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。     

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。     

再入等离子体流动及其电磁波传输效应研究

基于求解N-S方程的数值方法和求解波动方程的WKB方法,建立了高超声速再入等离子体流场及其对电磁波传输影响的计算分析手段。通过比较分析飞行条件下再入体周围等离子体分布及其对通信的影响,初步验证了计算分析方法的可行性。在对再入等离子体流场数值模拟的基础上,计算了不同频率电磁波在等离子体介质中的传输特性,分析了再入体壁面催化条件及等离子体碰撞频率等因素对不同频率电磁波传输特性的影响。研究表明:再入高度越高,壁面催化对等离子体分布及其电磁波传输的影响越大;当电磁波频率低于特征碰撞频率时,碰撞频率可对电磁波传输特性产生显著影响。     

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。     

任意角入射到非均匀等离子体的WKB法

用WKB法研究了以任意角入射的电磁波在非均匀非磁化等离子体中的衰减特性,给出了电磁波在非均匀非磁化等离子体中的双程衰减公式。选用抛物线型等离子体密度分布进行计算,基于等离子体共振吸收概念分析了双程衰减与入射电磁波频率、等离子体碰撞频率、等离子体最大密度和电磁波入射角等的关系。对等离子体隐身研究有一定的参考价值。     

无线电波在再入等离子体中传输的衰减模型及仿真验证

简要描述再入等离子体的流场特性和等离子体的电特性参数,从平面电磁波在无限大均匀等离子体层的传输出发,推导无线电波在均匀和非均匀等离子体中受到衰减的数学模型。结合美国RAMC飞行试验数据,利用衰减模型计算了25km~75km高度上信号的衰减值,通过与美国RAMC飞行试验结论的对比,验证了衰减模型的正确性。     

碰撞等离子体的宽频带电磁波吸收特性

针对具有金属反射面的非均匀等离子体对电磁波的反射、吸收问题,采用求解波动方程的方法构造相应的边界条件,详细研究各种参数等离子体对电磁波的吸收特性,讨论对等离子体参数及波动方程进行归一化的方法,得到归一化条件下的等离子体宽频带吸收特性。计算分析表明,对于电子密度为某种渐进分布的有碰撞的低温等离子体,当碰撞频率与最大电子密度处的等离子体频率相近或略大,且等离子体层的厚度足够大时,在一个较宽的频带内,等离子体对电磁波有较强的吸收作用。研究结论可以用于等离子体参数的选择,及等离子体隐身的参数设计。     

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。     

再入钝锥体绕流流场电磁散射特性分析

采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算再入钝锥体绕流流场电磁散射特性,分析钝锥体等离子体包覆绕流流场的RCS频率特性、极化特性及双站散射特性。计算表明,在马赫数较小（本文Ma≤10）时,马赫数变化对绕流流场后向RCS影响较小。电磁波垂直锥体母线入射时,极化方式（本文极化角0°和90°）改变对绕流流场后向RCS影响较小;绕流流场后向RCS随入射波频率变化曲线可用两条直线来逼近;随入射波频率增大,绕流流场后向RCS振荡上增。前向散射是全方位散射中RCS取得最大值的方向;入射角大于钝锥半锥角时,除前向RCS外,以锥体母线为基准的镜面反射方向RCS比其它散射方向RCS大。     

电磁波在非均匀有损耗再入等离子鞘层中的传播

本文从分层模型出发,采用不变量镶嵌原理,给出了分析再入等离子鞘层中电磁波传播特性的理论方法,计算了电磁波的功率透射和功率反射系数。理论结果与飞行实测数据相符。本方法的优点是:物理概念清晰直观,公式简明,通用性强,计算程序适用于鞘层具有任意厚度、电子密度和电子碰撞频率具有任意分布形式以及任意多分层的情形。     

太赫兹通信解决黑障问题的探讨与分析

从电磁波在等离子体中传输的机理出发,分析电磁波在等离子体中传输的衰减模型。以我国载人飞船为例,分析电磁波在等离子体中传输的衰减,指出采用太赫兹波段可以使衰减控制在3dB以下。为了解决太赫兹波在大气传输中损耗过大的问题,提出一种基于中继转发的太赫兹通信系统方案,并给出系统总体设计、频率选择和通视距离计算结果。指出系统设计的关键技术,给出相应的解决方法。最后,分析系统工程应用的主要难点。     

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。     

等离子体天线的原理及特性

根据等离子体柱天线的系统构成,分析了等离子体柱天线的基本工作原理,讨论了表面波在等离子体柱天线中的传播特性、等离子体柱内的电子分布,以及天线的长度、噪声与辐射特性。分析表明：表面波能激发和维持等离子体柱,等离子体柱可构成等离子体天线,且具易隐身、可控性等优点。     

电子束辐照下铝合金靶中热击波传播规律研究

文章研究了电子束辐照下铝合金靶中热击波的传播与衰减规律。首先给出了基于半径回归法的铝合金本构模型,并给出了将其应用于数值模拟的计算流程。然后,利用该模型以及自主编写的计算软件DRAM1D,模拟了脉冲电子束辐照铝合金的热击波效应。将计算结果与采用理想弹塑性本构模型得到的结果以及实验结果进行了比较,结果表明,相比于理想弹塑性本构模型,基于半径回归法的铝合金本构模型所得到的热击波衰减相对较快,与电子束辐照铝合金的实验结果符合较好,更适合于描述铝合金靶材中的热击波传播。     

大气中激光等离子体通道的传播特性分析

对大气中激光等离子体通道的传播终端特性进行了研究。建立了大气中激光等离子体通道的近似电磁模型,基于圆柱坐标系中纵向分量所满足的波动方程,给出了纵向场与横向场的关系,由边界条件导出了大气中激光等离子体通道的特征方程。特征方程的数值解获得了相应色散曲线。     

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%。