飞行器等离子体鞘套对电磁波传输特性的影响研究
高超声速飞行器再入大气层返回地球时,飞行器周围形成一层高温等离子体鞘套,等离子体鞘套导致通信电磁波传输产生衰减,使得飞行器与外界之间的通信严重失效,甚至完全中断。例如,神州九号飞船返回舱再入大气层返回地球时,通信中断时间长达4分钟。飞行器发生通信中断时,GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、数据遥测、飞行器跟踪等信号全部中断。飞行器通信中断问题关系到飞行任务的成功与否以及飞行器的反跟踪和电子对抗能力。随着我国航空航天事业的飞速发展,飞行器通信中断问题显得越来越重要。<br>  飞行器通信中断的高度、时间和飞行器外...
高超声速飞行器再入大气层返回地球时,飞行器周围形成一层高温等离子体鞘套,等离子体鞘套导致通信电磁波传输产生衰减,使得飞行器与外界之间的通信严重失效,甚至完全中断。例如,神州九号飞船返回舱再入大气层返回地球时,通信中断时间长达4分钟。飞行器发生通信中断时,GPS(Global Positioning System,全球定位系统)、数据遥测、飞行器跟踪等信号全部中断。飞行器通信中断问题关系到飞行任务的成功与否以及飞行器的反跟踪和电子对抗能力。随着我国航空航天事业的飞速发展,飞行器通信中断问题显得越来越重要。
  飞行器通信中断的高度、时间和飞行器外形、攻角、再入速度、飞行高度、通信频率等很多因素有关。总体来说,接收机接收到的电磁波信号强度低于接收系统门限时,通信信号发生中断。因此,研究飞行器周围等离子体鞘套中电磁波传输特性,对解决飞行器再入通信中断问题具有重要意义。
  本论文针对飞行器再入通信中断问题,对飞行器周围等离子体鞘套中电磁波的传输特性进行了研究,主要内容如下:
  1.等离子体中电磁波传输特性理论研究,采用解析解法对电磁波在三层介质(空气-等离子体-空气)中的传输特性进行了推导,并进行了编程实现;编写了等离子体中电磁波传输特性的 WKB(Wentzel-Kramer-Brillouin)程序;编写了等离子体中电磁波传输特性的三维FDTD(Finite Difference Time Domain,时域有限差分)程序。采用解析解法和FDTD方法研究了均匀等离子体中电磁波的传输特性,采用 WKB方法和 FDTD方法研究了非均匀等离子体中电磁波的传输特性,得到了电磁波衰减随各个参数(包括等离子体密度、碰撞频率、厚度、电磁波频率和入射角)的变化规律。对不同方法的结果进行了比较,分析了解析解法、WKB方法和FDTD方法的适用范围。
  2.等离子体中电磁波传输特性实验研究,以激波管、等离子体炬为实验平台,开展了L波段、S波段、Ka波段、W波段和THz(Terahertz,太赫兹)波段电磁波在等离子体中传输特性的实验研究,并将实验结果和 FDTD结果、电磁仿真软件结果进行了对比,三者吻合较好。通过比较不同波段电磁波通过相同参数等离子体后的衰减特性发现,可以通过提高电磁波频率(如使用THz波)来解决黑障区通信中断问题。
  3.等离子体对天线辐射性能的影响研究,研究了等离子体密度、碰撞频率和厚度对L波段、S波段、C波段和X波段天线辐射性能的影响,得到了各个等离子体参数对不同波段天线辐射性能的影响规律。通过比较发现,相同等离子体参数对不同波段天线辐射性能的影响是不同的。随着等离子体密度增加,天线回波损耗变差、主瓣方向发生改变、0°增益降低;随着等离子体碰撞频率增加,L波段、S波段天线回波损耗变好、0°增益先减小后增加,C波段和X波段天线回波损耗变差、0°增益降低;随着等离子体厚度增加,天线回波损耗变差、主瓣方向发生改变、0°增益降低;随着天线频段提高,等离子体密度(或厚度)增加对天线辐射性能的影响变小。
  4.RAM C(Radio Attenuation Measurement C,无线电衰减测量 C)全程分析,研究了不同飞行高度时,RAM C飞行器等离子体鞘套对L波段、S波段、C波段和X波段天线辐射性能的影响,同时采用FDTD方法计算了RAM C飞行器等离子体鞘套中VHF波段、L波段、S波段、C波段和X波段电磁波的衰减特性,在此基础上估计了不同波段电磁波通信中断的高度和时间。将 FDTD结果和飞行试验结果进行了对比,二者吻合较好。通过比较不同波段电磁波进出黑障的高度和时间发现,提高电磁波频率,可以有效缩短通信中断高度和时间。
展开
作者: 郑灵
学科专业: 等离子体物理
授予学位: 博士
学位授予单位: 电子科技大学
导师姓名: 赵青
学位年度: 2013
语 种: chi
分类号: V443 O539
在线出版日期: 2016年6月3日