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利用PIC模拟等离子体中电磁波传输

利用PIC模拟等离子体中电磁波传输

作者：陈敏琪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

飞行器在大气层中超高速飞行时,飞行器表面由于剧烈的摩擦作用会产生一层等离子体层,称为等离子体“鞘套”。该等离子体层与入射电磁波之间存在着丰富的相互作用,如吸收、衰减、反射、折射等。从积极的角度来说,可以利用等离子体鞘套对... 详细信息

飞行器在大气层中超高速飞行时,飞行器表面由于剧烈的摩擦作用会产生一层等离子体层,称为等离子体“鞘套”。该等离子体层与入射电磁波之间存在着丰富的相互作用,如吸收、衰减、反射、折射等。从积极的角度来说,可以利用等离子体鞘套对入射电磁波的相互作用进行等离子体隐身;从消极的角度来说,该等离子体鞘套严重妨碍了地面指挥中心与飞行器之间的实时通信。随着计算机硬件及计算技术的发展,Particle in cell(PIC)方法在等离子体数值模拟中使用得越来越广泛。PIC方法为第一性原理出发,不同于通常数值模拟中的宏观上的方程,而是使用最基本的电磁学规律——麦克斯韦方程组,和最基础的力学规律——洛伦兹力方程与牛顿运动方程,对等离子体中的大量粒子进行运动轨迹的计算,最后根据粒子在坐标、速度的六维相空间中的分布,进行统计平均,得到等离子体的宏观性质。因此PIC方法可以认为是一种理论上的实验,适合研究物理本质问题。本文使用PIC方法研究了入射电磁波在等离子体鞘套中的能量吸收、反射规律。首先介绍了PIC这种等离子体数值模拟方法的基本流程,包括PIC的基本假设、离散空间内电磁场分量和电流电荷密度的计算、粒子推进方法、PIC模拟方法的改进等;其次对飞行器表面的等离子体鞘套进行模拟简化建模,包括模拟区域、粒子初始分布、模拟区域的边界条件设定等;最后给出了不同条件下的等离子体鞘套,对入射电磁波能量的吸收与反射的影响。

关键词：等离子体鞘套电磁波 Particle in cell 传输特性

近空间飞行器等离子鞘套及窗口环境对天线性能的复合影响研究

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近空间飞行器等离子鞘套及窗口环境对天线性能的复合影响研究

作者：文成纲电子科技大学

学位级别：硕士

飞行器以高超音速在大气中飞行时,会被高温电离形成的等离子体鞘套包裹。视工作频率,等离子体鞘套对电磁波可能有强烈的衰减、反射、折射等作用。因此它会影响飞行器的对外通信,严重时甚至会导致通讯的中断,即著名的黑障现象。因此减缓... 详细信息

飞行器以高超音速在大气中飞行时,会被高温电离形成的等离子体鞘套包裹。视工作频率,等离子体鞘套对电磁波可能有强烈的衰减、反射、折射等作用。因此它会影响飞行器的对外通信,严重时甚至会导致通讯的中断,即著名的黑障现象。因此减缓甚至解决通信黑障对高超声速飞行器的发展至关重要,天线作为高超声速飞行器对外通信的媒介,研究其在黑障情况下的性能变化有助于解决黑障问题。由于等离子体鞘套及天线窗的防隔热层均位于天线的近场区,且两者对天线的性能均有很大的影响,因此研究等离子体鞘套和天线窗对天线性能的综合影响,对高超音速飞行器天线的设计具有很强的指导意义。本文的主要工作包括:本文首先研究了均匀等离子体的体频率、碰撞频率、等离子体厚度对电磁波的透射、反射、吸收特性的影响。以RAM-CⅡ数据为基础,研究了不同极化的电磁波以不同角度、不同频率入射到非均匀平面分层等离子体时其透射系数、反射系数及吸收系数。其次,以某飞行器的天线窗为基础模型,研究了等离子体覆盖天线窗时L-Ka波段的偶极子天线、圆极化贴片天线性能的变化;C-Ka波段的喇叭天线、阵列天线性能的变化。发现天线窗对不同天线的影响不同,等离子体覆盖的天线窗对工作在不同频率的天线性能影响不同。但总体上对工作频率低于等离子体体频率的天线,天线的增益衰减严重。高于等离子体体频率时,对增益衰减较小,但会使天线方向图发生畸变。进一步以某高超音速飞行器在某个飞行状态时形成等离子鞘套的数据为基础,对飞行器天线窗位置的等离子体鞘套进行建模分析,研究了其对天线性能的影响。最后,本文还提出了一种基于天线窗基本结构的夹层方法以减缓飞行器的黑障。当在天线窗内部生成一层等离子体薄层时,内层等离子体、防隔热层、外层等离子体鞘套三者构成了夹层结构。当在天线窗内外形成夹层结构后,在黑障期间,电磁波在穿透夹层结构时会在某个频点处出现一个透波窗口。文中详细讨论了等离子体厚度、碰撞频率、体频率对该透波窗口的影响。计算结果表明内层等离子体频率,防隔热层的厚度可确定夹层方法的透波频点的数值及其相关参数。外层等离子体对该透波频点影响较小。通过利用喇叭天线构建的仿真模型进行验证,该方法有一定的实用性。

关键词：等离子体鞘套天线窗天线近场夹层结构减缓黑障

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等离子体包覆目标电磁散射特性研究

等离子体包覆目标电磁散射特性研究

作者：张艳艳西安电子科技大学

学位级别：硕士

临近空间高超声速飞行器再入大气层的过程中,其表面和周围空间中会产生一层结构复杂的等离子体鞘套,鞘套的存在会对电磁波产生严重的影响,不仅制约了高超声速飞行器的发展,也对此类目标的探测和识别造成困难,因此针对等离子体鞘套包覆目... 详细信息

临近空间高超声速飞行器再入大气层的过程中,其表面和周围空间中会产生一层结构复杂的等离子体鞘套,鞘套的存在会对电磁波产生严重的影响,不仅制约了高超声速飞行器的发展,也对此类目标的探测和识别造成困难,因此针对等离子体鞘套包覆目标,全面而系统地研究其电磁散射特性是十分有必要的。但由于飞行试验和地面实验受诸多条件的限制,使得实测数据获取代价昂贵,所以对包覆目标进行建模仿真来研究其电磁散射特性不失为一种经济且易实现的方法。本文以等离子体鞘套包覆目标的雷达回波仿真为基础,利用一维距离像和二维成像结果,对等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性进行了分析。具体工作如下:首先,讨论了等离子体和电磁波之间的相互作用,并基于高频物理光学（PO）法,对等离子体鞘套包覆目标雷达回波进行了建模仿真。在介绍了再入过程目标运动状态和几种等离子体变化规律的基础上,采用目前常用的模型对目标和包覆的等离子体鞘套进行几何建模。采用PO算法计算目标的后向散射系数,结合目标的动态刻画以及等离子体对相位造成影响的估算结果来计算目标的回波相位,再根据回波信号生成原理,实现鞘套包覆目标雷达回波的仿真。然后,对高温真空腔体环境中等离子体包覆目标的电磁散射特性进行分析,包括RCS衰减和散射中心分布两方面。介绍了高温真空腔体环境和基于步进频的一维距离像和二维成像算法,对不同等离子体参数下的鞘套包覆目标的雷达回波进行仿真。通过一维距离像分析鞘套对RCS的影响,通过二维成像结果分析鞘套对目标散射中心分布的影响。最后,基于ISAR成像结果,对再入段雷达目标电磁散射特性进行了研究分析。介绍了再入段目标的运动特性和ISAR成像原理,以再入弹头为例,根据不同飞行状态,分析了各阶段等离子体鞘套参数变化和对目标ISAR成像结果的影响。

关键词：等离子体鞘套电磁散射高分辨一维距离像雷达散射截面积步进频反投影算法逆合成孔径雷达

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等离子体动态特性主动激励调控方法

等离子体动态特性主动激励调控方法

作者：党辉西安电子科技大学

学位级别：硕士

等离子体鞘套对临近空间高速目标飞行器通信的制约是当前亟待解决的热点问题。理论与实验研究表明,等离子体鞘套并不是恒稳介质,而是动态时变的,动态等离子体对通信的影响与稳态等离子体有很大不同。开展等离子体鞘套动态特性对电磁波... 详细信息

等离子体鞘套对临近空间高速目标飞行器通信的制约是当前亟待解决的热点问题。理论与实验研究表明,等离子体鞘套并不是恒稳介质,而是动态时变的,动态等离子体对通信的影响与稳态等离子体有很大不同。开展等离子体鞘套动态特性对电磁波和通信的影响研究需要进行地面实验,目前的地面实验设备主要包括等离子体风洞、激波管等,它们对等离子体鞘套的动态模拟能力有限,难以实现等离子体鞘套达到百k Hz量级的动态变化频率,且动态模拟可控性较差。针对以上问题,本文提出一种利用主动激励调控的方法来调控等离子体的动态性,为进一步探索等离子体鞘套下的通信特性奠定基础。本文基于临近空间高速目标等离子体电磁科学实验装置开展研究,提出了等离子体动态性调控方法,设计了主动激励调控模块的结构。其基本原理为:在矩形喷管出口两侧安装一对相互平行的电极,通过在两个平行电极之间施加高频高压交流电,产生高频辉光放电。两个电极之间等离子体中的带电粒子会在外加电场的作用下,分布及密度发生改变,并且在原有等离子体流动作用下向下游传递,从而形成电子密度具有动态变化规律的等离子体,通过调节施加在电极之间的交流电频率和电压强度,即可实现等离子体密度的动态调控。本文主要研究工作归纳如下:(1)完成了辉光放电主动激励作用于等离子体射流过程的理论分析。结合等离子体物理、流体动力学等基础理论,分析了辉光放电过程中带电粒子在外加电场作用下的运动特征,在电子漂移扩散方程的基础上,基于微扰假设推导出了电子密度扰动求解方程。(2)在实验装置基础上,提出了等离子体动态特性调控方法,并完成了主动激励调控模块的结构设计,通过数值模拟分析了电子密度扰动的影响因素和变化情况。首先在ANSYS软件中建立了矩形喷管的三维主动激励调控等离子体动态特性的几何模型;然后,结合实验数据完善了模型的边界条件,进行了数值模拟;最后利用电子密度扰动求解方程计算出了电子密度扰动项的结果,分析了不同因素对电子密度扰动的影响。(3)研制了等离子体动态调控实验装置,并设计实验进行了主动调控有效性验证。利用静电探针和频谱仪对动态等离子体进行了诊断分析,实验结果表明,设计并施加的主动激励实现了对等离子体电子密度动态频率的有效调控。本文通过理论分析、数值模拟和实验验证三种方法相结合,提出了主动调控等离子体动态特性的方法,分析了调控等离子体动态特性的多种影响因素,研制了等离子体动态调控装置,并设计实验验证了对等离子体动态频率调控的有效性,为后续等离子体动态特性对电磁波和通信的影响研究奠定了基础。

关键词：等离子体鞘套动态特性主动激励调控电子密度

可重复使用运载火箭再入段星箭协同可靠通信技术

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航空学报 2023年第23期44卷 142-155页

作者：李小平杨敏姚博刘彦明石磊刘浩岩李乘光西安电子科技大学空间科学与技术学院西安710126

可重复使用运载火箭是未来低成本火箭应用技术的必然发展趋势。其是一种典型的跨域可重复飞行器,在火箭以极高的速度再入大气过程中,包覆在箭体表面的等离子体鞘套会引起通信中断问题。这一问题困扰了航空航天领域几十年,至今尚未完全... 详细信息

可重复使用运载火箭是未来低成本火箭应用技术的必然发展趋势。其是一种典型的跨域可重复飞行器,在火箭以极高的速度再入大气过程中,包覆在箭体表面的等离子体鞘套会引起通信中断问题。这一问题困扰了航空航天领域几十年,至今尚未完全解决。可靠通信链路的建立和保持是实现可回收火箭再入过程中全时可测、全程可控的重要基础。近年来快速发展的低轨卫星系统为再入段测控链路设计提供了新思路,箭体背风面等离子体鞘套电子密度较低,有利于电磁波穿透鞘套与卫星建立链路,以解决再入段的“黑障”通信难题。然而,再入段星箭综合通信信道状况复杂,多种影响因素深度耦合。分别从综合信道模型与适应性通信方法这2个角度进行了阐述。首先,分析再入段星箭链路综合信道中影响通信信号的主要因素,建立不同尺度下的信道模型。然后,根据信道特点,从信道感知、编码、检测、调制体制等角度设计适应性通信方法。最后,在地面实验中复现了再入段通信场景并对所提出的通信方案进行了验证。实验结果表明,所提出的通信方案可大幅提高通信的可靠性,为运载火箭可重复使用提供了通信保障。

关键词：星箭协同等离子体鞘套综合信道模型自适应通信黑障复现

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碱金属杂质对飞行器烧蚀流场电子数密度影响

宇航学报 2017年第2期38卷 109-114页

作者：曾学军李海燕中国空气动力研究与发展中心吸气式高超声速技术研究中心绵阳621000 中国空气动力研究与发展中心超高速空气动力研究所绵阳621000

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质... 详细信息

通过数值求解含有碱金属杂质碳酚醛烧蚀效应的层流与湍流化学非平衡Navier-Stokes控制方程,理论预测了无线电衰减测量计划(RAM)-C系列钝锥体前两次再入等离子体鞘套电子数密度。计算结果包括化学非平衡纯空气流场结果以及含碱金属杂质的碳酚醛烧蚀流场结果,并和文献发表的飞行器上朗缪尔探针、反射计等离子体诊断数据,以及从信标和遥测信号衰减中获得的等离子体相关数据进行了比较,获得了与试验分析结论相一致的碱金属电离对电子数密度峰值影响随高度变化趋势。理论计算与飞行试验结果均表明:烧蚀材料中的碱金属电离会显著增加中低空飞行器等离子体鞘套的电子数密度,最高可达2~3个量级。

关键词：等离子体鞘套化学非平衡烧蚀碱金属电子数密度

等离子体实验腔体内电场分布与目标散射特性研究

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等离子体实验腔体内电场分布与目标散射特性研究

作者：邱昌奎西安电子科技大学

学位级别：硕士

高超声速飞行器在临近空间飞行时,在飞行器外会形成等离子体鞘套,附着在飞行器表面,干扰地面与飞行器之间的通信并造成飞行器探测异常的问题。受限于飞行试验的苛刻条件,往往采用高超声速流场数值模拟与地面等离子体实验装置联合的方法... 详细信息

高超声速飞行器在临近空间飞行时,在飞行器外会形成等离子体鞘套,附着在飞行器表面,干扰地面与飞行器之间的通信并造成飞行器探测异常的问题。受限于飞行试验的苛刻条件,往往采用高超声速流场数值模拟与地面等离子体实验装置联合的方法来研究电磁波与等离子体鞘套之间的相互作用。本文针对高超声速流场数值模拟、等离子体科学实验装置内的电场分布与目标散射等问题从以下三个方面展开研究。1.高超声速目标等离子体流场数值模拟基于CFD理论,使用有限体积法,对高超声速飞行器外部等离子体绕流流场进行了仿真。介绍了计算流体力学的基本方程,建立了高超声速飞行器简化模型,使用双温度模型与七组元空气化学模型,划分了结构化的O型网格,仿真得到了不同飞行状态下的圆球、平板、钝锥的绕流流场,对比分析了飞行高度和马赫数对于高速目标等离子体流场的电子密度场、温度场分布的影响。将本文流场模拟结果与论文仿真数据对比,验证了仿真结果的正确性。2.等离子体科学装置内部电场分布与目标电磁散射特性研究基于电磁波复Snell折射定律,对镜像法进行简化,提出了一种在等离子体中进行射线追踪的近似方法,结合电磁仿真软件HFSS对算法进行了验证。使用该方法计算了不同条件下实验装置内电场的分布,分析了等离子体喷流对装置内电场分布的影响。利用高速流场数值模拟结果,建立目标分层等离子体包覆模型,计算了金属圆球、尖前缘薄平板与钝锥目标处于等离子体喷流中时,对于装置内电场分布的影响。基于装置内时域电场计算结果,计算圆球目标在实验环境下的RCS与一维距离像,与实验数据相对比,验证算法的正确性。3.等离子体科学装置内部环境对电场分布及目标散射的影响基于简化的镜像法,系统地讨论了等离子体装置内部铺设的吸波材料的参数对电场分布及目标散射的影响。进而分析了等离子体装置内部精细结构,例如喷口、收集装置、金属支架的存在对于装置内电场分布与目标散射的影响。由于金属支架的存在,会极大的影响装置内目标散射特性测量结构,所以着重探讨了消除金属支架对目标电磁散射影响的方法,为地面等离子体目标散射测量实验提出了切实可行的指导意见。

关键词：等离子体鞘套等离子体科学装置镜像法一维距离像

高超声速等离子体流场及电磁波传播特性数值模拟

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高超声速等离子体流场及电磁波传播特性数值模拟

作者：欧阳文冲西安电子科技大学

学位级别：硕士

无论是再入航天器还是临近空间高超声速飞行器,其飞行过程中由于超高的速度会在头部形成激波,随后产生高温效应并发生电离等化学反应,形成包覆于飞行器表面的等离子体,称为等离子体鞘套。等离子体鞘套会对通信信号产生类似于金属的屏蔽... 详细信息

无论是再入航天器还是临近空间高超声速飞行器,其飞行过程中由于超高的速度会在头部形成激波,随后产生高温效应并发生电离等化学反应,形成包覆于飞行器表面的等离子体,称为等离子体鞘套。等离子体鞘套会对通信信号产生类似于金属的屏蔽效应,严重时会导致通信中断,这一现象称为“黑障”现象。为了加深对“黑障”现象的理解和寻求解决黑障的方案提供有效参考,本文以RAMC飞行器作为研究对象,开展了RAMC二维和三维等离子体流场及其电磁波传播特性研究,主要工作如下:基于N-S方程和热化学非平衡模型,使用有限体积法首先对61km再入高度下飞行器二维等离子体流场进行数值模拟。其中热化学非平衡模型采用7组分18化学反应处理,非结构化网格考虑边界层等影响进行设计。然后对设计的二维网格进行了网格独立性验证并与飞行试验数据以及其他研究者的仿真结果进行对比,验证了程序和网格模型的可靠性。对20～90km再入高度下飞行器二维等离子体流场进行计算,给出电子数密度和电子碰撞频率分布。通过分析得出电子数密度和碰撞频率随着再入高度、轴向距离以及径向距离的变化趋势。同时考虑化学反应模型宽温度范围导致化学反应速率的不确定性问题,对不同化学反应电离速率下飞行器二维等离子体流场进行数值计算,并分析不同电离速率对等离子体鞘套厚度、电子数密度和碰撞频率的影响。对61km再入高度和0°攻角下高超声速三维等离子体流场进行数值模拟,三维流场计算的热化学非平衡模型与二维相同,非结构化网格从二维扩展到三维。对三维网格进行了网格独立性验证并将仿真结果与飞行试验数据和二维流场的计算结果对比,验证了结果的准确性。在此基础上对不同攻角下飞行器三维等离子体流场进行数值模拟,并分析了攻角对电子数密度、压强和温度的影响。基于以上流场计算结果,通过求解多物理场耦合波动方程,对不同频率、不同再入高度、不同极化方式、不同入射角度和不同电离速率下电磁波在等离子体鞘套中的传播特性进行数值计算。相比于传统的SMM散射矩阵法,本文基于流场对电磁波传播特性的计算再现了整个传播过程。通过分析不同条件下电磁波在等离子体中的传播特性,得出减小电磁波幅度衰减的四种方法,一是将天线尽可能安装靠近飞行器尾部,二是降低化学反应电离速率,三是减小电磁波入射角度,四是提高电磁波通信频率。本文对再入等离子体鞘层特性以及电磁波传播特性进行数值求解的相关结论为寻求缓解“黑障”现象的方案提供数据参考和理论支持。

关键词：等离子体鞘套电子数密度碰撞频率攻角电磁波传播

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黑障中等离子体流场及电磁波传输特性研究

黑障中等离子体流场及电磁波传输特性研究

作者：陈禹旭电子科技大学

学位级别：硕士

超高声速飞行器再入大气层时,由于极高的飞行速度,使得飞行器周围形成一层高温高压地带,在超高的温度与压强条件下,使得空气发生化学及电离等反应,形成内部带自由电子的整体呈中性的混合气体,即等离子体。此层等离子体包裹着飞行器,对... 详细信息

超高声速飞行器再入大气层时,由于极高的飞行速度,使得飞行器周围形成一层高温高压地带,在超高的温度与压强条件下,使得空气发生化学及电离等反应,形成内部带自由电子的整体呈中性的混合气体,即等离子体。此层等离子体包裹着飞行器,对入射的电磁波有反射和吸收的作用,影响飞行器与地面及中继通讯之间的联系,严重时甚至会发生通讯中断现象,即著名的“黑障”效应。为了对超高声速飞行器的通讯中断现象进行有效的缓解及抑制,本文对“黑障”现象的产生机理做了深入的理论推导及数值研究,并进行了一系列相关的实验,对理论及数值的研究进行了对比性验证。第一部分对超高声速飞行器周围等离子体特性进行了简要说明,并对流场中等离子体模型进行了介绍。第二部分通过对超高声速飞行器周围等离子体流场进行数值计算模拟,得出飞行器周围的速度、温度、压强及等离子体密度分布云图,对飞行器周围的流场有了一个整体性的把握和了解。并对各个参量对等离子体密度的影响进行了计算研究。第三部分对电磁波在等离子体中的传输特性进行了深入研究,并对非磁化等离子体常用的解析解法、WKB方法及FDTD数值计算方法进行了推导及计算,最后通过计算编程得到各个相关参数对电磁波在等离子体中传输特性的影响。并在飞行器周围流场的实际飞行等离子体密度分布下,对电磁波传输特性进行了仿真和计算。第四部分介绍了本文中所相关的部分实验,并对实验数据结果进行了总结及分析。

关键词：等离子体鞘套黑障现象时域有限差分法等离子体密度诊断 RAMC-Ⅱ飞行器