非均匀等离子体Ka-Band传输性能中继法优化研究

文志军, 陈长兴, 凌云飞

(空军工程大学理学院, 西安 710051)

0 引言

当航天器以高超声速再入大气层时,与大气层发生剧烈摩擦并在其周围形成了一个强电离、非均匀的等离子体层。电磁波在等离子体层中传播时产生反射、折射、吸收、色散等现象,使再入航天器与地面的测控信号衰减,甚至中断,该现象称为测控“黑障”[1-4]。航天器再入测控“黑障”问题困扰航天界已久,各国飞船再入返回时均有不同程度的测控中断现象,哥伦比亚号再入大气层时发生测控“黑障”导致失事;我国“神州九号”、美国“阿波罗”号载人飞船返回地面时,都曾出现3～4 min的通信中断。因此,解决航天器再入“黑障”问题具有十分重要的意义。

国内外学者通过研究“黑障”产生机理,提出解决通信“黑障”的方法主要有以下几种[5-11]:改变飞行器气动结构、喷射液体亲电子物质以及引入交叉电磁场、开磁窗、采用高频通信等。文献[12]表明中继卫星系统具有全球覆盖、无地面测控条件限制、工作频率高等优势。Tran.P等人研究发现等离子鞘套会由于航天器返回舱的外形、速度、俯仰角等因素呈现出不均匀的空间分布,即“黑障”效应较强的迎风面和“黑障”效应较弱的背风面[13]。文献[14]表明将高频段电磁波从背风面进行传输,可避免直接传输产生的巨大信号衰减。但目前大多数文献并未对使用中继法解决测控“黑障”问题做出具体参数分析。

文中参考欧航局(ESA)开展的返回和降落飞行试验(IRDT)、RAM CIII飞行测试以及ARD实测数据,建立非均匀等离子体模型,设置再入航天器迎风面与背风面的非均匀等离子体各参数,研究参数变化对Ka-Band信号在迎风面、背风面非均匀等离子体中传输性能的影响,对“中继法”优势做出具体参数分析。为解决再入航天器测控“黑障”问题的研究提供数据参考。

1 原理分析及物理模型的建立

1.1 “中继法”原理

航天器再入大气层过程中,由于航天器外形、材料、再入速度以及周围环境等因素都会影响等离子体包覆的结构,所以航天器表面的等离子体的电子密度是非均匀的。航天器再入过程中等离子体分为“黑障”效应较强的迎风面和“黑障”效应较弱的背风面,如图1所示,使中继卫星发射高频的Ka-Band作为信号频段从黑障效应较弱的背风面进行传输的方式称为“中继法”。

图1 “中继法”传输模型

1.2 非均匀等离子体模型

根据RAM C III测试的不同飞行高度实验数据分析表明:航天器表面变化的等离子体电子密度和厚度存在3种形式的数学模型:双指数分布函数、Epstein分布函数和高斯分布函数[15]。文中取临近空间中高空分析,等离子体电子密度近似服从Epstein函数分布表达式如下:

(1)

式中:ne,max为等离子体最大电子密度;α1和α2为描述Epstein函数分段的常数;z是Epstein函数的分段点,z2-z1为等离子体厚度d。Epstein分布中等离子体电子密度ne与厚度d的关系如图2所示。

图2 等离子体电子密度Epstein分布图

等离子体中的电磁波为:

(2)

(3)

(4)

求解式(2)得:

(5)

当电磁波穿透等离子体时,功率衰减为:

(6)

式中:P为入射波功率;P2为透射波功率。则透射率T和衰减值A为:

T=P2/P0

(7)

A=-10lgT

(8)

2 数值仿真与分析

电磁波在等离子体中传输发生透射、衰减受到等离子体厚度d、电子密度ne和碰撞频率fen等影响。非均匀等离子体电子密度服从Epstein函数分布时,参考欧航局ARD飞行试验[16]及我国载人飞船再入过程[17]提供的实测数据,选择高、中、低空典型再入高度85 km、65 km和45 km,设置3组再入高度的迎风面和背风面等离子体厚度d、最大电子密度ne,max和碰撞频率fen等参数如表1所示,电磁波信号选定为26～36 GHz的Ka-Band。

表1 不同再入高度迎风面的等离子体数据参数

2.1 Ka-Band在迎风面环境中的传输特性

根据表1迎风面的等离子体数据参数,建立非均匀等离子体模型,对Ka-Band在等离子体中的传输进行仿真分析,得到传输透射、衰减情况如图3所示。

图3 迎风面3组参数对Ka波段电磁波传输性能的影响

由图3(a)可知,3组高度下的工作信号传输透射率随着工作频率的增大而增大;相比高度45 km、65 km,当航天器在85 km时,电磁波在非均匀等离子体传输中的透射率明显较大;电磁波工作频段位于毫米波内35 GHz大气窗口时,透射率为8.5%,在36 GHz处,透射率达到9.4%;当再入航天器在65 km时,透射率几乎始终为零。

由图3(b)可看出,Ka-Band信号在非均匀等离子体中传输衰减值均在83.2 dB以下;其中电磁波工作频率位于毫米波内35 GHz大气窗口时,再入高度85 km、65 km和45 km处的衰减值分别为10.6 dB、64.6 dB和13.2 dB;电磁波频段在26～36 GHz内,传输衰减值均大于10.2 dB。

由图3可得,随着电磁波工作频率的上升,电磁波信号在迎风面等离子体中传输的透射率总体呈上升趋势,衰减值呈下降趋势。在Ka-Band频段内,提高信号工作频率可以有效缓解测控中断问题。由表1的实测数据可以看出,再入高度为85 km时,非均匀等离子体厚度、最大电子密度最小;再入高度为65 km时,非均匀等离子体厚度、最大电子密度最大。当等离子体厚度d增加、等离子体中电子密度ne增大时,电磁波在等离子体传输衰减值增大,透射率减小。

2.2 Ka-Band在背风面环境中的传输特性

参考表2背风面等离子体数据参数,建立非均匀等离子体模型,对Ka-Band频段波在背风面等离子体中的传输性能进行数值分析,得到传输透射、衰减情况如图4所示。

表2 不同再入高度背风面的等离子体数据参数

图4 背风面3组参数对Ka-Band电磁波传输性能的影响

由图4(a)可知,电磁波频段在Ka-Band频段内,3组再入高度背风面电磁波传输透射率随电磁波工作频率增加呈现上升趋势,且均大于91%;当再入航天器处于高度为85 km时,等离子体厚度、等离子体电子密度最小,衰减值均大于97.7%;其中电磁波工作频率位于毫米波内35 GHz大气窗口处时,再入高度85 km、65 km和45 km处的透射率分别为98.7%、95.3%和97.5%。

由图4(b)可看出,在Ka-Band频率内,背风面衰减值均在0.395 dB以下;当再入航天器处于高度为85 km时,等离子体厚度、电子密度最小,衰减值均小于0.1 dB;同样以35 GHz毫米波大气窗口处为例,3组再入高度处的衰减值分别为5.4×10-2dB、0.2 dB和1.08×10-1dB。

由图4可得,随着电磁波工作频段的上升,电磁波信号在背风面等离子体中传输的透射率增大,衰减值减小。当电磁波频率升高时,等离子体电子从电磁波中吸收的能量减小,因此,电磁波在等离子体传输透射率增加,衰减值减小。

2.3 迎风面与背风面Ka-Band传输特性的比较分析

由图3、图4中(a)可以看出:1)随着电磁波工作频率的增加,航天器迎风面、背风面的透射率均为上升趋势,3组高度下迎风面透射曲线呈现凹性,背风面透射曲线呈现凸性;2)再入高度为85 km,电磁波在Ka波段范围内的迎风面透射率达到最大为9%,而航天器背风面最小透射率为91.3%;3)再入高度为65 km处,航天器迎风面透射始终几乎为零,而背风面透射率均大于91%,且相比于迎风面透射率,背风面透射率随工作信号频率的递增斜率更大;4)再入高度为45 km处,电磁波在Ka-Band频段范围内的迎风面透射率达到最大为5.7%,而背风面最小透射率为95.3%远大于5.7%;从透射率来说,相同高度环境下航天器背风面透射率明显高于迎风面透射率。

由图3、图4中(b)得到:1)随着电磁波工作频率的增加,航天器迎风面、背风面的衰减值均呈下降趋势;2)电磁波在Ka-Band频段范围内,再入高度为85 km的迎风面衰减值最小为10.2 dB,而航天器背风面最大衰减值为0.1 dB;3)再入高度为65 km处,在电磁波工作范围内,航天器迎风面衰减值始终大于62 dB,而背风面衰减值最大为0.39 dB;4)再入高度为45 km处,电磁波在Ka-Band频段范围内的迎风面衰减值达到最小为12.4 dB,而背风面最大衰减值为0.2 dB,远小于迎风面衰减值;从衰减值可得到:相同高度环境下航天器背风面衰减值明显低于迎风面衰减值。

3组高度的迎风面与背风面的透射率、衰减值对比情况如表3所示。航天器再入过程中,Ka-Band信号从背风面传输的透射率相比从迎风面传输的透射率提高至少88.3%,衰减值至少降低10 dB,说明Ka-Band工作信号在航天器背风面传输显著优于在航天器迎风面传输。

表3 Ka-Band信号在不同高度航天器迎风面、背风面的传输对比

3 结论

通过上述仿真与分析得到:1)在Ka-Band频段范围内,提高测控频率有助于减轻航天器再入过程中的测控黑障问题;2)降低等离子体电子密度、减小等离子体厚度,Ka-Band信号在等离子体传输的透射率增大、衰减值减小;3)相同高度环境下航天器背风面透射率明显高于迎风面透射率,背风面衰减值明显低于迎风面衰减值。如在毫米波35 GHz处,迎风面最小衰减值为10.6 dB,而背风面最大衰减值为0.21 dB,通过MATLAB仿真得到了Ka-Band工作信号在航天器背风面传输显著优于在航天器迎风面传输,如果将天线架设在航天器背风面,衰减值将远小于将天线架设在航天器迎风面。

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然而“prehistoric powers”是否就是“洪荒之力”最正宗的表达呢？《韦氏大词典》对于prehistoric的解释为史前的，有历史记载以前的，除此以外，还兼有陈旧的，不时髦的情感色彩。与“洪荒之力”这一新型流行词的基调不够吻合，因此笔者认为单纯的将“洪荒”解释为“prehistoric”，将“洪荒之力”直译为“prehistoric powers”，恐怕很难完整地传达原词的含义。

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