高超聲速飛行器等離子鞘套反演分析*

蘇漢生，趙 良，劉秀祥

(空間物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100076)

1 引 言

高速飛行器在稠密大氣層中飛行時(shí)，氣動(dòng)高溫使飛行器周圍的空氣電離形成自由運(yùn)動(dòng)并相互作用的正離子、電子和中性分子組成的混合物，稱為等離子體或等離子鞘套。等離子體等效為一種電介質(zhì)，內(nèi)部可傳播電磁波，并且電磁波在等離子體中傳播時(shí)，將發(fā)生相移、時(shí)延、寬帶色散、反射、折射和吸收等效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致電磁波通信中斷，即“黑障”［1］。

目前國外在等離子體參數(shù)在線診斷、等離子鞘套下電磁波傳播特性、天線性能和削弱技術(shù)方面獲取了大量的寶貴數(shù)據(jù)，積累了大量的技術(shù)儲(chǔ)備［2］，但是相關(guān)的實(shí)質(zhì)性研究成果鮮有公開報(bào)道。國內(nèi)針對(duì)黑障通信問題，國防科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等高校的研究人員對(duì)等離子體中的電磁波傳播特性進(jìn)行了深入研究［3－4］。然而，目前大多數(shù)工作都是利用人為設(shè)定或者實(shí)驗(yàn)室條件下的等離子體模型，與國外研究相比存在差距，尤其缺少真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)支撐。

為此，本文提出通過對(duì)真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，獲取等離子體對(duì)電磁波影響的真實(shí)數(shù)據(jù)，一方面，通過對(duì)眾多真實(shí)試驗(yàn)子樣進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，總結(jié)歸納出等離子體鞘套對(duì)無線鏈路的實(shí)際影響規(guī)律;另一方面，通過獲取真實(shí)的等離子體數(shù)據(jù)，將其與仿真計(jì)算中的等離子體數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，可指導(dǎo)仿真分析并對(duì)仿真模型進(jìn)行參數(shù)修正。

2 高超聲速飛行器黑障通信

黑障問題幾乎伴隨著所有的再入航天器，例如美國航天飛機(jī)的再入返回過程存在16 min左右的黑障時(shí)間，我國“神舟5 號(hào)”飛船再入過程中黑障持續(xù)4 min左右［5］。飛行過程中一旦發(fā)生持續(xù)黑障，一方面將無法及時(shí)獲得飛行器的狀態(tài)信息，如飛行姿態(tài)、內(nèi)部各分系統(tǒng)工作狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)、當(dāng)前位置坐標(biāo)等信息;另一方面將導(dǎo)致無法及時(shí)對(duì)飛行器實(shí)施有效控制，一旦失控，將導(dǎo)致任務(wù)失?。?］。

電磁波與等離子體鞘套的相互作用機(jī)理較為復(fù)雜，通常研究大都以靜態(tài)均勻等離子體為分析對(duì)象，進(jìn)行數(shù)值模擬。而飛行器流場(chǎng)中的等離子體與一般研究設(shè)定的等離子體相比具有明顯區(qū)別:一是“簿”，相對(duì)于電磁波波長，等離子鞘套的厚度較薄，以鈍錐形飛行器為例，它的等離子鞘套厚度約為幾厘米級(jí)，與厘米波的波長相當(dāng);二是非均勻，沿電磁波傳播方向，飛行器周圍等離子體參數(shù)都是非均勻分布并且梯度變化快，無線電波在其中傳播時(shí)，在其分界面會(huì)發(fā)生反射，引起衰減;三是動(dòng)態(tài)性，等離子鞘套隨著飛行高度、飛行速度、姿態(tài)、繞流流場(chǎng)、防熱材料燒蝕以及大氣環(huán)境等隨機(jī)因素的變化，將會(huì)呈現(xiàn)出復(fù)雜的動(dòng)態(tài)特性［7］。等離子體鞘套的這些特點(diǎn)使得理論計(jì)算求解難度很大，由于流場(chǎng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量條件的局限性，現(xiàn)在對(duì)等離子鞘套的認(rèn)識(shí)仍然十分有限。

3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演分析方法

目前對(duì)于等離子體鞘套與電磁波的相互作用機(jī)理研究尚不足夠深入，主要工作集中在理論模型的分析及地面模擬試驗(yàn)上，缺少真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效支撐。真實(shí)試驗(yàn)和地面模擬試驗(yàn)對(duì)于等離子鞘套的相關(guān)理論、模型驗(yàn)證具有非常重要的意義。目前等離子鞘套研究的主要試驗(yàn)途徑是利用地面設(shè)備模擬產(chǎn)生飛行器等離子鞘套環(huán)境，能夠模擬產(chǎn)生高超聲速飛行器等離子體的有彈道靶、激波管、爆轟風(fēng)洞、電弧風(fēng)洞、高頻等離子體風(fēng)洞等設(shè)備，然而無論何種模擬試驗(yàn)方式均較真實(shí)飛行試驗(yàn)產(chǎn)生的等離子體有一定差異，同時(shí)受到試驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)環(huán)境等條件的制約，等離子體參數(shù)的測(cè)試精度偏低，試驗(yàn)中存在較大的誤差，這些誤差因素的存在使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性和可用性大為降低。因此，通過真實(shí)試驗(yàn)獲取等離子鞘套參數(shù)對(duì)于等離子體鞘套機(jī)理研究及模型修正的意義重大，然而目前缺少一套系統(tǒng)的對(duì)于真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理及利用的分析方法。

為了實(shí)現(xiàn)通過真實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)等離子體鞘套效應(yīng)進(jìn)行影響分析，并與仿真預(yù)測(cè)分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，需要一套系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析方法，該方法首先需要對(duì)電磁波的傳輸鏈路進(jìn)行詳細(xì)分析。無線信號(hào)的傳輸鏈路包括三個(gè)環(huán)節(jié):信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)、空間傳輸環(huán)節(jié)以及信號(hào)接收環(huán)節(jié)，如圖1所示。在信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)，需要分析各無線設(shè)備的實(shí)際數(shù)據(jù)以及發(fā)射設(shè)備與接收設(shè)備之間的角度關(guān)系，獲得發(fā)射到空間中的無線信號(hào)強(qiáng)度;在信號(hào)接收環(huán)節(jié)，需要分析真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的信號(hào)信噪比、自動(dòng)增益控制電壓、地面設(shè)備噪聲溫度、增益、信噪比處理關(guān)系等，獲得地面接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確信號(hào)強(qiáng)度;在空間傳輸環(huán)節(jié)，通過上述分析得到發(fā)射與接收端無線信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合空間傳輸衰減、大氣衰減以及雨衰減等諸多因素，計(jì)算等離子體鞘套對(duì)電磁波傳輸?shù)恼鎸?shí)影響。

圖1 無線信號(hào)傳輸鏈路示意圖Fig.1 Diagram of wireless signal propagation link

3.1 信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)

無線信號(hào)的發(fā)射環(huán)節(jié)主要涉及的設(shè)備有無線信號(hào)發(fā)射機(jī)、發(fā)射天線、連接信號(hào)發(fā)射機(jī)及天線的高頻網(wǎng)絡(luò)，有些無線鏈路還包含信號(hào)分路器。信號(hào)發(fā)射機(jī)按設(shè)計(jì)要求產(chǎn)生一定功率的無線信號(hào)，經(jīng)高頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)桨l(fā)射天線，發(fā)射天線將無線信號(hào)按照一定的波束形狀向自由空間中輻射。

對(duì)飛行器無線鏈路進(jìn)行詳細(xì)分析，一方面需要獲得發(fā)射機(jī)功率、高頻網(wǎng)絡(luò)衰減以及發(fā)射天線方向圖等真實(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù);另一方面需要根據(jù)實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)及相對(duì)時(shí)標(biāo)，結(jié)合發(fā)射設(shè)備的數(shù)據(jù)時(shí)序，完成發(fā)射設(shè)備與地面接收設(shè)備之間的數(shù)據(jù)同步;此外，還需要根據(jù)發(fā)射設(shè)備坐標(biāo)、姿態(tài)以及地面接收設(shè)備的站點(diǎn)坐標(biāo)、姿態(tài)，計(jì)算發(fā)射天線與地面接收天線之間的角度關(guān)系，從而獲取發(fā)射天線在接收天線的站點(diǎn)處的天線增益。

3.2 信號(hào)接收環(huán)節(jié)

信號(hào)接收環(huán)節(jié)主要用于無線信號(hào)的接收、解調(diào)、記錄和數(shù)據(jù)處理任務(wù)。當(dāng)無線信號(hào)落在接收天線主波瓣內(nèi)，天線接收到信號(hào)輸出左、右旋兩路信號(hào)，經(jīng)安裝在天線裝置上的低噪聲放大器放大，通過射頻分路組合分路，分路后送下變頻器，經(jīng)混頻、濾波、放大，輸出中頻信號(hào)經(jīng)中頻耦合網(wǎng)絡(luò)送基帶終端、基帶組合和檢前記錄設(shè)備，檢前記錄器完成對(duì)中頻信號(hào)實(shí)時(shí)記錄，基帶設(shè)備完成中頻濾波放大、增益控制、分集合成、解調(diào)、視頻濾波放大、視頻同步解調(diào)、數(shù)據(jù)存盤、數(shù)據(jù)處理等功能。

對(duì)于不同的無線信號(hào)接收系統(tǒng)，信號(hào)接收通道并不完全相同，因此，信號(hào)所經(jīng)過的無線鏈路也就不完全相同。為了詳細(xì)分析接收系統(tǒng)中的無線鏈路，一方面需要對(duì)內(nèi)部各設(shè)備指標(biāo)(如各設(shè)備噪聲溫度、遙測(cè)基帶自動(dòng)增益控制電壓值、各設(shè)備增益等)進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算;另一方面需標(biāo)定無線信號(hào)接收鏈路，獲取接收信號(hào)自動(dòng)增益控制電壓值與接收信號(hào)信噪比之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)接收到的無線信號(hào)的自動(dòng)增益控制電壓數(shù)據(jù)與系統(tǒng)標(biāo)定結(jié)果計(jì)算接收信號(hào)的信號(hào)強(qiáng)度。

3.3 空間傳輸環(huán)節(jié)

無線信號(hào)在自由空間中進(jìn)行傳播的過程中，一方面要經(jīng)歷空間衰減，另一方面也要經(jīng)歷由于雨、云等所產(chǎn)生的大氣衰減，以及極化損耗等。其中，空間衰減部分根據(jù)分析信號(hào)發(fā)射設(shè)備與信號(hào)接收設(shè)備之間的相對(duì)位置關(guān)系可以分析得到。然而無線信號(hào)在自由空間的傳播過程中，云、雨等物質(zhì)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生額外的衰減，衰減值不僅與無線信號(hào)的頻率相關(guān)，而且與云雨層的路徑長度以及云雨層的衰減率相關(guān)。

電磁波通過大氣時(shí)，大氣中的分子，主要是水汽和氧氣分子，會(huì)吸收電波能量而產(chǎn)生能級(jí)躍遷，是引起電波衰減的物理機(jī)理。在相同大氣環(huán)境中，高頻信號(hào)的衰減特性要比低頻信號(hào)衰減嚴(yán)重。對(duì)于8 GHz以下的無線信號(hào)而言，晴空大氣、云、霧、降雪的衰減很小，幾乎可以忽略，然而對(duì)于18 GHz以上頻段，云雨衰減則需要重點(diǎn)關(guān)注。高頻信號(hào)的云雨衰減可通過綜合評(píng)估晴空大氣衰減和降雨環(huán)境衰減特性反映系統(tǒng)受衰減影響的程度，其中晴空大氣衰減可通過試驗(yàn)過程中的實(shí)際大氣參數(shù)結(jié)合晴空衰減特性計(jì)算模型進(jìn)行精確計(jì)算;雨衰減分析計(jì)算則要復(fù)雜得多，其不僅與溫度、降雨量、等效路徑相關(guān)，還與雨滴尺寸、掉落頻率等特性相關(guān)。在反演分析的初期，由于高頻信號(hào)雨衰減量較難評(píng)估，可以先通過假設(shè)取固定值進(jìn)行計(jì)算，之后隨著試驗(yàn)子樣的增加、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的擴(kuò)充以及雨衰減分析逐步深入，可根據(jù)具體環(huán)境降雨特性對(duì)雨衰減計(jì)算模型加以修正，以便準(zhǔn)確評(píng)估雨衰特性。

在分別獲得了信號(hào)發(fā)射環(huán)節(jié)、信號(hào)接收環(huán)節(jié)以及空間傳播環(huán)節(jié)無線鏈路的數(shù)據(jù)之后，便可獲取試驗(yàn)過程中的等離子體鞘套對(duì)不同頻率無線信號(hào)的衰減量。該數(shù)據(jù)將為等離子體鞘套情況下無線鏈路設(shè)計(jì)提供充足的數(shù)據(jù)支持，并對(duì)等離子體鞘套的流場(chǎng)特性分析模型、電子密度計(jì)算模型及等離子體的電磁特性分析模型進(jìn)行修正。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演分析關(guān)鍵技術(shù)

真實(shí)試驗(yàn)是獲取等離子體鞘套實(shí)際數(shù)據(jù)的有效途徑，通過對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，對(duì)理論分析模型進(jìn)行不斷修正，可對(duì)電磁波在等離子體鞘套中的傳播機(jī)理有更加深入的認(rèn)識(shí)。然而對(duì)試驗(yàn)獲取的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的、系統(tǒng)的、詳細(xì)的分析過程中涉及到許多技術(shù)難點(diǎn)，如無線鏈路的精確分析計(jì)算、等離子電子密度數(shù)據(jù)分析、飛行器外表面材料燒蝕特性的分析、電磁模型的有效修正等。

4.1 高精度鏈路分析

等離子體試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取是通過真實(shí)有效的試驗(yàn)數(shù)據(jù)獲取等離子體鞘套對(duì)無線信號(hào)的真實(shí)影響，為了獲取較為精確的數(shù)據(jù)，需要對(duì)無線信號(hào)鏈路進(jìn)行高精度分析:一方面，需要對(duì)信號(hào)發(fā)射及接收設(shè)備指標(biāo)進(jìn)行高精度測(cè)量;另一方面，需要對(duì)云雨造成的兩路衰減進(jìn)行精確評(píng)估。

雨衰減是由于雨滴對(duì)電磁波的吸收與散射作用產(chǎn)生的，通常其隨頻率和降雨率的增加而增大，對(duì)于高頻信號(hào)，降雨是影響其信號(hào)衰減的最主要因素。目前通用的衰減模型是基于降雨量的統(tǒng)計(jì)模型，如公式(1)所示:

式中，k 與α 為與頻率、仰角、極化角有關(guān)的參數(shù)，R為降雨率(單位mm/h)。然而實(shí)際高頻電磁波的波長與雨滴尺寸屬于同一數(shù)量級(jí)，不同尺寸雨滴將對(duì)相應(yīng)頻段的無線信號(hào)產(chǎn)生選擇性的吸收和散射。即使相同降雨量條件下，雨滴尺寸分布(即雨滴譜)不同，對(duì)高頻信號(hào)衰減有著很大差別。對(duì)比研究模型與實(shí)測(cè)結(jié)果可見，在降雨量相同雨滴尺寸不同的情況下，計(jì)算得出的雨衰減與實(shí)測(cè)結(jié)果差別較大，最大處可達(dá)20 dB，因此在雨衰減評(píng)估模型中，需加入對(duì)降雨類型進(jìn)行分類的方法來修正模型，然而對(duì)降雨分類的過程存在著較大主觀性，誤差較大，需要在降雨統(tǒng)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，增加針對(duì)雨滴譜的修正。通過修正后的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比可見，不同雨滴尺寸情況下的雨衰減預(yù)估結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果均有較好的一致性，差別最大處不超過2 dB，可見雨滴譜修正方法可以較好地提高雨衰減計(jì)算精度。

4.2 電子密度分析

不同外形的飛行器在不同飛行狀態(tài)下的等離子鞘套分布并不相同，圖2給出了不同高度下RAMC 試驗(yàn)中垂直于再入飛行器表面方向的等離子體電子密度分布［8］?？梢钥闯?，不同高度的再入等離子鞘套電子密度分布差異很大。真實(shí)獲得飛行器等離子體鞘套的電子密度及其分布的特征，有助于對(duì)等離子體衰減特性進(jìn)行準(zhǔn)確分析。另外，通過有針對(duì)性地采取合理方法與技術(shù)可以降低等離子體電子密度，從而達(dá)到降低等離子體鞘套黑障效應(yīng)。

圖2 不同高度下RAM－C 飛行器表面電子密度分布Fig.2 Electron density profiles of RAM－C vehicles at different altitudes

等離子體電子密度的診斷可以分為三類:被動(dòng)遙感診斷、主動(dòng)非介入式診斷和介入式診斷。主動(dòng)測(cè)量方法有微波反射計(jì)技術(shù)、法拉第旋轉(zhuǎn)技術(shù);被動(dòng)測(cè)量方法有等離子體光譜技術(shù)、諧振腔技術(shù)和輻射計(jì)技術(shù);介入式診斷中探針診斷技術(shù)無疑是應(yīng)用最為廣泛的。然而，在邊界層流動(dòng)等離子體中，傳統(tǒng)朗繆爾探針的應(yīng)用會(huì)遇到一些新情況:首先是探針的“端部效應(yīng)”，在靜態(tài)等離子體中，探針各方向收集電荷的機(jī)會(huì)是均等的，而在流動(dòng)等離子體中，探針端部收集電荷的機(jī)會(huì)與流向有關(guān);其次，流動(dòng)會(huì)改變等離子體鞘套的形狀，導(dǎo)致迎風(fēng)面和被風(fēng)面收集電荷的機(jī)會(huì)不同;其三，流速的影響，氣體粒子除了熱運(yùn)動(dòng)外，還有整體流動(dòng)，在高超聲速流場(chǎng)中，流速可能大于熱運(yùn)動(dòng)速度。

在真實(shí)試驗(yàn)中進(jìn)行電子密度測(cè)量，可以采用探針的方法獲得飛行器不同部位電子密度。側(cè)身部宜使用平裝探針方法，所有伸出側(cè)身部的探測(cè)方法均不適用于側(cè)身部電子密度的測(cè)量。平裝探針若能布置在微波天線窗或通信窗口來流的上游將是最佳的方案。飛行器底部可以使用單探針、雙探針或三探針，這三種探針無論選用固定式或移動(dòng)式均可行。近尾和遠(yuǎn)尾的尾跡等離子體電子密度及其流場(chǎng)參數(shù)的獲取，選用彈射探針方法較為合適。

4.3 燒蝕特性分析

高超聲速飛行器在稠密大氣層中高速飛行時(shí)，飛行器周圍的氣動(dòng)高溫將使飛行器外表面的熱防護(hù)材料產(chǎn)生一定量的燒蝕產(chǎn)物;另外，熱防護(hù)材料將因高溫產(chǎn)生碳化效應(yīng)。

飛行器外表面熱防護(hù)材料的燒蝕效應(yīng)，一方面將產(chǎn)生一定量的燒蝕顆粒、多組分粒子，研究等離子體鞘套對(duì)電磁波的衰減效應(yīng)需要詳細(xì)研究等離子鞘套中燒蝕組分及微粒的化學(xué)非平衡特性及吸收和發(fā)射特性，化學(xué)非平衡的一個(gè)典型特征就是其熱物性參數(shù)不再是溫度的簡單表達(dá)式，為了準(zhǔn)確描述流場(chǎng)，需要盡可能準(zhǔn)確地確定其熱物性參數(shù)模型，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)中燒蝕傳感器得到的實(shí)際燒蝕量以及燒蝕速率可對(duì)現(xiàn)有化學(xué)非平衡NS 方程進(jìn)行修正;另一方面，由于飛行器外表面的氣動(dòng)高溫，熱防護(hù)材料將被碳化，碳化后熱防護(hù)材料的材料特性將產(chǎn)生較大變化，特別是導(dǎo)電率將大幅度提高。飛行器天線周圍熱防護(hù)材料導(dǎo)電率的提高將對(duì)天線的輻射特性產(chǎn)生顯著變化，天線方向圖將產(chǎn)生整體改變，在某些位置點(diǎn)天線增益將增強(qiáng)，而在其他位置點(diǎn)增益可能降低。天線增益的變化將會(huì)對(duì)無線信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響。為了通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演分析等離子體鞘套對(duì)無線信號(hào)的影響，需要詳細(xì)分析飛行器外表面材料碳化對(duì)天線方向圖所產(chǎn)生的影響。通過仿真計(jì)算可見，燒蝕對(duì)4 GHz頻段以上天線的影響較小，仿真結(jié)果顯示天線方向圖在主輻射方向±30°范圍內(nèi)方向圖變化為3～5 dB;而對(duì)4 GHz頻段以下天線的增益存在較為明顯的影響，仿真結(jié)果顯示方向圖在主輻射方向±30°范圍內(nèi)變化為8～10 dB。

4.4 電磁特性分析

等離子體鞘套電磁特性分析是依據(jù)飛行器周圍的三維等離子體鞘套數(shù)據(jù)(包括電子密度、碰撞頻率、等離子體鞘套厚度等)，根據(jù)射線追蹤、幾何繞射或物理光學(xué)等高頻電磁計(jì)算方法，計(jì)算得到等離子體鞘套對(duì)不同頻段無線信號(hào)產(chǎn)生的幅頻特性及相頻特性影響。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出各頻段無線信號(hào)在等離子體鞘套下的衰減值以及電子密度的測(cè)量值或者預(yù)測(cè)值，將其與電磁特性分析計(jì)算得出的衰減值進(jìn)行對(duì)比分析，可以對(duì)等離子體鞘套的電磁特性分析進(jìn)行深入認(rèn)識(shí)。

雖然經(jīng)典的等離子電磁波傳播理論早在20世紀(jì)60年代就基本成熟，然而其在于處理非均勻等離子體鞘套較局限，以及未涉及等離子介質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性，而等離子介質(zhì)的動(dòng)態(tài)特性對(duì)電磁波傳播與散射特性有明顯的影響，其影響結(jié)果主要表現(xiàn)為氣體動(dòng)力學(xué)中的隨機(jī)過程耦合在電磁波傳播的幅/相特性中其規(guī)律和機(jī)制尚不明確［9］。

真實(shí)環(huán)境中的等離子鞘套是一種具有頻率色散和折射效應(yīng)的非均勻有耗介質(zhì)，精確分析電磁波與非均勻等離子鞘套的相互作用機(jī)理十分復(fù)雜。通常的研究中，對(duì)于按某種規(guī)律分布的非均勻等離子鞘套，可將其分成若干厚度相等的均勻等離子體薄層，如圖3所示。而對(duì)于實(shí)際再入等離子鞘套，由于其電子密度分布極其不均勻，需采用自適應(yīng)的非均勻等離子鞘套分層模型，按照相鄰均勻薄層等離子體電子密度相差不超過10%來劃分邊界，即電子密度變化劇烈的位置，分層間距也較小，相應(yīng)的均勻薄層厚度較薄。這樣，既能較精確模擬非均勻等離子鞘套，又能防止計(jì)算網(wǎng)格數(shù)過大，并可用于對(duì)各種不同外形的飛行器等離子鞘套進(jìn)行分析。

圖3 電磁波在分層等離子鞘套中傳播Fig.3 Stratified models of electromagnetic waves propagation in plasma sheath

分析動(dòng)態(tài)等離子體鞘套與電磁波的相互作用模型，需根據(jù)不同高度及速度下高速飛行器周圍形成的等離子鞘套介電參數(shù)分布，分析等離子鞘套的動(dòng)態(tài)變化特性，并在現(xiàn)有的等離子體特征頻率與碰撞頻率中加入動(dòng)態(tài)性因子(時(shí)變、非均勻表征參數(shù))，形成動(dòng)態(tài)等離子鞘套的介電參數(shù)描述方法?；诘入x子體流場(chǎng)動(dòng)態(tài)分布特征，研究動(dòng)態(tài)等離子鞘套中各因素對(duì)電磁參數(shù)的影響，分析表征動(dòng)態(tài)等離子鞘套參數(shù)與電磁特征參數(shù)的關(guān)聯(lián)特性。

5 結(jié)束語

針對(duì)目前缺少系統(tǒng)的真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理、分析方法，本文提出對(duì)真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行等離子體反演分析，獲取等離子體對(duì)電磁波影響的實(shí)際數(shù)據(jù)。文中首先論述了等離子體鞘套數(shù)據(jù)反演分析方法，其中包括無線信號(hào)傳播鏈路分析計(jì)算方案以及等離子體實(shí)際衰減數(shù)據(jù)的獲取方法?；谏鲜龇桨?，詳細(xì)論述了試驗(yàn)反演分析過程中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，如通過建立更加精確的雨衰模型，提高無線鏈路分析計(jì)算精度;通過采取合理的電子密度在線診斷方法，獲得真實(shí)飛行器等離子體鞘套的電子密度及其分布的特征;通過考核飛行器外表面材料碳化對(duì)天線方向圖所產(chǎn)生的影響，分析燒蝕碳化所帶來的影響;通過形成動(dòng)態(tài)等離子鞘套的介電參數(shù)描述方法，分析動(dòng)態(tài)等離子鞘套參數(shù)以及電磁特性分析模型。通過對(duì)等離子體環(huán)境下的真實(shí)無線通信數(shù)據(jù)進(jìn)行反演分析，可總結(jié)歸納出等離子體鞘套對(duì)無線鏈路的真實(shí)影響規(guī)律，并對(duì)等離子體鞘套的流場(chǎng)特性分析模型、電子密度計(jì)算模型及等離子體的電磁特性分析模型進(jìn)行修正。反演分析過程及模型修正過程需要對(duì)大量數(shù)據(jù)多輪反復(fù)進(jìn)行，逐步提高反演分析的有效性以及仿真模型的精確性。

［1］ Pegna A J，Petit L，Caldara－Schnetzer A S，et al.So Near yet No Far:Neglect in far or near space depends on tool use［J］.Annals of Neurology，2001，50(6):820－822.

［2］ Charles H J. Recommendations from the Workshop on Communications Through Plasma During Hypersonic Flight［EB/OL］.［2014－08－30］. arc. aiaa. org/doi/ads/10.2514/6.2009－1718.

［3］ 鄭靈，趙青，羅先剛，等.等離子體中電磁波傳輸特性理論與實(shí)驗(yàn)研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2012，61(15):155203.ZHENG Ling，ZHAO Qing，LUO Xiangang，et al.Theoretical and experimental studies of electromagnetic wave transmission in plasma［J］.Acta Physica Sinica，2012，61(15):155203.(in Chinese)

［4］ 李江挺，郭立新，金莎莎，等.等離子體鞘套中的電磁波傳播特性研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33(3):494－500.LI Jiangting，GUO Lixin，JIN Shasha，et al.Studies of of electromagnetic wave transmission characteristics in plasma sheath［J］. Chinese Journal of Radio Science，2011，33(3):494－500.(in Chinese)

［5］ 胡紅軍，陳勇，陳菊.飛行器黑障區(qū)測(cè)控技術(shù)問題探討［J］.彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，2012，32(2):15－20.HU Hongjun，CHEN Yong，CHEN Ju. The Discussion on TT＆C Technology for Spacecraft in Blackout Aera［J］.Journal of Projectiles，Rockets，Missiles and Guidance，2012，32(2):15－20.(in Chinese)

［6］ Voland，Randall T，Huebner L D，et al. X－43A Hypersonic Vehicle Technology Development［J］. Acta Astronautica，2006，59(1－5):181－191.

［7］ Fante R. Transmission of Electromagnetic Waves into Time－Varying Media［J］. IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1971，19(3):417－424.

［8］ Swift C T，Beck F B，Thomson J，et al.RAM C－III S－Band Diagnostic Experiment［C］//Proceedings of The Entry Plasma Sheath and its Effects on Space Vehicle Electromagnetic Systems.Hampton，Virginia:NASA Langley Research Center，1970:137－155.

［9］ 張作一，趙良，劉秀祥.再入等離子鞘套對(duì)測(cè)控信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀跩］.電訊技術(shù)，2014，54(9):1265－1269.ZHANG Zuoyi，ZHAO Liang，LIU Xiuxiang. Influence of reentry plasma sheath on TT＆C signals transmission［J］.Telecommuniations Engineering，2014，54(9):1265－1269.(in Chinese)