临近空间高超声速飞行器等离子体鞘套与电磁波相互作用机理及电磁散射理论建模研究

Communications of flight vehicle is significantly affected by the plasma sheath of hypersonic aerocraft, which is one of the key tasks urgently to be solved with respect to space communications of flight vehicles. The project mainly aims at the technical demands of navigational positioning, information transmission and target detection of hypersonic aerocraft in the near space. The electromagnetic characteristic, the interaction between electromagnetic wave and plasma sheath, as well as the electromagnetic scattering mechanism of a combined plasma sheath and hypersonic aerocraft are examined. Regarding to the key scientific problem for electromagnetic wave propagation in the time-varying characteristics, the boundary effects and the nonlinear effect of plasma sheath, this research project mainly carries on the theoretical study and the experimental research. Finally, this project will present an electromagnetic wave propagation model and electromagnetic scattering model for plasma sheath of hypersonic aerocraft in the near space. Doppler broadening spectra and frequency offset will be analyzed through the simulation of scattering echo affected by the plasma sheath of hypersonic aerocraft. The ground measurement system for electromagnetic wave propagation of hypersonic aerocraft will be set up for validating theoretical analysis. A typical model of electromagnetic scattering from the hypersonic aerocraft surrounded by the plasma sheath in near space will be built. The above investigation will provide the theoretical foundation for the detection, the recognition, the tracking and tackling techniques of hypersonic aerocraft in the near space.

临近空间高超声速飞行器表面等离子体鞘套对飞行器的通讯联络产生不可忽略的影响，是飞行器空间通信亟待解决的关键课题之一。本项目面向临近空间高速飞行器等离子鞘套下的导航定位、信息传输以及目标探测等重大需求，探索并揭示临近空间高超声速飞行器等离子体鞘套的电磁特性、等离子体鞘套与电磁波相互作用机理以及等离子体鞘套与飞行器组合体的电磁散射机理；针对电磁波传播中等离子体鞘套的时变、边界效应以及非线性效应等关键科学问题，开展理论及实验测量研究。最终，建立临近空间高超声速飞行器等离子体鞘套中的电磁波传播模型，仿真分析动态等离子体鞘套影响下目标散射回波多普勒谱的展宽及频率偏移，并搭建临近空间等离子体鞘套电磁波传播的地面实验测量系统对理论分析进行实验验证，建立临近空间等离子体鞘套包覆典型高超声速飞行器的电磁散射模型。为深入研究临近空间等离子体鞘套包覆高超声速飞行器的探测、识别、跟踪与拦截技术提供理论基础。

本项目面向临近空间高速飞行器的导航定位、信息传输以及目标探测等重大需求，开展了等离子体鞘套与电磁波相互作用机理以及等离子体鞘套与飞行器组合体的电磁散射研究，建立了临近空间高速飞行器等离子鞘套电磁模型，搭建了等离子体鞘套电磁特性地面实验测量系统，并对理论分析结果进行了实验验证。主要成果如下：. 1.基于等离子体鞘套三维复杂结构流场特性分析，建立了等离子体鞘套多尺度结构电磁学模型。通过实现流场网格与电磁计算网格的精确匹配，同时采用等离子体鞘套的非均匀网格建模方法，完成了等离子体鞘套流场模型与电磁计算模型的耦合建模。. 2.基于等离子体鞘套动力学模型，对时变效应、烧蚀效应、湍流效应和极化效应等进行了物理机理研究。仿真分析了临近空间高超声速飞行器在不同物理条件下的电波传播特征，完成了等离子体鞘套与电磁波之间作用机理的研究。. 3.对动态、非均匀等离子体鞘套与三维电大高速飞行器组合体进行了电磁散射建模与特征分析。采用时域有限差分方法和改进的物理光学方法计算了复杂三维等离子体鞘套包覆目标的电磁散射，讨论了烧蚀效应和非线性效应等对电磁散射特性的影响，分析了不同极化状态下、不同频段散射回波的时域及频域特征。. 4.采用改进的射线追踪方法，计算分析了不同等离子体参数和尘埃颗粒参数对等离子体鞘套天线辐射特性的影响。基于优化算法后的等离子体流场网格剖分，探究了电磁波在包覆目标飞行器（HTV-2等）等离子体流场中的传播路径及天线辐射特征。. 5.通过对等离子体鞘套信道模型的分析研究，建立了等离子鞘套作用下的信号检测模型。通过等离子体鞘套的地面实验验证了其对线性调频脉冲及信号参数估计的影响，分析了等离子体鞘套对线性调频脉冲的畸变效应。. 6.搭建了基于二级真空泵的动态等离子体流场电波传播实验平台，解决了电磁屏蔽、防绕射等电波试验的环境问题。通过开展多种等离子体鞘套的地面电磁实验，对等离子体鞘套中电波传播的理论算法进行了验证。. 以上成果为深入研究临近空间等离子体鞘套包覆高超声速飞行器的探测、识别、跟踪与拦截技术提供理论基础。