太赫兹与等离子体作用仿真计算

摘要

超高声速飞行器（弹头，飞行器，返回舱等）在返回地球表面的过程中，由于飞行器的速度高达数十个马赫，飞行器在进入大气层时会与飞行器周围空气剧烈摩擦，产生高温高压，导致周围空气电离成等离子体态，在飞行器周围产生一层等离子体鞘套。而等离子体鞘套吸收反射电磁波的能量，并对电磁波产生多普勒频移和相移，使飞行器在再入段与地面系统的通信、定位、以及导航信号丢失，这就是黑障现象。黑障现象严重的威胁了飞行器飞行任务的完成与宇航员的安全。
　　由于太赫兹波既具有光波又具有电磁波的特点，太赫兹波能有效地用在光波和电磁波无法实现的功能。理论证明，太赫兹波能有效地克服由于等离子体产生的黑障现象。本文从两方面着手来研究飞行器表面等离子体鞘套对通讯电波的相互作用。首先，利用用于流场仿真的商用软件CFD-FASTRAN，根据三维化学非平衡流动Navier-Stokes控制方程仿真计算模拟联盟号飞船周围等离子体流场的分布情况，得到飞船周围等离子，体鞘套的电子密度云图，压强云图，温度云图，碰撞频率云图，以便于我们对等离子体流场有一个整体了解和掌握。然后，找到等离子体电子密度最小的部位，为安装通信天线提供理论依据。
　　最后，本文对通信电波在等离子体中的传播特性进行了理论研究，对电磁波在等离子体中传播的Z变换时域有限差分方法进行了理论公式推导，然后利用Z变换时域有限差分法对太赫兹波在等离子体的中的功率反射系数，功率透射系数随工作电波频率，碰撞频率，等离子体电子密度，等离子体厚度的变化情况分别进行了数值仿真和解释。分别从仿真的角度研究了太赫兹波在等离子体鞘层中传输时的功率反射系数和功率透射系数与等离子体电子密度，碰撞频率，等离子体厚度以及电磁波工作频率的关系。仿真结果显示太赫兹波在解决黑障问题上效果显著。

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第一章 绪 论

1.1研究工作的背景与意义

1.2 国内外关于黑障问题的研究情况

1.2.1 超高声速等离子体流的研究历史与现状

1.2.2 电磁波传播国内外研究历史与现状

1.3 本论文的结构安排

1.4 本章小结

第二章 等离子体绕流流场模拟

2.1 超高声速等离子体流场简介

2.2 化学非平衡流场的物理化学模型和数值计算方法

2.2.1 化学非平衡流动控制方程

2.2.2 空气化学反应模型

2.2.3表面催化特性计算模型

2.2.4 输运系数计算

2.2.5数值计算方法

2.3计算程序的考核验证

2.3.1弹道靶试验球模型

2.3.2实际飞行器模型仿真计算

2.4 本章小结

第三章 基于Z-FDTD计算太赫兹波在等离子体中传输特性

3.1 等离子体的基本性质

3.2 太赫兹波在等离子体层下的传输特性

3.3 基于Z变换的时域有限差分方法

3.4 太赫兹波在等离子体中的传输特性仿真

3.5 本章小结

第四章 全文总结与展望

4.1全文总结

4.2 后续工作展望

致谢

参考文献