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.     

高超声速球模型尾迹电子密度试验研究

在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上利用电子密度测量系统进行了高超声速钢球模型、铜球模型尾迹电子密度测量。电子密度测量系统由8mm微波干涉仪系统、开式微波谐振腔测量系统和闭式微波谐振腔测量系统组成。钢球模型直径φ10mm,速度分别为5．8、5．5、5．6和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为2．79、5．32、5．85和10．91kPa。铜球模型直径φ10mm,速度分别为5．6、5．6、5．7和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为1．33、4．79、5．89和10．91kPa。结果表明：（1）在压力5．3～11kPa范围内、速度约5．5km／s试验条件下,压力越高,钢球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较快;（2）在压力1．3～6kPa范围内、速度约5．6km／s试验条件下,压力越高,铜球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较慢;（3）在压力约10．7kPa、速度5．5km／s试验条件下,铜球模型的尾迹电子密度衰减速度比钢球模型慢得多。     

微波干涉仪在火箭羽流电子密度测定中应用研究

为研究火箭羽流的等离子体对导弹隐身性能和制导能力的影响,利用微波干涉仪设计了一种基于微波法的电子密度测试系统。采用有效的噪声屏蔽硬件措施和消除噪声的数据处理方法,提高了电子密度测试的精度。准确测试出不同推进剂之间电子密度特征上的差异,其测试结果与理论预估相符。该测试系统的使用对高电子密度的推进剂配方改进及等离子发动机设计具有一定的指导意义。     

利用COSMIC掩星数据监测电离层的异常变化

分析了COSMIC掩星数据反演电子密度的方法,利用实例研究反演方法的特点,并采用ISR非相干散射雷达获取的电子密度数据进行验证,进而反演了长三角区域SHAO（IGS）站上空在日全食和太阳风暴期间的电子密度廓线图. 通过与平静日期间电离层电子密度进行比较,发现日全食及太阳风暴导致电离层发生的异常变化,从而提出COSMIC掩星数据反演电子密度在监测电离层变化时所具有的优势.      

固体火箭发动机喷流中电子密度的实验研究

研究如何利用固体火箭发动机工作产生的非均匀等离子体喷流流场,改变飞行器的目标光电特性是导弹等飞行器突防的一个重要课题.对此进行了一些初步的探索性实验,获得了两种不同固体火箭发动机喷流流场电子密度的有关数据,其中双基推进剂约为109cm-3量级,复合推进剂10^10～10^11cm^-3量级.试验表明,将固体火箭发动机作为等离子体发生器是一种行之有效的方法,可以获得需要的电子密度值.     

基于电子密度同化的热层大气密度预报方法

采用热层电离层耦合模式TIEGCM和集合卡尔曼滤波同化方法,利用同化COSMIC电离层掩星电子密度数据优化热层电离层参量,并将模式预报的大气密度与CHAMP卫星大气密度数据进行对比,分别开展模拟和实测数据的同化预报实验.在模拟数据同化实验中,状态向量包含温度、风场和离子成分的实验结果表明,仅优化温度即可达到最优的热层大气密度预报效果.在实测数据同化实验中,将温度作为状态向量参数,优化结果表明,循环同化过程中模式预报的大气密度相对偏差的均方根误差在48h内从38%减小到27%,同化稳定时间至少需要30h.预报过程中大气密度预报效果的改善持续时间为34h.这表明电子密度同化能够改善热层大气密度的预报精度,设计的实验方案合理可行,可获得较长的预报时效.      

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.      

135.6nm夜气辉峰值电子密度反演算法及误差

根据夜间135.6nm大气辉光光强与F₂层峰值电子密度N_mF₂平方成正比的物理机制,在前期夜间135.6nm气辉辐射激发模型研究的基础上建立了峰值电子密度的反演算法,把全球经纬度分成若干格点,每个格点的电离层及中性成分信息分别由IRI2000和MSISE90提供,将电离层及中性成分廓线输入夜气辉辐射激发模型,计算每个格点135.6nm气辉的辐射强度,然后将各个格点的135.6nm气辉辐射强度与电离层廓线输入的N_mF₂平方拟合得到气辉强度与N_mF₂的转换因子.利用此方法可获得不同地方时、季节和太阳活动周期的转换因子组成查算表,进而根据实际探测的135.6nm气辉辐射强度反演相应时空的N_mF₂.最后对该算法的反演误差进行了综合分析,为该算法适用的时空特性提供重要理论支撑.      

高温空气电子浓度的实验测定及对理论图表的检验

本文总结了近几年来在φ800mm激波管上对高温空气电子密度所做的大量测量工作。在ρ_1=1.3—133帕斯卡,M_s=9—22.5的范围内,使用了近自由分子流Langmuir探针、普通微波透射仪、高灵敏度微波透射仪和反射仪、微波干涉仪等对正激波后的电子密度进行了系统地测量。在各种参数状态下,全部实验数据均符合在同一激波马赫数下n_g正比于ρ_1的经验规律。实验测量结果与目前工程上常用的各种理论计算图表进行了对比,验证了这些图表的可用性。     

热与化学耦合非平衡对热流和电子密度的影响

采用单、双温度模型两种粘性激波层方程组对弹头驻点区非平衡流场作了数值模拟。计算结果表明，在算例条件下热非平衡与化学非平衡的耦合效应对壁面热流和电子密度有明显影响。文中给出了完全催化壁和非催化壁两种情况下以及采用不同振动松弛时间公式时上述影响的变化规律。