高超声速飞行器等离子体鞘套电磁传输特性研究

Plasma sheath around hypersonic vehicle has a severe effect on electromagnetic communication between vehicle and land station and results in communication break, which is a key problem in the development of new style hypersonic vehicle. This project aims at electromagnetic wave propagation characteristic of plasma sheath around hypersonic vehicle, proposes to integrate experimental test and numerical simulation and establishes reliable method to resolve the problem. The measurement and control of plasma parameters in plasma wind tunnel will be proceed, and the relation between electromagnetic wave propagation characteristic and plasma parameters will be studied in a test platform which includes vector network analyzer and standard horn antenna. The numerical simulation method of chemical non-equilibrium plasma and electromagnetic wave propagation will also be studied, which will be corrected with the experimental data. A reliable numerical simulation method and experimental method is the final propose, which will be applied in the evaluation of electromagnetic wave propagation characteristic of plasma sheath around classical hypersonic vehicle.

高超声速飞行器等离子体鞘套严重影响着飞行器与地面之间的通信传输，引起通讯中断问题，是新型高超声速飞行器研制中亟需解决的关键技术问题之一。本项目针对高超声速飞行器等离子体鞘套电磁传输特性，采用试验测试与数值计算相结合的方式，拟初步建立可靠的等离子体电磁传输特性预测方法。本项目拟在等离子体风洞上开展等离子体参数测试与控制方法研究，采用矢量网络分析仪和标准增益天线，建立等离子体中电磁波传输特性测试平台，研究电磁波传输特性与等离子体参数之间的关系。同时，研究化学非平衡等离子体数值模拟方法和电磁波传输特性数值模拟方法，并通过地面试验数据对数值模拟方法进行修正。通过本研究建立可靠的数值计算方法和试验测试方法，并对典型高超声速飞行器再入通讯中断问题进行分析和评估。

本研究依据国家自然科学基金项目“高超声速飞行器等离子体鞘套电磁传输特性研究”开展。根据高焓等离子体风洞等离子体射流特性，建立了化学非平衡等离子体射流的数值模拟方法并应用于高超声速飞行器等离子体鞘套的数值模拟。依托地面风洞，建立了系统的等离子体中电磁传输特性实验研究方法。采用静电探针和微波诊断相结合的方式，建立了风洞流场电子数密度和碰撞频率测试方法；建立了等离子体中天线窗热透波特性实验测试方法，获得了等离子体和天线窗耦合条件下对电磁传输特性的影响和天线窗在高温受热条件下的透波特性，开展了多种不同等离子体参数条件下，等离子体对不同频率的电磁波传输特性的影响实验研究。建立了等离子体中电磁波传输模型和数值计算方法，根据等离子体中电磁波传输模型，分析了不同理论在预测等离子体中电磁传输特性的差异，对地面风洞试验测试结果和高超声速飞行器等离子体中电磁传输特性飞行试验结果进行了分析和验证。通过以上研究，达到了预期的研究目的，实现了预期研究目标。