[發明專利]一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置及使用方法

有效

• 申請號: 202011367717.1
• 申請日: 2020-11-30
• 公開（公告）號: CN112333909B
• 公開（公告）日: 2021-09-03
• 發明（設計）人: 包為民;劉彥明;劉東林;李小平;張佳;孫超;白博文
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: H05H1/00
• 分類號: H05H1/00
• 代理公司: 西安知誠思邁知識產權代理事務所(普通合伙) 61237
• 代理人: 閔媛媛

本發明公開了一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置及使用方法，實驗裝置包括：等離子體發生器，用于將中性氣體電離產生高溫等離子體；噴管，用于將等離子體利用氣動力學原理進行加速，并對真空暗室內等離子體射流的截面進行塑形；等離子體診斷系統，通過非接觸的方法對等離子體射流的電子密度進行實時診斷，并反饋給綜合控制器，綜合控制器根據實測的電子密度大小與預設的電子密度值進行比較，通過反饋調節等離子體發生器的電源輸出功率實現等離子體射流的電子密度連續穩定控制。本發明產生的等離子體射流穩定可控、電子密度范圍寬、碰撞頻率范圍寬、長度大、組分純凈，能夠實現等離子體電子密度非均勻性分布的調控。

技術領域

本發明屬于電磁測量技術領域，涉及一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置及使用方法。

背景技術

飛行器在臨近空間以5馬赫以上的高速飛行時，氣動加熱效應會將空氣電離，形成一層包覆在飛行器周圍的等離子鞘套，等離子鞘套由大量的自由電子、正離子和中性分子組成，會對電磁波信號產生衰減，嚴重時會引發通信黑障現象，而當雷達探測高速飛行器時，由于等離子鞘套的存在會使得回波信號減小或發生畸變。為在地面開展等離子鞘套下的電磁實驗研究，需產生組分純凈、長時間、寬電子密度和碰撞頻率參數范圍、非均勻分布、且穩定可控的等離子體射流。

目前公開報道的用于開展等離子鞘套地面模擬電磁實驗的裝置，根據產生等離子體的工作原理可以分為熱等離子體實驗設備和冷等離子體實驗設備。

其中熱等離子體實驗設備主要有激波風洞/激波管、電弧風洞和高頻感應耦合等離子體風洞，其原理是產生比較接近真實飛行狀態的流場或溫度來激發等離子體。激波風洞/激波管采用高壓氣體破膜的方式產生超高聲速激波，壓縮實驗段內的氣體從而產生高溫等離子體，其電子密度可以達到10¹³cm^-3，但激波風洞穩定持續時間很短，一般為幾毫秒至百毫秒，難以進行天線特性測量、通信系統驗證等需要長時間持續的實驗；另外，其實驗重復性較差；電弧風洞利用正負電極放電產生的大功率電弧將空氣加熱至高溫高壓狀態，能夠提供長時間穩定運行的高焓等離子體射流，但由于流場存在金屬銅、離子以及其它電極粉末污染，在一定程度上改變了等離子體的電波傳播特性；感應耦合等離子體風洞采用感應加熱的方式產生純凈的長時間穩定運行的高焓等離子體射流，常規條件下電子數密度范圍為10¹⁰~10¹³cm^-3，碰撞頻率范圍為10⁹~10¹⁰Hz，但是由于產生的等離子體溫度很高，對等離子體的實時診斷與調控困難，導致實驗重復性較差，可控性差。另外，目前的熱等離子體實驗設備主要應用于模擬等離子鞘套的高焓值特征，開展材料高溫考核實驗，實驗段較小，最大約2m，電磁波反射嚴重，不利于開展等離子體下的電磁實驗。

近年來，冷等離子體源模擬設備因其小型化、可控性、成本相對較低等優點在電波傳播特性研究中被大量采用，其典型代表為利用輝光放電原理產生的大面積等離子體，但是受輝光放電原理的限制，裝置只能在低氣壓下工作，等離子體電子密度最高只能達到10¹¹cm^-3量級，碰撞頻率則小于1GHz。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置，產生的等離子體射流穩定可控、電子密度范圍寬、碰撞頻率范圍寬、長度大、組分純凈，能夠實現等離子體電子密度非均勻性分布的調控，更真實地模擬臨近空間高速飛行器周圍形成的等離子體鞘套，開展信號傳輸、雷達探測等電磁實驗，解決了現有技術中存在的問題。

本發明的另一目的是，提供一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置的使用方法。

本發明所采用的技術方案是，一種等離子體鞘套地面模擬電磁實驗裝置，包括：

等離子體發生器，用于將中性氣體電離產生高溫等離子體；

噴管，用于將等離子體利用氣動力學原理進行加速，并對真空暗室內等離子體射流的截面進行塑形；