非均勻等離子體Ka-Band傳輸性能中繼法優化研究

文志軍, 陳長興, 凌云飛

(空軍工程大學理學院, 西安 710051)

0 引言

當航天器以高超聲速再入大氣層時,與大氣層發生劇烈摩擦并在其周圍形成了一個強電離、非均勻的等離子體層。電磁波在等離子體層中傳播時產生反射、折射、吸收、色散等現象,使再入航天器與地面的測控信號衰減,甚至中斷,該現象稱為測控“黑障”[1-4]。航天器再入測控“黑障”問題困擾航天界已久,各國飛船再入返回時均有不同程度的測控中斷現象,哥倫比亞號再入大氣層時發生測控“黑障”導致失事;我國“神州九號”、美國“阿波羅”號載人飛船返回地面時,都曾出現3～4 min的通信中斷。因此,解決航天器再入“黑障”問題具有十分重要的意義。

國內外學者通過研究“黑障”產生機理,提出解決通信“黑障”的方法主要有以下幾種[5-11]:改變飛行器氣動結構、噴射液體親電子物質以及引入交叉電磁場、開磁窗、采用高頻通信等。文獻[12]表明中繼衛星系統具有全球覆蓋、無地面測控條件限制、工作頻率高等優勢。Tran.P等人研究發現等離子鞘套會由于航天器返回艙的外形、速度、俯仰角等因素呈現出不均勻的空間分布,即“黑障”效應較強的迎風面和“黑障”效應較弱的背風面[13]。文獻[14]表明將高頻段電磁波從背風面進行傳輸,可避免直接傳輸產生的巨大信號衰減。但目前大多數文獻并未對使用中繼法解決測控“黑障”問題做出具體參數分析。

文中參考歐航局(ESA)開展的返回和降落飛行試驗(IRDT)、RAM CIII飛行測試以及ARD實測數據,建立非均勻等離子體模型,設置再入航天器迎風面與背風面的非均勻等離子體各參數,研究參數變化對Ka-Band信號在迎風面、背風面非均勻等離子體中傳輸性能的影響,對“中繼法”優勢做出具體參數分析。為解決再入航天器測控“黑障”問題的研究提供數據參考。

1 原理分析及物理模型的建立

1.1 “中繼法”原理

航天器再入大氣層過程中,由于航天器外形、材料、再入速度以及周圍環境等因素都會影響等離子體包覆的結構,所以航天器表面的等離子體的電子密度是非均勻的。航天器再入過程中等離子體分為“黑障”效應較強的迎風面和“黑障”效應較弱的背風面,如圖1所示,使中繼衛星發射高頻的Ka-Band作為信號頻段從黑障效應較弱的背風面進行傳輸的方式稱為“中繼法”。

圖1 “中繼法”傳輸模型

1.2 非均勻等離子體模型

根據RAM C III測試的不同飛行高度實驗數據分析表明:航天器表面變化的等離子體電子密度和厚度存在3種形式的數學模型:雙指數分布函數、Epstein分布函數和高斯分布函數[15]。文中取臨近空間中高空分析,等離子體電子密度近似服從Epstein函數分布表達式如下:

(1)

式中:ne,max為等離子體最大電子密度;α1和α2為描述Epstein函數分段的常數;z是Epstein函數的分段點,z2-z1為等離子體厚度d。Epstein分布中等離子體電子密度ne與厚度d的關系如圖2所示。

圖2 等離子體電子密度Epstein分布圖

等離子體中的電磁波為:

(2)

(3)

(4)

求解式(2)得:

(5)

當電磁波穿透等離子體時,功率衰減為:

(6)

式中:P為入射波功率;P2為透射波功率。則透射率T和衰減值A為:

T=P2/P0

(7)

A=-10lgT

(8)

2 數值仿真與分析

電磁波在等離子體中傳輸發生透射、衰減受到等離子體厚度d、電子密度ne和碰撞頻率fen等影響。非均勻等離子體電子密度服從Epstein函數分布時,參考歐航局ARD飛行試驗[16]及我國載人飛船再入過程[17]提供的實測數據,選擇高、中、低空典型再入高度85 km、65 km和45 km,設置3組再入高度的迎風面和背風面等離子體厚度d、最大電子密度ne,max和碰撞頻率fen等參數如表1所示,電磁波信號選定為26～36 GHz的Ka-Band。

表1 不同再入高度迎風面的等離子體數據參數

2.1 Ka-Band在迎風面環境中的傳輸特性

根據表1迎風面的等離子體數據參數,建立非均勻等離子體模型,對Ka-Band在等離子體中的傳輸進行仿真分析,得到傳輸透射、衰減情況如圖3所示。

圖3 迎風面3組參數對Ka波段電磁波傳輸性能的影響

由圖3(a)可知,3組高度下的工作信號傳輸透射率隨著工作頻率的增大而增大;相比高度45 km、65 km,當航天器在85 km時,電磁波在非均勻等離子體傳輸中的透射率明顯較大;電磁波工作頻段位于毫米波內35 GHz大氣窗口時,透射率為8.5%,在36 GHz處,透射率達到9.4%;當再入航天器在65 km時,透射率幾乎始終為零。

由圖3(b)可看出,Ka-Band信號在非均勻等離子體中傳輸衰減值均在83.2 dB以下;其中電磁波工作頻率位于毫米波內35 GHz大氣窗口時,再入高度85 km、65 km和45 km處的衰減值分別為10.6 dB、64.6 dB和13.2 dB;電磁波頻段在26～36 GHz內,傳輸衰減值均大于10.2 dB。

由圖3可得,隨著電磁波工作頻率的上升,電磁波信號在迎風面等離子體中傳輸的透射率總體呈上升趨勢,衰減值呈下降趨勢。在Ka-Band頻段內,提高信號工作頻率可以有效緩解測控中斷問題。由表1的實測數據可以看出,再入高度為85 km時,非均勻等離子體厚度、最大電子密度最小;再入高度為65 km時,非均勻等離子體厚度、最大電子密度最大。當等離子體厚度d增加、等離子體中電子密度ne增大時,電磁波在等離子體傳輸衰減值增大,透射率減小。

2.2 Ka-Band在背風面環境中的傳輸特性

參考表2背風面等離子體數據參數,建立非均勻等離子體模型,對Ka-Band頻段波在背風面等離子體中的傳輸性能進行數值分析,得到傳輸透射、衰減情況如圖4所示。

表2 不同再入高度背風面的等離子體數據參數

圖4 背風面3組參數對Ka-Band電磁波傳輸性能的影響

由圖4(a)可知,電磁波頻段在Ka-Band頻段內,3組再入高度背風面電磁波傳輸透射率隨電磁波工作頻率增加呈現上升趨勢,且均大于91%;當再入航天器處于高度為85 km時,等離子體厚度、等離子體電子密度最小,衰減值均大于97.7%;其中電磁波工作頻率位于毫米波內35 GHz大氣窗口處時,再入高度85 km、65 km和45 km處的透射率分別為98.7%、95.3%和97.5%。

由圖4(b)可看出,在Ka-Band頻率內,背風面衰減值均在0.395 dB以下;當再入航天器處于高度為85 km時,等離子體厚度、電子密度最小,衰減值均小于0.1 dB;同樣以35 GHz毫米波大氣窗口處為例,3組再入高度處的衰減值分別為5.4×10-2dB、0.2 dB和1.08×10-1dB。

由圖4可得,隨著電磁波工作頻段的上升,電磁波信號在背風面等離子體中傳輸的透射率增大,衰減值減小。當電磁波頻率升高時,等離子體電子從電磁波中吸收的能量減小,因此,電磁波在等離子體傳輸透射率增加,衰減值減小。

2.3 迎風面與背風面Ka-Band傳輸特性的比較分析

由圖3、圖4中(a)可以看出:1)隨著電磁波工作頻率的增加,航天器迎風面、背風面的透射率均為上升趨勢,3組高度下迎風面透射曲線呈現凹性,背風面透射曲線呈現凸性;2)再入高度為85 km,電磁波在Ka波段范圍內的迎風面透射率達到最大為9%,而航天器背風面最小透射率為91.3%;3)再入高度為65 km處,航天器迎風面透射始終幾乎為零,而背風面透射率均大于91%,且相比于迎風面透射率,背風面透射率隨工作信號頻率的遞增斜率更大;4)再入高度為45 km處,電磁波在Ka-Band頻段范圍內的迎風面透射率達到最大為5.7%,而背風面最小透射率為95.3%遠大于5.7%;從透射率來說,相同高度環境下航天器背風面透射率明顯高于迎風面透射率。

由圖3、圖4中(b)得到:1)隨著電磁波工作頻率的增加,航天器迎風面、背風面的衰減值均呈下降趨勢;2)電磁波在Ka-Band頻段范圍內,再入高度為85 km的迎風面衰減值最小為10.2 dB,而航天器背風面最大衰減值為0.1 dB;3)再入高度為65 km處,在電磁波工作范圍內,航天器迎風面衰減值始終大于62 dB,而背風面衰減值最大為0.39 dB;4)再入高度為45 km處,電磁波在Ka-Band頻段范圍內的迎風面衰減值達到最小為12.4 dB,而背風面最大衰減值為0.2 dB,遠小于迎風面衰減值;從衰減值可得到:相同高度環境下航天器背風面衰減值明顯低于迎風面衰減值。

3組高度的迎風面與背風面的透射率、衰減值對比情況如表3所示。航天器再入過程中,Ka-Band信號從背風面傳輸的透射率相比從迎風面傳輸的透射率提高至少88.3%,衰減值至少降低10 dB,說明Ka-Band工作信號在航天器背風面傳輸顯著優于在航天器迎風面傳輸。

表3 Ka-Band信號在不同高度航天器迎風面、背風面的傳輸對比

3 結論

通過上述仿真與分析得到:1)在Ka-Band頻段范圍內,提高測控頻率有助于減輕航天器再入過程中的測控黑障問題;2)降低等離子體電子密度、減小等離子體厚度,Ka-Band信號在等離子體傳輸的透射率增大、衰減值減小;3)相同高度環境下航天器背風面透射率明顯高于迎風面透射率,背風面衰減值明顯低于迎風面衰減值。如在毫米波35 GHz處,迎風面最小衰減值為10.6 dB,而背風面最大衰減值為0.21 dB,通過MATLAB仿真得到了Ka-Band工作信號在航天器背風面傳輸顯著優于在航天器迎風面傳輸,如果將天線架設在航天器背風面,衰減值將遠小于將天線架設在航天器迎風面。

參考文獻:

[1] STARKEY R P, SANTOS W，HOULT D, et al. Plasma telemetry in hypersonic flight[C]// LEWIS M J. Plasma Field Telemetry for Hypcrsonic Flight. [S.l.:s.n.], 2002.

[2] 凌云飛, 陳長興, 蔣金. 磁化等離子鞘套中毫米波大氣窗口的衰減研究 [J]. 空軍工程大學學報(然科學版), 2016, 17(2): 50-55.

[3] 楊歡, 宗鵬. 再入飛船通信環境建模研究 [J]. 航天器環境工程, 2010, 27(5): 664-667.

[4] 文志軍, 陳長興, 凌云飛, 等. 中繼法解決臨近空間Ka波段通信黑障問題研究 [J]. 空軍工程大學學報(自然科學版), 2016, 17(6): 18-23.

然而“prehistoric powers”是否就是“洪荒之力”最正宗的表達呢？《韋氏大詞典》對于prehistoric的解釋為史前的，有歷史記載以前的，除此以外，還兼有陳舊的，不時髦的情感色彩。與“洪荒之力”這一新型流行詞的基調不夠吻合，因此筆者認為單純的將“洪荒”解釋為“prehistoric”，將“洪荒之力”直譯為“prehistoric powers”，恐怕很難完整地傳達原詞的含義。

[5] RYBAK J P, CHURCHILL R J. Progress in reentry communications [J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic systems, 1971, AES-7(5) 879-894.

[6] HARTUNIAN R A, STEWART G E, FERGAON S D, et al. Cause and mitigations radio frequency (RF) blackout during reentry of reusable vehicles: ART 2007(5309)-1 [R]. [S.l.]:The Aerospace Corporation，2007.

[7] KEIDAR M, KIM M, BOYD I D. Electromagnetic reduction of plasma density during atmospheric reentry and hypersonic flights [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2008, 45(3): 445-453.

[8] TAKAHASHI Y, YAMADA K, ABE T. Prediction performance of blackout and plasma attenuation in atmospheric reentry demonstrator mission [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2014, 51(6): 1954-1964.

[9] STARKEY R P. Hypersonic vehicle telemetry blackout analysis [J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2015, 52(2): 426-438.

[10] 袁忠才, 時家明. 飛行器再入大氣層通信黑障的消除方法 [J]. 航天器環境工程, 2012, 29(5): 504-507

[11] HARTUNIAN R A, STEWART G E, CURTISS T J, et al. Implications and mitigation of radio frequency blackout

[12] 黃惠明. 我國第一代中繼衛星地面應用系統發展建設的思考 [J]. 飛行器測控學報, 2013, 31(5): 1-5.

[13] 王家勝, 經姚翔, 楊顯強. 采用衛星中繼克服航天器再入通信黑障的途徑 [J]. 航天工程, 2015, 24(3): 1-8.

[14] 李于衡, 羅斌, 郭文鴿, 等. 中繼衛星Ka頻段支持飛船再入返回通信可行性分析 [J]. 載人航天, 2015, 21(6): 582-588.

[15] 蔣金, 陳長興, 汪成, 等. 太赫茲在非均勻等離子體鞘套中的傳輸特性 [J]. 系統仿真學報, 2015, 27(12): 3109-3116.

[16] TRAN P, PAULAT J C, BOUKHOBZA P. Re-entry flight experiments lesson learned：the atmospheric reentry demonstrator ARD[EB/OL]. [2016-09-18]. http:www.dtic.mil/dtic/tr/fulltext/u2/a476493.pdf.

[17] 楊歡. 再入飛船等離子體鞘套對通信衰減的仿真與建模 [D]. 南京: 南京航空航天大學, 2010.