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。     

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。     

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.     

太赫兹波在等离子鞘套中的传播

文章介绍了平面波斜入射到不均匀非磁化等离子体时的散射矩阵方法,并用这种方法分析了等离子鞘套中太赫兹信号的传播特性;计算了鞘套的反射,透射与群时延。计算结果表明,在低碰撞频率时,鞘套的高通特性显著,随着碰撞频率的增加,鞘套的反射与透射系数随频率的变化趋于缓和;总体上等离子体的入射波频率的增加,有利于电磁波的透射。     

非均匀等离子鞘套中电波传输的近似计算

本文主要研究电磁波在不均匀等离子体鞘套中传播的一些近似计算方法。其中一些方法是采用逼近均匀等离子体鞘套中传播特性作出的,其结果和文章[1]作了对比,数据十分接近,但机时却减少了1/50。     

电磁信号在时变等离子体中传播的调制效应

近期有研究文献表明,高速飞行器等离子鞘套由于姿态调整、湍流、非均匀烧蚀等因素的影响,其等离子体参数可能存在时变特性。针对电磁波在时变等离子体中的传播问题,在经典色散介质传播理论中引入了时变参数项,得出了调制效应与等离子体参数、载波频率的关系;在此基础上对载波频率为35GHz和12GHz时QPSK信号在时变等离子体中的传播进行仿真,结果表明：时变等离子引起的调制效应会使调相信号的星座图发生旋转;提高载波频率有助于减弱调制效应,减少星座点的交叠,误码率降低。     

非均匀热等离子体中磁流源辐射

本文从热等离子体模型出发。研究了在计及外加恒定磁场情况下,位于电子密度具有梯度分布的等离子体鞘套中磁流源天线的辐射特性,计算了磁流源天线激发出电磁波及等离子体波的辐射能流密度,同时讨论了鞘套中等离子体波的贡献。     

高超声速飞行器等离子鞘套相关问题研究与展望

主要对高超声速飞行器等离子鞘套的国内外研究现状进行了跟踪、分析和研究,深入剖析了等离子体流场分布特性、电磁波在等离子体中的传输特性、在线诊断等技术难点,分析并尝试给出后续研究应关注的重点方向。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

降低电磁波在再入等离子体中衰减的仿真分析

对电磁波在再入等离子体中的衰减特性进行了分析。在不减少辐射口面处等离子体电 子总数的条件下,提出一种极化方向电子密度周期变化分布降低电磁波衰减的方法。对于电 子密度均匀分布与再入过程中实际分布的等离子体模型,采用发射与接收天线,对电磁波在 等离子体中的传播特性进行仿真。得到了电子密度均匀分布与周期变化时的电场分布图,分 别计算了电子密度均匀分布与实际分布时的电磁波衰减,对原分布与周期变化分布时产生的 电磁波衰减进行比较。仿真结果表明,极化方向电子密度的周期变化,可有效改善电磁波的 传播特性,使电磁波衰减降低。
     

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%。     

高超声速升力体飞行器等离子体鞘数值模拟

为探究高超声速再入过程中通信“黑障”的影响因素,基于一种化学反应平衡气体组分模型,采用有限体积法求解三维全N-S方程,数值方法采用AUSMPW+格式和LU-SGS隐式求解方法,模拟典型球锥体的高超声速流场,得到的电子数密度分布同RAM-C II飞行试验数据吻合良好。并针对一种升力体外形飞行器进行计算,选取高度范围35~55〖KG*9〗km、马赫数12~25、攻角10°~30°共14个飞行状态,得到了不同状态下的飞行器周围的电子数密度分布情况,对比分析发现电子数密度值与飞行高度、马赫数以及攻角的大小关系密切。