超高速飛行器氣動外形對電波傳播特性的影響

楊 鑫， 魏 兵， 尹偉科， 譚 暢

(1. 西安電子科技大學 物理與光電工程學院，陜西 西安 710071； 2. 西安電子科技大學 信息感知技術協同創新中心，陜西 西安 710071; 3. 陜西省等離子體物理與應用技術重點實驗室，陜西 西安 710100)

當飛行器在大氣層中以超高音速飛行時，其表面與大氣激烈的相互作用將使周圍氣體電離，形成一層包裹飛行器的等離子體薄層，即等離子體鞘套[1-2]．等離子體鞘套在一定條件下會強烈干擾電波信號，甚至中斷通信而威脅飛行安全，產生所謂的“黑障”現象．從20世紀60年代起，人們對鞘套中電波的傳播特性進行了大量的研究[3-13]．但因等離子體鞘套電波傳輸特性的實驗條件苛刻，前期往往采用理論分析和數值計算相結合的方法進行研究．數值方法在低頻時常用時域有限差分(Finite Difference Time Domain，FDTD)方法，高頻時可以采用射線跟蹤算法．近年來，采用高頻率的電磁波穿透鞘套實現無障礙通信，已成為克服黑障效應的可能技術之一．然而，鞘套中的電波傳輸特性與其電子濃度分布有關，而電子濃度分布又與飛行速度、高度、飛行器外形等均有關系．在現有文獻對在不同飛行器外形條件下，鞘套中電波傳輸特性的研究并不多．鑒于此，筆者采用非均勻介質中的射線跟蹤理論，研究了典型飛行目標(鈍頭和尖頭)外部等離子體鞘套對高頻電波的干擾特征．結果表明，尖頭外形飛行器對應的外部鞘套流場的電子濃度量級較低，更有利于電波的傳播．

1 典型飛行器外形及其流場分布特性

圖1給出了鈍頭和尖頭飛行器在高度65 km，速度為6 800 m/s時，流場中電子濃度的分布．為方便顯示，圖1(a)和圖1(c)為取對數后的結果．由圖可見，鈍頭等離子體鞘套中的電子濃度明顯地高于尖頭; 如圖圖1(b)和圖1(d)所示，鈍頭鞘套的電子濃度在飛行器表面最大，隨徑向距離的增大而減小，隨后上升到一個極大值，然后逐步減小為零．對于尖頭鞘套，電子濃度的這種徑向分布特性并不明顯．

圖1 典型飛行器外形及其流場中電子濃度分布

2 計算原理及數值方法

當飛行器以高頻電波與外界通訊時，可采用幾何光學方法對其傳播特性進行近似分析．此時，電波在等離子體中的傳播過程可由如下射線方程描述[14]:

(1)

其中，X=1-n2(n為媒質的折射率);p′表示電磁射線的積分路徑;c為真空中電波速度;r、θ和φ為球坐標系的空間坐標值;kr、kθ和kφ為波矢量在球坐標系中分量．在不同方向上求解式(1)，就可獲得電波在等離子中的傳播軌跡，進一步便可得到電波的相關傳播特性．

為了從式(1)中求解電波的傳播軌跡，還需要知道等離子體的電磁特性．根據電波在等離子體中的傳播理論[15]，傳播參數可以下列方程計算:

(2)

其中，α為衰減系數，ε′和ε″為介電常數的實部和虛部，ne、ωp、v、ω、e、me和ε0分別為電子濃度、等離子體頻率、等離子體碰撞頻率、入射波頻率、電子電量、電子質量和真空介電常數．結合式(1)和式(2)，式(3)給出了電波能量衰減量Att的計算方法[16]:

(3)

其中，E0為電波的初始振幅，E為觀察點處的電場值．

計算鞘套中電磁射線軌跡時，需知任意計算點處介質參數．因測試(或仿真)數據通常以三維離散方式給出，為獲得任意點的介質參數值，就需要通過已知參數點來計算．這一過程，文中采用高維Lagrange插值方法[17]來實現．電磁射線方程(1)的求解采用四階Runge-Kutta法[17]．

3 結果及分析

3.1 鈍頭飛行器鞘套的傳輸特性

計算中，天線均以貼片式放置于飛行器前部 (如圖1(a)); 工作頻率取為 10 GHz、20 GHz 和 50 GHz; 飛行器的飛行高度為 65 km，速度分別為 6 120 m/s 、6 800 m/s、7 480 m/s 和 8 160 m/s; 滿足下列條件之一時，射線跟蹤終止:電波穿透鞘套;電場幅值E衰減至初始幅值E0的 1/10-5;電波頻率小于等離子體頻率．

圖2表示天線頻率為10 GHz時，不同發射角β(射線與飛行器軸線的夾角)情形對應的射線軌跡和衰減情況(衰減強度是觀察點電場幅值比上初始電場幅值的百分比)．由圖可見，當飛行器以較低速度飛行時，電波穿透能力強，能量傳輸率高，可達80%以上．但能量傳輸顯示出一定方向特性．β越接近90°，能量傳輸率越高;越靠近飛行器表面，能量衰減越強．由于在 65 km 高處大氣已變得稀薄，在相對低速的運動狀態下，飛行器與大氣的相互作用較弱，鞘套的電離程度較低以至于還無法對電波傳播產生強烈的影響，所以能量傳輸效率較高；當射線發射角β接近90°時，由于穿透鞘套所需的路徑較短，且軌跡的彎折效應較弱，所以能量傳輸率相對較高．

圖2 不同速度和發射角度下的電磁軌跡及能量衰減

隨著速度增加，圖2顯示電波軌跡出現明顯的彎折．在靠近飛行器表面處甚至顯現出波導的特性，形成電波在鞘套中傳播而無法穿透鞘套的現象．這一現象可由圖1(b)中鞘套的分布特性加以解釋，圖中以點A和B為分界點分為3個區域: 飛行器表面至電子濃度極小值點A為內層，點A至B為中間層，點B往外劃為外層．射線傳播過程中，若在到達分界點B之前就已折向鞘套內部，如圖2(c)中20°發射角的射線，則形成波導現象; 若穿過點B，則其在外層的傳播過程相當于由光疏介質向光密介質傳播，因而將呈現往垂直于飛行器軸線方向偏折的趨勢，如圖2(c)以30°發射的射線．此時，電磁射線將穿透鞘套．

圖3給出了頻率為20 GHz時典型射線軌跡，以及20 GHz和50 GHz時的電波衰減特性．由圖可見，電波傳播特征與 10 GHz 時有相似之處的，例如能量傳播的方向性及射線彎折等．但在提高頻率的情形下，射線的直線性顯著地增強，能量傳輸效率得到了有效的提升，比如當頻率升高至 50 GHz 時，幾乎50%以上的能量可穿透鞘套．

圖3 不同飛行速度下電波傳播及電磁參數特性

觀察圖3中能量衰減與飛行速度的關系可見，當速度超過閾值vt后，比如 7 480 m/s 與 8 160 m/s，能量傳輸率與飛行速度的關系將與低速時的相反．這一現象可由圖3(d)解釋，它給出鞘套的電子密度與飛行速度的關系，并根據曲線的特征分為2個區域．在區域1內，隨飛行器速度的增加，飛行器表面與大氣的相互作用增強，電離效應隨之升高，粒子含量亦升高，使得該區域衰減特性與飛行速度呈正相關．但當飛行速度超過臨界速度vt后，電離效應與飛行速度則呈現與低速時相反的變化關系，所以電磁衰減特性將負相關于飛行速度．在區域2內，由于飛行器的速度已接近甚至超過第一宇宙速度，這時飛行器表面與大氣存在極強的相互作用．在這種極端的環境下，氣動加熱的增強將使周圍氣體的密度急劇降低[18-19]，從而間接導致離子密度的下降．同時，其他研究顯示出了類似的現象，例如文獻[20]指出，當鈍頭飛行器的飛行速度由低速逐漸接近 7 480 m/s 時，鞘套中的電子濃度將趨于飽和．

圖4 不同飛行速度下尖頭鞘套中的電磁軌跡

3.2 尖頭飛行器鞘套的傳輸特性

由圖1(c)可見，在相同飛行條件下，由于尖頭鞘套的電子密度遠低于鈍頭情形，并且兩者電子密度的空間分布形式也有顯著的差別．因此，與鈍頭鞘套中的電波傳播特性相比，尖頭鞘套將更有利于電波的傳播．為顯示這一特性，圖4給出了尖頭鞘套中電磁射線的傳播情況，計算參數設置為: 飛行高度為 65 km，電波頻率為 10 GHz．由計算結果可見，尖頭鞘套對電磁射線的影響較弱，直線特性良好．而通過對能量傳輸特性的分析，發現98%以上的能量均可穿透鞘層．可見，與相同飛行條件下的鈍頭飛行器相比，尖頭外形更有利于電波的傳播．

4 結 束 語

文中以鈍頭和尖頭超高音速飛行器為目標，研究了飛行器外形對電波傳播的影響特征．研究表明，鈍頭飛行器產生的鞘套對電波傳播有著強烈的影響，顯示出豐富的傳播特性，比如強烈的能量衰減，嚴重時甚至出現“波導”現象．隨著電波頻率的升高，這些現象將逐漸減弱．而對于尖頭飛行器，由于其外形利于流場的通過，鞘套中的等離子體分布與鈍頭飛行器有著明顯的區別．因而，在相同的計算條件下，這些現象并未在尖頭鞘套中顯現．

綜上所述，由于飛行器的氣動外形強烈地影響著流場的特性及分布，所以對電磁信號的傳輸亦影響明顯．其中，尖頭氣動外形更有利于電磁波的傳輸，而增加電磁波的頻率，將有效地降低鞘套對波傳播的干擾，提升其整體的傳輸效率．這些結果可進一步促進人們對高超音速鞘套電磁特性的理解，并為緩解飛行器在高超音速條件下的通信困難提供理論參考．

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