[發明專利]高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法

在審

• 申請號: 201611033297.7
• 申請日: 2016-11-14
• 公開（公告）號: CN106611083A
• 公開（公告）日: 2017-05-03
• 發明（設計）人: 蘇漢生;張作一;劉秀祥;李瑾;鄭晨;楊亮;馮樹琦;秦永強;張凡;李少偉;陳燕揚;李彬
• 申請（專利權）人: 北京臨近空間飛行器系統工程研究所;中國運載火箭技術研究院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 中國航天科技專利中心11009
• 代理人: 范曉毅

技術領域

本發明涉及一種高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法，屬于高超聲速飛行器設計技術領域。

背景技術

高超聲速飛行器再入大氣層時，由于空氣密度較大，飛行器與空氣發生強烈摩擦，進而在飛行器頭部形成激波，導致氣體溫度和壓力急劇升高而電離，在飛行器周圍產生等離子鞘套。等離子鞘套對電磁波具有強烈的反射、折射和吸收作用，從而對飛行器測控信號的傳輸產生嚴重影響，嚴重時甚至造成測控信號的中斷，即“黑障”問題。黑障問題幾乎伴隨著所有的再入航天器，例如美國航天飛機的再入返回過程存在16分鐘左右的黑障時間，我國神舟5號飛船再入過程中黑障持續4分鐘左右。

電磁波與等離子體鞘套的相互作用機理較為復雜。通常研究大都以靜態均勻等離子體為分析對象，進行數值模擬。而飛行器流場中的等離子體與一般研究設定的等離子體相比具有明顯區別：一是“簿”，相對于電磁波波長，等離子鞘套的厚度較薄，以鈍錐形飛行器為例，它的等離子鞘套厚度約為幾厘米級，與厘米波的波長相當；二是非均勻，沿電磁波傳播方向，飛行器周圍等離子體參數都是非均勻分布并且梯度變化快，無線電波在其中傳播時，在其分界面會發生反射，引起衰減；三是動態性，等離子鞘套隨著飛行高度、飛行速度、姿態、繞流流場、防熱材料燒蝕以及大氣環境等隨機因素的變化，將會呈現出復雜的動態特性。等離子體鞘套的這些特點使得理論計算求解難度很大，現在對等離子鞘套與電磁波相互作用的預測精度仍然十分有限。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法，該方法直接對電磁波在實際再入等離子鞘套中的傳播情況進行仿真分析，從而對“黑障”情況進行預測，結果與實際測試結果相符，顯著提高了等離子體鞘套與電磁波相互作用的預測精度。

本發明的上述目的主要是通過如下技術方案予以實現的:

高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法，包括如下步驟：

(1)、按電子密度分布情況通過n個邊界面將等離子鞘套分為n+1層，其中第1層與第n+1層為真空層，第2層～第n層為等離子層；

(2)、獲得每個等離子層和每個真空層的介電常數：

(3)、根據第n+1個真空層和第n個等離子層的介電常數，獲得第n個邊界面的反射系數Γ_n與透射系數T_n；

(4)、根據第n個邊界面的反射系數Γ_n與透射系數T_n，遞推獲得第n-1個邊界面的反射系數Γ_n-1與透射系數T_n-1，根據第n-1個邊界面的反射系數Γ_n-1與透射系數T_n-1，遞推獲得第n-2個邊界面的反射系數Γ_n-2與透射系數T_n-2，依次類推，直至獲得第1個邊界面的反射系數Γ₁與透射系數T₁；

(5)、根據步驟(4)得到的n個邊界面的透射系數T₁～T_n，得到電磁波穿過非均勻等離子鞘套的總透射衰減Att。

在上述高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法中，所述步驟(1)中通過n個邊界面將等離子鞘套進行分層時，電子密度變化劇烈的位置，分層邊界面的間距較小，相應的等離子層的厚度較薄。

在上述高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法中，所述n個邊界面中任意相鄰的兩個邊界面處的等離子體電子密度相差不超過10％。

在上述高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法中，所述步驟(2)中通過如下公式獲得每個等離子層和每個真空層的介電常數：

其中：ε_m為第m個等離子層或真空層的介電系數；為第m個等離子層或真空層的相對介電系數；ε₀為自由空間中的介電常數。

在上述高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法中，的表達式如下：

其中：ω_p,m為第m個等離子層或真空層的特征頻率，ν為第m層的碰撞頻率，ω為入射電磁波的頻率。

在上述高超聲速飛行器等離子體鞘套與電磁波相互作用預測方法中，所述步驟(3)中通過如下公式獲得第n個邊界面的反射系數Γ_n與透射系數T_n：