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等离子体鞘套对C波段通信信号传输影响的试验

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北京航空航天大学学报 2013年第11期39卷 1437-1442页

作者：邬润辉刘洪艳刘佳琪常青试验物理与计算数学国家级重点实验室北京100076 北京航空航天大学电子信息工程学院北京100191

飞行器在稠密大气层超音速飞行时,由于其周围形成等离子体鞘套对通信信号的屏蔽或能量大幅度衰减效应,可使飞行器与地面间通信产生中断.以等离子体鞘套对通信信号透射相位改变和能量吸收为基本出发点,以高温激波管试验装置产生的、生存... 详细信息

飞行器在稠密大气层超音速飞行时,由于其周围形成等离子体鞘套对通信信号的屏蔽或能量大幅度衰减效应,可使飞行器与地面间通信产生中断.以等离子体鞘套对通信信号透射相位改变和能量吸收为基本出发点,以高温激波管试验装置产生的、生存时间为几百微秒量级的等离子体鞘套为研究对象,利用四进制相移键控(QPSK,Quaternary Phase Shift Keying)调制、载波频率为7.5 GHz的信号生成与测量系统获取有无等离子体鞘套时信号相位特征、眼图特征、图像传输等的对比试验结果,利用矢量网络分析系统E8362B获取了有无等离子体鞘套时透射能量衰减对比试验结果.试验结果不仅进一步证明了等离子体鞘套对通信信号能量大幅度衰减将不同程度影响飞行器与地面的正常通信;同时表明等离子体鞘套能够使QPSK信号相位特征产生改变,从而在信号解调解码后眼图特征产生严重畸变,通信系统误码率P e大大提高,最终导致接收端无法复现发送端发送的原始信息.

关键词：高温激波管等离子体鞘套 QPSK信号信号传输试验

等离子体鞘套中X射线通信传输理论与实验研究

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光子学报 2021年第11期50卷 314-322页

作者：苏桐盛立志刘永安张雪晗刘一凡赵宝升中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室西安710119 中国科学院大学北京100049

由于存在理论模型不完善、实验验证技术不充分等问题,等离子体鞘套中的信息传递难题尚未获得可行的工程化解决方案。首先通过数值计算与理论建模研究了X射线光子与等离子体相互作用机理,构建了X射线与等离子体相互作用理论模型,与传统... 详细信息

由于存在理论模型不完善、实验验证技术不充分等问题,等离子体鞘套中的信息传递难题尚未获得可行的工程化解决方案。首先通过数值计算与理论建模研究了X射线光子与等离子体相互作用机理,构建了X射线与等离子体相互作用理论模型,与传统波动模型中X射线可无衰减地穿透等离子体的结论不同,本文建立的修正理论模型指出X射线在等离子体中的透过率与等离子体电子密度及入射X射线流量密切相关。其次通过栅控X射线调制发射、单光子X射线探测、动态等离子体产生等核心技术攻关,演示验证平台搭建,实现了高动态范围(电子密度109~1014/cm^(3))、长持续时间(大于20 min)等离子体环境下,通信速率优于1 Mbps,误码率10-5量级的X射线通信实验验证。实验结果表明,所建立的修正理论模型可对实验现象进行良好的解释与预测,全物理闭环式实验系统可为等离子体鞘套中的通信难题提供解决思路。

关键词： X射线通信等离子体鞘套单光子探测等离子体产生传输链路方程

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等离子体鞘套中的电波传播特性研究

电波科学学报 2011年第3期26卷 494-500页

作者：李江挺郭立新金莎莎方全杰西安电子科技大学理学院陕西西安710071

采用压力权函数修正的迎风型矢通量分裂格式(AUSMPW+),求解纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组,得出不同飞行速度下等离子鞘套内的电子密度分布。基于改进的文策尔-克拉莫斯-布里渊(WKB)方法分析了电磁信号经过等离子鞘套的幅频特性,... 详细信息

采用压力权函数修正的迎风型矢通量分裂格式(AUSMPW+),求解纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程组,得出不同飞行速度下等离子鞘套内的电子密度分布。基于改进的文策尔-克拉莫斯-布里渊(WKB)方法分析了电磁信号经过等离子鞘套的幅频特性,同时还给出了电磁波在鞘套中传输的相频曲线、群时延特性曲线。计算结果表明:随着飞行器速度增大,鞘套内电子密度增加,电波衰减明显增大,且电磁波在等离子鞘套中传输的相频特性受等离子体频率以及碰撞频率影响,在等离子体频率附近群时延最大。

关键词：等离子体鞘套电磁波传播 AUSMPW+格式改进的WKB方法

等离子体鞘套低频通信电磁波透射率与辐照微波场强关系仿真研究

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强激光与粒子束 2023年第8期35卷 156-162页

作者：陈煜青王蕾赵立山贺军涛国防科技大学前沿交叉学科学院长沙410073

高超声速飞行器飞行期间,由于表面激波的影响,飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波,导致通信信号发生衰减甚至中断,从而形成“黑障”问题。理论上来说,等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的... 详细信息

高超声速飞行器飞行期间,由于表面激波的影响,飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波,导致通信信号发生衰减甚至中断,从而形成“黑障”问题。理论上来说,等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的变化呈现非线性,所以可能存在一个合适的电场幅值和辐照时间区间,使等离子体鞘套的电磁波透射率上升。针对这种可能性,采用有限元分析方法,对飞行器表面等离子体鞘套流场与电磁场进行二维耦合仿真,得到微波照射后等离子体鞘套透射率的改变情况。分别使用电场幅值为5×10^(4)、1×10^(5)、2.5×10^(5)、5×10^(5) V·m^(−1)的微波对等离子体鞘套进行30 ns的辐照,在辐照后等离子体鞘套对1.2 GHz和1.6 GHz的电磁波的最大透射率提升,为解决“黑障”问题提供了新的可能。

关键词：高超声速飞行器等离子体鞘套黑障微波耦合仿真

时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性

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物理学报 2017年第8期66卷 70-76页

作者：陈伟郭立新李江挺淡荔西安电子科技大学物理与光电工程学院西安710071

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等... 详细信息

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型,然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系.采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率.研究结果表明:在太赫兹波段中,电子密度的弛豫时间越长,温度越高,压强越大,电磁波越容易穿透等离子体;弛豫时间越短,温度越低,压强越小,等离子体对电磁波吸收率的变化越明显.这些结果为解决"黑障"问题提供了理论依据.

关键词：时空非均匀等离子体等离子体鞘套太赫兹波时域有限差分方法

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三维行波磁场对等离子体鞘套密度的调控作用

物理学报 2024年第17期73卷 225-239页

作者：徐子原周辉刘光翰高中亮丁丽雷凡山东理工大学电气与电子工程学院淄博255000 陕西科技大学电气与控制工程学院西安710016

飞行器以高超音速飞行或再入过程中,表面会被等离子体鞘套包覆.等离子体鞘套会阻碍电磁波传播,造成飞行器无线电信号衰减甚至中断,即通信黑障.行波磁场是一种能够通过调控等离子体鞘套密度来缓解通信黑障的磁场.本文针对一维行波磁场无... 详细信息

飞行器以高超音速飞行或再入过程中,表面会被等离子体鞘套包覆.等离子体鞘套会阻碍电磁波传播,造成飞行器无线电信号衰减甚至中断,即通信黑障.行波磁场是一种能够通过调控等离子体鞘套密度来缓解通信黑障的磁场.本文针对一维行波磁场无法准确描述空间内等离子体密度分布的问题,建立了三维行波磁场产生模型和三维等离子体密度分布模型.通过研究行波磁场与等离子体相互作用的机理,得到了空间内等离子体的密度分布.研究结果表明,在行波磁场的作用下,等离子体会往飞行器前端汇聚,从而在后端形成尺寸为50×100 mm的密度降低区域,使该区域内的等离子体密度最大降低71%,且提供持续的通信时间.基于RAM-C飞行试验的数据,利用所提出的模型研究了电流大小和行波速度对飞行器再入过程中电磁波衰减的影响,同时对比了行波磁场与外加静磁场对电磁波衰减的抑制效果.结果表明,施加行波磁场能够使飞行器在30.48 km处的X波段以及其他高度处的L波段、S波段、C波段和X波段的电磁波衰减降低到30 dB以下.行波磁场和静磁场的对比结果表明,行波磁场对电磁波衰减的抑制效果明显优于静磁场.

关键词：等离子体鞘套通信黑障行波磁场密度调控

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磁窗天线增强等离子体鞘套透波特性研究

宇航学报 2011年第7期32卷 1564-1568页

作者：于哲峰刘佳琪任爱民张生俊马平石安华试验物理与计算数学国家级重点实验室北京100076 中国空气动力研究与发展中心绵阳621000

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时,周围形成的等离子体鞘套将影响电磁波的传播特性,严重时传输完全中断(黑障)。外加强磁场可以形成"磁窗",有效地增强右旋圆极化电磁波在等离子体鞘套中传播时的透波特性,但是在产生磁窗过程中(例如... 详细信息

当飞行器以高超声速在大气层中飞行时,周围形成的等离子体鞘套将影响电磁波的传播特性,严重时传输完全中断(黑障)。外加强磁场可以形成"磁窗",有效地增强右旋圆极化电磁波在等离子体鞘套中传播时的透波特性,但是在产生磁窗过程中(例如使用超导产生磁窗)有一系列的问题如磁体的重量和复杂性等需要克服。为解决这一问题,提出了天线和强永磁体一体化综合设计的新思路———磁窗天线。设计出一种圆极化GPS天线,它的表面贴片为对磁场影响很小的镀铜片,接地板为稀土永磁体NdFeB(钕铁硼),永磁体同时也做为强磁场的发生装置。分析了圆极化GPS天线的性能和周围磁感应强度的分布,估算了磁窗天线减缓通信中断的效果,在所研究的情况下,使用磁窗天线可以显著地提高等离子体鞘套的透波特性。

关键词：磁窗天线等离子体鞘套黑障

真实气体效应对等离子体鞘套及电磁参数的影响

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航空动力学报 2022年第8期37卷 1579-1586页

作者：李俊红吕俊明苗文博程晓丽中国航天空气动力技术研究院空气动力理论与应用研究所北京100074 中国航天科技集团有限公司航天飞行器气动热防护实验室北京100074

针对高速飞行器高超声速飞行环境,建立了热化学非平衡流动数值模拟技术,并对计算方法的可靠性进行了验证,接着开展了真实气体效应对飞行器等离子体鞘套及其电磁参数的影响规律分析。结果表明:飞行器物面中心线等离子体密度峰值与飞行试... 详细信息

针对高速飞行器高超声速飞行环境,建立了热化学非平衡流动数值模拟技术,并对计算方法的可靠性进行了验证,接着开展了真实气体效应对飞行器等离子体鞘套及其电磁参数的影响规律分析。结果表明:飞行器物面中心线等离子体密度峰值与飞行试验符合良好;对于碰撞频率,沿滞止流线,双温模型以及Park反应模型对等离子体碰撞频率的影响趋势是一致的;对于相对介电常数,除激波附近,流场其他区域的实部接近1,激波附近小于1,虚部沿滞止流线逐渐升高;双温模型以及Park反应模型对相对介电常数实部和虚部的影响趋势是一致的。

关键词：热化学非平衡等离子体鞘套真实气体效应双温模型电磁参数

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太赫兹波在飞行器等离子体鞘套中的传输特性

强激光与粒子束 2020年第3期32卷 74-79页

作者：耿兴宁徐德刚李吉宁陈锴钟凯姚建铨天津大学精密仪器与光电子工程学院天津300072 天津大学光电信息技术教育部重点实验室天津300072

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-Ⅲ飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离... 详细信息

针对临近空间飞行器的黑障问题,根据模拟的RAM C-Ⅲ飞行器周围的流场分布结果,计算了等离子体电子密度和碰撞频率,并根据其分布建立了非均匀的等离子体模型。在此基础上,利用散射矩阵方法分析了太赫兹波在等离子体中的传输特性随着等离子体密度、等离子体厚度、等离子体碰撞频率的变化以及外加磁场对传输特性的影响。结果表明,太赫兹波的传输损耗随着等离子体电子密度和等离子体厚度的增加而增加,而碰撞频率的增加会使得透射率先减小后增加。在外加磁场的作用下,左旋太赫兹波的传输特性会得到改善;而对于右旋太赫兹波,磁场的施加会引入吸收峰,并且随着磁感应强度的增加向高频方向移动。

关键词：太赫兹波等离子体鞘套散射矩阵方法传输特性外加磁场