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。     

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。     

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。     

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.     

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。     

临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述

首先对国内外黑障问题研究历史进行了回顾,然后从等离子体鞘套形成机理和基本特征、电波传播机理及信道特征等方面阐述了高超声速飞行器黑障问题的成因。随后,着重介绍了等离子体流场和电波传播数值模拟方法并分析了方法的适用性。进一步对等离子体地面模拟方法和诊断技术进行了概述,并对国内外地面黑障实验结果进行了详细分析。在此基础上,针对临近空间高超声速飞行器的特点,采用层次分析法(AHP)对现有黑障消除技术进行了评估,给出了目前工程实用方法、近期可能实现的工程实用解以及未来具有应用潜力的消除技术。最后,对黑障问题后续研究方向提出了几点建议。     

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。     

碱金属杂质对飞行器烧蚀流场电子数密度影响

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质的碳酚醛烧蚀流场结果,并和文献发表的飞行器上朗缪尔探针、反射计等离子体诊断数据,以及从信标和遥测信号衰减中获得的等离子体相关数据进行了比较,获得了与试验分析结论相一致的碱金属电离对电子数密度峰值影响随高度变化趋势。理论计算与飞行试验结果均表明:烧蚀材料中的碱金属电离会显著增加中低空飞行器等离子体鞘套的电子数密度,最高可达2~3个量级。     

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。     

二次电子发射对稳态等离子体推进器加速通道鞘层的影响

稳态等离子体推进器(Stationary Plasma Thruster,SPT)工作时产生的高密度等离子体遇到其加速通道陶瓷器壁时,在陶瓷器壁与等离子体之间形成鞘层。离子会在鞘层电场作用下到达SPT加速通道器壁表面进而复合,而等离子体中的电子由于具有高能可跃过鞘层电场轰击器壁表面,从而产生二次电子发射效应。从器壁表面发射出的二次电子由于受到鞘层电场的排斥,导致其向等离子体源区移动,进而影响等离子体鞘层的特性。建立了考虑二次电子发射效应的无碰撞等离子体鞘层的一维流体模型,研究了二次电子发射对SPT加速通道鞘层特性的影响。计算结果显示,随二次电子发射系数增加,鞘层电势、离子密度、电子密度和二次电子密度增加,而离子速度降低,鞘层中离子密度始终大于电子密度。鞘层中二次电子绝大多数集中在器壁附近,随二次电子穿越鞘层厚度的增加,二次电子密度快速下降。     

电磁波在不均匀等离子体鞘层中的反射与透射

本文讨论电磁波在电子浓度呈双线性分布的等离子体鞘层中的传播。当角频率为ω的平面波垂直入射到等离子体鞘层时,导出振幅反射系数R及振幅透射看数T的解析表达式。提供了数值计算结果,得到在不同的γ/ω_p值下,‖R‖及‖T‖随ω/ω_p变化的曲线。最后对计算结果作了若干分析。     

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。     

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。     

非均匀磁化等离子体层的电磁特性分析

基于分层传播原理提出了一种计算电磁波在非均匀磁化等离子体层中反射率和吸收率的模型,并数值分析了等离子体密度与碰撞频率,以及背景磁场强度对电磁波的反射和吸收特性的影响.研究表明:该法所得结果与文献的传播矩阵(SMM)法一致.数值分析发现:低密度高碰撞频率等离子体可减少等离子体层对入射波的功率反射;高密度高碰撞频率等离子体可改善其对入射波的功率反射宽频带吸收特性;背景磁场强度可明显改变等离子共振吸收频段.     

一种等离子体鞘层加速的质子辐照新方法

文章提出一种利用等离子体鞘层加速模拟质子辐照的新方法。在真空室中通过射频-电感耦合的方法产生氢等离子体,将脉冲负高压施加在热控涂层样品上,利用氢等离子体鞘层加速技术实现样品的质子辐照,并研究了质子辐照对聚酰亚胺（Kapton）薄膜光学透过率、表面形貌以及表层化学结构的影响。结果表明:质子辐照后,样品的透过率下降,脉冲电压值越高和辐照时间越长,则透过率下降越多;AFM结果显示,样品表面“手指状”突起随着脉冲电压的增加呈现先增加后变化较小的趋势;XPS分析表明,辐照后样品的化学结构发生了变化,包括C—N键、C—O键以及C＝O键的断裂,以及一些新键的形成。     

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%。     

静电探针法对等离子体参数的测定

静电探针(又称朗谬尔探针)是最早被用于等离子体的诊断工具,它是在等离子体密度和温度比较低的情况下测定等离子体参数的基本方法。文章利用等离子体环境地面模拟设备,采用静电探针的方法,对等离子参数进行测定。并给出了模拟环境的测量结果,分析运行气压及微波功率对等离子体密度的影响。最后通过均匀性及稳定性测试,证明该等离子体地面模拟设备可以满足比较均匀的等离子体环境。     

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。     

等离子体鞘层加速模拟质子辐照连续谱 数值仿真研究

质子辐照是导致空间飞行器热控涂层性能衰退的重要原因。目前地面多采用单一能量的粒子替代空间能量连续分布的粒子来开展质子辐照模拟试验。文章提出了在一个脉冲宽度内获得连续能量质子谱的方法,即脉冲偏压等离子体鞘层加速方法。文章利用细胞粒子（particle-in-cell,PIC）模型对在3种脉冲偏压三角波作用下等离子体鞘层加速质子以获得连续能量质子谱的动力学过程进行了数值仿真研究,分析了3种脉冲三角波形对鞘层扩展、离子加速及能量分布的影响。结果表明,电势空间分布和离子运动状态紧密联系,鞘层内离子密度变化受到脉冲波形和离子热扩散运动的综合影响,通过调整脉冲偏压三角波形,能够获得不同的能量-剂量分布,从而为下一步工作打下基础。