再入环境中的电波传播与天线特性研究

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1、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景及研究意义等离子体是物质的第四种状态，在自然界广泛存在，例如恒星内部、恒星附近、气态的星云和大量的星际氢太阳风都是等离子体，它们约占整个宇宙的99%。地球周围的大气层以及人们看到的北极光、闪电、荧光管和霓虹灯内的[1]导电气体也都是等离子体。等离子体对空间飞行器信号中断的影响，是一个不可回避的问题。当远程火箭、导弹、卫星等飞行器从外层空间再入到大气层时，具有极高的速度，马赫数一般在10以上，有的甚至高于20，这样高速的物体进入大气层，宛如流星降落，与空

2、气摩擦，会产生很高的气动热，其温度达到几千摄氏度，在这么高的温度下，周围的气体就会发生电离，使飞行器附近的空气呈离子状态存在，并将飞行器包围，形成一个高温高压的等离子体层，这就是通常所说的等11153离子体鞘套。在鞘套中电子密度可达到10~10/cm，天线处的电子密度高达12310/cm，如此高的电子密度足以使飞船上常用的通信电磁波无法传输出去，即导致通信中断，这就是再入通信中断现象。使得在黑障区内的飞船、航天员与外界失去了联系，这对飞船的性能和航天员的心理、生理都是严峻考验，这一段“最难熬的时光”，会一

3、直持续到返回舱距离地球约40千米处才结束，此时返回舱与地面的联系才得以恢复。为了解决等离子体鞘套所引起的通信中断问题，首先应对再入飞行器的流场进行计算，即给定飞行器的实际外形尺寸和初速度后，计算出电子、离子的分布以及温度的分布，进而得到电子密度。然后研究电磁波在等离子体鞘套中的传播问题，重点在于应用一定的数学分布模型去近似等离子体鞘套中的电子密度分布，从而推导出电磁波穿过等离子体鞘套时的反射与透射系数。针对等离子体鞘套中电磁波的衰减原理，可以从化学方面进行研究，通过加入亲电子化合物来降低电子密度，从而使等

4、离子体频率降低，解决通信中断问题；还可以对鞘套内的外加磁场进行分析，研究磁场对电子运动的约束作用。本课题将对再入通信中断问题所涉及的等离子体鞘套中的电磁波特性进行研究，分析等离子体对电磁波的吸收和衰减特性，并对等离子体鞘套中的天线特性进行研究，对天线的输入阻抗及方向图进行计算，以解决阻抗匹配和方向-1-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文图畸变等问题。上述的研究将为消除通信中断的影响提供理论依据；为地面模拟试验提供关于等离子体的各类重要数据，保证模拟环境与实际中的近似；为飞行器的天线设备提供技术参考。1.2国内

5、外在该方向的研究现状及分析在航天领域中，再入通信中断问题一直以来都是人们研究的热点之一。解决这个问题的可能方案有：从航空动力学角度进行飞行器外形设计；向等离子体层喷射亲电子液滴；飞行器防热层材料改进；外加磁场形成通信窗口等。以上都是通过物理的方法，从飞行器表面电波传播和天线设备本身为出发点寻找问题的解决办法，并且还处于初期阶段，而对于飞行器表面等离子体对电波衰减、反射、散射和透射特性的研究一直缺乏系统性。从目前国内外所发表的相关研究结果和正在进行的研究计划来看，基本是侧重研究电磁波在均匀或连续变化的冷等离

6、子体中传播过程的反射、折射与吸收等现象。对于电磁波在等离子体中的传播问题，在相当长的一段时间内所研究的都是处在低于高混杂频率段的电磁波，例如电子回旋频率段，低混杂频率段，以及离子回旋频率段等，这主要是基于磁约束核聚变研究的需要。意大利的Lontano等人在1990年考察了在Maws分布(一个在量子力学中常用的分布)下，电磁波在无碰撞非均匀等离子体层的传播特性，并用数值解的[2]方法，计算得到了电磁波的反射系数和吸收系数。美国的Laroussi在自己的博士学位论文中研究了电磁波在等离子体层中的[3]散射现象

7、。之后，Laroussi和其他一些研究人员人在1991年考察了任意角度入射的电磁波在等离子体中的反射，在1993年考察了非均匀等离子体平板模型，当其密度在抛物剖面的情况下，对电磁波在非均匀磁化等离子体层中的吸收进行了数值研究，得到了吸收功率比和反射功率比与入射电磁波频率的关系，并探讨了等离子体密度和碰撞频率对吸收功率比和反射功率比的影响。国内方面，华中科技大学的刘明海、胡希伟等人在2001年考察了电磁波在大气压条件下的等离子体层的衰减，并着重研究了入射电磁波的频率、等离子体的密度和电子与中性气体的碰撞频率

8、对电磁波在等离子体层中衰减的影响[4]。研究结果表明：波长较长的电磁波和高密度的等离子体环境能够较大程度地衰减入射电磁波的能量。此外，2004年中国解放军电子工程学院的袁忠才、时家明等人对大气等离子体中电子与中性气体的碰撞频率进行了探讨，研究了它对非磁化等离子体吸-2-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文波能力的影响，而且还分析了通过选择放电气体来调整等离子体的电子碰撞频[5]率。至于在等离子体环境中天线的特性研究，由于军事上的保密