基于合成射流技术的飞行器等离子鞘层电磁波传播技术研究

The project aims to research radio propagation in plasma sheath layer generated during reentry into atmosphere of hypersonic aircraft, which leads to communication blackout. Due to the disadvantage of the cross electromagnetic field technique for communication balckout eliminating or mitigating, synthetic jet technique is proposed and applied in the radio propagation research, which is normally used in active flow control field. The path of the particles is changed and a communication window is created through Combining the vortex features of the synthetic jet and the lorenz force of the charged particles by the crossed electromagnetic. In the study, Navier-Stokes equation and plasma dynamics are employed to investigate the plasma sheath distribution of the hypersonic aircraft. The plasma density and charged particles movements are also studied under control of synthetic jet. Then Maxwell equation is establised under the condition of cross electromagnetic field and synthetic jet flow field. The swirl characteristic of the charged particles within the cross electromagnetic field is studied, and the radio propagation and loss features with different polarization are also researched. Based on above work, the radio propagation ability is estimated under the synthetic jet and cross electromagnetic field technique. The research proposes a feasible method for mitigatiing or eliminating reentry communication blackout of hypersonic aircraft.

本项目以高超声速飞行器再入大气层的通信黑障为研究背景，对等离子鞘层的电磁波传播技术开展研究。针对外加电磁场缓解通信黑障存在的不足，提出将流场控制领域的合成射流技术引入到电磁波传播研究领域，利用合成射流能产生旋转的涡流特性，结合外加电磁场的洛伦兹力对等离子形成旋转作用力相耦合，改变等离子运动轨迹，创造可用于电磁波传播的通信窗口。研究中采用流场Navier-Stokes方程与等离子鞘层的等离子动力学方程分析高超声速飞行器表面等离子层分布特性，研究合成射流技术控制的等离子密度分布和等离子运动特性；在新的等离子场内，建立外加电磁场的Maxwell方程，研究交叉电磁场下等离子的旋转运动特性，研究不同极化电磁波的传播能力和损耗特性，从而对合成射流与交叉电磁场作用下，等离子鞘层电波传播性能进行评估，为减弱或消除高超声速飞行器再入大气层通信黑障研究提供一种新的可行性方案。

本项目以高超声速飞行器在穿越大气层时与大气剧烈摩擦高温使空气电离产生等离子鞘导致通信中断的问题为研究对象，采用合成射流技术与交叉电磁场技术在天线通信区减缓通信黑障，形成局部通信窗口，从而恢复通信。项目主要研究内容包括：（1）等离子鞘层电磁波传播研究，研究分析了0-30GHz频段内电磁波的吸收系数、反射系数、透射系数及衰减系数，研究等离子体中等离子体密度和碰撞频率对电磁波传播特性的影响，结果表明降低等离子体密度有利于电磁波的传播，电磁波在呈抛物线分布的等离子体中传输损耗最小；（2）外加交叉电磁场下，电磁波的传播损耗研究，并研究了外加电磁场下圆极化电磁波的传播特性。研究表明外加磁场可明显降低圆极化电磁波衰减，且同等条件下右旋极化比左旋极化电磁波的衰减更小，且右旋极化电磁波所需的磁场强度也小于左旋极化。（3）合成射流的流场分布研究，仿真研究了包括k-ε，k-ω和RS模型下合成射流流场分布特性，结果表明RS模型更适合于合成射流研究。设计制作了基于压电金属复合结构的合成射流驱动器，并采用了热线风速仪和PIV开展了合成射流速度测量和流场分布实验，实验表明压电合成射流驱动器可产生高达69m/s的射流输出。（4）仿真研究了等离子体试验箱，研究了其等离子体分布特性，设计制作了等离子体试验箱，并开展了等离子浓度实验；通过项目的研究表明，采用和成果射流与外加交叉电磁场技术可改善电磁波的传播特性，对高超声速飞行器的通信具有潜在应用价值。