“再入”飞行器等离子体鞘套的电磁传播特性仿真

张丽华，马晓东，彭雪丽

(1.中国人民解放军91917部队，北京102401；2.北京无线电测量研究所，北京100854))

“再入”飞行器等离子体鞘套的电磁传播特性仿真

张丽华1，马晓东2，彭雪丽1

(1.中国人民解放军91917部队，北京102401；2.北京无线电测量研究所，北京100854))

研究了一种借助仿真软件定量分析“再入”飞行器电磁传播特性方法。从等离子体鞘套的流体特性仿真出发，得出计算域内的流体特性参数，再借助编程实现流体参数的提取及电磁特性参数的转换。进行了电磁仿真研究，得到了几个典型通信频点的电磁传播特性，定量得出了透过等离子体鞘套不同区域的电波传播透射系数。文中所提出的仿真分析方法，为定量分析等离子体鞘套引起的通信"黑障"问题提供了一种思路。

等离子体鞘套；黑障；电磁传播

飞行器“再入”过程中，在其头部附近会形成一层高温电离层，被称为等离子体鞘层。等离子体鞘套对电磁波传播有很大的衰减作用，严重时会导致通信中断，即通信“黑障”现象。通信“黑障”一直都是超高声速飞行技术中函待解决的难题。目前，国内外对“再入”飞行器表面的等离子体鞘套特性的研究很多，但基本都只是单独在电磁学领域或流体力学领域进行了研究。电磁领域研究中，通常将等离子鞘套中的流体参数分布简化成指数分布、抛物线分布或某些改进的函数分布[1-4]，然后借助解析法或仿真得到的电磁传播特性[5-6]。而流体力学领域的研究，则是借助实验数据[7-8]或者以单纯的流体仿真得到等离子体鞘套的流体特性参数为主。

本文对一个类似于返回舱的飞行器进行建模得出飞行器外围等离子体鞘套的自由电子密度、温度及压强分布参数[9]。再根据分布参数将等离子体鞘套等效成包裹在飞行器表面的电介质层，并通过软件编程实现等效介质层的相对介电常数及损耗角正切的分布数据赋值，生成尽可能逼近真实形态的等离子体鞘套模型。最后在专业电磁仿真软件HFSS中对等效电介质层进行建模，进行等离子体的电磁特性仿真。研究了指定飞行速度和飞行高度下，几个典型通信频率下飞行器表面等离子体鞘套的分布形态， 以及“再入”飞行器表面等离子体鞘套不同区域对电波传播的透射系数分布情况。整个过程力求使得鞘套的流体特性及电磁特性参数分布接近真实情况，将等离子体鞘套等效为一种非均匀的缓变电介质，避免了简单利用一些典型分布函数代替实际流场分布带来的误差[10-12]。为实现“再入”飞行器与地面的有效通信提供了很好的数据参考。

本文提出的研究方法将流体领域与电磁领域有机地联系起来，是一种对等离子体电磁特性定量研究的有效方法。

1 机理分析

由于等离子鞘套中的自由电子的碰撞和振动对信号衰减起主要作用。当自由电子密度ne达到一定的数量级时，等离子体鞘套对电磁波传播的衰减将变得显著[13-15]。本文的切入点是在研究等离子体的电磁传播特性时，考虑两个关键的特征参数(振荡频率ωpe和碰撞频率ve)与其流体特性参数温度T、压强P以及自由电子密度ne之间的关系

(1)

(2)

借助计算式(1)及经验式(2)，得到等离子体的振荡频率ωpe和碰撞频率ve后，将等离子体鞘套等效为电介质层。由于这个电介质层是非均匀分布的，需要对其进行分层分区赋值处理，目前采用30×30分层分区方案。利用式(3)～式(5)得到各个小区域的介电常数εr和损耗角正切值tanδc。最后，借助HFSS高频电磁仿真软件求解研究区域的麦克斯韦方程组，即可得出电磁波在“再入”飞行器表面等离子体鞘套中的传播特性

εr=εr(1-jtanδc)

(3)

(4)

(5)

2 建模及仿真

2.1 等离子体鞘套的流体特性仿真

本文研究的模型是钝锥形再入飞行器的简化模型，选取容易发生“黑障”的飞行高度和飞行速度的流场进行研究工作。飞行器的飞行高度为65 km，飞行马赫数为24 Ma，大气背景温度为260 K，大气背景压强为70 Pa，壁面温度为1 200 K。实践证明，等离子体鞘套的流体特性是由飞行器的外形、飞行马赫数、背景压强、背景温度决定的。借助计算流体力学仿真软件Fluent进行建模，得到了流场中自由电子密度分布云图，如图1所示。

图1 自由电子密度云图

2.2 等离子体鞘套在HFSS中的建模及仿真

在HFSS中将研究区域确定为图2所示的区域(1 m×1 m)，再编程提取鞘套包裹区域的温度、压强和自由电子密度分布矩阵。

图2 仿真区域离散化及三维旋转示意图

由于Fluent仿真中得到的数据是近似连续分布的，而HFSS中的有限元方法是基于网格剖分的。因此在进行电磁仿真之前必须对区域进行分区离散化处理，如图2所示，将研究区域离散成m×m的小方形区域。这里m取值任意，理论上m取值越大，在电磁仿真部分所得到的结果越精确。但因为计算机内存资源的限制，在达到比较准确的电磁仿真结果的情况下，应尽量使m取值较小，本文中m取30。

图3 HFSS中鞘套的分层分区模型

为了能在HFSS中进行建模仿真，将离散的方形区域进行三维旋转，如图2所示。HFSS中所创建的模型如图3所示。由于是编程实现的分层分区赋值，因此可以按研究区域的数值分布规律，实现任意细化的分层分区方案。从而最大可能地还原真实的等离子体鞘套的电磁特性参数。

3 仿真结果讨论

如图4所示，以Vivaldi天线为馈源，天线放置在鞘套内部，分别选取1.5 GHz、2.3 GHz、5 GHz和10 GHz这4个通信频率进行仿真，得到了在等离子体鞘套存在的情况下空间的场分布数据，以及天线辐射方向图等结果。

2.3 GHz和5 GHz的场分布图和方向图如图5所示。从场图中可以看出，等离子体有一定的类金属特性，对电磁波有很强的反射作用，使天线周围产生了严重的驻波。另一方面，进入等离子体内部的电磁波被严重损耗，只有极小部分辐射能量能够穿越等离子鞘套。天线辐射出的能量绝大部分都驻留在了天线周围，通信系统无法有效地与外界通信，天线的方向图出现了严重的畸变，主瓣已经消失。

图4 HFSS仿真模型剖面图

图5 场图和方向图仿真结果

图6 传输损耗仿真结果

利用HFSS中的场计算器，对头部区、中间区和尾流区的电波透射情况进行提取，并换算成电磁波的功率传输损耗系数，如图6所示。可以看出，对于同一频率而言，头部区、中间区和尾部区对电磁波的损耗依次减小，所以飞行器的通信天线安装在尾部区比较合理。而对于同一区域，频率越高，等离子体对电磁波的损耗越小，这一点可以作为选择通信频率的参考。与前人的实验、仿真研究结论对比发现，本文仿真得到的功率传输衰减系数是明显小于实验数据的，但变化趋势基本吻合。这也充分说明，造成通信“黑障”的原因是多方面的，等离子体鞘套中空气电离产生的自由电子可能只是其中原因之一。

4 结束语

本文通过联合仿真得出了典型通信频率下，处于自由电子密度峰值高度并以24 Ma速度飞行的“再入”飞行器，产生的等离子体鞘套的电磁波损耗情况。可以初步地得到一些有效结论，如通信天线的安装位置，指定通信频率的传输耗损情况等。下一步将结合仿真数据，调整通信频率，改变飞行速度、飞行高度，以便能计算飞行器“再入”轨迹上的更多点的数据，为实际“再入”情况下的通信链路达成，提供有力的数据支撑。

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Simulation Study on Electromagnetic Propagation Characteristics of the Plasma Sheath of the Reentry Vehicle

ZHANG Lihua1, MA Xiaodong2,PENG Xueli1

(1. The Chinese People’s Liberation Army of 91917, Beijing 102401，China;2. Beijing Wireless Measurement Research Institute, Beijing 100854，China)

In this paper, the research method of the electromagnetic propagation characteristics of reentry vehicle is studied by means of simulation software. Starting from the analysis of the characteristics of the plasma sheath, the real fluid characteristic parameters in the computational domain are obtained. Finally, We get the field distributions, transmission magnitudes and radiation impedances of antenna at typical frequency on the existence of plasma sheath by using HFSS software simulation, the transmission coefficient of the wave propagation in the space of the real distribution of space is obtained. The proposed method contributes to the analysis and elimination of the adverse effect of plasma sheath.

plasma sheath;blackout; electromagnetic propagation

2016- 03- 17

张丽华(1982-)，女，硕士，工程师。研究方向：电磁场与微波技术。马晓东(1989-),男，硕士，工程师。研究方向：电磁场与微波技术。彭雪丽(1976-)，女，工程师。研究方向：通信工程与应用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.01.007

TN011；O441.4

A

1007-7820(2017)01-023-03