飛行器等離子體鞘套對(duì)電磁波傳輸特性的影響研究.pdf

1、高超聲速飛行器再入大氣層返回地球時(shí)，飛行器周圍形成一層高溫等離子體鞘套，等離子體鞘套導(dǎo)致通信電磁波傳輸產(chǎn)生衰減，使得飛行器與外界之間的通信嚴(yán)重失效，甚至完全中斷。例如，神州九號(hào)飛船返回艙再入大氣層返回地球時(shí)，通信中斷時(shí)間長(zhǎng)達(dá)4分鐘。飛行器發(fā)生通信中斷時(shí)，GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）、數(shù)據(jù)遙測(cè)、飛行器跟蹤等信號(hào)全部中斷。飛行器通信中斷問(wèn)題關(guān)系到飛行任務(wù)的成功與否以及飛行器的反跟蹤和電子對(duì)抗能力

2、。隨著我國(guó)航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，飛行器通信中斷問(wèn)題顯得越來(lái)越重要。
　　飛行器通信中斷的高度、時(shí)間和飛行器外形、攻角、再入速度、飛行高度、通信頻率等很多因素有關(guān)?？傮w來(lái)說(shuō)，接收機(jī)接收到的電磁波信號(hào)強(qiáng)度低于接收系統(tǒng)門限時(shí)，通信信號(hào)發(fā)生中斷。因此，研究飛行器周圍等離子體鞘套中電磁波傳輸特性，對(duì)解決飛行器再入通信中斷問(wèn)題具有重要意義。
　　本論文針對(duì)飛行器再入通信中斷問(wèn)題，對(duì)飛行器周圍等離子體鞘套中電磁波的傳輸特性進(jìn)行了研究，主

3、要內(nèi)容如下：
　　1．等離子體中電磁波傳輸特性理論研究，采用解析解法對(duì)電磁波在三層介質(zhì)（空氣-等離子體-空氣）中的傳輸特性進(jìn)行了推導(dǎo)，并進(jìn)行了編程實(shí)現(xiàn)；編寫了等離子體中電磁波傳輸特性的 WKB（Wentzel-Kramer-Brillouin）程序；編寫了等離子體中電磁波傳輸特性的三維FDTD（Finite Difference Time Domain，時(shí)域有限差分）程序。采用解析解法和FDTD方法研究了均勻等離子體中電磁波的傳輸

4、特性，采用 WKB方法和 FDTD方法研究了非均勻等離子體中電磁波的傳輸特性，得到了電磁波衰減隨各個(gè)參數(shù)（包括等離子體密度、碰撞頻率、厚度、電磁波頻率和入射角）的變化規(guī)律。對(duì)不同方法的結(jié)果進(jìn)行了比較，分析了解析解法、WKB方法和FDTD方法的適用范圍。
　　2．等離子體中電磁波傳輸特性實(shí)驗(yàn)研究，以激波管、等離子體炬為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，開(kāi)展了L波段、S波段、Ka波段、W波段和THz（Terahertz，太赫茲）波段電磁波在等離子體中傳輸特性

5、的實(shí)驗(yàn)研究，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果和 FDTD結(jié)果、電磁仿真軟件結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，三者吻合較好。通過(guò)比較不同波段電磁波通過(guò)相同參數(shù)等離子體后的衰減特性發(fā)現(xiàn)，可以通過(guò)提高電磁波頻率（如使用THz波）來(lái)解決黑障區(qū)通信中斷問(wèn)題。
　　3．等離子體對(duì)天線輻射性能的影響研究，研究了等離子體密度、碰撞頻率和厚度對(duì)L波段、S波段、C波段和X波段天線輻射性能的影響，得到了各個(gè)等離子體參數(shù)對(duì)不同波段天線輻射性能的影響規(guī)律。通過(guò)比較發(fā)現(xiàn)，相同等離子體參數(shù)對(duì)不同波

6、段天線輻射性能的影響是不同的。隨著等離子體密度增加，天線回波損耗變差、主瓣方向發(fā)生改變、0°增益降低；隨著等離子體碰撞頻率增加，L波段、S波段天線回波損耗變好、0°增益先減小后增加，C波段和X波段天線回波損耗變差、0°增益降低；隨著等離子體厚度增加，天線回波損耗變差、主瓣方向發(fā)生改變、0°增益降低；隨著天線頻段提高，等離子體密度（或厚度）增加對(duì)天線輻射性能的影響變小。
　　4．RAM C（Radio Attenuation Mea

7、surement C，無(wú)線電衰減測(cè)量 C）全程分析，研究了不同飛行高度時(shí)，RAM C飛行器等離子體鞘套對(duì)L波段、S波段、C波段和X波段天線輻射性能的影響，同時(shí)采用FDTD方法計(jì)算了RAM C飛行器等離子體鞘套中VHF波段、L波段、S波段、C波段和X波段電磁波的衰減特性，在此基礎(chǔ)上估計(jì)了不同波段電磁波通信中斷的高度和時(shí)間。將 FDTD結(jié)果和飛行試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合較好。通過(guò)比較不同波段電磁波進(jìn)出黑障的高度和時(shí)間發(fā)現(xiàn)，提高電磁波頻率