本文關鍵詞：基于大面積等離子體片的高超聲速飛行器黑障效應研究

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【摘要】：在地球和其他行星大氣層的再入過程中,以高超聲速飛行的衛(wèi)星、航天飛機、洲際導彈、宇宙飛船等飛行器,以及世界各主要大國近年來競相發(fā)展的臨近空間高超聲速飛行器,在未來很長一段時間內(nèi)仍將面臨著黑障效應所帶來的飛行風險。由于對黑障效應開展飛行試驗的成本較高,本文利用脈沖磁約束線形空心陰極生成的大面積等離子體片構建了一套地面黑障效應模擬系統(tǒng),并對該系統(tǒng)的特征參數(shù)診斷及電磁波傳播特性進行了較為全面的研究,最后利用該裝置對現(xiàn)有黑障應對方案中的等離子體鞘套開口方案的優(yōu)化開展了初步實驗研究。主要工作及成果有:(1)完成了組合式線形空心陰極的設計,并依據(jù)該設計成功制作了雙槽型組合式線形空心陰極,介紹了利用組合式線形空心陰極和固定尺寸線形空心陰極構建地面黑障效應模擬系統(tǒng)的設計方案和工作原理。為了促進組合式線形空心陰極的推廣應用,設計了兩種利用組合空心陰極生成等離子體光子晶體的方案。(2)完成了靜電探針的研制,編寫了探針數(shù)據(jù)的自動化處理軟件,設計了旋轉(zhuǎn)空心陰極法、快幀法和滑動靜電探針法,完成了對地面黑障效應模擬系統(tǒng)中等離子體參數(shù)時-空分布特征的診斷研究,利用厚度方向與豎直方向等離子體片特征參數(shù)的診斷結果,再現(xiàn)了主要放電階段地面黑障效應模擬系統(tǒng)內(nèi)等離子體特征參數(shù)三維分布的演化過程。研究表明大面積等離子體片特征參數(shù)值及分布特征與等離子體鞘套類似,可以在電磁波傳播特性方面對等離子體鞘套進行模擬。(3)設計并開展了變量控制實驗,獲得了不同脈沖放電電流、氣壓、磁場等放電條件下等離子體特征參數(shù)的時-空分布,進而對等離子體特征參數(shù)的影響因素進行了分析。鑒于等離子體特征參數(shù)影響因素的復雜性,為了便于快速設定工作參數(shù)生成所需要的等離子體片,簡化了地面黑障效應模擬系統(tǒng)中等離子體參數(shù)的三維分布模型,提出了等離子體參數(shù)數(shù)據(jù)庫的概念。(4)推導了磁化等離子體片橫向場傳播矩陣公式,采用等離子體分層模型和簡化的等離子體參數(shù)三維分布模型,通過數(shù)值計算,研究了脈沖放電過程中電磁波在等離子體片中的傳播特性。研究表明為了便于在地面黑障效應模擬系統(tǒng)中實現(xiàn)對“黑障”效應的模擬,最好選擇脈沖放電開始后初始的100μs的等離子體片;入射電磁波頻率應低于等離子體片的臨界頻率,極化方向既可以垂直于磁場方向亦可以平行于磁場方向,如果入射電磁波頻率在高混雜諧振吸收頻率內(nèi),選擇極化方向垂直于磁場方向的電磁波效果更佳。(5)利用實測的電子密度分布數(shù)據(jù)和橫向場傳播矩陣公式,通過數(shù)值計算,研究了脈沖放電電流、氣壓、磁場以及等離子體片厚度對地面黑障模擬中電磁波傳播特性的影響。研究結果表明為了便于在地面黑障效應模擬系統(tǒng)中實現(xiàn)對“黑障”效應的模擬,可以采用以下手段:適當?shù)卦黾哟艌?增加等離子體片厚度、增大氣壓、增大脈沖放電電流。(6)基于所建立的地面黑障效應模擬系統(tǒng),在孔縫耦合理論的指導下,設計并開展了等離子體鞘套開口對電磁波透射率大小影響的初步實驗研究。初步研究結果表明:極化方向平行于縫隙長邊的電磁波更易于透過等離子體鞘套上的孔縫。大于縫隙諧振頻率的電磁波更易于透過等離子體鞘套上的孔縫,縫隙的諧振頻率取決于縫隙的開口寬度,寬度越小,諧振頻率越大。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(空間科學與應用研究中心)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：V419;V416

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