基于脉冲磁场的等离子体电子密度削弱方法研究

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超高声速飞行器再入大气层时在其表面形成的等离子鞘套会导致通信黑障,这一现象严重的影响了地面站对飞行器的定位、跟踪、导航等功能,使其出现飞行状态不可知、遥测数据不可知等一系列危险。相关研究表明,通信黑障与等离子鞘套的电子密度和碰撞频率密切相关。针对这一问题,本文提出了利用脉冲磁场降低等离子鞘套局部区域电子密度的方法,通过施加脉冲磁场,使等离子体中带电粒子的运动方向发生偏转,从而产生低电子密度区域,提高该位置电磁波的透射率。本文的主要研究内容如下:1、建立脉冲磁场下动态等离子体电子密度变化的理论模型。首先,在研究非磁化等离子体中粒子扩散系数的基础上,进一步推导出具有各向异性特性的磁化等离子体中的粒子扩散系数,并应用于以漂移扩散为基础理论的粒子运动中;其次,从磁流体力学理论出发,建立脉冲磁场与动态等离子体相互耦合的数学关系;最终,针对脉冲磁场作用下动态等离子体中粒子的实时分布问题,建立完备的数学求解模型。2、建立脉冲磁场下动态等离子体电子密度变化的仿真模型。以上述数学模型为基础,利用COMSOL多物理场仿真软件建立脉冲磁场下动态等离子体电子密度变化的仿真模型。分析不同参数下等离子体中电子密度的分布和时间演化过程,结果表明脉冲磁场可以有效的削弱电子密度,且削弱效果与磁场强度成正比,与等离子体速度、初始电子密度成反比。3、建立不同磁场下电磁波在等离子体中的传播模型。首先建立恒定磁场下等离子体中电磁波的传播模型,并分析计算恒定磁场下电磁波的透射特性。接着在脉冲磁场削弱等离子体电子密度的基础上,利用COMSOL多物理场仿真软件建立脉冲磁场作用下电磁波在等离子体中传播的三维仿真模型,研究对比无磁场、施加恒定磁场和施加脉冲磁场这三种条件下等离子体中电磁波透射系数,结果表明脉冲磁场可以更有效的提高低频电磁波在等离子体中透射系数。基于脉冲磁场载荷小,作用时间短,对飞行器电子设备干扰小等优点,本文研究表明利用脉冲磁场削弱等离子体电子密度是缓解“黑障”现象的一种有效途径。
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