利用理想磁流体LFM模型的模拟数据,基于非参数统计方法对2004年11月14日03:00UT-07:00UT磁暴恢复相期间磁鞘等离子体平均密度进行建模.分析磁鞘等离子体平均密度与上游太阳风参数、行星际磁场参数及地磁扰动参数的统计关系,建立基于数据降维的经验模型.结果表明,电离层扰动强度因子、太阳风-磁层耦合强度因子和日地空间因果链耦合强度因子是影响磁鞘等离子体平均密度的三个主要方面.磁暴恢复相期间电离层上行离子是磁层环电流和磁尾等离子体的重要离子来源.建模分析过程表明,利用经验模型对空间物理过程开展建模,数据的严重多重共线性通常会导致模型的精度较差.而利用SIR和LPR建立的磁鞘等离子体平均密度随相关参数变化的经验模型可以有效解决该问题,具有较好的预测精度,统计特征显著.      

时域有限差分法连接边界电磁泄漏

用时域有限差分法计算目标的雷达散射截面时,一般用连接边界来引入平面入射波.理想情况下,当总场区没有散射目标时,该区域仅有入射波,散射场区电磁波为0.但在实际计算过程中,散射场区的电磁波一般不会严格等于0,这是因为在连接边界引入入射波时产生了电磁泄漏.一维情形下,用散射场区电场的平方和来衡量电磁泄漏程度.二维情形下,用等效原理将散射场区的电磁场进行远场外推,得到雷达散射截面,以此衡量电磁泄漏的大小.研究表明:时间步长、入射角度都能影响电磁泄漏大小.为使电磁泄漏较小,时间步长应接近于稳定性要求的最小步长,入射方向应避免垂直于计算区域边界.     

Injection of 40-kHz-modulated electron beam from the satellite: II. Excitation of electrostatic and whistler waves

Beam-plasma interaction effects are studied during the active space experiment with electron and Xe-ion beam injections in an ionospheric plasma. Permanent 40-kHz-modulated electron beam injection occurs simultaneously with a xenon-ion beam injected by the Hall-type plasma thruster operating in a square-pulse mode (100/50 s for a job/pause duration). The unusual behavior of the background charged particle fluxes and wave activity stimulated during the beam-plasma interaction have been registered by the scientific instruments onboard Intercosmos-25 station (IK-25) and Magion-3 subsatellite. The longitudinal and electromagnetic wave instabilities and their mutual relationship are considered in order to explain the observed effects. The excitation of electrostatic waves by the electron injection has been considered for different resonance conditions near the linear stability boundary. Beam-driven electromagnetic instability is responsible for the backward-propagating whistler waves excited via cyclotron resonance. Competition of these two beam instabilities is one of the subjects of the present study.     

临近空间表面波等离子体减阻性能分析

为研究临近空间表面波等离子体减阻效果,基于流体宏观模型的基本特征,分析了表面波等离子体流动控制机理的基础,以飞艇为模型,对其在 0°攻角情况下的流场进行仿真计算,比较了不同激励器控制方案的减阻效果,研究了飞艇尾部区域的等离子体流动控制效果. 结果表明,表面波等离子体具有增加飞艇升力、减小飞艇阻力的效果;单侧控制方案最大减阻效果达7%左右,对称控制方案减阻效果明显优于单侧控制方案,最大减阻效果可达32%左右;表面波等离子体对飞艇尾部的流动分离具有很好的消除抑制作用.      

太阳宁静及耀斑期间1AU附近等离子体轫致辐射研究

在太空等离子体中，尤其在等离子体内部磁场较弱时，轫致辐射是等离子体能量损失的主要机制．本文对太阳宁静及耀斑期间1AU处等离子体轫致辐射计算表明，等离子体辐射强度If的变化与辐射的电磁波频率有直接的关系．当辐射频率，接近于等离子体频率，fpe时，辐射强度显著增大．随着电磁波辐射频率的增大，辐射强度随频率增大作缓慢对数下降．辐射亮温Tb与等离子体电子温度Te、介质光深成正比．Tb与If随辐射频率变化的整体趋势一致．在相同的辐射频率情况下，太阳宁静期间If值、Tb值低于太阳耀斑期间If值、Tb值．     

南京地区斜向加热电离层效应数值模拟

与垂直加热相比,斜向加热电离层具有灵活性高、影响范围广和便于实际操作等优势.在非偏区考虑欧姆吸收,基于电子能量方程和连续性方程构建电波斜向加热低电离层的物理模型,并利用IRI-2007和NRLMSISE-00经验模型提供的背景参数对南京地区斜向加热低电离层进行数值模拟,对比不同加热条件下电子温度和电子密度的扰动情况.研究结果表明:电波加热效果随入射仰角和有效辐射功率的增大而增大;电子温度和电子密度增幅随电波频率增大而减小;X波模比O波模造成的电子温度扰动幅度和电子密度扰动幅度更大,同时X波模比O波模能更快地使电子温度和电子密度达到稳定状态;一定范围内较小仰角、较低频率、较大有效辐射功率的电波能使电子密度更快达到稳定,后两者还能加快电子温度达到稳定的过程;电子温度达到稳定所需时间随入射电波仰角呈单峰变化,仰角为62°时达到最大.      

Kinetic theory of sheath formation in solar wind plasma

We present a general self-consistent kinetic theory for plasma sheath formation in solar wind plasma. The theory could be applied to anisotropic, as well as to isotropic collisionless plasma without resorting to any simplifications, limitations, or assumptions, such as the necessary existence of a ‘pre-sheath’ region of ions acceleration to ensure the Bohm criterion. The kinetic framework is first applied to sheath formation around an arbitrary oriented planar absorbing surface, charged by solar wind anisotropic plasma, under the condition of negligible photoelectric effect. We then make use of our kinetic approach for the plane geometry in isotropic collisionless plasma, as a particular case of a planar electrode orientation parallel to plasma streaming velocity, also analyzing the sheath structure around spherical and cylindrical absorbing electrodes submerged in isotropic collisionless plasma. Obtained results demonstrate principal differences in spatial charge distributions in sheath regions between spherical or cylindrical electrodes of large size and an unbound planar surface submerged in isotropic plasma. In the case of a planar electrode, we directly compare results obtained in our kinetic and hydrodynamic theories and conventional hydrodynamic theory of plasma sheath formation. The outcome from the present study have direct implications to the analysis of plasma sheath structure and associated distribution in space of charged dust grains, which is relevant to the moon exploration near the optical terminator region or in shadowed craters in the moon.