等離子鞘套地面模擬技術(shù)及電波傳播實驗研究.pdf

1、各類返回式航天器再入大氣層時，因空氣電離形成包覆于表面的“等離子鞘套”，其屏蔽效應(yīng)會導(dǎo)致通信中斷（即“黑障”）現(xiàn)象，是困擾航天領(lǐng)域長達數(shù)十年的重大技術(shù)難題，至今仍未得到有效解決。近年來，隨著我國載人航天工程、天地往返運載器、行星探測、新型裝備，以及臨近空間飛行器（空天飛機）等研究工作的開展，“黑障”問題成為關(guān)注熱點。然而，我國在該領(lǐng)直接開展載飛試驗的條件不成熟，加之地面實驗手段存在相當大的差距，不僅限制等離子鞘套電磁相關(guān)科學問題的探索和

2、驗證，還遺留了一些與理論不符的現(xiàn)象（如“薄層現(xiàn)象”）至今尚未得到合理解釋。
　　針對上述問題，本文提出了一種針對天線窗局部等離子鞘套模擬的新方法，利用輝光放電和擴散的原理，產(chǎn)生了與實際等離子鞘套具有一定等效性的大面積等離子介質(zhì)層；搭建了等離子鞘套下電波傳播實驗系統(tǒng)并對其進行了診斷、標校和模擬真實性分析。在此基礎(chǔ)上進一步開展了若干電波傳播實驗研究，包括：UHF、L、S頻段的電波傳播特性研究、等離子薄層中的電波傳播特性研究，以及等離子

3、體中低頻電磁波傳播特性研究等。本文的主要創(chuàng)新點和貢獻包括：
　　1、提出了一種新型的等離子產(chǎn)生技術(shù)。利用低氣壓擴散輝光放電，能夠在地面產(chǎn)生大面積、長時間持續(xù)、密度連續(xù)可控、無電極遮擋的等離子體層，特別適合開展電波傳播實驗。
　　2、利用所提出的等離子發(fā)生器，構(gòu)建了等離子體電波傳播實驗系統(tǒng)，獲得了測控通信和導(dǎo)航頻段（UHF、L、S頻段）電磁波在等離子中的傳播特性，并成功在地面長時間連續(xù)地再現(xiàn)了“黑障”現(xiàn)象。該系統(tǒng)可以為再入段測

4、控、通信、導(dǎo)航設(shè)備研制和測試驗證提供具有一定等效性的天線窗局部等離子鞘套的模擬環(huán)境。
　　3、對“薄層現(xiàn)象”問題進行了實驗檢驗?！氨蝇F(xiàn)象”是上世紀80年代在激波管進行再入等離子實驗時觀測到與經(jīng)典理論不符、尚有爭議的特殊電磁傳播現(xiàn)象，受限于當時的研究條件，無法給出理論解釋或采取其它手段進一步驗證。本文對提出的等離子傳播實驗系統(tǒng)進行了改造，開展了相關(guān)實驗，實驗結(jié)果明顯傾向經(jīng)典理論預(yù)期，支持了“薄層現(xiàn)象”是激波管實驗特有誤差的結(jié)論，并

5、給出了可能誤差原因的分析。
　　4、對等離子低頻電波傳播特性開展了實驗研究。雖然理論上早在上世紀60年代就預(yù)言了等離子低頻傳播窗口的存在，然而至今鮮有實驗報道。本文通過實驗研究，發(fā)現(xiàn)了特殊的傳播現(xiàn)象——低頻小環(huán)天線近場波的衰減遠低于平面波理論預(yù)期，并給予了理論解釋。該結(jié)果有可能為再入全程導(dǎo)航提供一種全新的思路。
　　本文的研究成果，可直接應(yīng)用于等離子鞘套下電磁傳播相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究，間接支撐再入飛行器/航天器、臨近空間高

6、速飛行器的研制和測試。其理論價值和應(yīng)用前景體現(xiàn)在：
　　1、在理論層面：一方面，對于等離子鞘套這一類非均勻介質(zhì)的電波傳播解析計算通常采用分層介質(zhì)法，其正確性依賴于每一個薄層計算結(jié)果的有效性，本文對薄層等離子傳播特性的實驗，支持了經(jīng)典理論的有效性，從而消除了自上世紀80年代以來遺留的疑問；另一方面，本文發(fā)現(xiàn)同時具備低頻、低波阻抗的電磁波在等離子體中穿透率極高，利用磁天線近場區(qū)的低阻抗波穿透等離子鞘套，可能是一種具有對抗“黑障”潛力的