外加电场法改变等离子体鞘套电子密度

为解决空间飞行器在高空稀薄大气层内高速飞行时产生的等离子体鞘套会在某一个高度范围内引起飞行器与目地面之间通信中断的问题,提出了外加电场改善等离子体鞘套电子密度的方法,通过建立动力学方程从信号链路角度出发通过仿真对比分析了在等离子体鞘套层外加电场与未加电场时在不同频率电磁波为变量的基础上进行衰减损耗的比较,从而探讨外加电场法降低鞘套边界层电子密度方案的可行性,研究如何减弱等离子体对电磁波的衰减作用具有重要作用。

主动式气膜冷却对高超声速飞行器等离子体鞘套的影响

以钝锥模型为研究对象,采用热化学非平衡计算方法并结合可压缩N-S方程、SST k-ω湍流模型,对钝锥模型肩部台阶喷流和头部逆向喷流流场进行了数值模拟。在考虑不同喷流压强、喷口位置和数量等因素的基础上,分析了主动式气膜冷却对等离子体鞘套的影响。结果表明:高超声速飞行器采用主动式气膜冷却技术时,喷口的数量、位置及喷流压强对等离子体密度均具有显著的影响。肩部的切向喷流可有效抑制模型壁面附近的等离子体密度,进而可能对高频电磁波的传输和目标雷达散射截面(RCS)产生影响。头部逆向喷流可显著改变等离子体的分布情况,不同的逆向喷流参数配置会导致明显的差异。

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 。

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.

等离子体风洞中释放二氧化碳降低电子密度

航天器从近地空间进入大气层过程中,由于激波加热,会在航天器外表面形成等离子体鞘套,导致航天器与地面之间的无线电通信中断,即“黑障”效应.为了缓解“黑障”效应,国内外学者进行了多方面的技术研究,其中化学物质释放被认为是一种有效的方法.以往,主要针对卤族元素和水开展理论和实飞研究.本文基于二氧化碳不易在高温流场中发生裂解的特性,利用电弧和高频风洞产生等离子体流场,主动释放二氧化碳降低等离子体电子密度.结果表明,在风洞等离子体中,释放不同流量的二氧化碳可使电子密度下降1-2个量级,为解决再入过程中黑障问题提供了一种可行方法.

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。

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.

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。

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。

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。

等离子体鞘套中X射线通信传输理论与实验研究

由于存在理论模型不完善、实验验证技术不充分等问题,等离子体鞘套中的信息传递难题尚未获得可行的工程化解决方案。首先通过数值计算与理论建模研究了X射线光子与等离子体相互作用机理,构建了X射线与等离子体相互作用理论模型,与传统波动模型中X射线可无衰减地穿透等离子体的结论不同,本文建立的修正理论模型指出X射线在等离子体中的透过率与等离子体电子密度及入射X射线流量密切相关。其次通过栅控X射线调制发射、单光子X射线探测、动态等离子体产生等核心技术攻关,演示验证平台搭建,实现了高动态范围(电子密度109~1014/cm^(3))、长持续时间(大于20 min)等离子体环境下,通信速率优于1 Mbps,误码率10-5量级的X射线通信实验验证。实验结果表明,所建立的修正理论模型可对实验现象进行良好的解释与预测,全物理闭环式实验系统可为等离子体鞘套中的通信难题提供解决思路。

等离子体鞘套对高超声速飞行器影响研究

临近空间高超声速飞行器周围的等离子体鞘套对无线电波的衰减会导致地面与飞行器的通信中断,严重影响对飞行器的捕获与跟踪。在分析飞行器表面等离子体鞘套构成以及造成射频信号衰减因素的基础上,对处于不同高度和采用不同频率通信的高超声速飞行器射频信号衰减和相移特性进行仿真,结果表明,当通信频率提高到Ka频段时,等离子体鞘套对信号的衰减明显减小,但是频率的提高并不能改善等离子体鞘套对信号相移的影响。建议在工程设计时进一步研究相移对跟踪接收的影响。

高超声速钝锥等离子体鞘套电波传播特性研究

目的改进现阶段地面指控站对临近空间高超声速飞行器的通信和测控效果。方法采用计算流体动力学技术模拟钝锥体在不同高超声速飞行条件下的头身部绕流流场特性,并运用相关公式建立钝锥等离子体鞘套电磁模型。然后运用改进的移位算子时域有限差分方法计算电磁波经过等离子体鞘套的传播特性。结果计算结果表明,电磁波在等离子体鞘套内的传播特性在频率处于最大等离子体频率附近时发生转折,电磁波通过等离子体鞘套的透射效果与飞行工况和入射波条件密切相关。相对其他入射角度,当电磁波垂直于飞行体物面入射到等离子体鞘套尾部时的电磁波衰减较小。飞行高度增加或飞行速度减小时,等离子体鞘套对电磁波的衰减效应将减弱。结论该研究可为有效测控临近空间高超声速飞行器、缓解再入通讯中断现象提供一定的技术突破方法。

等离子体鞘套对北斗卫星信号传输影响分析

飞行器穿越大气层时,表面覆盖的等离子体鞘套会对通信信号的传播产生影响,甚至造成通信黑障。现实中通过实验分析等离子体鞘套对北斗卫星信号传输影响十分困难。从电磁波在等离子体中的传播理论出发,分析建立了等离子体鞘套与北斗卫星制导信号相互作用的数学模型;利用数值分析方法考察了各种因素对北斗卫星制导信号传播特性的影响。得到了均匀非磁化等离子体中北斗卫星制导信号的频率、等离子体密度、等离子体碰撞频率和等离子体厚度的变化规律。仿真结果表明,可以为解决通信黑障问题提供参考。

壁面催化对再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响

针对超高声速流动中的高温真实气体效应,采用数值模拟求解考虑化学非平衡的三维Navier-Stokes(N-S)方程,研究了壁面催化对典型再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响规律.研究发现:(1)完全催化壁条件下等离子体密度计算结果与飞行试验符合较好;(2)完全催化壁条件下,离解原子在壁面的复合导致波后气体可压缩性增强,相对非催化壁,激波脱体距离降低,温度升高,等离子体密度降低;(3)对于碰撞频率,沿滞止流线,完全催化壁面条件下的碰撞频率要低于非催化壁;(4)对于相对介电常数,在激波附近,完全催化壁面条件下的介电常数实部要高于非催化壁,而虚部则低于非催化壁;(5)壁面催化对等离子体鞘套电导率的影响和对相对介电常数影响规律一致.

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。

基于体弹跳射线法的等离子体目标散射建模技术研究

针对非均匀等离子体包裹目标的电磁散射问题,提出了一种基于体射弹射线法的建模技术,重点研究电磁波在介质体中的传播特性及散射分析方法。针对在介质体中透射与反射射线数据量激增的问题,提出了基于迭代追踪加速技术以此提高体介质散射中透射反射射线的追踪效率。仿真实例表明,与传统弹跳射线法相比,体弹跳射线法能更快速准确地计算出等离子体目标的散射特性。采用所提出的技术研究了等离子体鞘套对阿波罗号返回舱雷达散射截面积的影响,验证了等离子体对目标雷达散射截面积有一定缩减作用。