再入飞船通信环境建模研究

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1、航天器环境工程第27卷第5期664SPACECRAFTENVIRONMENTENGINEERING2010年10月再入飞船通信环境建模研究杨欢，宗鹏(南京航空航天大学宇航学院，南京210016)摘要：再入飞船的通信环境所受影响主要体现于飞船周围等离子体鞘对电磁波产生衰减．为了研究飞船再入过程中衰减对通信的影响，需要建立飞船外围的三维通信衰减仿真模型，在此基础上可以研究适用于再入通信环境的新型通信技术。为此文章提出了再入飞船通信衰减的动态建模方法，并根据气动、热力学和电磁波理论公式提出了具体的飞船再入动态通信环境建模方

2、案，同时阐述了各部分建模的研究方法，为进一步研究应对黑障的新型通信技术奠定了基础。关键词：再入通信；信号衰减；黑障；教学模型中图分类号：TN011；TBll5文献标识码：A文章编号：1673-1379(2010)05-0664-04DOi：10．3969巧．issn．1673—1379．2010．05．026O引言飞船再入地球大气层时，与大气层发生摩擦并产生出高温，使空气及自身热防护材料烧蚀并电离，导致再入大气层飞船被电离气体所包围，其周围形成了一个强电离、非均匀的等离子体薄层，即所谓“等离子体鞘”。它可以吸收和反射

3、电磁波，会使再入飞行器与地面的通信信号衰减，甚至中断。飞船与地面通信中断是等离子体鞘对通信影响最严重的情况，通常称这种情况为“黑障”。返回舱再入通信黑障问题困扰航天界已久，各国飞船再入返回时均有不同程度的通信中断现象，所以研究飞船再入通信环境从而改善再入通信中断状况有很重要的意义。国外为了研究返回舱再入时这种特殊的通信环境问题，早在20世纪60年代如美国就投入巨资进行了无线电衰减测量试验[1卅(如RAM计划中RAM．C1、RAM．C2、RAM．C3试验)，获得了大量的技术数据和经验。国内从20世纪80年代开始也进行了

4、大量地面试验，如由中国科学院力学研究所等单位开展的再入通讯可行途径的地面试验等。这些研究主要集中于等离子体鞘形状、结构及特点，等离子体鞘中电子密度分布的计算和建模，等离子体的反射系数和透射系数的计算，以及消除等离子体的物理、化学手段等方面。本文立足于飞船再入全过程中等离子体鞘的整体，在前人研究的基础上提出了一种研究再入飞船通信环境的新方案，即在飞船再入全过程中进行飞船表面通信信号三维实时衰减情况模拟，得到飞船返回轨迹上每一点的位置及在这位置上飞船表面每一点的通信信号衰减情况。研究旨在为采取不同的主动和被动手段来解决通

5、信衰减问题提供理论依据，也是进一步采用新型技术进行再入通信仿真的前提。1再入飞船的通信环境飞船再入时被等离子体鞘包裹，研究再入飞船的通信环境问题，也就是研究飞船周围等离子体鞘对电磁波的衰减问题。由于鞘层中存在着大量的自由电子，电磁波通过等离子体鞘时与等离子体内部粒子相互作用，造成电磁波严重的衰减和反射。但由于电磁波工作频率一般都选择在远大于等离子体内最大电子密度所决定的临界频率上，所以可以忽略反射引起的衰减，而只考虑吸收衰减即可。电波通过均匀等离子体时的衰减系数公式为口：三水丢小丢心期2卜，等离子体内电波衰减总值为1

6、7J收稿日期：2010-03．03；修回日期：2010—10—11作者简介：杨欢(1987—)，女，硕士研究生，主要研究方向为再入通信．E—mail：rainjh@163．COIII．第5期杨欢等：再入飞船通信环境建模研究A=8．8611a(x)dx，(2)J恐其中：Xl、X2为等离子体厚度起、止坐标；CO为电磁波工作频率；∞。为等离子体角频率，q=(M矿／幔％)”2；C、民￡0及m。分别为光速、电子电荷、真空介电常数及电子质量，均为常数；1，为碰撞频率，具体数值受飞船表面温度几压强P等参数影响。由于以上参数均受飞行

7、器外形、材料、再入速度以及周围环境等因素的影响，因此，再入飞船的通信环境是集再入过程、大气环境、气动力、气动加热、电磁理论等诸多相互制约的环境因素为一体的复杂环境，这些因素必须作为一个整体进行研究。2再入飞船通信环境的建模方法2．1总体研究方案在影响衰减的参数中，飞船表面温度兀压强尸及电子密度Ⅳe随飞船三维外形及再入过程发生改变，因此必须弄清再入飞船再入过程、飞船表面温度、压强和电子密度等的分布情况，才能进一步计算得到飞船表面通信信号的三维衰减分布，从而得到完整的再入通信环境模型。具体的研究方案框图见图l。图l再入飞

8、船通信环境研究框图Fig．1Theblockdiagramofreentryspacecraftcommunicationenvironmentalresearch其中，飞船再入过程包括再入轨迹和相应的大气环境参数，由此可知飞船的实时位置及速度，再加上飞船的三维外形，结合气动计算可得飞船表面实时温度及压强三维分布模型；温度、压强结合飞船的再入过