劉立士 葉文慧 馬玉峰

摘 要：空間飛行器進(jìn)入100km至48km黑障區(qū)時(shí)，與地面站的通信會(huì)發(fā)生中斷現(xiàn)象，對(duì)宇航員的安全，飛行實(shí)驗(yàn)的順利完成都會(huì)產(chǎn)生不利的影響，本文針對(duì)這種通信中斷現(xiàn)象，對(duì)電磁波在48km以上黑障區(qū)等離子鞘套中的傳播衰減進(jìn)行了多角度的仿真研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，頻率高于15GHz的電磁波更易克服空間飛行器再入過程的通信黑障現(xiàn)象。

關(guān)鍵詞：電磁波衰減 通信黑障 仿真研究

中圖分類號(hào)：C819 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）04（b）-0014-03

自2003年10月15日我國(guó)第一艘載人航天飛船神舟五號(hào)成功發(fā)射并返航以來，我國(guó)在航天領(lǐng)域的研究取得了迅猛的發(fā)展，載人航天計(jì)劃、月球探測(cè)計(jì)劃、空間站建設(shè)計(jì)劃等航天領(lǐng)域研究均已獲得不錯(cuò)的成果，同時(shí)近年來，臨近空間飛行器的研究也成為熱門[1，2]，因此，空間飛行器再入過程中的臨近空間通信問題也引發(fā)了較多的關(guān)注。

空間飛行器在返回大氣的降落過程中，當(dāng)其進(jìn)入100km至48km的黑障區(qū)時(shí)，其表面等離子鞘套的電子密度分布呈雙高斯曲線分布；當(dāng)其進(jìn)入48km至20km的黑障區(qū)時(shí)，其表面等離子鞘套電子密度呈雙指數(shù)分布[3]。不同形式的電子密度分布對(duì)電磁波在等離子鞘套中傳播的影響很大，所以，本文就48km以上黑障區(qū)電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減進(jìn)行研究。

1 48km以上黑障區(qū)電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減仿真

1.1 仿真參數(shù)

在1961—1970年期間美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）蘭利研究中心（Langley Research Center）開展了RAM系列飛行試驗(yàn)，對(duì)黑障區(qū)空間飛行器通信黑障機(jī)理進(jìn)行研究，同時(shí)尋求抑制通信黑障對(duì)電磁波傳播影響的方法。根據(jù)公布的飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]，本文總結(jié)了RAM-C飛行實(shí)驗(yàn)中48km以上黑障區(qū)等離子鞘套介質(zhì)特性的數(shù)據(jù)，如表1所示。

在100km至48km之間的48km以上黑障區(qū)，空間飛行器的降落速度大致不變，隨著空間飛行器的高度降低，空間飛行器表面的大氣逐漸加厚，氣壓增大，受氣壓影響等離子鞘套內(nèi)的電子碰撞頻率也逐漸增大。在48km以上黑障區(qū)內(nèi)，隨著沖激波的加劇和氣壓的增大，空間飛行器表面的等離子鞘套的厚度被壓縮，等離子鞘套的電子密度顯著增加。因此，當(dāng)空間飛行器在48km以上黑障區(qū)飛行時(shí)，空間飛行器表面的等離子鞘套的厚度減小，等離子鞘套的電子密度、電子碰撞頻率、氣壓都是處于一個(gè)逐漸增大的過程。

1.2 仿真流程

本文根據(jù)總結(jié)的RAM-C飛行實(shí)驗(yàn)中得到的等離子鞘套相關(guān)介質(zhì)特性數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到48km以上黑障區(qū)的等離子鞘套介質(zhì)特性模型。當(dāng)空間飛行器處于48km以上黑障區(qū)內(nèi)時(shí)，等離子鞘套的電子密度主要服從雙高斯分

布，本文根據(jù)已知數(shù)據(jù)對(duì)電子密度進(jìn)行擬合，建立等離子鞘套介質(zhì)的特性模型，并采用了一種改進(jìn)的斜率自適應(yīng)分層模型[5]。采用這種分層方式對(duì)等離子鞘套進(jìn)行分層，可以將不均勻的等離子鞘套按照其內(nèi)部電子密度的變化規(guī)律進(jìn)行分層，并利用等效波阻抗方法計(jì)算多層介質(zhì)中的電磁波傳播問題，從最后兩層介質(zhì)開始，逐層進(jìn)行迭代，迭代相乘最終得到整個(gè)介質(zhì)的復(fù)透射系數(shù)T。其仿真過程如圖1所示。

1.3 仿真結(jié)果分析

仿真計(jì)算的等離子鞘套的隨機(jī)化等離子體電子密度曲線和不同高度選取不同曲線斜率k分別建立等離子鞘套的斜率自適應(yīng)分層模型，采用等效波阻抗方法對(duì)電磁波在等離子鞘套斜率自適應(yīng)分層模型中的傳播衰減進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，當(dāng)空間飛行器位于距離地面100km到48km之間的48km以上黑障區(qū)時(shí)，隨著電磁波的頻率的逐漸增大，電磁波在一定高度處空間飛行器表面的等離子鞘套中傳播的衰減損耗逐漸減小，且當(dāng)電磁波頻率高于15GHz時(shí)，電磁波在空間飛行器表面的等離子鞘套中的傳播損耗變化較小。

由圖5可以看出，在48km以上黑障區(qū)，電磁波頻率越大，電磁波在空間飛行器表面等離子鞘套中的傳播衰減越小，隨著空間飛行器高度的降低，電磁波在等離子鞘套中的衰減逐漸增大，且頻率越低的電磁波傳播時(shí)衰減增大的幅度越大。

2 結(jié)語(yǔ)

本文根據(jù)NASA于1970年進(jìn)行的RAM-C飛行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用雙高斯分布對(duì)48km以上黑障區(qū)等離子鞘套的介質(zhì)特性進(jìn)行擬合，并根據(jù)48km以上黑障區(qū)等離子鞘套電子密度分布特點(diǎn)進(jìn)行斜率自適應(yīng)分層，建立分層模型。采用等效波阻抗方法對(duì)電磁波在48km以上黑障區(qū)等離子鞘

套斜率自適應(yīng)分層模型中的傳播衰減進(jìn)行了仿真分析，得到了頻率高于15GHz的電磁波在48km以上黑障區(qū)等離子鞘套中傳播衰減較小，有利于克服空間飛行器通信黑障現(xiàn)象。

參考文獻(xiàn)

[1] 楊敏.等離子鞘套下測(cè)控通信信號(hào)傳輸特性研究[D].西安電子科技大學(xué)，2014.

[2] 王家勝，楊顯強(qiáng)，經(jīng)姚翔，等.鈍頭型航天器再入通信黑障及對(duì)策研究[J].航天器工程，2014（1）：6-16.

[3] 于哲峰，孫良奎，馬平，等.黑障對(duì)通信安全的影響及幾種可能的解決方案[J].紅外，2017（2）：39-45.

[4] National Aeronautics and Space Administration.The entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems[Z].Washington DC：NASA，1970.

[5] 葉文慧，李琳琳，潘彩平.高頻電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減分析[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2017（34）：57-59.