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.