等離子鞘套地面模擬技術(shù)及電波傳播實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、各類返回式航天器再入大氣層時(shí)，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(huì)導(dǎo)致通信中斷（即“黑障”）現(xiàn)象，是困擾航天領(lǐng)域長達(dá)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(yùn)載器、行星探測、新型裝備，以及臨近空間飛行器（空天飛機(jī)）等研究工作的開展，“黑障”問題成為關(guān)注熱點(diǎn)。然而，我國在該領(lǐng)直接開展載飛試驗(yàn)的條件不成熟，加之地面實(shí)驗(yàn)手段存在相當(dāng)大的差距，不僅限制等離子鞘套電磁相關(guān)科學(xué)問題的探索和

2、驗(yàn)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(kuò)散的原理，產(chǎn)生了與實(shí)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并對其進(jìn)行了診斷、標(biāo)校和模擬真實(shí)性分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開展了若干電波傳播實(shí)驗(yàn)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?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)和貢獻(xiàn)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(kuò)散輝光放電，能夠在地面產(chǎn)生大面積、長時(shí)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(shí)驗(yàn)。
　　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(shí)驗(yàn)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(shí)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(yàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?！氨蝇F(xiàn)象”是上世紀(jì)80年代在激波管進(jìn)行再入等離子實(shí)驗(yàn)時(shí)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(dāng)時(shí)的研究條件，無法給出理論解釋或采取其它手段進(jìn)一步驗(yàn)證。本文對提出的等離子傳播實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行了改造，開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)研究。雖然理論上早在上世紀(jì)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(shí)驗(yàn)報(bào)道。本文通過實(shí)驗(yàn)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(yuǎn)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(jià)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(jì)算通常采用分層介質(zhì)法，其正確性依賴于每一個(gè)薄層計(jì)算結(jié)果的有效性，本文對薄層等離子傳播特性的實(shí)驗(yàn)，支持了經(jīng)典理論的有效性，從而消除了自上世紀(jì)80年代以來遺留的疑問；另一方面，本文發(fā)現(xiàn)同時(shí)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