48km以上空間黑障區的電磁波衰減研究與仿真

劉立士 葉文慧 馬玉峰

摘 要：空間飛行器進入100km至48km黑障區時，與地面站的通信會發生中斷現象，對宇航員的安全，飛行實驗的順利完成都會產生不利的影響，本文針對這種通信中斷現象，對電磁波在48km以上黑障區等離子鞘套中的傳播衰減進行了多角度的仿真研究，實驗結果表明，頻率高于15GHz的電磁波更易克服空間飛行器再入過程的通信黑障現象。

關鍵詞：電磁波衰減 通信黑障 仿真研究

中圖分類號：C819 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）04（b）-0014-03

自2003年10月15日我國第一艘載人航天飛船神舟五號成功發射并返航以來，我國在航天領域的研究取得了迅猛的發展，載人航天計劃、月球探測計劃、空間站建設計劃等航天領域研究均已獲得不錯的成果，同時近年來，臨近空間飛行器的研究也成為熱門[1，2]，因此，空間飛行器再入過程中的臨近空間通信問題也引發了較多的關注。

空間飛行器在返回大氣的降落過程中，當其進入100km至48km的黑障區時，其表面等離子鞘套的電子密度分布呈雙高斯曲線分布；當其進入48km至20km的黑障區時，其表面等離子鞘套電子密度呈雙指數分布[3]。不同形式的電子密度分布對電磁波在等離子鞘套中傳播的影響很大，所以，本文就48km以上黑障區電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減進行研究。

1 48km以上黑障區電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減仿真

1.1 仿真參數

在1961—1970年期間美國國家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）蘭利研究中心（Langley Research Center）開展了RAM系列飛行試驗，對黑障區空間飛行器通信黑障機理進行研究，同時尋求抑制通信黑障對電磁波傳播影響的方法。根據公布的飛行實驗數據[4]，本文總結了RAM-C飛行實驗中48km以上黑障區等離子鞘套介質特性的數據，如表1所示。

在100km至48km之間的48km以上黑障區，空間飛行器的降落速度大致不變，隨著空間飛行器的高度降低，空間飛行器表面的大氣逐漸加厚，氣壓增大，受氣壓影響等離子鞘套內的電子碰撞頻率也逐漸增大。在48km以上黑障區內，隨著沖激波的加劇和氣壓的增大，空間飛行器表面的等離子鞘套的厚度被壓縮，等離子鞘套的電子密度顯著增加。因此，當空間飛行器在48km以上黑障區飛行時，空間飛行器表面的等離子鞘套的厚度減小，等離子鞘套的電子密度、電子碰撞頻率、氣壓都是處于一個逐漸增大的過程。

1.2 仿真流程

本文根據總結的RAM-C飛行實驗中得到的等離子鞘套相關介質特性數據進行擬合，得到48km以上黑障區的等離子鞘套介質特性模型。當空間飛行器處于48km以上黑障區內時，等離子鞘套的電子密度主要服從雙高斯分

布，本文根據已知數據對電子密度進行擬合，建立等離子鞘套介質的特性模型，并采用了一種改進的斜率自適應分層模型[5]。采用這種分層方式對等離子鞘套進行分層，可以將不均勻的等離子鞘套按照其內部電子密度的變化規律進行分層，并利用等效波阻抗方法計算多層介質中的電磁波傳播問題，從最后兩層介質開始，逐層進行迭代，迭代相乘最終得到整個介質的復透射系數T。其仿真過程如圖1所示。

1.3 仿真結果分析

仿真計算的等離子鞘套的隨機化等離子體電子密度曲線和不同高度選取不同曲線斜率k分別建立等離子鞘套的斜率自適應分層模型，采用等效波阻抗方法對電磁波在等離子鞘套斜率自適應分層模型中的傳播衰減進行仿真。仿真結果如圖2～圖4所示。

由圖2～圖4可以看出，當空間飛行器位于距離地面100km到48km之間的48km以上黑障區時，隨著電磁波的頻率的逐漸增大，電磁波在一定高度處空間飛行器表面的等離子鞘套中傳播的衰減損耗逐漸減小，且當電磁波頻率高于15GHz時，電磁波在空間飛行器表面的等離子鞘套中的傳播損耗變化較小。

由圖5可以看出，在48km以上黑障區，電磁波頻率越大，電磁波在空間飛行器表面等離子鞘套中的傳播衰減越小，隨著空間飛行器高度的降低，電磁波在等離子鞘套中的衰減逐漸增大，且頻率越低的電磁波傳播時衰減增大的幅度越大。

2 結語

本文根據NASA于1970年進行的RAM-C飛行實驗數據采用雙高斯分布對48km以上黑障區等離子鞘套的介質特性進行擬合，并根據48km以上黑障區等離子鞘套電子密度分布特點進行斜率自適應分層，建立分層模型。采用等效波阻抗方法對電磁波在48km以上黑障區等離子鞘

套斜率自適應分層模型中的傳播衰減進行了仿真分析，得到了頻率高于15GHz的電磁波在48km以上黑障區等離子鞘套中傳播衰減較小，有利于克服空間飛行器通信黑障現象。

參考文獻

[1] 楊敏.等離子鞘套下測控通信信號傳輸特性研究[D].西安電子科技大學，2014.

[2] 王家勝，楊顯強，經姚翔，等.鈍頭型航天器再入通信黑障及對策研究[J].航天器工程，2014（1）：6-16.

[3] 于哲峰，孫良奎，馬平，等.黑障對通信安全的影響及幾種可能的解決方案[J].紅外，2017（2）：39-45.

[4] National Aeronautics and Space Administration.The entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems[Z].Washington DC：NASA，1970.

[5] 葉文慧，李琳琳，潘彩平.高頻電磁波在等離子鞘套中的傳播衰減分析[J].科技創新導報，2017（34）：57-59.