飛行器再入大氣層通信黑障的消除方法

袁忠才，時(shí)家明

（電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 & 安徽省紅外與低溫等離子體重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230037）

0 引言

飛行器再入大氣層通信黑障是指飛行器以超高聲速再入大氣層時(shí)，由于氣動(dòng)加熱導(dǎo)致其表面及周圍空氣產(chǎn)生熱電離，形成一等離子體鞘層，使通信信號(hào)被反射或衰減，從而發(fā)生通信中斷現(xiàn)象。由于再入飛行器須與地面和在軌衛(wèi)星之間進(jìn)行著多種通信，如 GPS導(dǎo)航定位、遙感遙測(cè)、語音通信等，而通信黑障的發(fā)生必將導(dǎo)致相關(guān)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸受到干擾或中斷，這將對(duì)飛行器的實(shí)時(shí)控制和安全性帶來影響。隨著飛行器的速度不斷提高，其再入大氣層的通信黑障問題變得更為突出。例如在進(jìn)入火星大氣層的過程中，通信黑障將會(huì)對(duì)飛行器飛行環(huán)境分析、跟蹤定位帶來影響，甚至影響到探測(cè)任務(wù)的成功[1-2]。

人們對(duì)于通信黑障的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了大量的研究，并提出了許多消除方法[1-4]，主要包括：改變飛行器氣動(dòng)結(jié)構(gòu)，親電子物質(zhì)注入，磁開窗，引入交叉電磁場(chǎng)，采用高頻通信，Raman散射通信等。

本文將對(duì)上述方法的基本原理及其發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述，分析各種方法在應(yīng)用上的可行性。

1 等離子體鞘層的產(chǎn)生及其影響

當(dāng)飛行器以超高聲速穿過大氣層時(shí)，在其頭部周圍會(huì)形成高溫的沖擊層、熵層以及邊界層。同時(shí)，由于駐點(diǎn)區(qū)的化學(xué)平衡、流體擴(kuò)散到飛行器圓錐形前端所導(dǎo)致的非平衡態(tài)的電離過程化學(xué)凍結(jié)、化學(xué)反應(yīng)表面增強(qiáng)、飛行器表面燒蝕，額外的粒子和自由電子的引入，以及表面凈電荷的沉積、氣體中的自由電子和離子相互作用（產(chǎn)生電荷分離和受迫遷移）等物理和化學(xué)過程，在飛行器周圍形成一等離子體鞘層。針對(duì)超高聲速飛行器穿過大氣層所形成的等離子體鞘層，其電子密度一般處于1018m-3量級(jí)，所對(duì)應(yīng)的等離子體角頻率ωp≈1010rad/s，而碰撞頻率通常處于ν ≈1010Hz量級(jí)[5]。

飛行器的天線以微波的形式發(fā)射用于通信、遙感、遙測(cè)等目的的電磁波信號(hào)，當(dāng)電磁波在非磁化等離子體中傳播時(shí)，其波動(dòng)方程為

其中ε′為等離子體的相對(duì)介電常數(shù)，可表示為

其中ω為電磁波的角頻率。式(1)的解為

因而當(dāng)電磁波在等離子體中傳播時(shí)，由于等離子體吸收電磁波所造成的衰減（dB/m）為

圖1給出了對(duì)應(yīng)不同等離子體密度時(shí)，單位厚度等離子體中電磁波的衰減。由圖可見：當(dāng)電磁波通過厚度和密度都非均勻的等離子體鞘層時(shí)，電子將從電磁波中吸收能量，從而使波的幅度減小；不同頻率的電磁波，其傳播特性也不同；另外，等離子體鞘層將使得電磁波的傳播路徑和相移、以及天線的輻射方向圖和導(dǎo)納特性均發(fā)生改變。

圖1 不同密度等離子體對(duì)電磁波的衰減Fig. 1 Attenuations of electromagnetic wave in plasmas with different electron densities

當(dāng)天線接收信號(hào)時(shí)，入射電磁波不僅將受到鞘層中等離子體的吸收，部分還會(huì)被反射。造成反射的原因主要有：在自由空間和等離子體鞘層的界面上，波阻抗的不連續(xù)性；在等離子體層內(nèi)部，等離子體密度的不連續(xù)性。電磁波的不斷反射和吸收的疊加，使得到達(dá)天線的信號(hào)強(qiáng)度變得極其微弱。

2 通信黑障消除方法

針對(duì)等離子體鞘層對(duì)再入飛行器通信造成的不利影響，提出了多種消除通信黑障的方法。

2.1 改變空氣動(dòng)力學(xué)形狀的方法

飛行器的空氣動(dòng)力學(xué)形狀對(duì)等離子體鞘層的形成有顯著影響，可以通過飛行器頭部的結(jié)構(gòu)形狀變化來實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力學(xué)形狀的改變。對(duì)于頭部為尖錐結(jié)構(gòu)（相對(duì)于鈍體結(jié)構(gòu)），其等離子體鞘層的厚度將變薄，從而可減弱通信黑障效應(yīng)。相關(guān)飛行試驗(yàn)表明：當(dāng)以6.3 km/s的速度穿過地球大氣層時(shí)，頭部為尖錐結(jié)構(gòu)的飛行器沒有出現(xiàn)通信黑障現(xiàn)象[2,6]。

然而，尖錐結(jié)構(gòu)將會(huì)導(dǎo)致飛行器所攜帶的有效載荷減少，而由空氣動(dòng)力學(xué)加熱所引起的燒蝕將更為嚴(yán)重。

2.2 親電子物質(zhì)注入的方法

等離子體對(duì)電磁波的衰減能力主要由其電子密度決定，因此通過減小電子密度則可使較低頻率的電磁波穿過等離子體鞘層。數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究均表明：通過向等離子體流場(chǎng)中注入物質(zhì)，可有效地減小等離子體鞘層中的電子密度，如圖2所示。

圖2 向等離子體流場(chǎng)中注入物質(zhì)Fig. 2 Electrophilic injection into plasma plume

常用的注入物質(zhì)包括H2O、SF6、ReF6及CCl4等，它們對(duì)減小電子密度各具有不同的效應(yīng)和影響。例如，H2O可有效降低流場(chǎng)的溫度，使得化學(xué)平衡向低溫方向移動(dòng)，加劇電子和離子的復(fù)合，從而減小電子密度。SF6分子具有較強(qiáng)的極化性，可增強(qiáng)與自由電子作用時(shí)的長(zhǎng)程吸附能力；同時(shí)，SF6分子和亞穩(wěn)態(tài)陰離子具有較長(zhǎng)的自分離壽命（10 μs＜τa＜1 ms），可通過碰撞和輻射達(dá)到穩(wěn)定，因此具有較寬的諧振帶和較強(qiáng)的電子吸附能力。ReF6和CCl4在高溫條件下均具有較強(qiáng)的電子親和力，有利于吸附電子，從而減小等離子體密度。

2.3 磁開窗的方法

在飛行器天線附近引入外磁場(chǎng)，使電磁波的傳播方向與磁力線方向平行，可有效改善通信黑障問題。當(dāng)流場(chǎng)中的電子作切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在洛倫茲力的作用下作螺旋運(yùn)動(dòng)，從而改變電磁波的傳播模式，只有圓極化波能在其中傳播。左、右旋圓極化波對(duì)應(yīng)的等離子體的相對(duì)介電常數(shù)分別為

其中 ωg為電子的回旋共振頻率。由于左、右旋圓極化波在磁化等離子體中的傳播特性不同，入射的左、右旋圓極化波將經(jīng)歷不同的衰減，通常左旋圓極化波衰減的幅度要比右旋波低1個(gè)數(shù)量級(jí)以上。同時(shí)，對(duì)低于等離子體角頻率的入射左旋電磁波，其透過等離子體鞘層的能力也將顯著改善。因此，可引入外磁場(chǎng)，利用左旋圓極化波來實(shí)現(xiàn)通信黑障的減弱甚至消除，如圖3所示。

圖3 天線磁開窗示意圖Fig. 3 Schematic diagram of magneto window antenna

然而，理論和試驗(yàn)研究均表明：考慮到磁場(chǎng)在遠(yuǎn)離磁體空間上的快速衰減特性，要達(dá)到顯著提高左旋圓極化波透射性能的目的，所需的磁場(chǎng)強(qiáng)度很大。例如，對(duì)于VHF波，要實(shí)現(xiàn)透射衰減由45 dB到28 dB，需要的磁感應(yīng)強(qiáng)度約為0.75 T[7]?？紤]到再入飛行器表面的高溫會(huì)超過永磁體的居里溫度，因此通常需要采用通電線圈來產(chǎn)生磁場(chǎng)。而產(chǎn)生如此強(qiáng)的磁場(chǎng)所需的線圈以及配套的電源，又會(huì)對(duì)飛行器造成極大的負(fù)擔(dān)。

2.4 引入交叉電磁場(chǎng)的方法

在飛行器天線附近引入交叉電磁場(chǎng)，一方面該交叉場(chǎng)導(dǎo)致流經(jīng)該區(qū)域的自由電子和離子發(fā)生Hall漂移，以減小微波信號(hào)傳播路徑上的電子密度，從而降低對(duì)電磁波的衰減。另一方面，附加的電場(chǎng)會(huì)對(duì)等離子體鞘層流場(chǎng)中的電子和離子產(chǎn)生相反方向的作用力。如果電場(chǎng)方向?yàn)檠刂鴰щ娏Ｗ拥牧鲃?dòng)方向，如圖4所示，則正離子被加速、自由電子被減速，且電子減速效應(yīng)更顯著，從而使兩者復(fù)合的概率增大，有利于減小電子密度。同時(shí)，與磁開窗機(jī)理類似，磁化等離子體中波的傳播特性將發(fā)生改變。綜合上述三個(gè)方面的因素，使得引入交叉電磁場(chǎng)成為一種極具應(yīng)用前景的通信黑障消除方法。

圖5給出了利用計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真得到的不同情況下天線附近等離子體電子密度的變化情況[8-10]，其中φ為加載在陰陽電極間的電勢(shì)差?？梢钥闯觯S著所加磁場(chǎng)強(qiáng)度的增大，等離子體密度逐漸減??；而等離子體密度減小最顯著的情況出現(xiàn)在電磁場(chǎng)共同存在時(shí)。

圖4 交叉電磁場(chǎng)的引入Fig. 4 Introduction of E×B electromagnetic field

圖5 在交叉電磁場(chǎng)中的等離子體密度衰變Fig. 5 Plasma density reduction across E×B magnetic field

2.5 提高發(fā)射功率和入射波頻率的方法

在等離子體鞘層衰減一定的情況下，增大飛行器天線的發(fā)射功率，可相應(yīng)增加透射信號(hào)的強(qiáng)度。然而，為了避免天線擊穿，發(fā)射功率不能超過一定的范圍。對(duì)于超高聲速飛行器通常采用的狹縫天線，所允許的最大發(fā)射功率為從VHF波段的20 W到S波段的100 W。隨著頻率的升高，天線的最大發(fā)射功率增大。同時(shí)，隨著入射電磁波頻率的升高，對(duì)應(yīng)傳播截止的等離子體臨界密度相應(yīng)增大。因此，對(duì)應(yīng)一定分布的等離子體鞘層，提高入射波的頻率可有效降低信號(hào)衰減。然而，隨著頻率的升高，由大氣和雨造成的衰減將會(huì)增大。例如，工作在14 GHz的衛(wèi)星電視系統(tǒng)，在暴雨天氣里會(huì)丟失同步信號(hào)，從而使得電視信號(hào)惡化。在實(shí)際的應(yīng)用中，通信頻率通常不超過10 GHz[2]。

2.6 利用Raman散射通信的方法

基于 Raman散射的通信，是指將作為泵浦源的高頻強(qiáng)電磁波和信號(hào)載波同時(shí)通過等離子體這一非線性媒介，利用兩波相互作用所產(chǎn)生的后向散射 Stokes波來實(shí)現(xiàn)通信的一種技術(shù)手段[11-12]。然而，該方法存在許多的不足。例如，等離子體中的碰撞衰減、等離子體參數(shù)的非均勻性都會(huì)對(duì)這一過程產(chǎn)生顯著影響；同時(shí)，所需泵浦波的強(qiáng)度非常高。為了在等離子體中產(chǎn)生明顯的非線性效應(yīng)，需要電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到105V/m的量級(jí)，對(duì)于工作在S波段的狹縫天線，對(duì)應(yīng)的功率約為80 kW。

3 結(jié)束語

綜合上述分析可以看出，通信黑障對(duì)飛行器的控制和安全有著重要影響?，F(xiàn)有的各種減弱或消除通信黑障的技術(shù)手段各有優(yōu)缺點(diǎn)，比較而言，物質(zhì)注入和引入交叉電磁場(chǎng)兩種方法更為可行。針對(duì)載人航天任務(wù)的開展，通信黑障的安全隱患變得更為突出，我們應(yīng)結(jié)合國外的研究成果，針對(duì)物質(zhì)注入和引入交叉電磁場(chǎng)這兩種方法的應(yīng)用開展更廣泛的研究。

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