临近空间高超声速飞行器电磁散射特性和通信黑障问题的分析及研究

A complicated plasma sheath of high temperature is generated when the hypersonic aircraft flies in the near space for a long time. This plasma sheath absorbs and scatters the incident electromagnetic signal, which brings great challenge to the information transmission and radio detection for the aircraft in near space. This project aims to analyze the plasma sheath induced by the near space hypersonic flight vehicle. The computational fluid dynamics method is employed to simulate the plasma sheath around the vehicle to study the spatial distribution and the variation law of the plasma. Efficient numerical simulation algorithm is developed to analyze the electromagnetic scattering from the hypersonic aircraft and the electromagnetic radiation from the antenna installed on the aircraft. We will give a research on the physical process of interaction between electromagnetic wave and plasma sheath. We also will go deep into investigating the impact on the radio detection and information transmission due to the plasma sheath around the hypersonic aircraft of complex shape. Scheme of reducing the plasma sheath’s influence over radio detection and information transmission is put forward. It will provide a rationale for navigation, communication, telemetry, radio detection and electronic countermeasure technology of near space hypersonic flight vehicle.

临近空间高超声速飞行器长时间高速飞行，会形成十分复杂的高温等离子体鞘套。无线电信号在等离子体鞘套中传播会出现吸收、散射等电磁效应，导致飞行器散射特性改变、通信黑障等现象，给高超声速飞行器的信息传输与无线电探测等带来极大挑战。本项目以临近空间高超声速飞行器为研究对象，利用计算流体力学方法分析目标周围的等离子鞘套，掌握等离子体的空间分布和变化规律；开展高效电磁数值仿真方法的研究，分析高超声速飞行器飞行过程中的电磁散射特性以及天线辐射特性，研究电磁波与等离子体壳套相互作用的物理过程，形成临近空间高超声速飞行器复杂外形下等离子体鞘套对无线电探测与信息传输影响的理论分析预测能力，并提出减小对无线电探测与信息传输影响的应对方法，从而为临近空间高超声速飞行器的导航、通信、数据遥测、无线电探测和电子对抗等技术提供理论基础。

本项目针对临近空间高超声速飞行器的电磁散射特性和通信黑障问题展开研究，实现了高超声速目标的流场与电磁场分析网格电磁参数快速信息传递建模，开展了流场与电磁场参数网格的优化处理方法的研究，分析了非磁化/磁化等离子体中的电磁波传输特性。建立了临近空间高超声速目标宽带电磁特性的时频域高效电磁仿真平台，开展临近空间目标流场分析网格与电磁分析网格的耦合自适应建模技术研究，分别搭建了基于体面积分方程（VSIE）/体网格弹跳射线法（VSBR）的频域分析平台以及基于Nyström方法的时域体面积分方程（Nyström-VSIE）/并行无条件稳定共形时域有限差分法（CFDTD）的时域分析平台，实现了临近空间高超声速目标电磁散射特性的快速分析，为临近空间飞行器雷达目标特性变化规律研究以及突防评估与设计提供了良好的技术基础。针对“通信黑障”问题，建立了完整的多物理场（电磁场/流体场）理论模型，研究了降低等离子鞘套中电子密度的机理，利用时域谱元法对离子鞘套中施加强磁场条件下的电子密度变化进行了瞬态仿真分析。建立时域谱元法分析磁化等离子体包覆下天线辐射性能分析平台，开展了等离子体覆盖磁窗天线的仿真分析研究，获取了磁窗天线电磁辐射特性，完善了天线等离子体效应理论和数值模型。本项目实施过程中，在国际期刊和本领域重要的国际会议上发表论文88篇，其中在期刊论文66篇，会议论文22篇；出版学术专著2部；申请发明专利23项,其中授权9项；申请软件著作权2件；获得军队科技进步二等奖1项，培养的博士研究生9名，硕士18名，有2人次获得江苏优秀博士学位论文和中国电子学会优秀博士学位论文。《团队协同, 致力研究生创新能力培养》成果获得江苏省研究生培养模式改革改革成果一等奖。