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。     

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。     

L、S频段电磁波在等离子体中衰减实验研究

利用低气压辉光放电原理在地面产生大面积、长时间稳定持续的可控等离子体,在此基础上进行了L、S频段的电波传播衰减实验,在实验室环境下持续再现了“黑障”现象,并获得了1.57GHz和2.49GHz电磁波衰减量随等离子电子密度变化的规律。将实验数据与经典传播理论以及薄层理论的预期值对比,结果表明：电波的衰减趋势与经典理论预期基本相符,验证了本文所提出的新实验方法的有效性;在等离子厚度约为波长的1倍与1.5倍条件下,未观测到明显的薄层效应。     

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.     

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%。     

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。     

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。     

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。     

采用卫星中继克服航天器再入通信黑障的途径

在简述载人航天器再入过程、等离子鞘套特点和中继传输原理的基础上,分析了采用卫星中继克服再入通信黑障的具体途径。考虑到必须采用较高工作频率(Ka频段)的一次中继方法存在一定局限性,提出了一种采用二次中继的新方法,它可以将再入通信的工作频率向低扩展到多数载人航天器在轨常用的S频段。文章讨论了这两种方法的优缺点,论述了实施它们对中继站和再入航天器的主要要求,并就影响其效果和航天器设计的重要因素进行了分析。链路计算结果表明:两种方法都可满足传输需求,从总体上考虑二次中继方法更好一些。考虑到我国空间基础设施和相关技术背景条件,在近期内卫星中继将是解决再入通信黑障问题可实现的技术途径。     

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。     

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。     

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。     

气闸舱泄复压热力过程研究

为满足航天员出舱活动的需要,出舱活动飞船气闸舱在满足载人飞船密封舱一般要求外,还需经历泄压和复压两个热力过程。伴随气闸舱的泄复压过程,舱内空气因泄压而发生热力膨胀降温现象,因复压而出现热力压缩升温现象;复压用气瓶在气闸舱复压过程中压力急剧降低也出现降温现象,其降温程度将影响气闸舱复压后舱内温度水平。运用热力学方法对气闸舱泄复压热力过程进行分析,并通过地面和在轨飞行试验验证了分析的正确性,本文工作将为后续载人航天器气闸舱的热控设计提供参考。