48km以上黑障區(qū)電磁波的趨膚深度分析

馬玉峰 葉文慧

摘 要：空間飛行器返回大氣過程中，降落至距離地面100km到48km處時會在表面形成一個復雜多變的等離子鞘套，這個等離子鞘套對電磁波的傳播具有很大的衰減作用，對地面站與空間飛行器的電磁波通信產生不利的影響。本文從等離子鞘套具有近似金屬的導電性的角度，通過分析電磁波在不同高度處的等離子鞘套內傳播的趨膚深度，進而分析空間飛行器返回大氣降落過程電磁波頻率變化對克服通信黑障問題的影響。

關鍵詞：通信黑障 電磁波 趨膚深度

中圖分類號：V219 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（a）-0006-02

自從發(fā)現空間飛行器通信黑障現象以來，人們就對如何克服通信黑障問題進行了大量研究。經過反復的地面模擬實驗和飛行實驗，研究者們發(fā)現在返回大氣降落過程中空間飛行器表面會形成一個等離子體鞘套，這個鞘套對電磁波傳播具有較大衰減作用，從而產生通信黑障現象，對航天任務造成不利影響。因為48km以上黑障區(qū)的等離子鞘套具有近似金屬的導電性，所以，本文考慮從電磁波傳播趨膚深度的角度，分析電磁波在不同高度處等離子鞘套中的傳播特性，為克服空間飛行器通信黑障問題提供了理論參考。

1 48km以上黑障區(qū)等離子鞘套內電磁波的趨膚深度

當空間飛行器降落至距離地面100km到48km的黑障區(qū)時，因表面的沖激波、飛行器與大氣摩擦產生的高熱能和表面防燒蝕材料的化學電離，在其表面形成等離子鞘套[1]。因此可以知道等離子鞘套是由大氣電離和防燒蝕材料化學電離產生的大量電子、正負離子和中性粒子組成的，故它具有類似金屬的良好導電性。因為電磁波穿過導電物質具有趨膚效應，所以通過計算電磁波在等離子鞘套中的趨膚深度，可以了解電磁波在等離子鞘套的傳播情況。一般情況下，電磁波垂直入射到良導體表面時，其趨膚深度δ均可以表示為[2]：

2 實驗結果及分析

本文根據美國國家航空航天局（NASA）在1970年進行的RAM C-Ⅲ飛行實驗[4]中取得的飛行器表面等離子鞘套介質特性數據，如表1所示。根據這些等離子鞘套介質特性數據，對48km以上黑障區(qū)電磁波在均勻等離子鞘套中的趨膚深度進行實驗分析，結果如圖1所示。

由圖1可以看出，空間飛行器距地面76km時，其表面等離子鞘套內部電子密度較小，所以此處電磁波在等離子鞘套中傳播的趨膚深度明顯比62km和53km處的趨膚深度大。而在62km和53km處時，等離子鞘套內電子密度變化不大，但是53km處電子碰撞頻率明顯增加，所以53km處的趨膚深度反而比62km處的趨膚深度大。當空間飛行器處于48km以上黑障區(qū)時，電磁波在其表面等離子鞘套內傳播的趨膚深度主要受到電子密度和碰撞頻率的影響，當等離子鞘套內的電子密度增加時，電磁波傳播的趨膚深度減小，電磁波較難穿透等離子鞘套；當等離子鞘套內的電子碰撞頻率增加時，電磁波傳播的趨膚深度增加，電磁波更易穿透等離子鞘套。而且電磁波頻率的增加也會使電磁波傳播的趨膚深度增加，電磁波更易穿透等離子鞘套。

3 結語

本文根據空間飛行器表面的等離子鞘套具有類似金屬的良好導電性，對電磁波在48km以上黑障區(qū)均勻等離子鞘套中傳播的趨膚深度進行了計算。計算結果表明，當空間飛行器返回大氣降落至距地面100km到48km高度處時，電磁波在均勻等離子鞘套中傳播的趨膚深度主要受到等離子鞘套電子密度和碰撞頻率的影響，當電磁波頻率增加時，電磁波在均勻等離子鞘套傳播的趨膚深度增加，電磁波較易穿透等離子鞘套。但是空間飛行器表面的等離子鞘套具有不均勻性，仍需進一步研究電磁波在不均勻等離子鞘套中傳播的趨膚深度，進而為解決空間飛行器通信黑障問題提供理論基礎。

參考文獻

[1] 于哲峰，孫良奎，馬平，等.黑障對通信安全的影響及幾種可能的解決方案[J].紅外，2017（2）：39-45.

[2] 王家勝，楊顯強，經姚翔，等.鈍頭型航天器再入通信黑障及對策研究[J].航天器工程，2014（1）：6-16.

[3] 楊敏.等離子鞘套下測控通信信號傳輸特性研究[D].西安電子科技大學，2014.

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