【摘 要】
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高超声速飞行器、航天器高速飞行时,产生的等离子体鞘套会对电磁波信号产生严重衰减,造成遥测、遥控等通信链路中断。基于磁调控原理的“磁窗法”被认为是缓解测控、导航频段“黑障”最具潜力的方向之一,但实际应用中达到缓解效果所需的局部磁场强度将超过1T以上。无论采取永磁体、电磁体、超导磁体或脉冲磁体,达到缓解效果所需磁场产生装置的质量和体积都过大,这些弊端限制了其在飞行器上的应用。引入其他物理参量以减少对磁
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高超声速飞行器、航天器高速飞行时,产生的等离子体鞘套会对电磁波信号产生严重衰减,造成遥测、遥控等通信链路中断。基于磁调控原理的“磁窗法”被认为是缓解测控、导航频段“黑障”最具潜力的方向之一,但实际应用中达到缓解效果所需的局部磁场强度将超过1T以上。无论采取永磁体、电磁体、超导磁体或脉冲磁体,达到缓解效果所需磁场产生装置的质量和体积都过大,这些弊端限制了其在飞行器上的应用。引入其他物理参量以减少对磁场强度的单一依赖（如E×B效应）,是目前磁窗技术的发展方向之一。围绕降低调控场强为目标,本文提出了“时-空电磁场增强型磁窗”的概念:通过在磁窗中引入电/磁场的时-空变化参量,将对场强单一变量的需求转化为对电/磁场及其时-空位型等多个变量共同作用,在达到缓解“黑障”的同时,大幅降低对磁场强度的依赖。为此,本文基于等离子体流体中感生电流与磁场相互作用对电子运动的影响的原理,通过施加不同场位型对等离子体中感应电流密度J进行调控。并运用这一理论方法对“磁窗法”、“静态E×B磁窗”和“低频法”三类方法进行了改进,均实现了降低场强需求的效果。具体的创新和贡献如下:1、在“磁窗法”中引入磁场的时间和空间变化参量,提出了基于自感应电流的行波磁场减小局部电子密度及改善电波透射性能的新方法。该方法通过提高行波磁场速度达到减小对磁场强度的需求。本文完善了行波磁场与等离子体相互作用模型,建立了基于自感应电流的行波磁场削减电子密度的计算模型,并分析了不同行波磁场速度、磁场强度对电子密度分布影响。根据低气压辉光放电原理设计了与行波磁场相适应的等离子体实验环境,开展了行波磁场对等离子体电子密度分布影响的实验研究,获得了不同速度的行波磁场对等离子体电子密度分布影响的结果。2、在“静态E×B磁窗”中引入电场和磁场的时间变化参量,进一步提出了时变正交电磁二维窗。该方法通过时变电场增大了等离子体中的传导电流,达到了减小磁场强度和克服德拜屏蔽的目的。该方法同时施加同频同相的电场和磁场替代静态电/磁场,从而避免电极受德拜屏蔽影响降低对电子密度削减效果。本文建立了数值仿真模型,计算了时变E×B场对不同参数等离子体的电子密度削减影响。仿真结果表明,低碰撞情况下,时变电/磁场在磁场强度为0.1 T,初始电压为1000 V左右时可以将5 cm厚的等离子体局部电子密度降低90%以上,并且打开一个宽度为3～4 cm的电波传播窗口。利用低气压辉光放电产生持续均匀稳定可控的等离子体环境对该理论进行了验证。实验结果表明,在ne0=1011 cm-3,ve=0.06 GHz,B=0.07 T,U0=1000 V时,局部电子密度削减区域横轴方向长度高达6 cm,电子密度最大削减达到80%左右。理论与实验结果表明,时变E×B场能够对局部电子密度削减达到近一个数量级的有效削减,并改善电波衰减。3、在“低频法”中引入环路空间分布磁场,提出了基于环路空间分布磁场的低频段增强型磁窗。该方法通过施加环路空间分布磁场束缚自由移动电子,从而减小等离子体中的感应环流,达到改善低频电波磁分量衰减目的。本文以激波管为基础,建立了静磁场作用下低频电磁波在圆柱包覆等离子体中的传输衰减模型,开展了改善低频电磁波磁场分量透射的激波管实验。实验结果与解析解相近,验证了模型的有效性。研究结果表明,低频法中可以通过采用环路空间分布弱磁场替代对局部强磁场的需求,将局部强磁场作用效果分解为感应电流环路上多个弱磁场效果叠加,达到减小磁场强度的目的。综上所述,本文的研究成果为应用电/磁场缓解黑障提供了理论研究基础,并为所提方法在工程中的应用提供了一些技术参考,增强了“时-空电磁场增强型磁窗”在工程中应用的可能性,也为解决“磁窗法”瓶颈问题提供一种新思路和可能途径。
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