文志軍, 陳長興, 凌云飛

(空軍工程大學(xué)理學(xué)院, 西安 710051)

0 引言

當(dāng)航天器以高超聲速再入大氣層時,與大氣層發(fā)生劇烈摩擦并在其周圍形成了一個強(qiáng)電離、非均勻的等離子體層。電磁波在等離子體層中傳播時產(chǎn)生反射、折射、吸收、色散等現(xiàn)象,使再入航天器與地面的測控信號衰減,甚至中斷,該現(xiàn)象稱為測控“黑障”[1-4]。航天器再入測控“黑障”問題困擾航天界已久,各國飛船再入返回時均有不同程度的測控中斷現(xiàn)象,哥倫比亞號再入大氣層時發(fā)生測控“黑障”導(dǎo)致失事;我國“神州九號”、美國“阿波羅”號載人飛船返回地面時,都曾出現(xiàn)3～4 min的通信中斷。因此,解決航天器再入“黑障”問題具有十分重要的意義。

國內(nèi)外學(xué)者通過研究“黑障”產(chǎn)生機(jī)理,提出解決通信“黑障”的方法主要有以下幾種[5-11]:改變飛行器氣動結(jié)構(gòu)、噴射液體親電子物質(zhì)以及引入交叉電磁場、開磁窗、采用高頻通信等。文獻(xiàn)[12]表明中繼衛(wèi)星系統(tǒng)具有全球覆蓋、無地面測控條件限制、工作頻率高等優(yōu)勢。Tran.P等人研究發(fā)現(xiàn)等離子鞘套會由于航天器返回艙的外形、速度、俯仰角等因素呈現(xiàn)出不均勻的空間分布,即“黑障”效應(yīng)較強(qiáng)的迎風(fēng)面和“黑障”效應(yīng)較弱的背風(fēng)面[13]。文獻(xiàn)[14]表明將高頻段電磁波從背風(fēng)面進(jìn)行傳輸,可避免直接傳輸產(chǎn)生的巨大信號衰減。但目前大多數(shù)文獻(xiàn)并未對使用中繼法解決測控“黑障”問題做出具體參數(shù)分析。

文中參考?xì)W航局(ESA)開展的返回和降落飛行試驗(IRDT)、RAM CIII飛行測試以及ARD實測數(shù)據(jù),建立非均勻等離子體模型,設(shè)置再入航天器迎風(fēng)面與背風(fēng)面的非均勻等離子體各參數(shù),研究參數(shù)變化對Ka-Band信號在迎風(fēng)面、背風(fēng)面非均勻等離子體中傳輸性能的影響,對“中繼法”優(yōu)勢做出具體參數(shù)分析。為解決再入航天器測控“黑障”問題的研究提供數(shù)據(jù)參考。

1 原理分析及物理模型的建立

1.1 “中繼法”原理

航天器再入大氣層過程中,由于航天器外形、材料、再入速度以及周圍環(huán)境等因素都會影響等離子體包覆的結(jié)構(gòu),所以航天器表面的等離子體的電子密度是非均勻的。航天器再入過程中等離子體分為“黑障”效應(yīng)較強(qiáng)的迎風(fēng)面和“黑障”效應(yīng)較弱的背風(fēng)面,如圖1所示,使中繼衛(wèi)星發(fā)射高頻的Ka-Band作為信號頻段從黑障效應(yīng)較弱的背風(fēng)面進(jìn)行傳輸?shù)姆绞椒Q為“中繼法”。

圖1 “中繼法”傳輸模型

1.2 非均勻等離子體模型

根據(jù)RAM C III測試的不同飛行高度實驗數(shù)據(jù)分析表明:航天器表面變化的等離子體電子密度和厚度存在3種形式的數(shù)學(xué)模型:雙指數(shù)分布函數(shù)、Epstein分布函數(shù)和高斯分布函數(shù)[15]。文中取臨近空間中高空分析,等離子體電子密度近似服從Epstein函數(shù)分布表達(dá)式如下:

(1)

式中:ne,max為等離子體最大電子密度;α1和α2為描述Epstein函數(shù)分段的常數(shù);z是Epstein函數(shù)的分段點(diǎn),z2-z1為等離子體厚度d。Epstein分布中等離子體電子密度ne與厚度d的關(guān)系如圖2所示。

圖2 等離子體電子密度Epstein分布圖

等離子體中的電磁波為:

(2)

(3)

(4)

求解式(2)得:

(5)

當(dāng)電磁波穿透等離子體時,功率衰減為:

(6)

式中:P為入射波功率;P2為透射波功率。則透射率T和衰減值A(chǔ)為:

T=P2/P0

(7)

A=-10lgT

(8)

2 數(shù)值仿真與分析

電磁波在等離子體中傳輸發(fā)生透射、衰減受到等離子體厚度d、電子密度ne和碰撞頻率fen等影響。非均勻等離子體電子密度服從Epstein函數(shù)分布時,參考?xì)W航局ARD飛行試驗[16]及我國載人飛船再入過程[17]提供的實測數(shù)據(jù),選擇高、中、低空典型再入高度85 km、65 km和45 km,設(shè)置3組再入高度的迎風(fēng)面和背風(fēng)面等離子體厚度d、最大電子密度ne,max和碰撞頻率fen等參數(shù)如表1所示,電磁波信號選定為26～36 GHz的Ka-Band。

表1 不同再入高度迎風(fēng)面的等離子體數(shù)據(jù)參數(shù)

2.1 Ka-Band在迎風(fēng)面環(huán)境中的傳輸特性

根據(jù)表1迎風(fēng)面的等離子體數(shù)據(jù)參數(shù),建立非均勻等離子體模型,對Ka-Band在等離子體中的傳輸進(jìn)行仿真分析,得到傳輸透射、衰減情況如圖3所示。

圖3 迎風(fēng)面3組參數(shù)對Ka波段電磁波傳輸性能的影響

由圖3(a)可知,3組高度下的工作信號傳輸透射率隨著工作頻率的增大而增大;相比高度45 km、65 km,當(dāng)航天器在85 km時,電磁波在非均勻等離子體傳輸中的透射率明顯較大;電磁波工作頻段位于毫米波內(nèi)35 GHz大氣窗口時,透射率為8.5%,在36 GHz處,透射率達(dá)到9.4%;當(dāng)再入航天器在65 km時,透射率幾乎始終為零。

由圖3(b)可看出,Ka-Band信號在非均勻等離子體中傳輸衰減值均在83.2 dB以下;其中電磁波工作頻率位于毫米波內(nèi)35 GHz大氣窗口時,再入高度85 km、65 km和45 km處的衰減值分別為10.6 dB、64.6 dB和13.2 dB;電磁波頻段在26～36 GHz內(nèi),傳輸衰減值均大于10.2 dB。

由圖3可得,隨著電磁波工作頻率的上升,電磁波信號在迎風(fēng)面等離子體中傳輸?shù)耐干渎士傮w呈上升趨勢,衰減值呈下降趨勢。在Ka-Band頻段內(nèi),提高信號工作頻率可以有效緩解測控中斷問題。由表1的實測數(shù)據(jù)可以看出,再入高度為85 km時,非均勻等離子體厚度、最大電子密度最小;再入高度為65 km時,非均勻等離子體厚度、最大電子密度最大。當(dāng)?shù)入x子體厚度d增加、等離子體中電子密度ne增大時,電磁波在等離子體傳輸衰減值增大,透射率減小。

2.2 Ka-Band在背風(fēng)面環(huán)境中的傳輸特性

參考表2背風(fēng)面等離子體數(shù)據(jù)參數(shù),建立非均勻等離子體模型,對Ka-Band頻段波在背風(fēng)面等離子體中的傳輸性能進(jìn)行數(shù)值分析,得到傳輸透射、衰減情況如圖4所示。

表2 不同再入高度背風(fēng)面的等離子體數(shù)據(jù)參數(shù)

圖4 背風(fēng)面3組參數(shù)對Ka-Band電磁波傳輸性能的影響

由圖4(a)可知,電磁波頻段在Ka-Band頻段內(nèi),3組再入高度背風(fēng)面電磁波傳輸透射率隨電磁波工作頻率增加呈現(xiàn)上升趨勢,且均大于91%;當(dāng)再入航天器處于高度為85 km時,等離子體厚度、等離子體電子密度最小,衰減值均大于97.7%;其中電磁波工作頻率位于毫米波內(nèi)35 GHz大氣窗口處時,再入高度85 km、65 km和45 km處的透射率分別為98.7%、95.3%和97.5%。

由圖4(b)可看出,在Ka-Band頻率內(nèi),背風(fēng)面衰減值均在0.395 dB以下;當(dāng)再入航天器處于高度為85 km時,等離子體厚度、電子密度最小,衰減值均小于0.1 dB;同樣以35 GHz毫米波大氣窗口處為例,3組再入高度處的衰減值分別為5.4×10-2dB、0.2 dB和1.08×10-1dB。

由圖4可得,隨著電磁波工作頻段的上升,電磁波信號在背風(fēng)面等離子體中傳輸?shù)耐干渎试龃?衰減值減小。當(dāng)電磁波頻率升高時,等離子體電子從電磁波中吸收的能量減小,因此,電磁波在等離子體傳輸透射率增加,衰減值減小。

2.3 迎風(fēng)面與背風(fēng)面Ka-Band傳輸特性的比較分析

由圖3、圖4中(a)可以看出:1)隨著電磁波工作頻率的增加,航天器迎風(fēng)面、背風(fēng)面的透射率均為上升趨勢,3組高度下迎風(fēng)面透射曲線呈現(xiàn)凹性,背風(fēng)面透射曲線呈現(xiàn)凸性;2)再入高度為85 km,電磁波在Ka波段范圍內(nèi)的迎風(fēng)面透射率達(dá)到最大為9%,而航天器背風(fēng)面最小透射率為91.3%;3)再入高度為65 km處,航天器迎風(fēng)面透射始終幾乎為零,而背風(fēng)面透射率均大于91%,且相比于迎風(fēng)面透射率,背風(fēng)面透射率隨工作信號頻率的遞增斜率更大;4)再入高度為45 km處,電磁波在Ka-Band頻段范圍內(nèi)的迎風(fēng)面透射率達(dá)到最大為5.7%,而背風(fēng)面最小透射率為95.3%遠(yuǎn)大于5.7%;從透射率來說,相同高度環(huán)境下航天器背風(fēng)面透射率明顯高于迎風(fēng)面透射率。

由圖3、圖4中(b)得到:1)隨著電磁波工作頻率的增加,航天器迎風(fēng)面、背風(fēng)面的衰減值均呈下降趨勢;2)電磁波在Ka-Band頻段范圍內(nèi),再入高度為85 km的迎風(fēng)面衰減值最小為10.2 dB,而航天器背風(fēng)面最大衰減值為0.1 dB;3)再入高度為65 km處,在電磁波工作范圍內(nèi),航天器迎風(fēng)面衰減值始終大于62 dB,而背風(fēng)面衰減值最大為0.39 dB;4)再入高度為45 km處,電磁波在Ka-Band頻段范圍內(nèi)的迎風(fēng)面衰減值達(dá)到最小為12.4 dB,而背風(fēng)面最大衰減值為0.2 dB,遠(yuǎn)小于迎風(fēng)面衰減值;從衰減值可得到:相同高度環(huán)境下航天器背風(fēng)面衰減值明顯低于迎風(fēng)面衰減值。

3組高度的迎風(fēng)面與背風(fēng)面的透射率、衰減值對比情況如表3所示。航天器再入過程中,Ka-Band信號從背風(fēng)面?zhèn)鬏數(shù)耐干渎氏啾葟挠L(fēng)面?zhèn)鬏數(shù)耐干渎侍岣咧辽?8.3%,衰減值至少降低10 dB,說明Ka-Band工作信號在航天器背風(fēng)面?zhèn)鬏旓@著優(yōu)于在航天器迎風(fēng)面?zhèn)鬏敗?/p>

表3 Ka-Band信號在不同高度航天器迎風(fēng)面、背風(fēng)面的傳輸對比

3 結(jié)論

通過上述仿真與分析得到:1)在Ka-Band頻段范圍內(nèi),提高測控頻率有助于減輕航天器再入過程中的測控黑障問題;2)降低等離子體電子密度、減小等離子體厚度,Ka-Band信號在等離子體傳輸?shù)耐干渎试龃蟆⑺p值減小;3)相同高度環(huán)境下航天器背風(fēng)面透射率明顯高于迎風(fēng)面透射率,背風(fēng)面衰減值明顯低于迎風(fēng)面衰減值。如在毫米波35 GHz處,迎風(fēng)面最小衰減值為10.6 dB,而背風(fēng)面最大衰減值為0.21 dB,通過MATLAB仿真得到了Ka-Band工作信號在航天器背風(fēng)面?zhèn)鬏旓@著優(yōu)于在航天器迎風(fēng)面?zhèn)鬏?如果將天線架設(shè)在航天器背風(fēng)面,衰減值將遠(yuǎn)小于將天線架設(shè)在航天器迎風(fēng)面。

參考文獻(xiàn):

[1] STARKEY R P, SANTOS W，HOULT D, et al. Plasma telemetry in hypersonic flight[C]// LEWIS M J. Plasma Field Telemetry for Hypcrsonic Flight. [S.l.:s.n.], 2002.

[2] 凌云飛, 陳長興, 蔣金. 磁化等離子鞘套中毫米波大氣窗口的衰減研究 [J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(然科學(xué)版), 2016, 17(2): 50-55.

[3] 楊歡, 宗鵬. 再入飛船通信環(huán)境建模研究 [J]. 航天器環(huán)境工程, 2010, 27(5): 664-667.

[4] 文志軍, 陳長興, 凌云飛, 等. 中繼法解決臨近空間Ka波段通信黑障問題研究 [J]. 空軍工程大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2016, 17(6): 18-23.

然而“prehistoric powers”是否就是“洪荒之力”最正宗的表達(dá)呢？《韋氏大詞典》對于prehistoric的解釋為史前的，有歷史記載以前的，除此以外，還兼有陳舊的，不時髦的情感色彩。與“洪荒之力”這一新型流行詞的基調(diào)不夠吻合，因此筆者認(rèn)為單純的將“洪荒”解釋為“prehistoric”，將“洪荒之力”直譯為“prehistoric powers”，恐怕很難完整地傳達(dá)原詞的含義。

[5] RYBAK J P, CHURCHILL R J. Progress in reentry communications [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems, 1971, AES-7(5) 879-894.

[6] HARTUNIAN R A, STEWART G E, FERGAON S D, et al. Cause and mitigations radio frequency (RF) blackout during reentry of reusable vehicles: ART 2007(5309)-1 [R]. [S.l.]:The Aerospace Corporation，2007.

[7] KEIDAR M, KIM M, BOYD I D. Electromagnetic reduction of plasma density during atmospheric reentry and hypersonic flights [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 445-453.

[8] TAKAHASHI Y, YAMADA K, ABE T. Prediction performance of blackout and plasma attenuation in atmospheric reentry demonstrator mission [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51(6): 1954-1964.

[9] STARKEY R P. Hypersonic vehicle telemetry blackout analysis [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2015, 52(2): 426-438.

[10] 袁忠才, 時家明. 飛行器再入大氣層通信黑障的消除方法 [J]. 航天器環(huán)境工程, 2012, 29(5): 504-507

[11] HARTUNIAN R A, STEWART G E, CURTISS T J, et al. Implications and mitigation of radio frequency blackout

[12] 黃惠明. 我國第一代中繼衛(wèi)星地面應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)展建設(shè)的思考 [J]. 飛行器測控學(xué)報, 2013, 31(5): 1-5.

[13] 王家勝, 經(jīng)姚翔, 楊顯強(qiáng). 采用衛(wèi)星中繼克服航天器再入通信黑障的途徑 [J]. 航天工程, 2015, 24(3): 1-8.

[14] 李于衡, 羅斌, 郭文鴿, 等. 中繼衛(wèi)星Ka頻段支持飛船再入返回通信可行性分析 [J]. 載人航天, 2015, 21(6): 582-588.

[15] 蔣金, 陳長興, 汪成, 等. 太赫茲在非均勻等離子體鞘套中的傳輸特性 [J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報, 2015, 27(12): 3109-3116.

[16] TRAN P, PAULAT J C, BOUKHOBZA P. Re-entry flight experiments lesson learned：the atmospheric reentry demonstrator ARD[EB/OL]. [2016-09-18]. http:www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a476493.pdf.

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