飛行器再入大氣層通信黑障的消除方法

袁忠才，時家明

（電子工程學院 脈沖功率激光技術國家重點實驗室 & 安徽省紅外與低溫等離子體重點實驗室，合肥 230037）

0 引言

飛行器再入大氣層通信黑障是指飛行器以超高聲速再入大氣層時，由于氣動加熱導致其表面及周圍空氣產生熱電離，形成一等離子體鞘層，使通信信號被反射或衰減，從而發生通信中斷現象。由于再入飛行器須與地面和在軌衛星之間進行著多種通信，如 GPS導航定位、遙感遙測、語音通信等，而通信黑障的發生必將導致相關信號的實時傳輸受到干擾或中斷，這將對飛行器的實時控制和安全性帶來影響。隨著飛行器的速度不斷提高，其再入大氣層的通信黑障問題變得更為突出。例如在進入火星大氣層的過程中，通信黑障將會對飛行器飛行環境分析、跟蹤定位帶來影響，甚至影響到探測任務的成功[1-2]。

人們對于通信黑障的產生機理進行了大量的研究，并提出了許多消除方法[1-4]，主要包括：改變飛行器氣動結構，親電子物質注入，磁開窗，引入交叉電磁場，采用高頻通信，Raman散射通信等。

本文將對上述方法的基本原理及其發展現狀進行闡述，分析各種方法在應用上的可行性。

1 等離子體鞘層的產生及其影響

當飛行器以超高聲速穿過大氣層時，在其頭部周圍會形成高溫的沖擊層、熵層以及邊界層。同時，由于駐點區的化學平衡、流體擴散到飛行器圓錐形前端所導致的非平衡態的電離過程化學凍結、化學反應表面增強、飛行器表面燒蝕，額外的粒子和自由電子的引入，以及表面凈電荷的沉積、氣體中的自由電子和離子相互作用（產生電荷分離和受迫遷移）等物理和化學過程，在飛行器周圍形成一等離子體鞘層。針對超高聲速飛行器穿過大氣層所形成的等離子體鞘層，其電子密度一般處于1018m-3量級，所對應的等離子體角頻率ωp≈1010rad/s，而碰撞頻率通常處于ν ≈1010Hz量級[5]。

飛行器的天線以微波的形式發射用于通信、遙感、遙測等目的的電磁波信號，當電磁波在非磁化等離子體中傳播時，其波動方程為

其中ε′為等離子體的相對介電常數，可表示為

其中ω為電磁波的角頻率。式(1)的解為

因而當電磁波在等離子體中傳播時，由于等離子體吸收電磁波所造成的衰減（dB/m）為

圖1給出了對應不同等離子體密度時，單位厚度等離子體中電磁波的衰減。由圖可見：當電磁波通過厚度和密度都非均勻的等離子體鞘層時，電子將從電磁波中吸收能量，從而使波的幅度減小；不同頻率的電磁波，其傳播特性也不同；另外，等離子體鞘層將使得電磁波的傳播路徑和相移、以及天線的輻射方向圖和導納特性均發生改變。

圖1 不同密度等離子體對電磁波的衰減Fig. 1 Attenuations of electromagnetic wave in plasmas with different electron densities

當天線接收信號時，入射電磁波不僅將受到鞘層中等離子體的吸收，部分還會被反射。造成反射的原因主要有：在自由空間和等離子體鞘層的界面上，波阻抗的不連續性；在等離子體層內部，等離子體密度的不連續性。電磁波的不斷反射和吸收的疊加，使得到達天線的信號強度變得極其微弱。

2 通信黑障消除方法

針對等離子體鞘層對再入飛行器通信造成的不利影響，提出了多種消除通信黑障的方法。

2.1 改變空氣動力學形狀的方法

飛行器的空氣動力學形狀對等離子體鞘層的形成有顯著影響，可以通過飛行器頭部的結構形狀變化來實現空氣動力學形狀的改變。對于頭部為尖錐結構（相對于鈍體結構），其等離子體鞘層的厚度將變薄，從而可減弱通信黑障效應。相關飛行試驗表明：當以6.3 km/s的速度穿過地球大氣層時，頭部為尖錐結構的飛行器沒有出現通信黑障現象[2,6]。

然而，尖錐結構將會導致飛行器所攜帶的有效載荷減少，而由空氣動力學加熱所引起的燒蝕將更為嚴重。

2.2 親電子物質注入的方法

等離子體對電磁波的衰減能力主要由其電子密度決定，因此通過減小電子密度則可使較低頻率的電磁波穿過等離子體鞘層。數值模擬和試驗研究均表明：通過向等離子體流場中注入物質，可有效地減小等離子體鞘層中的電子密度，如圖2所示。

圖2 向等離子體流場中注入物質Fig. 2 Electrophilic injection into plasma plume

常用的注入物質包括H2O、SF6、ReF6及CCl4等，它們對減小電子密度各具有不同的效應和影響。例如，H2O可有效降低流場的溫度，使得化學平衡向低溫方向移動，加劇電子和離子的復合，從而減小電子密度。SF6分子具有較強的極化性，可增強與自由電子作用時的長程吸附能力；同時，SF6分子和亞穩態陰離子具有較長的自分離壽命（10 μs＜τa＜1 ms），可通過碰撞和輻射達到穩定，因此具有較寬的諧振帶和較強的電子吸附能力。ReF6和CCl4在高溫條件下均具有較強的電子親和力，有利于吸附電子，從而減小等離子體密度。

2.3 磁開窗的方法

在飛行器天線附近引入外磁場，使電磁波的傳播方向與磁力線方向平行，可有效改善通信黑障問題。當流場中的電子作切割磁力線運動時，在洛倫茲力的作用下作螺旋運動，從而改變電磁波的傳播模式，只有圓極化波能在其中傳播。左、右旋圓極化波對應的等離子體的相對介電常數分別為

其中 ωg為電子的回旋共振頻率。由于左、右旋圓極化波在磁化等離子體中的傳播特性不同，入射的左、右旋圓極化波將經歷不同的衰減，通常左旋圓極化波衰減的幅度要比右旋波低1個數量級以上。同時，對低于等離子體角頻率的入射左旋電磁波，其透過等離子體鞘層的能力也將顯著改善。因此，可引入外磁場，利用左旋圓極化波來實現通信黑障的減弱甚至消除，如圖3所示。

圖3 天線磁開窗示意圖Fig. 3 Schematic diagram of magneto window antenna

然而，理論和試驗研究均表明：考慮到磁場在遠離磁體空間上的快速衰減特性，要達到顯著提高左旋圓極化波透射性能的目的，所需的磁場強度很大。例如，對于VHF波，要實現透射衰減由45 dB到28 dB，需要的磁感應強度約為0.75 T[7]。考慮到再入飛行器表面的高溫會超過永磁體的居里溫度，因此通常需要采用通電線圈來產生磁場。而產生如此強的磁場所需的線圈以及配套的電源，又會對飛行器造成極大的負擔。

2.4 引入交叉電磁場的方法

在飛行器天線附近引入交叉電磁場，一方面該交叉場導致流經該區域的自由電子和離子發生Hall漂移，以減小微波信號傳播路徑上的電子密度，從而降低對電磁波的衰減。另一方面，附加的電場會對等離子體鞘層流場中的電子和離子產生相反方向的作用力。如果電場方向為沿著帶電粒子的流動方向，如圖4所示，則正離子被加速、自由電子被減速，且電子減速效應更顯著，從而使兩者復合的概率增大，有利于減小電子密度。同時，與磁開窗機理類似，磁化等離子體中波的傳播特性將發生改變。綜合上述三個方面的因素，使得引入交叉電磁場成為一種極具應用前景的通信黑障消除方法。

圖5給出了利用計算機數值仿真得到的不同情況下天線附近等離子體電子密度的變化情況[8-10]，其中φ為加載在陰陽電極間的電勢差。可以看出，隨著所加磁場強度的增大，等離子體密度逐漸減小；而等離子體密度減小最顯著的情況出現在電磁場共同存在時。

圖4 交叉電磁場的引入Fig. 4 Introduction of E×B electromagnetic field

圖5 在交叉電磁場中的等離子體密度衰變Fig. 5 Plasma density reduction across E×B magnetic field

2.5 提高發射功率和入射波頻率的方法

在等離子體鞘層衰減一定的情況下，增大飛行器天線的發射功率，可相應增加透射信號的強度。然而，為了避免天線擊穿，發射功率不能超過一定的范圍。對于超高聲速飛行器通常采用的狹縫天線，所允許的最大發射功率為從VHF波段的20 W到S波段的100 W。隨著頻率的升高，天線的最大發射功率增大。同時，隨著入射電磁波頻率的升高，對應傳播截止的等離子體臨界密度相應增大。因此，對應一定分布的等離子體鞘層，提高入射波的頻率可有效降低信號衰減。然而，隨著頻率的升高，由大氣和雨造成的衰減將會增大。例如，工作在14 GHz的衛星電視系統，在暴雨天氣里會丟失同步信號，從而使得電視信號惡化。在實際的應用中，通信頻率通常不超過10 GHz[2]。

2.6 利用Raman散射通信的方法

基于 Raman散射的通信，是指將作為泵浦源的高頻強電磁波和信號載波同時通過等離子體這一非線性媒介，利用兩波相互作用所產生的后向散射 Stokes波來實現通信的一種技術手段[11-12]。然而，該方法存在許多的不足。例如，等離子體中的碰撞衰減、等離子體參數的非均勻性都會對這一過程產生顯著影響；同時，所需泵浦波的強度非常高。為了在等離子體中產生明顯的非線性效應，需要電場強度達到105V/m的量級，對于工作在S波段的狹縫天線，對應的功率約為80 kW。

3 結束語

綜合上述分析可以看出，通信黑障對飛行器的控制和安全有著重要影響。現有的各種減弱或消除通信黑障的技術手段各有優缺點，比較而言，物質注入和引入交叉電磁場兩種方法更為可行。針對載人航天任務的開展，通信黑障的安全隱患變得更為突出，我們應結合國外的研究成果，針對物質注入和引入交叉電磁場這兩種方法的應用開展更廣泛的研究。

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