張麗華，馬曉東，彭雪麗

(1.中國(guó)人民解放軍91917部隊(duì)，北京102401；2.北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京100854))

“再入”飛行器等離子體鞘套的電磁傳播特性仿真

張麗華1，馬曉東2，彭雪麗1

(1.中國(guó)人民解放軍91917部隊(duì)，北京102401；2.北京無(wú)線電測(cè)量研究所，北京100854))

研究了一種借助仿真軟件定量分析“再入”飛行器電磁傳播特性方法。從等離子體鞘套的流體特性仿真出發(fā)，得出計(jì)算域內(nèi)的流體特性參數(shù)，再借助編程實(shí)現(xiàn)流體參數(shù)的提取及電磁特性參數(shù)的轉(zhuǎn)換。進(jìn)行了電磁仿真研究，得到了幾個(gè)典型通信頻點(diǎn)的電磁傳播特性，定量得出了透過(guò)等離子體鞘套不同區(qū)域的電波傳播透射系數(shù)。文中所提出的仿真分析方法，為定量分析等離子體鞘套引起的通信"黑障"問(wèn)題提供了一種思路。

等離子體鞘套；黑障；電磁傳播

飛行器“再入”過(guò)程中，在其頭部附近會(huì)形成一層高溫電離層，被稱(chēng)為等離子體鞘層。等離子體鞘套對(duì)電磁波傳播有很大的衰減作用，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致通信中斷，即通信“黑障”現(xiàn)象。通信“黑障”一直都是超高聲速飛行技術(shù)中函待解決的難題。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)“再入”飛行器表面的等離子體鞘套特性的研究很多，但基本都只是單獨(dú)在電磁學(xué)領(lǐng)域或流體力學(xué)領(lǐng)域進(jìn)行了研究。電磁領(lǐng)域研究中，通常將等離子鞘套中的流體參數(shù)分布簡(jiǎn)化成指數(shù)分布、拋物線分布或某些改進(jìn)的函數(shù)分布[1-4]，然后借助解析法或仿真得到的電磁傳播特性[5-6]。而流體力學(xué)領(lǐng)域的研究，則是借助實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[7-8]或者以單純的流體仿真得到等離子體鞘套的流體特性參數(shù)為主。

本文對(duì)一個(gè)類(lèi)似于返回艙的飛行器進(jìn)行建模得出飛行器外圍等離子體鞘套的自由電子密度、溫度及壓強(qiáng)分布參數(shù)[9]。再根據(jù)分布參數(shù)將等離子體鞘套等效成包裹在飛行器表面的電介質(zhì)層，并通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)等效介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)及損耗角正切的分布數(shù)據(jù)賦值，生成盡可能逼近真實(shí)形態(tài)的等離子體鞘套模型。最后在專(zhuān)業(yè)電磁仿真軟件HFSS中對(duì)等效電介質(zhì)層進(jìn)行建模，進(jìn)行等離子體的電磁特性仿真。研究了指定飛行速度和飛行高度下，幾個(gè)典型通信頻率下飛行器表面等離子體鞘套的分布形態(tài)， 以及“再入”飛行器表面等離子體鞘套不同區(qū)域?qū)﹄姴▊鞑サ耐干湎禂?shù)分布情況。整個(gè)過(guò)程力求使得鞘套的流體特性及電磁特性參數(shù)分布接近真實(shí)情況，將等離子體鞘套等效為一種非均勻的緩變電介質(zhì)，避免了簡(jiǎn)單利用一些典型分布函數(shù)代替實(shí)際流場(chǎng)分布帶來(lái)的誤差[10-12]。為實(shí)現(xiàn)“再入”飛行器與地面的有效通信提供了很好的數(shù)據(jù)參考。

本文提出的研究方法將流體領(lǐng)域與電磁領(lǐng)域有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，是一種對(duì)等離子體電磁特性定量研究的有效方法。

1 機(jī)理分析

由于等離子鞘套中的自由電子的碰撞和振動(dòng)對(duì)信號(hào)衰減起主要作用。當(dāng)自由電子密度ne達(dá)到一定的數(shù)量級(jí)時(shí)，等離子體鞘套對(duì)電磁波傳播的衰減將變得顯著[13-15]。本文的切入點(diǎn)是在研究等離子體的電磁傳播特性時(shí)，考慮兩個(gè)關(guān)鍵的特征參數(shù)(振蕩頻率ωpe和碰撞頻率ve)與其流體特性參數(shù)溫度T、壓強(qiáng)P以及自由電子密度ne之間的關(guān)系

(1)

(2)

借助計(jì)算式(1)及經(jīng)驗(yàn)式(2)，得到等離子體的振蕩頻率ωpe和碰撞頻率ve后，將等離子體鞘套等效為電介質(zhì)層。由于這個(gè)電介質(zhì)層是非均勻分布的，需要對(duì)其進(jìn)行分層分區(qū)賦值處理，目前采用30×30分層分區(qū)方案。利用式(3)～式(5)得到各個(gè)小區(qū)域的介電常數(shù)εr和損耗角正切值tanδc。最后，借助HFSS高頻電磁仿真軟件求解研究區(qū)域的麥克斯韋方程組，即可得出電磁波在“再入”飛行器表面等離子體鞘套中的傳播特性

εr=εr(1-jtanδc)

(3)

(4)

(5)

2 建模及仿真

2.1 等離子體鞘套的流體特性仿真

本文研究的模型是鈍錐形再入飛行器的簡(jiǎn)化模型，選取容易發(fā)生“黑障”的飛行高度和飛行速度的流場(chǎng)進(jìn)行研究工作。飛行器的飛行高度為65 km，飛行馬赫數(shù)為24 Ma，大氣背景溫度為260 K，大氣背景壓強(qiáng)為70 Pa，壁面溫度為1 200 K。實(shí)踐證明，等離子體鞘套的流體特性是由飛行器的外形、飛行馬赫數(shù)、背景壓強(qiáng)、背景溫度決定的。借助計(jì)算流體力學(xué)仿真軟件Fluent進(jìn)行建模，得到了流場(chǎng)中自由電子密度分布云圖，如圖1所示。

圖1 自由電子密度云圖

2.2 等離子體鞘套在HFSS中的建模及仿真

在HFSS中將研究區(qū)域確定為圖2所示的區(qū)域(1 m×1 m)，再編程提取鞘套包裹區(qū)域的溫度、壓強(qiáng)和自由電子密度分布矩陣。

圖2 仿真區(qū)域離散化及三維旋轉(zhuǎn)示意圖

由于Fluent仿真中得到的數(shù)據(jù)是近似連續(xù)分布的，而HFSS中的有限元方法是基于網(wǎng)格剖分的。因此在進(jìn)行電磁仿真之前必須對(duì)區(qū)域進(jìn)行分區(qū)離散化處理，如圖2所示，將研究區(qū)域離散成m×m的小方形區(qū)域。這里m取值任意，理論上m取值越大，在電磁仿真部分所得到的結(jié)果越精確。但因?yàn)橛?jì)算機(jī)內(nèi)存資源的限制，在達(dá)到比較準(zhǔn)確的電磁仿真結(jié)果的情況下，應(yīng)盡量使m取值較小，本文中m取30。

圖3 HFSS中鞘套的分層分區(qū)模型

為了能在HFSS中進(jìn)行建模仿真，將離散的方形區(qū)域進(jìn)行三維旋轉(zhuǎn)，如圖2所示。HFSS中所創(chuàng)建的模型如圖3所示。由于是編程實(shí)現(xiàn)的分層分區(qū)賦值，因此可以按研究區(qū)域的數(shù)值分布規(guī)律，實(shí)現(xiàn)任意細(xì)化的分層分區(qū)方案。從而最大可能地還原真實(shí)的等離子體鞘套的電磁特性參數(shù)。

3 仿真結(jié)果討論

如圖4所示，以Vivaldi天線為饋源，天線放置在鞘套內(nèi)部，分別選取1.5 GHz、2.3 GHz、5 GHz和10 GHz這4個(gè)通信頻率進(jìn)行仿真，得到了在等離子體鞘套存在的情況下空間的場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，以及天線輻射方向圖等結(jié)果。

2.3 GHz和5 GHz的場(chǎng)分布圖和方向圖如圖5所示。從場(chǎng)圖中可以看出，等離子體有一定的類(lèi)金屬特性，對(duì)電磁波有很強(qiáng)的反射作用，使天線周?chē)a(chǎn)生了嚴(yán)重的駐波。另一方面，進(jìn)入等離子體內(nèi)部的電磁波被嚴(yán)重?fù)p耗，只有極小部分輻射能量能夠穿越等離子鞘套。天線輻射出的能量絕大部分都駐留在了天線周?chē)?，通信系統(tǒng)無(wú)法有效地與外界通信，天線的方向圖出現(xiàn)了嚴(yán)重的畸變，主瓣已經(jīng)消失。

圖4 HFSS仿真模型剖面圖

圖5 場(chǎng)圖和方向圖仿真結(jié)果

圖6 傳輸損耗仿真結(jié)果

利用HFSS中的場(chǎng)計(jì)算器，對(duì)頭部區(qū)、中間區(qū)和尾流區(qū)的電波透射情況進(jìn)行提取，并換算成電磁波的功率傳輸損耗系數(shù)，如圖6所示。可以看出，對(duì)于同一頻率而言，頭部區(qū)、中間區(qū)和尾部區(qū)對(duì)電磁波的損耗依次減小，所以飛行器的通信天線安裝在尾部區(qū)比較合理。而對(duì)于同一區(qū)域，頻率越高，等離子體對(duì)電磁波的損耗越小，這一點(diǎn)可以作為選擇通信頻率的參考。與前人的實(shí)驗(yàn)、仿真研究結(jié)論對(duì)比發(fā)現(xiàn)，本文仿真得到的功率傳輸衰減系數(shù)是明顯小于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的，但變化趨勢(shì)基本吻合。這也充分說(shuō)明，造成通信“黑障”的原因是多方面的，等離子體鞘套中空氣電離產(chǎn)生的自由電子可能只是其中原因之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)聯(lián)合仿真得出了典型通信頻率下，處于自由電子密度峰值高度并以24 Ma速度飛行的“再入”飛行器，產(chǎn)生的等離子體鞘套的電磁波損耗情況?？梢猿醪降氐玫揭恍┯行ЫY(jié)論，如通信天線的安裝位置，指定通信頻率的傳輸耗損情況等。下一步將結(jié)合仿真數(shù)據(jù)，調(diào)整通信頻率，改變飛行速度、飛行高度，以便能計(jì)算飛行器“再入”軌跡上的更多點(diǎn)的數(shù)據(jù)，為實(shí)際“再入”情況下的通信鏈路達(dá)成，提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

[1] 劉江凡.離子鞘套中電波傳播的算法研究[D].西安：西安理工大學(xué),2011.

[2] 方圓.再入等離子鞘層中的電磁波傳輸特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué),2014.

[3] 李江挺,郭立新,方全杰,等.高超聲速飛行器等離子體鞘套中的電波傳播[J] .系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2011, 33(5): 969-973.

[4] 楊歡. 再入飛船等離子體鞘套對(duì)通信衰減的仿真與建模[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2010.

[5] Hartunian R A, Stewart G E. Causes and mitigation of radio frequency (RF) blackout during reentry of reusable launch vehicles[S].USA:ATR-2007(5309)-1, 2007.

[6] 劉昌臻.“黑障”測(cè)控傳輸體制研究[D].南京：南京理工大學(xué),2012.

[7] 胡紅軍,劉軍,馬明.雷達(dá)與USB在“黑障”區(qū)對(duì)返回艙捕獲跟蹤分析研究[J].載人航天，2006(3):49-53.

[8] 馬平,曾學(xué)軍,石安華,等.電磁波在等離子體高溫氣體中傳輸特性實(shí)驗(yàn)研究[J].實(shí)驗(yàn)流體力學(xué),2010,24(5):51-56,69.

[9] Suzuki K，T Abe T.Viscous shock-layer analysis on hypersonic flow over reentry capsule with nonequilibrium chemistry[R].USA:Nasa Sti/recon Technical Report N, 1994.

[10] 焦淑卿,馮德光.等離子鞘套的反射系數(shù)與穿透系數(shù)[[J].數(shù)學(xué)物理學(xué)報(bào)，1984,4(4): 456-466.

[11] 董乃涵,趙漢章,吳是靜.非均勻等離子鞘套中電波傳輸?shù)慕朴?jì)算[[J].宇航學(xué)報(bào)，1984(1):51-57.

[12] 趙漢章,吳是靜,董乃涵.不均勻等離子體鞘套中電磁波的傳播[J].地球物理學(xué)報(bào)，1983,26(1): 9-16.

[13] 馬騰才,胡希偉,陳銀華. 等離子體物理原理[M]. 合肥:中國(guó)科技大學(xué)出版社, 1988.

[14] 營(yíng)井秀郎. 等離子體電子工程學(xué)[M]. 北京:科學(xué)出版社, 2002.

[15] 王柏彭.再入等離子鞘的電波傳播特性[J].宇航學(xué)報(bào)，1982 (2): 81-101.

Simulation Study on Electromagnetic Propagation Characteristics of the Plasma Sheath of the Reentry Vehicle

ZHANG Lihua1, MA Xiaodong2,PENG Xueli1

(1. The Chinese People’s Liberation Army of 91917, Beijing 102401，China;2. Beijing Wireless Measurement Research Institute, Beijing 100854，China)

In this paper, the research method of the electromagnetic propagation characteristics of reentry vehicle is studied by means of simulation software. Starting from the analysis of the characteristics of the plasma sheath, the real fluid characteristic parameters in the computational domain are obtained. Finally, We get the field distributions, transmission magnitudes and radiation impedances of antenna at typical frequency on the existence of plasma sheath by using HFSS software simulation, the transmission coefficient of the wave propagation in the space of the real distribution of space is obtained. The proposed method contributes to the analysis and elimination of the adverse effect of plasma sheath.

plasma sheath;blackout; electromagnetic propagation

2016- 03- 17

張麗華(1982-)，女，碩士，工程師。研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。馬曉東(1989-),男，碩士，工程師。研究方向：電磁場(chǎng)與微波技術(shù)。彭雪麗(1976-)，女，工程師。研究方向：通信工程與應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.007

TN011；O441.4

A

1007-7820(2017)01-023-03