不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应_高铁锁.pdf

第 44 卷第 6 期2 0 2 3 年 6 月兵工学报ACTA AMAMENTAIIVol 44 No 6Jun2023DOI:10 12382/bgxb 2022 0174不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应高铁锁，江涛，傅杨奥骁，丁明松，刘庆宗，董维中，许勇，李鹏(中国空气动力研究与发展中心 计算空气动力研究所，四川 绵阳 621000)摘要:研究气动电磁波传输效应对于评估和解决黑障问题具有重要意义。基于求解三维 N-S方程及波动方程的数值方法，分析了天线位置、电磁波频率、飞行器特征尺度等因素对飞行器周围等离子体分布和电磁波传输的影响。研究结果表明:在同一再入条件下，随着球头半径增加，飞行器周围电子数密度、等离子体鞘套厚度以及对电磁波的衰减也随之增大，影响天线附近等离子体分布的主要机制是 NO 电离反应;轴向天线位置和频率对电磁波衰减具有重要影响，可以通过提高电磁波频率和合理选择天线位置降低等离子体对通信影响;飞行器沿弹道再入过程中，等离子对电磁波的衰减出现峰值，高频电磁波的通信中断区间缩小;典型条件下等离子体分布及通信中断的预测与测量结果一致，该预测手段可为飞行器电磁通信系统设计提供技术支持。关键词:高超声速飞行器;等离子体;电子数密度;电磁波传输效应;数值模拟中图分类号:V411.4文献标志码:A文章编号:1000-1093(2023)06-1809-11收稿日期:2022-03-21基金项目:武器装备预先研究项目(9140A13050613KG29188)Plasma Distribution and Its Effect on Electromagnetic WaveTransmission across Vehicles of Varying SizesGAO Tiesuo，JIANG Tao，FU Yangaoxiao，DING Mingsong，LIU Qingzong，DONG Weizhong，XU Yong，LI Peng(Computational Aerodynamics Institute，China Aerodynamics esearch and Development Center，Mianyang 621000，Sichuan，China)Abstract:Investigating the aero-electromagnetic wave transmission effect is crucial for the assessing andaddressing communication blackout issues This study employs a numerical method to solve the three-dimensional Navier-Stokes equation and wave equation，focusing on the influence of antenna position，electromagnetic wave frequency，and characteristic size of the vehicle on plasma distribution andelectromagnetic wave transmission The results demonstrate that as the sphere radius increases under thesame flight conditions，electronnumberdensity，plasmasheaththickness，andattenuationofelectromagnetic wave also increase The ionization of NO exhibits the most significant effect on the plasmadistribution around antenna The axial antenna position and electromagnetic wave frequency have asignificant influence on the attenuation of electromagnetic waveThus，it is feasible to reduce theinfluence of plasma on electromagnetic wave transmission by increasing the frequency and selecting anappropriate antenna position During reentry flight along the trajectory，plasma-induced electromagneticwave attenuationreaches its peak，resultinginanarrowerblackoutrangeforhigh-frequencyelectromagnetic waves The numerical results of electron number density and blackout range agree wellwith flight data under typical flight conditions，demonstrating that this computational code can provide兵工学报第 44 卷technical support for the design of vehicle electromagnetic communication systemsKeywords:hypersonic vehicle;plasma;electron number density;electromagnetic wave transmissioneffect;numerical simulation0引言高超声速技术是未来先进飞行器发展的核心技术之一。在对高超声速飞行器优化设计时，除了分析评估飞行器的气动特性和飞行性能，还需要评估飞行器周围等离子体流动对目标特性和通信性能的影响1 3。高超声速飞行器在大气中飞行时，与周围气体发生强烈作用产生强激波效应，使得波后气体温度急剧升高，气体分子发生振动激发、分解和电离等复杂气动物理化学现象，在飞行器周围形成高温电离气体层俗称等离子体鞘套。电磁波通过等离子鞘套传播时，被等离子体反射、折射和吸收，发生强度衰减、传播方向偏折和相位畸变等效应，导致电磁波作用距离缩短和信噪比下降等电磁性能退化现象，情况严重时，等离子体使电磁波传输中断，出现“黑障”现象，这些现象一般统称为气动电磁波传输效应4。气动电磁波传输效应特别是“黑障”现象严重影响飞行器与地面之间的微波通信性能，对飞行器实时控制和飞行安全构成严重威胁5 6。因此，研究气动电磁波传输效应对“黑障”现象的分析评估及高超声速飞行器通信系统的设计都具有重要意义。随着临近空间飞行器飞行速度的不断提高，气动电磁波传输效应对电磁通信的影响问题愈加突出。考虑到飞行试验模拟的高成本及地面试验对实际飞行条件模拟能力限制等因素，对气动电磁波传输效应问题的研究目前仍以数值模拟为主要手段。1995 年，Lin 等7 总结分析了飞行器等离子体鞘套的计算和试验研究状况，给出了均匀等离子体中各种电磁波传输效应的解析表述;1998 年，Nusca 等8 采用 7 组分化学非平衡 N-S 方程和波动方程，计算分析了平面电磁波在无线电衰减测量 C(adio At-tenuation Measurement C，AM-C)再入等离子体鞘套中衰减效应;2002 年，Funaki 等9 结合固体火箭发动机地面试验，预估分析了发动机羽流等离子体对不 同 波 段 电 磁 波 的 衰 减 特 性;2003 年，Starkey 等10 采用 Park 化学模型和解析方法，分析了航天飞机等多种飞行器等离子体鞘套对电磁波通信的影响;2006 年，White 等11 基于高阶数值方法，分析了 AM-C 再入等离子体鞘套的电磁波传输效应;2009 年，Kim 等12 采用非平衡等离子体数值模拟方法及传输效应解析方法，研究了高超声速飞行器轨道再进入试验(Obiter e-entry Experiment，OEX)绕流等离子体对电磁波传输的影响，探索外加磁场降低通信窗口等离子体传输效应的方法;2018 年，龚旻等1 对临近空间飞行器“黑障”现象的数值和地面模拟方法进行了回顾总结;2019 年，左光等13 采用数值及解析方法，分析了大钝头返回舱和类 X-37B 升力体飞行器再入等离子体鞘套对电磁波传输的影响特征。上述研究工作的共性特点是把流体力学和电磁学结合起来，分析高超声速飞行器等离子体鞘套中电磁波传输效应，但对不同特征几何尺度高超声速飞行器等离子体鞘套及电磁波传输效应的产生机制和规律分析较少。本文基于求解非平衡流场 N-S 控制方程和求解电磁场波动方程的模拟方法，采用自主研发的气动物理流场数值模拟软件和再入黑障预测分析软件，研究高超声速再入体周围等离子体的产生机制及气动电磁波传输效应，重点分析不同频率电磁波在再入等离子体鞘套中传播的衰减效应，研究不同球头半径尺寸再入体的周围等离子体的分布规律及其对电磁波衰减的影响特征。1高超声速等离子体流场数值模拟研究1.1控制方程高超声速飞行器从外层空间再入大气层过程中，由于热化学过程与流动过程的特征时间尺度效应，飞行器绕流等离子体一般要经历热力学和化学非平衡过程。文献 14 的研究发现，热力学非平衡效应对高超声速飞行器非平衡绕流中等离子体分布的影响很小，此时可以不单独考虑气体分子的振动能量模态，而是基于单温度气体模型，通过求解含化学反应源项的化学非平衡流动 N-S 方程，数值模拟高超声速行器周围等离子体鞘套，三维化学非平衡流动的 N-S 方程的无量纲化形式14 如下:Qt+Fx+Gy+Hz=1(eFVx+GVy+HV)z+W(1)式中:Q 为守恒变量，Q=(i，u，v，w，E)T，i和 是组分的分密度和混合气体的总密度，u、v、0181第 6 期不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应w 为直角坐标下 3 个方向的速度，E 为混合气体的总能;e 是来流雷诺数;F、G、H 和 FV、GV、HV分别对应 3 个方向的无黏和黏性通量项;W 为化学非平衡源项，W=(wi，0，0，0，0，0)T，wi为 i 组分生成源项，wi=MiNrj=1(*ij ij)Qj(2)Nr为化学反应个数，Mi和 Qj分别为第 i 组分的分子量和第 j 化学反应的生成源项，*ij和 ij分别为第 j反应中第 i 组分的生成物和反应物计量系数。一温度模型下混合气体的总能 E 表达式:e=Nsi=1cieiE=e+12(u2+v2+w2)ei=ei，tr+ei，v+ei，e+h0i(3)式中:Ns为组分数;e 为气体的内能;ci与 h0i分别为组分 i 的质量分数和生成能;ei，tr、ei，v和 ei，e分别为组分的平动转动能、振动能和束缚电子的激发能。1.2化学模型高超声速飞行器与来流空气发生作用形成脱体激波，波后压缩空气温度急剧增高，使得来流压缩空气不仅发生离解反应和置换反应，而且发生各种电离反应，在不计空气中微量组分的情况下，认为来流空气由 O2和 N2组成，此时高温空气中的电离反应主要包括缔合电离和碰撞电离反应机制14:O+NNO+eO+OO+2+eN+NN+2+eNO+MNO+e+MO+MO+e+MN+MN+e+MO2+MO+2+e+MN2+MN+2+e+M目前，数值模拟高超声速飞行器高温等离子体流动的化学动力学模型多种多样15 17，本文采用Park 的 11 组分(O2，N2，NO，NO+，O，N，e，N+2，O+2，O+，N+)反应动力学模型16。2数值计算方法2.1等离子体流场数值模拟方法基于有限差分方法对流动控制方程式(1)进行数值求解:对于方程中的无黏通量项，采用上下对称的高斯赛德尔(Lower-Upper Symmetric Gauss Sei-del，LU-SGS)隐式处理分法18，以解决无黏通量雅可比矩阵直接求逆带来的运算量大的问题;为了解决流动和化学过程特征时间尺度效应导致的刚性问题，采用全隐式耦合方法对方程中化学反应源项进行处理19，即用同一时间尺度同时求解流动方程和化学反应方程以保证计算的稳定性和收敛性;为了准确模拟流动中激波结构和边界层特性，同时保证计算的鲁棒性，采用高分辨压力权函数修正的迎风型矢通量分裂(Advection Upstream Splitting Methodby Pressure-based Weight functions，AUSMPW+)格式20 离散无黏通量，采用中心差分格式离散项黏性通量项;为了模拟高空稀薄效应的影响，引入壁面参数滑移修正模型21;为了模拟多组分混合气体输运特性，混合气体的黏性系数和热传导系数用 Wilke半经验公式计算，各组分的输运系数基于 Blotter 曲线拟合公式和 Eucken 关系式计算，扩散系数采用等效二 元 扩 散 模 型 计 算，具 体 计 算 方 法 详 见 文献18 19。2.2等离子体中电磁波传输特性预测方法考虑一维情况，即等离子体参数仅在 z 轴方向非均匀分布，且平面电磁波沿 z 轴正向传播，此时电场只是随着 z 轴发生变化，设电场平行于 y 轴，此时波动方程22 24 为2Ey+k2(z)Ey=0(4)式中:Ey为电场强度;k 为波数。对于缓变介质，即介质的电磁参数在 z 轴方向变化较小，该方程的Wentzel-Kramers-Brillouin(WKB)解24 为Ey=Ey0exp jd0k(z)dz(5)式中:Ey0为 z=0 m 处的电场强度。设电磁波从 z=0 m 处垂直入射到等离子体内部，并在 z=d 界面处透射出来，电磁波在此处的能量衰减为A(=8.68Imd0k(z)d)z(6)在各向同性非磁化等离子体介质中波数 k 为复数，其表达式为k=c槡rr=1 2p2+v2 j2p(2+v2)(7)式中:与 p分别表示电磁波与等离子体的角频率;c 为光速;r为等离子体介质的相对介电常数;为等离子体的碰撞频率，碰撞频率基于工程经验关系进行计算4。1181兵工学报第 44 卷3数值计算结果3.1不同天线位置等离子体分布及其电磁传输特性研究状态为 AM-C 再入飞行状态25:再入体为球锥对称体外形，再入高度 H=71 km，飞行速度V=7.65 km/s，壁面催化条件为非催化壁面(NonCatalytic Wall，NCW)，壁面温度 Tw=1 500 K，飞行攻角近似为 0。在零攻角飞行状态下等离子体流动为轴对称流动，等离子体分布沿轴向变化是主要的，因此通信天线的轴向安装位置将严重影响电磁波的传输效果。图 1 给出物面法向剖面峰值电子数密度及其对应的峰值等离子体频率沿轴向的分布情况，其中还给出了 VHF 频段中 0.26 GHz、C 频段中 5.8 GHz 和X 频段中 10 GHz 的电磁波频率对应的临界电子数密度和临界角频率值。临界电子数密度 Nec=(f/8 985.0)2，其中 f 为电磁波频率。离子质量比电子质量大很多个量级，通常认为电子振荡频率即为等离子体频率，电子振荡频率随电子数密度增大而增大，即 p=(Neq2e/0me)1/2，其中 Ne、qe、me和0为电子数密度、电子电荷、电子质量和真空介电常数。当等离子体中电子数密度大于临界电子数密度即 Ne Nec，或等离子体频率大于电磁波频率即p 时，等离子体处于过密状态，此时在忽略等离子体碰撞频率影响的情况下，等离子体对电磁波具有严重的衰减和反射，反之，当 Ne Nec或 p，等离子体处于亚密状态，此时电磁波在无碰撞理想等离子体中传播无衰减。因此，通过对等离子所处亚密或过密状态的分析，可以初步判断等离子体对电磁波衰减的影响。从图 1 中还可以看出:从头部驻点开始，沿轴向峰值电子数密度与峰值等离子体频率逐渐降低，沿轴线峰值电子数密度(或峰值等离子体频率)均大于 VHF 和 C 频段电磁波的临界电子数密度值(或电磁波频率)，此时整个等离子体鞘套均处于过密状态，该频段处于截止区;而对于 X频段，只在部分区域等离子体处于过密状态，该频段对再入体头部和后身部等离子体鞘套分别处于截止区和传播区。实际上，再入体周围等离子体鞘套处于空间(定常情况下)非均匀分布状态，绕流等离子体厚度和大小分布均在变化。为了定量分析再入体周围等离子体鞘套对电磁波衰减的影响，以再入等离子体参数为基础，认为电磁波沿物面法向传播，采用上述WKB 方法预测电磁波通过等离子体的衰减量，如图 1不同轴向位置法向峰值与临界等离子体分布Fig 1Peak and critical plasma parameters distributionat different axial positions图 2 所示。从图 2(a)可以看出，对于 C 频段和 X频段高频电磁波，其在等离子体中的衰减沿轴向总体上变小，而低频 VHF 电磁波的衰减量在球头附近区域出现极小值和极大值，使得电磁波衰减沿轴向呈现非线性变化。尽管越靠近头部峰值电子数密度越高，但头部等离子体鞘套的厚度较小，且等离子体参数沿物面法向和流向非均匀分布，电磁波衰减随等离子体参数(电子数密度和碰撞频率)非线性变化，导致不同频率电磁波衰减沿轴向变化出现不同变化规律。总之，不管是低频(VHF 频段)还是高频(C、X 频段)电磁波，其通过飞行器后部等离子体鞘套的衰减量均小于通过头部等离子体的衰减量，而且在同一轴向位置处，电磁波频率越高其衰减量越小，因此把天线位置安装在靠近飞行器后身部，或适当选择频率较高的电磁频段，有利于减少飞行器等离子体鞘套对电磁通信的影响。为了分析等离子体碰撞频率的影响，图 2(a)中还给出了理想无碰撞等离子体(假定碰撞频率 =2181第 6 期不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应图 2不同轴向位置的电磁波能量衰减和峰值碰撞频率Fig 2Electromagnetic energy attenuation and peakcollision frequency at different axial positions0 Hz)的预测结果。从图 2(a)可见，碰撞频率对C 频段和 X 频段电磁波的衰减的几乎没有影响，而对低频 VHF 电磁波在球头附近区域等离子体中的衰减有较大影响。图 2(b)给出了物面法向等离子体剖面的峰值碰撞频率随轴向的变化情况。由图 2(b)可知:C 频段和 X 频段的电磁波频率显著高于等离子体的碰撞频率，而 VHF 频段电磁波频率低于再入体球头附近等离子体的碰撞频率;碰撞频率对电磁波衰减的影响主要与碰撞频率与电磁波频率的相对大小有关22，即当电磁波频率接近或小于等离子体碰撞频率时，碰撞频率对电磁波衰减才会表现出来，二者差异越大，等离子体碰撞频率对电磁波衰减的影响越大。3.2不同尺寸飞行器等离子体分布及电磁传输效应以球头半径 n=15.24 cm 的 AM-C 再入等离子体鞘套25 为基础，改变球头半径尺寸，保持长度不变(L=1.295 m)，NCW 条件，壁面温度 Tw=1 500 K，飞行攻角近似为 0。分析不同球头半径(n为15.24 cm、7.5 cm、2.5 cm)对再入体周围等离子体分布的影响。图 3 给出不同球头半径飞行器等离子体分布，图中每条等值线上的数字表示对应的电子数密度。可见随着球头半径减小，等离子体鞘套层的厚度明显减小，鞘套层的外边界越贴近壁面。图 4 进一步给出不同尺寸再入体头部驻点线的流场温度和电子数密度分布情况，图中 为壁面法向距离。随着球头半径增大，沿驻点线激波层的厚度也随着增大，激波电离层电子数密度的峰值也随之增大，如图 4(b)所示。大尺寸球头激波层气体电离度的增强意味着较强电离效应，而气体离解和电离等吸热反应使得大尺寸球头来流气体过激波后沿驻点线温度下降得更快，如图 4(a)所示。实际上，在同一飞行条件下，飞行器头部尺寸越大，脱体激波面的曲率半径越大。曲面激波可看作是多个微元段平面斜激波段的组合，曲率半径越大，对应每个微元面的激波角越大，头部接近正激波面元段就越多，激波对来流气体的压缩效应就越强，波后压缩气体温升使得化学电离效应就越强。此时高速来流气体通过激波滞止过程中动能减少，一部分动能转化为气体粒子的热运动能，另一部则转化为离解和电离产物的零点能。图 5 给出再入体身部 1.234 m 处(通信天线附近)壁面法向剖面的 NO+质量分数和电子数密度分布，比较图 4(b)和图 5(b)不难看出，从头部驻点区域到尾部天线附近 1.234 m 处，对于不同尺寸的再入体，等离子体鞘套剖面内平均电子数密度降低均超过两个量级，而且头部半径越小，等离子体中电子数密度衰减越快，这是因为沿再入体长度方向等离子体特征电子数密度与球头半径的幂次方呈正比关系6，22，球头半径越大，从头部开始等离子体层厚度相对于上游增加的速度越快，等离子体电子数密度相对于上游衰减越慢。从图 5 还可以发现，在天线附近 1.234 m 处，等离子体剖面内平均电子数密度和 NO+质量分数随头部半径的变化规律基本一致，二者均随着头部半径的减小而减小，表明此时 NO的电离效应对等离子体电子数密度分布起主导作用，这可以从图 6 中各种离子组分的分布特征得到进一步印证。从图 6 可以看出，对于不同头部半径尺寸的再入体，在此尾部天线附近位置处，沿物面法向的所有离子组分分布中，NO+质量分数最大，是最主要的电离组分，说明有关 NO 电离反应机制对等离子体中电子数密度分布的贡献最大。图 7 给出球头半径对等离子体中电磁波传输特3181兵工学报第 44 卷图 3不同球头半径再入体周围等离子体鞘套特征Fig 3Plasma sheaths around the reentry body withdifferent sphere radii性影响，可见，随着球头半径增加，由于峰值电子数密度随之增加，等离子体对电磁波传输过程中产生的衰减量也随之增加。实际上，随着球头半径增加，等离子体的厚度也随之增加，即球头半径对等离子体参数大小与厚度分布均产生影响，从而影响电磁波在其中的传输特性。从图 7 中还可以看出，再入体的球头半径改变时，等离子体对不同频率电磁波衰减的影响的程度有所不同，但电磁波衰减量沿轴向的变化规律基本一致。3.3OEX 通信中断预测分析在对飞行器 OEX 通信中断预测分析之前，先对本文计算模型方法及软件的可靠性进行验证分析。沿飞行弹道的高超声速飞行器周围等离子体及通信中断数据可以通过飞行测量获得，但目前公开发表飞行测量数据很少，而地面试验还不能完全模拟实际飞行条件，且缺乏天地换算相似准则。AM-C 飞行器再入试验提供了相对全面包括等离子体分布和通信中断的测量数据12，25，该数据是目前少有的能够同时验证等离子体流场及其对电磁波通信影响预测方法的测量数据，这里基于此测量数据及弹道条件开展验证分析。数值模拟等离子体流场采用7 组分 Park 化学反应模型16，壁面采用完全催化壁图 4不同球头半径再入体壁面法向等离子体分布(x=0 m)Fig 4Wall-normal plasma distribution(x=0 m)面(Full Catalytic Wall，FCW)，壁面温度为 1 500 K，通信天线位置在 x=6.4n处，飞行器以零攻角再入。图 8(a)给出典型再入高度条件下剖面峰值电子数密度沿轴向分布，可见数值模拟结果与飞行测量结果符合很好。在沿弹道对 AM-C 飞行器再入流场等离子体分布数值模拟的基础上，计算了对应飞行弹道条件下电磁波通过天线附近等离子体的能量衰减，计算中认为电磁波沿天线壁面位置的法向传播。一般认为电磁波衰减 30 dB 以上时发生通信中断23，这样就可以通过预测的衰减量判断是否发生通信中断，获得沿弹道的通信中断区间，如图 8(b)所示，其中测量数据包括 VHF 波段通信中断区间，中断时间持续约半分钟6，而飞行测量只获得 C 与 X 波段通信中断区间，因此图中只比较了这两个波段通信中断的起始高度。从图(8)可见，AM C-II 沿弹道再入过程中，VHF、C 和 X 波段电磁波通信中断预测与测量数据具有较好的一致性，预测的通信中断起始或结束高度最大误差在 5 km4181第 6 期不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应图 5再入体壁面法向等离子体分布(x=1.234 m)Fig 5Wall-normal plasma distribution(x=1.234 m)以内。下面针对 OEX 条件12，26 开展计算分析，其外形尺寸、等离子体探针及通信天线布置情况见图 9。在 OEX 飞行器以零攻角再入12 飞行条件下，飞行器绕流对称，探针附近等离子体分布可以反映通信天线附近的等离子体特征。图 10 给出了 FCW 和NCW 条件下电子数密度的数值模拟结果与电子探针测量结果的比较，其中横坐标表示探针分布方向，离散点表示飞行器肩部分布探针的测量结果。由图10 可以看出，数值模拟结果在总体上和飞行测量结果具有较好的一致性，高度 84.01 km 的符合程度更好，高度 79.9 km 的计算结果相对测量结果偏高，但计算误差在 3 倍左右，这与之前对 AM-C 飞行器再入等离子体预测精度相当14，表明了数值模拟等离子体模型算法及软件的可行性。至于高度 79.9 km的数值模拟结果偏高的原因，很可能是高温空气反应特别是电离反应速率常数数据的不确定性所致，特别是高温条件下，不同化学动力学模型对等离子体分布的数值模拟结果可存在量级上差异27，而高图 6再入体壁面法向离子组分质量分数分布(x=1.234 m)Fig 6Ion mass fraction along wall normal(x=1.234 m)度 79.9 km 下流场中气体电离效应相对 84.01 km更强，有关电离反应化学动力学数据对数值结果的影响更大。图11 给出 OEX 飞行器在高度 59.6 km 条件下绕流等离子体及头部驻点线上离子组分的分布情况。从图 11(a)可见，飞行器头部激波层内等离子体效应很强，从头部到飞行器接近尾部的肩部位置，等离子体浓度沿流向虽然有所减弱，但衰减速率比较缓慢，这与 AM-C 飞行器的等离子体沿流向的变化特征存在明显不同(参见图 1 和图 3)，AM-C飞行器周围等离子体浓度沿流向的衰减效应相比OEX 飞行器更强，这是由于二者在飞行条件接近的情况下，OEX 飞行器属于大钝头体外形，其球头半径和锥角都明显大于 AM-C 飞行器球头半径和锥角，从 3.2 节的分析可知，飞行器头部球头尺寸及锥角的大小造成了飞行器周围等离子体分布及沿流向衰减程度的不同。从图 11(b)中电离组分的分布可见，头部激波层等离子体流场中，NO 的电离机制是最主要的，NO+离子对等离子体浓度的贡献最大，其次是 O 的电离效应，其他组分电离效应较弱。图 12 给出了 OEX 飞行器天线附近不同高度和不5181兵工学报第 44 卷图 7球头半径对电磁波衰减特性的影响Fig 7Effect of sphere radius on energy attenuationof electromagnetic wave同催化壁条件下的壁面法向等离子体的分布情况，图中标识 H84.0V7416 表示再入高度 84.0 km 与对应再入速度 7 416 m/s，其他类同。从图 12 不难看出，FCW 和 NCW 的计算结果只是在靠近壁面附近有所差别，在离开壁面的大部分流场区域二者非常一致，沿再入弹道发展过程中，等离子体强度在高度67 km 左右达到最高。图 13 是以此等离子体流场数据为基础获得的不同频段电磁波能量衰减沿再入图 8AM-C 飞行器再入预测结果与飞行测量对比Fig 8Comparison between predictional and experimentaldata for AM-C vehicle reentry图 9OEX 飞行器外形尺寸、静电探针及天线位置Fig 9Geometry with electrostatic probes and antennaof OEX vehicle弹道高度的变化情况，计算时认为电磁波的传播方向沿壁面安装天线位置的法线方向，不难发现，沿再入弹道等离子体对电磁波衰减沿再入高度降低逐渐增大并在高度 67 km 左右达到峰值然后开始减小。6181第 6 期不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应图 10OEX 等离子体数值模拟与飞行测量值的比较Fig 10Comparison between computational andexperimental data of OEX这是因为对于特定飞行器外形和飞行姿态，来流大气密度和再入速度对飞行器周围等离子体的分布其主导作用12，22，而等离子体强度的沿高度分布规律决定了通信电磁波的衰减规律，在电磁波衰减出现峰值以前，再入速度沿高度降低减速较慢，大气密度沿高度降低增大，对等离子体分布和衰减起主导作用，而在电磁波衰减出现峰值以后，再入飞行速度沿高度快速降低成为等离子体衰减的主导因素。从图13 还可以看出，FCW 与 NCW 的衰减计算值相差不大，在认为电磁衰减 30 dB 以上发生通信中断情况下22 23，X 波段电磁波在高度 84 km 左右开始出现中断现象，而 L 和 C 波段出现中断的高度更高，由于再入段末端飞行减速很快，3 个波段电磁波在高度 50 km 左右时衰减迅速降低而恢复通信，可见随着通信电磁波频率提高，等离子体对电磁波衰减及通信中断的影响减弱，发生通信中断的高度区间缩小。图 11OEX 等离子体组分质量分数(H=59.6 km)Fig 11Plasma and ion mass fraction for OEX(H=59.6 km)4结论本文针对 AM-C 和 OEX 钝头体高超声速试验飞行器，开展不同特征尺度下飞行器周围等离子体分布特性及气动电磁波传输效应的数值模拟和分析。得出以下主要结论:1)在同一再入条件下，对于钝头体飞行器，保持长度不变而改变其球头尺寸，随着球头尺寸的增加，球头脱体激波内压缩气体的化学效应更强，来流气体动能更多地转化为波后气体离解和电离的化学能，导致飞行器周围等离子体鞘套厚度、等离子体的浓度以及对传播电磁波的衰减均随之增大，NO 电离反应对飞行器天线附近等离子体分布特性起主导作用。2)再入飞行器等离子体鞘套空间分布决定了对电磁波传输效应的不同特征:飞行器头部等离子7181兵工学报第 44 卷图 12天线附近壁面法向电子数密度分布Fig 12Electron number density near antenna图 13OEX 等离子体对电磁波衰减影响Fig 13Electromagnetic wave attenuation due to OEX体对电磁波衰减效应更强，随着流动向下游发展等离子体效应减弱;而在同样等离子体分布条件下，随着电磁波频率的提高，等离子体对电磁波的衰减越弱;可以通过合理选择天线安装位置和适当提高通信电磁波频率的方法减缓或消除等离子体鞘套对微波通信的影响，天线安装最好选择飞行器的后身部位。3)大钝头高超声速飞行器(OEX 飞行器)周围等离子体鞘套厚度大且电离度强，沿流动方向衰减慢，在沿再入弹道飞行过程中，随着飞行高度降低，等离子体鞘套对电磁波衰减逐渐增强出现峰值，然后随之逐渐减弱;随着通信电磁波工作频率提高，等离子体鞘套对电磁波通信中断的影响区间缩小。4)针对自主发展的计算模型方法和软件开展验证分析，典型飞行状态下等离子体分布的数值模拟结果与飞行测量数据符合较好;典型飞行器沿弹道再入过程中，通信中断预测与测量结果较为一致。该计算分析工具可为高超声速飞行器的通信系统设计提供技术支持。参考文献(eferences)1龚旻，谭杰，李大伟，等 临近空间高超声速飞行器黑障问题研究综述 J 宇航学报，2018，39(10):1059 1069GONG M，TAN J，LI D W，et al eview of blackout problems ofnear space hypersonic vehiclesJJournal of Astronautics，2018，39(10):1059 1069(in Chinese)2于哲峰，陈旭明，杨鹰，等 高超声速飞行器尾迹转捩及其对雷达散射截面的影响J 兵工学报，2019，40(12):2467 2472YU Z F，CHEN X M，YANG Y，et al Wake transition of thehypersonic vehicleanditsinfluenceonCS JActaArmamentarii，2019，40(12):2467 2472(in Chinese)3袁野，王丽燕，曹占伟，等 碳纤维增强类复合材料烧蚀产物对等离子体流场特性影响的实验研究J 兵工学报，2020，41(2):298 304YUAN Y，WANG L Y，CAO Z W，et al Experimental researchon the influence of ablation product of carbon fiber reinforcedcomposite material on the plasma flow field characteristicsJActa Armamentarii，2020，41(2):298 304(in Chinese)4张志成 气动物理学M 北京:国防工业出版社，2013ZHANG Z CAero-physicsMBeijing:National DefenceIndustry Press，2013(in Chinese)5李小平 高速飞行器等离子体鞘套电磁波传播理论与通信技术 M 北京:科学出版社，2018LI X PCommunication technology and propagation theory ofelectromagnetic wave through plasma sheath over high-speedaircraft M Beijing:Science Press，2018(in Chinese)6HATUNIAN A，STEWAT G E，FEGASON S D Causeand mitigation of radio frequency(F)blackout during reentry ofreusable launch vehicles:AT-2007(5309)-1 El Segundo，CA，US:The Aerospace Corporation，2007 7LIN T C，SPOUL L K，HALL D W，et al eentry plasmaeffects on electromagnetic wave propagationCProceedings ofthe 26th AIAA Plasmadynamics and Lasers ConferenceSan8181第 6 期不同尺度飞行器周围等离子体分布及电磁波传输效应Diego，CA，US:AIAA，1995 8NUSCA M J，COOPE G Electromagnetic attenuation inplasmas generatedbyatmosphericflight J JournalofThermophysics and Heat Transfer，1997，11(2):304 305 9FUNAKI I，OGAWA H，KATO T，et al Microwave attenuationmeasurement of full-scale solid rocket motor plum