基于天线阻抗的高速飞行器等离子体鞘套参数逆向估计方法研究

The plasma sheath appeared during the reentry stage of hypersonic vehicles and space shuttles, causes of "radio blackout" phenomenon. This puzzles aerospace industries for decades, and becomes a hot topic in recent years with the rapid development in hypersonic vehicles. Obtaining the distribution of plasma sheath in the real flight state is a bottleneck and urgent need for cutting-edge research in many related fields. This project proposes a new idea of reverse estimation of plasma sheath based on antenna reflection impedance. The basic theory of antenna impedance mapping and reverse estimation is studied, and the critical technologies of distributed parallel solution are also proposed. The parallel solving computing system will be built and proposed theories and technologies will be verified by ground experiments. The project focuses on solving the key scientific problems including the constraints of antenna impedance and the inverse estimation problems under non-analytic expression and undetermined less-complete conditions. It is a cross frontier problem involving three fields: plasma physics, EM wave and antenna, and information theory. The results of the study will lay the theoretical and technical foundation for further real flight testing, has certain theoretical significance and application value.

高速飞行器、空天往返器、返回式航天器再入大气层阶段的等离子体鞘套，及其引起“黑障”现象，不仅是困扰航天领域几十年的难题，也是近年来国内外发展各类高速飞行器的难点和研究热点之一。获取实飞状态下等离子鞘套参数分布，是许多相关领域前沿研究的瓶颈和急需。本项目面向实飞约束下获取等离子参数分布面临的困难，提出基于天线反射阻抗反演等离子体鞘套的新思路；探讨其中天线阻抗映射关系、逆向估计等基础理论问题，解决分布式并行求解方法等关键技术，建立快速并行求解演示验证系统，并开展地面等离子环境下的实测验证。项目拟重点解决基于天线阻抗的鞘套分布逆向估计的收敛约束条件、欠定条件下无解析表达式的参数逆向估计方法等关键科学问题，是涉及等离子体、电波与天线、信息感知三个领域的交叉前沿问题。研究成果将为开展高速飞行器/航天器等离子体鞘套测量搭载试验奠定理论和技术基础，具有重要理论意义和应用价值。

高速飞行器、返回式航天器再入大气层阶段的等离子体鞘套引起“黑障”现象，不仅是困扰航天领域几十年的难题，也是近年来国内外发展各类高速飞行器的难点和研究热点之一。获取实飞状态下等离子鞘套参数分布，是许多相关领域前沿研究的瓶颈和急需。. 本项目面向上述背景，提出基于天线反射阻抗反演等离子体鞘套的新思路；探讨其中天线阻抗映射关系、逆向估计等基础理论问题，解决分布式并行求解方法等关键技术，建立快速并行求解演示验证系统，并开展地面等离子环境下的实测验证。重点解决基于天线阻抗的鞘套分布逆向估计的收敛约束条件、欠定条件下无解析表达式的参数逆向估计方法等关键科学问题，是涉及等离子体、电波与天线、信息感知三个领域的交叉前沿问题。研究取得重要的进展和进步包括：. ①提出了等离子鞘套与天线阻抗相互作用关系的可逆性原理，在研究过程中创新地引入多学科的等离子体逆向估先验条件，作为计算法收敛性约束条件，从而加速了逆问题的收敛性。具体的，引入空气动力学研究中获得的等离子鞘套的分布模型作为先验，又充分利用包含等离子体色散特性、分布模型等多种先验知识，实现对求逆算法搜索空间的有效降维，从而使得逆向估计参数唯一，保证了逆向估计算法的有效性及置信度。. ②设计了基于天线阻抗的等离子体参数逆向估计算法，创新地提出了双循环迭代结构的搜索方法，解决了逆向估计算法没有解析表达式的难点，能有效地提升算法的精度和收敛速度；采用分布式架构及并行化加速技术对算法进行加速可以进一步提高算法的计算速度及求解能力，提高逆向估计算法的求解速度。. ③搭建基于天线阻抗的等离子体参数逆向估计等离子实验环境，开展了多次实际地面试验，表明了算法的有效性。. 研究成果为开展高速飞行器等离子体鞘套测量试验奠了定理论和技术基础，形成了等离子体鞘套反演系统，牵引了后续的飞行搭载计划，并参加了科技部“十三五”科技成果展，将具有重要理论意义和应用价值。