48km以上空间黑障区的电磁波衰减研究与仿真

刘立士 叶文慧 马玉峰

摘 要：空间飞行器进入100km至48km黑障区时，与地面站的通信会发生中断现象，对宇航员的安全，飞行实验的顺利完成都会产生不利的影响，本文针对这种通信中断现象，对电磁波在48km以上黑障区等离子鞘套中的传播衰减进行了多角度的仿真研究，实验结果表明，频率高于15GHz的電磁波更易克服空间飞行器再入过程的通信黑障现象。

关键词：电磁波衰减 通信黑障 仿真研究

中图分类号：C819 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）04（b）-0014-03

自2003年10月15日我国第一艘载人航天飞船神舟五号成功发射并返航以来，我国在航天领域的研究取得了迅猛的发展，载人航天计划、月球探测计划、空间站建设计划等航天领域研究均已获得不错的成果，同时近年来，临近空间飞行器的研究也成为热门[1，2]，因此，空间飞行器再入过程中的临近空间通信问题也引发了较多的关注。

空间飞行器在返回大气的降落过程中，当其进入100km至48km的黑障区时，其表面等离子鞘套的电子密度分布呈双高斯曲线分布；当其进入48km至20km的黑障区时，其表面等离子鞘套电子密度呈双指数分布[3]。不同形式的电子密度分布对电磁波在等离子鞘套中传播的影响很大，所以，本文就48km以上黑障区电磁波在等离子鞘套中的传播衰减进行研究。

1 48km以上黑障区电磁波在等离子鞘套中的传播衰减仿真

1.1 仿真参数

在1961—1970年期间美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）兰利研究中心（Langley Research Center）开展了RAM系列飞行试验，对黑障区空间飞行器通信黑障机理进行研究，同时寻求抑制通信黑障对电磁波传播影响的方法。根据公布的飞行实验数据[4]，本文总结了RAM-C飞行实验中48km以上黑障区等离子鞘套介质特性的数据，如表1所示。

在100km至48km之间的48km以上黑障区，空间飞行器的降落速度大致不变，随着空间飞行器的高度降低，空间飞行器表面的大气逐渐加厚，气压增大，受气压影响等离子鞘套内的电子碰撞频率也逐渐增大。在48km以上黑障区内，随着冲激波的加剧和气压的增大，空间飞行器表面的等离子鞘套的厚度被压缩，等离子鞘套的电子密度显著增加。因此，当空间飞行器在48km以上黑障区飞行时，空间飞行器表面的等离子鞘套的厚度减小，等离子鞘套的电子密度、电子碰撞频率、气压都是处于一个逐渐增大的过程。

1.2 仿真流程

本文根据总结的RAM-C飞行实验中得到的等离子鞘套相关介质特性数据进行拟合，得到48km以上黑障区的等离子鞘套介质特性模型。当空间飞行器处于48km以上黑障区内时，等离子鞘套的电子密度主要服从双高斯分

布，本文根据已知数据对电子密度进行拟合，建立等离子鞘套介质的特性模型，并采用了一种改进的斜率自适应分层模型[5]。采用这种分层方式对等离子鞘套进行分层，可以将不均匀的等离子鞘套按照其内部电子密度的变化规律进行分层，并利用等效波阻抗方法计算多层介质中的电磁波传播问题，从最后两层介质开始，逐层进行迭代，迭代相乘最终得到整个介质的复透射系数T。其仿真过程如图1所示。

1.3 仿真结果分析

仿真计算的等离子鞘套的随机化等离子体电子密度曲线和不同高度选取不同曲线斜率k分别建立等离子鞘套的斜率自适应分层模型，采用等效波阻抗方法对电磁波在等离子鞘套斜率自适应分层模型中的传播衰减进行仿真。仿真结果如图2～图4所示。

由图2～图4可以看出，当空间飞行器位于距离地面100km到48km之间的48km以上黑障区时，随着电磁波的频率的逐渐增大，电磁波在一定高度处空间飞行器表面的等离子鞘套中传播的衰减损耗逐渐减小，且当电磁波频率高于15GHz时，电磁波在空间飞行器表面的等离子鞘套中的传播损耗变化较小。

由图5可以看出，在48km以上黑障区，电磁波频率越大，电磁波在空间飞行器表面等离子鞘套中的传播衰减越小，随着空间飞行器高度的降低，电磁波在等离子鞘套中的衰减逐渐增大，且频率越低的电磁波传播时衰减增大的幅度越大。

2 结语

本文根据NASA于1970年进行的RAM-C飞行实验数据采用双高斯分布对48km以上黑障区等离子鞘套的介质特性进行拟合，并根据48km以上黑障区等离子鞘套电子密度分布特点进行斜率自适应分层，建立分层模型。采用等效波阻抗方法对电磁波在48km以上黑障区等离子鞘

套斜率自适应分层模型中的传播衰减进行了仿真分析，得到了频率高于15GHz的电磁波在48km以上黑障区等离子鞘套中传播衰减较小，有利于克服空间飞行器通信黑障现象。

参考文献

[1] 杨敏.等离子鞘套下测控通信信号传输特性研究[D].西安电子科技大学，2014.

[2] 王家胜，杨显强，经姚翔，等.钝头型航天器再入通信黑障及对策研究[J].航天器工程，2014（1）：6-16.

[3] 于哲峰，孙良奎，马平，等.黑障对通信安全的影响及几种可能的解决方案[J].红外，2017（2）：39-45.

[4] National Aeronautics and Space Administration.The entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems[Z].Washington DC：NASA，1970.

[5] 叶文慧，李琳琳，潘彩平.高频电磁波在等离子鞘套中的传播衰减分析[J].科技创新导报，2017（34）：57-59.