三维行波磁场对等离子体鞘套密度的调控作用

飞行器以高超音速飞行或再入过程中,表面会被等离子体鞘套包覆.等离子体鞘套会阻碍电磁波传播,造成飞行器无线电信号衰减甚至中断,即通信黑障.行波磁场是一种能够通过调控等离子体鞘套密度来缓解通信黑障的磁场.本文针对一维行波磁场无法准确描述空间内等离子体密度分布的问题,建立了三维行波磁场产生模型和三维等离子体密度分布模型.通过研究行波磁场与等离子体相互作用的机理,得到了空间内等离子体的密度分布.研究结果表明,在行波磁场的作用下,等离子体会往飞行器前端汇聚,从而在后端形成尺寸为50×100 mm的密度降低区域,使该区域内的等离子体密度最大降低71%,且提供持续的通信时间.基于RAM-C飞行试验的数据,利用所提出的模型研究了电流大小和行波速度对飞行器再入过程中电磁波衰减的影响,同时对比了行波磁场与外加静磁场对电磁波衰减的抑制效果.结果表明,施加行波磁场能够使飞行器在30.48 km处的X波段以及其他高度处的L波段、S波段、C波段和X波段的电磁波衰减降低到30 dB以下.行波磁场和静磁场的对比结果表明,行波磁场对电磁波衰减的抑制效果明显优于静磁场.

太赫兹波在高超声速目标等离子体鞘套中的传输特性

高超声速飞行器在临近空间飞行过程中会产生等离子体鞘套,这种等离子体鞘套的存在会严重干扰地面与飞行器之间的通信。针对这一问题,在计算球锥流场的基础上,根据流场温度、压强分布以及空气离解反应模型建立了等离子体鞘套模型,并基于时域有限差分方法研究了不同飞行速度、不同入射角度下太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性。结果表明,在不同的飞行速度和入射角度下,太赫兹波都可以有效地穿透等离子体鞘套。该研究对实现临近空间与高超声速飞行器的通信具有重要意义。

等离子体鞘套低频通信电磁波透射率与辐照微波场强关系仿真研究

高超声速飞行器飞行期间,由于表面激波的影响,飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波,导致通信信号发生衰减甚至中断,从而形成“黑障”问题。理论上来说,等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的变化呈现非线性,所以可能存在一个合适的电场幅值和辐照时间区间,使等离子体鞘套的电磁波透射率上升。针对这种可能性,采用有限元分析方法,对飞行器表面等离子体鞘套流场与电磁场进行二维耦合仿真,得到微波照射后等离子体鞘套透射率的改变情况。分别使用电场幅值为5×10^(4)、1×10^(5)、2.5×10^(5)、5×10^(5) V·m^(−1)的微波对等离子体鞘套进行30 ns的辐照,在辐照后等离子体鞘套对1.2 GHz和1.6 GHz的电磁波的最大透射率提升,为解决“黑障”问题提供了新的可能。

大颗粒在等离子体鞘层中的受力分析与计算

用Edelberg和Aydil的等离子体鞘层模型,对电弧离子镀中大颗粒在脉冲偏压鞘层中的带电及受力情况进行了分析 和计算,为大颗粒由于带负电而受到电场力排斥从而被净化的实验现象和物理模型提供佐证.

太赫兹波在非均匀等离子体鞘套中的传播特性

针对高超声速飞行器在临近空间巡航时出现的通信"黑障"问题,根据NASA开展的无线电衰减测量C(RAM C III)飞行试验数据,把临近空间分成两个空间层构建数学模型,建立了2个一维非均匀等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体与太赫兹波的相互作用机理,得到了太赫兹波在非均匀等离子体鞘套中传输特性曲线。仿真结果表明:把太赫兹波段作为临近空间平台通信,有利于解决黑障问题。此论证结果,可为设计临近空间高超声速飞行器选用通信频段时提供参考。

等离子体鞘套中的电波传播特性研究

采用压力权函数修正的迎风型矢通量分裂格式(AUSMPW+),求解纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组,得出不同飞行速度下等离子鞘套内的电子密度分布。基于改进的文策尔-克拉莫斯-布里渊(WKB)方法分析了电磁信号经过等离子鞘套的幅频特性,同时还给出了电磁波在鞘套中传输的相频曲线、群时延特性曲线。计算结果表明:随着飞行器速度增大,鞘套内电子密度增加,电波衰减明显增大,且电磁波在等离子鞘套中传输的相频特性受等离子体频率以及碰撞频率影响,在等离子体频率附近群时延最大。

开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究

采用时域有限差分(FDTD)方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件。采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积(RCS)的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验。研究表明:在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心;在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大。

时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型,然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系.采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率.研究结果表明:在太赫兹波段中,电子密度的弛豫时间越长,温度越高,压强越大,电磁波越容易穿透等离子体;弛豫时间越短,温度越低,压强越小,等离子体对电磁波吸收率的变化越明显.这些结果为解决"黑障"问题提供了理论依据.

电磁波在非均匀磁化的等离子体鞘套中传输特性研究

采用流场模拟软件模拟了十一组分RAM-II飞行器表面等离子体鞘套的分布,提取了四个典型飞行高度、飞行状态下的等离子体鞘套的分布信息.然后根据RAM-II飞行器等离子体鞘套数据,利用计算色散介质的Z变换FDTD方法主要计算了电磁波在四个不同高度处等离子体鞘套中的功率反射系数和功率透射系数.此外,根据目前可以做出的磁场强度的大小,对四个不同高度下的非均匀等离子体鞘套层按距飞行器表面的距离进行相应的非均匀磁化.由于左旋极化波和右旋极化波在磁化等离子体中的传输特性不同,最后对比了左旋极化波、右旋极化波在非磁化和磁化情况下的传输特性,对飞行器导航通信磁窗天线的设计给出建议.

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。

临近空间等离子体鞘套对太赫兹波传播特性分析

针对高超声速飞行器在临近空间巡航时出现的通信"黑障"问题,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立一维等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体与太赫兹波的相互作用机理,并从等离子体厚度、等离子体电子密度、等离子体碰撞频率和太赫兹波入射角等条件得到了太赫兹波在等离子体鞘套中的传输特性曲线。仿真结果表明:把太赫兹波段作为临近空间平台通信,有利于解决"黑障"问题,其中在大气窗口0.22THz处的衰减均在30dB以下。此论证结果可为临近空间平台设计的高超声速飞行器选用通信频段时提供参考。

载人飞船等离子体鞘电子密度分布的数值计算

研究高温空气的不同物理模型对载人飞船返回舱等离子体鞘电子密度的影响 ,包括热力平衡的化学非平衡模型与热力、化学都是非平衡的模型的比较 ,以及七组元模型与十一组元模型的比较。采用NND格式和时间预处理技术 ,得到了非平衡流全NS方程的时间渐近解 ,计算了载人飞船等离子体鞘电子密度的典型结果。与飞行试验及有关文献数值计算结果之比较表明 。

低轨道磁化等离子体中运动航天器等离子体鞘层特性

用二维静电粒子模拟程序研究了在低轨道磁化等离子体中航天器充电过程和等离子体鞘层结构．采用磁化等离子体流经航天器的物理模型，并且考虑零级对流电场的影响．结果表明航天器在低轨道空间飞行时，如果不考虑光电子流，航天器会在短时间内（ｔ＝５４ω_（ｐｅ）^（－１），ω_（ｐｅ）是电子等离子体频率）快速充电到平衡电位。在不考虑航天器运动的情况下其周围等离子体鞘层结构是围绕航天器对称的，等离子体鞘层宽度约２．４个德拜（Ｄｅｂｙｅ）长度．当考虑航天器运动时，航天器的平衡负电位绝对值减小．且在背离航天器运动方向上等离子体鞘层宽度为８．３个德拜长度．磁场的增大使负的平衡电位绝对值变小，当航天器运动从平行于磁场方向转向垂直于磁场方向时，航天器负平衡电位的绝对值减小．

负离子对等离子体鞘层特性影响的数值研究(英文)

构造强电负性等离子体中平板电极处鞘层形成的模型,使用流体动力学方程组研究等离子体鞘层.得到空间电势、空间静电荷分布和鞘层宽度作为距离函数的数值结果.结果表明,强电负性鞘层中,在等离子体区和鞘层区之间几乎没有过渡的预鞘区,在靠近极板附近鞘层里的电子、负离子和正离子的分布形成一个纯正离子鞘区.在靠近鞘边附近,空间静电荷密度分布有一个很尖的峰.发现同电正性情形相比,强电负性鞘层的宽度要窄很多,空间电势下降得快得多.

电子环束流对航天器表面电位和等离子体鞘层的影响

采用二维三分量静电粒子模拟程序研究了电子环束流对低轨道磁化等离子体中运行的航天器表面电位和等离子体鞘层结构的影响．当有电子束流平行磁场入射时，航天器表面所带负电位的绝对值将增大．电子束流的速度和密度的增加将使航天器表面负电位绝对值增加很快．与此同时等离子体鞘层的尺度也将增大，形状将由向尾部延伸的“泪滴”状变成向两侧展开的“机翼”状．当电子环束流以相对于磁场成一定角度斜入射时，由于磁场的约束作用，航天器表面负电位的绝对值将随入射角增大而减小．

毫米波大气窗口在临近空间等离子体鞘套中的传播特性

针对飞行器再入和以高超声速在临近空间飞行时出现的通信黑障问题,依据RAM C提供的飞行试验数据建立等离子体鞘套模型,通过数值计算分析了等离子体厚度及等离子体碰撞频率和等离子体电子密度等参数对毫米波大气窗口传输的反射和衰减特性.综合分析表明,可以采用大气窗口35 GHz所在的Ka波段作为临近空间主通信平台,辅以大气窗口0.22 THz所在的太赫兹波段天基中继平台,以期实现飞行器在临近空间飞行时的实时测控.

QPSK调制通信信号在等离子体鞘套中传输特性计算模型及仿真分析

为获取等离子体鞘套对四相相移键控(Quadrature Phase Shift Keying,QPSK)调制信号传输影响特性,建立等离子体鞘套中QPSK调制信号传输特性的仿真模型,开展等离子体鞘套对信号全屏蔽、信号能量衰减和相位改变的仿真计算与分析。结果表明,当等离子体鞘套的频率大于临界频率时,QPSK信号将被等离子体鞘套完全屏蔽;当QPSK信号能够在等离子体中传播时,由于等离子体鞘套对信号相位改变和幅度衰减将大大提高QPSK通信系统的误码率。该仿真与分析方法可用于分析等离子体鞘套对FSK和ASK调制信号传输特性影响。

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。

电子发射对稳态等离子体鞘层影响的理论研究和数值模拟

建立了一套非线性自洽的流体力学方程组 ,研究了电子发射对稳态等离子体鞘层的影响 ,并分别考虑了发射电子及离子同中性原子的弹性和非弹性碰撞过程。数值结果表明 :发射电子的初始束流密度及中性气体密度是描述鞘层空间演化的两个最关键的物理量 ,特别是发射电子的存在使得鞘层厚度变薄。

两种正离子对磁化等离子体鞘层中尘埃颗粒的影响

建立了包含两种不同种类正离子的磁化等离子体鞘层的流体模型,通过四阶龙格库塔法数值模拟了含有两种不同种类正离子对等离子体鞘层中尘埃粒子的影响。结果表明对于含有He+和Ar+的稳态等离子体来说,随着离子温度的升高和Ar+密度的增加,尘埃粒子充电所带电量越多;尘埃密度越高,其带电量越低。此外,对于带有一定负电的尘埃粒子来说,离子的温度、鞘边Ar+的含量以及鞘层中离子与中性粒子的碰撞对鞘层中尘埃粒子的密度和速度都产生一定的影响。