空间等离子体中电磁波传播的若干问题研究

摘要

近年来，临近空间的开发利用已成为众多国家与组织关注的焦点，鉴于此发展的需求和机遇，我们国家也提出了发展临近空间高超声速飞行器的计划，但是当飞行器以很高的速度进入稠密的大气层中时，由它本身的超高运动速度将产生巨大的动能，该动能不断转换为热能，使飞行器驻点区表面覆盖的各种防热材料和空气分子丢失电子，继而发生电离，形成一层包裹在飞行器周围的高温等离子体激波流体，我们将此称为等离子鞘套，而该高温等离子鞘套将会对地面的测控通信信号产生屏蔽作用，势必会影响到飞行器的信息传输，严重时会导致导航、遥测和数传等信息交换的中断，使得飞行器与地面失去联系，这样就极大的威胁了飞行器的飞行安全，此即所谓的“黑障”难题。从外太空再次进入大气层的飞行器同样也面临“黑障”的困扰。 因此研究电磁波在空间等离子体中的传播特性，对解决飞行器遇到的“黑障”难题具有重要意义。本文在研究空间等离子体基本物理特性的基础上，研究了等离子体对天线的辐射特性；还将飞行器表面材料烧蚀引起的尘埃因素、飞行器本身的运动速度以及等离子体本身的非均匀性等导致等离子鞘套动态性的因素也都纳入研究范畴，本文的主要创新点及贡献包括： 1、研究了再入空间等离子体对微带天线和喇叭天线的辐射特性。采用非均匀空间等离子体分布模型，利用射线追踪方法探究了不同的等离子体厚度，电子密度和碰撞频率对天线辐射性能的影响规律，得出了不同测控频段电场的衰减量范围，为以后对被等离子鞘套包覆的飞行器测控提供了定量的参考。还采用了NASA给出的钝锥体典型再入飞行器的实测等离子体数据，通过非均匀等离子鞘套分层模型的建立，分析了不同高度处的鞘套对偶极子天线和喇叭天线的辐射特性。 2、探究了弱电离尘埃等离子体中的电磁波传播特性。利用多层近似法分析了尘埃等离子体中主要的尘埃参数对入射其中的电磁波的反射、透射和吸收。然后对比了普通等离子体和尘埃等离子体在传播方面的差异。最后还利用射线追踪方法，分析了典型尘埃参数对经过尘埃等离子体的微带天线和喇叭天线辐射性能的影响。 3、探究了空间等离子体本身的运动特性对入射其中的电磁波传播的影响。将等离子体本身的运动分解为互相垂直的两个方向，给出了两种运动情况下等离子体本身的运动速度对入射电磁波频率和入射角度的影响。然后利用WKB方法计算了典型参数对空间等离子体中电磁波衰减的影响规律。最后利用传输矩阵法计算了典型参数对运动等离子体中电磁波的反射，透射和吸收规律。 4、探究了等离子体本身的非均匀性以及外加磁场对空间等离子体中电磁波传播的影响。采用多层近似法，主要从两个非均匀性（电子密度非均匀和碰撞频率非均匀）入手，分别分析了电子密度的非均匀性效应和碰撞频率的非均匀性效应，并且对两个效应进行了对比，得出空间等离子体碰撞频率的非均匀性效应与电子密度的非均匀性效应处于同一量级。最后建立电子密度和碰撞频率都是非均匀的空间等离子体模型，给出了该模型下电磁波的传播规律。 综上所述，本文深入的分析了空间等离子体中电磁波传播的特性，为超高速飞行器和再入飞行器的“黑障”难题提供了一定的参考，直接支撑了临近空间高超声速飞行器/再入飞行器的研制和测试，对进一步研究等离子鞘套中的电磁波传播机理和缓减“黑障”问题具有重要意义。

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