葉文慧 李琳琳 潘彩平

摘要：近年來，空間飛行器返回大氣時(shí)的通信問題又被大家廣泛關(guān)注，空間飛行器返回大氣時(shí)再入過程中遇到的黑障區(qū)通信問題也急需解決。本文從信號(hào)鏈路角度，分析空間飛行器返回大氣時(shí)再入過程中的黑障區(qū)通信問題。通過對(duì)等離子鞘套介質(zhì)特性、電磁特性的深入探討，針對(duì)飛行器實(shí)際飛行情況，對(duì)不同高度處等離子鞘套電子密度加入隨機(jī)性，并對(duì)非均勻等離子鞘套進(jìn)行改進(jìn)的自適應(yīng)分層分析電磁波在非均勻等離子鞘套中傳播的衰減損耗，為解決空間飛行器返回大氣時(shí)再入過程中黑障區(qū)通信問題提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：空間飛行器；通信黑障；等離子鞘套；電磁波衰減。

中圖分類號(hào)： TN01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0000-00

引言

自2003年10月15日我國(guó)第一艘載人航天飛船神舟五號(hào)成功發(fā)射并返航以來，我國(guó)在航天領(lǐng)域的研究取得了迅猛的發(fā)展，載人航天計(jì)劃、月球探測(cè)計(jì)劃、空間站建設(shè)計(jì)劃等航天領(lǐng)域研究均已獲得不錯(cuò)的成果，同時(shí)近幾年來，臨近空間飛行器的通信技術(shù)研究也成為熱門，因此空間飛行器再入過程中的臨近空間通信問題也引來了較多的關(guān)注。

空間飛行器返回大氣時(shí)在再入過程中，會(huì)因高速產(chǎn)生激波壓縮空氣引起周圍分子離解、飛行器表面與周圍空氣相互高速摩擦作用產(chǎn)生熱電離、飛行器隔熱層燒蝕濃融物質(zhì)引起化學(xué)電離三方面原因在空間飛行器表面形成一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的等離子鞘套，該等離子鞘套會(huì)對(duì)與空間飛行器通信的電磁波產(chǎn)生較大的衰減影響，使空間飛行器在返回大氣再入過程中與地面站存在一段時(shí)間的通信中斷，即為通信黑障[1]?？臻g飛行器的通信黑障問題一般發(fā)生在空間飛行器據(jù)地面30-100km之間，對(duì)載人航天中宇航員的安全、臨近空間飛行器飛行過程中的信息采集都有著較大的影響，所以，如何克服空間飛行器通信黑障成為了臨近空間通信研究中急需解決的問題[2，3]。

本文在深入探討等離子鞘套介質(zhì)特性和電磁特性的基礎(chǔ)上，通過等效波阻抗方法對(duì)等離子鞘套進(jìn)行改進(jìn)的斜率自適應(yīng)分層，計(jì)算電磁波在等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層模型中傳播的透射系數(shù)，進(jìn)而利用透射系數(shù)計(jì)算電磁波在等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層模型中傳播的衰減損耗。等離子鞘套的等離子體電子密度對(duì)其他介質(zhì)特性和電磁特性有著較大的影響，且等離子體電子密度情況復(fù)雜多變，所以本文在考慮等離子鞘套等離子體電子密度實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，加入了隨機(jī)性的計(jì)算，更加貼合實(shí)際，具有參考價(jià)值。

等離子鞘套介質(zhì)特性及電磁特性

等離子鞘套中的等離子體電子密度是等離子鞘套很重要的介質(zhì)參數(shù)，它是指等離子鞘套單位體積等離子體內(nèi)的電子的個(gè)數(shù)，對(duì)等離子鞘套其他介電特性均有著較大的影響。圖1為美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）在1967年進(jìn)行的RAM-C系列飛行實(shí)驗(yàn)中取得的飛行器表面等離子體電子密度數(shù)據(jù)[4]，現(xiàn)有研究中大部分均是利用該數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的，本文考慮到實(shí)際飛行中的不確定性，在利用雙高斯曲線針對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)，加入了隨機(jī)性，在仿真過程中對(duì)等離子鞘套最大等離子體電子密度進(jìn)行了隨機(jī)化，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加貼合實(shí)際。

圖 1不同高度處RAM-C飛行器表面的等離子體電子密度分布

通過查找大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，本文總結(jié)了六個(gè)高度處空間飛行器表面等離子鞘套電子密度數(shù)據(jù)（如表1），考慮到實(shí)際空間飛行器表面等離子鞘套為復(fù)雜多變的動(dòng)態(tài)介質(zhì)，它的介質(zhì)參數(shù)會(huì)具有一定的隨機(jī)性，所以在計(jì)算過程中對(duì)等離子體電子密度峰值進(jìn)行隨機(jī)化，使隨機(jī)化后的等離子體電子密度峰值在原等離子體電子密度峰值±5%范圍內(nèi)浮動(dòng)隨機(jī)，并根據(jù)隨機(jī)化后的等離子體電子密度峰值和雙高斯曲線對(duì)隨機(jī)化的等離子體電子密度曲線進(jìn)行了100次擬合計(jì)算，最后根據(jù)計(jì)算結(jié)果的平均值利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算等離子鞘套等離子體頻率、電導(dǎo)率、介電常數(shù)等介質(zhì)參數(shù)。

表 1等離子鞘套相關(guān)介質(zhì)特性

飛行高度

（km） 隨機(jī)化的等離子體電子密度峰值（/cm3） 碰撞頻率

（GHz） 氣壓

（Pa） 等離子鞘套厚度（cm）

76 4.02×〖10〗^10±5% 0.007 2.0 14.0

62 4.37×〖10〗^11±5% 0.059 16.7 7.8

53 6.86×〖10〗^11±5% 0.228 54.8 7.0

40 1.41×〖10〗^12±5% 1.6 287 5.0

30 1.00×〖10〗^13±5% 7.1 1197 7.0

21 5.03×〖10〗^10±5% 27.1 4729 5.2

電磁波在等離子鞘套中的傳輸

本文采用等效波阻抗方法計(jì)算電磁波在等離子鞘套中傳播的透射系數(shù)，并利用透射系數(shù)得到電磁波在入射和射出等離子鞘套時(shí)的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度，利用坡印廷定理計(jì)算得到電磁波在等離子鞘套中傳播的功率損耗。

目前較多研究都是將等離子鞘套進(jìn)行均勻分層，因等離子鞘套中的等離子體電子密度近似呈雙高斯分布，如果采用均勻分層，在等離子體電子密度變化較劇烈的區(qū)間中就不能將等離子體電子密度看作是均勻的，與最開始的設(shè)定條件不符，2014年張作一提出了一種自適應(yīng)分層模型[5]，本文在他的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)，首先根據(jù)不同高度處等離子鞘套厚度進(jìn)行50層均勻分層，計(jì)算各層等離子鞘套電子密度曲線斜率及50層曲線斜率絕對(duì)值的平均值k，當(dāng)?shù)趍層曲線斜率大于k時(shí)，則將該層平均分為兩層，并計(jì)算這兩層的曲線斜率繼續(xù)與k進(jìn)行比較，直到所有分層等離子體電子密度曲線斜率均小于等于k為止。直到所有層曲線斜率均小于等于k時(shí)，得到該高度處改進(jìn)后的等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型。采用這種分層方式對(duì)等離子鞘套進(jìn)行分層，就可以將斜率自適應(yīng)分層模型中每層的等離子體電子密度看作是均勻的，符合等效波阻抗計(jì)算的條件，有效減少均勻分層情況下單層等離子鞘套電子密度變化太大導(dǎo)致的計(jì)算失真。

根據(jù)得到的不同高度處等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型進(jìn)行等效波阻抗方法計(jì)算電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減，在斜率自適應(yīng)分層模型中，第 m 層等離子體的總電場(chǎng)強(qiáng)度、總磁場(chǎng)強(qiáng)度可以表示為

（1）

（2）

式中， 、 分別為第 m 層等離子體的波數(shù)和波阻抗。利用每層等離子體的總電場(chǎng)強(qiáng)度（式（1））、總磁場(chǎng)強(qiáng)度（式（2））及每層等離子體邊界面的邊界條件，可以得到每層等離子體邊界面上電磁波的反射系數(shù)和透射系數(shù)的遞推關(guān)系式為：

（3）

（4）

式中， 即為第 m 層等離子體的等效波阻抗。由于等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層中最后一層入射波不再進(jìn)行反射，因此最后一層邊界面的反射系數(shù)和透射系數(shù)公式較易被算出，即

（5）

（6）

這樣根據(jù)電磁波反射系數(shù)和透射系數(shù)的遞推關(guān)系式（式（3）、（4））便可以從最后一層邊界面的反射系數(shù)和透射系數(shù)（式（5）、（6））逐漸向前迭代[1]，得到斜率自適應(yīng)分層模型各層邊界面的反射系數(shù)值和透射系數(shù)值，將各層透射系數(shù)迭代相乘，最終得到電磁波在整個(gè)斜率自適應(yīng)分層模型中傳播的復(fù)透射系數(shù)T。本文根據(jù)上述等效波阻抗公式，計(jì)算出不同高度處等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型復(fù)透射系數(shù)T，并利用該復(fù)透射系數(shù)T計(jì)算電磁波在入射和射出斜率自適應(yīng)分層模型時(shí)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，再通過坡印廷定理計(jì)算得出電磁波在不同高度處等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型中傳播的功率衰減。

仿真結(jié)果

本文根據(jù)表1等離子鞘套相關(guān)介質(zhì)參數(shù)和隨機(jī)化的等離子鞘套等離子體電子密度曲線，針對(duì)不同高度選取不同曲線斜率k分別建立等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型，并對(duì)電磁波在等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層模型中的功率衰減進(jìn)行仿真。因常用通信頻段L頻段、S頻段、C頻段、Ku頻段和Ka頻段頻率范圍在1.0-40GHz之間，所以仿真過程中電磁波頻率選在這個(gè)范圍內(nèi)，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖 2 電磁波在不同高度處等離子鞘套中的傳播損耗

根據(jù)仿真結(jié)果分析得到電磁波頻率越高，電磁波在等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層模型中傳播的功率衰減越小，且當(dāng)電磁波頻率大于20GHz時(shí)，電磁波在不同高度處等離子鞘套中傳播的功率衰減損耗明顯減小，因此采用頻率波長(zhǎng)大于20GHz的高頻電磁波與再入過程中的空間飛行器進(jìn)行通信，可以有效減少等離子鞘套對(duì)電磁波的傳播衰減損耗。

結(jié)論

本文采用隨機(jī)化的等離子體電子密度進(jìn)行電磁波在等離子鞘套中傳播的功率衰減計(jì)算，并對(duì)等離子鞘套建立一種改進(jìn)的斜率自適應(yīng)分層模型。仿真結(jié)果表明，采用頻率波長(zhǎng)大于20GHz的高頻電磁波與再入過程中的空間飛行器進(jìn)行通信，可以有效減少電磁波在等離子鞘套中傳播的功率衰減損耗。但是高頻電磁波在地面站與空間飛行器傳播時(shí)較易受到雨衰、大氣衰減等的影響，選擇一個(gè)合適頻段的高頻電磁波進(jìn)行地面站與再入過程中的空間飛行器之間的通信還需考慮高頻電磁波在大氣中傳播受到的影響，有待進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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[5]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)挠绊慬J].電訊技術(shù)，2014，54（9）：1265 -1269.