基于大面积等离子体片的高超声速飞行器黑障效应研究

发布时间：2017-12-16 18:13

  本文关键词：基于大面积等离子体片的高超声速飞行器黑障效应研究

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【摘要】：在地球和其他行星大气层的再入过程中,以高超声速飞行的卫星、航天飞机、洲际导弹、宇宙飞船等飞行器,以及世界各主要大国近年来竞相发展的临近空间高超声速飞行器,在未来很长一段时间内仍将面临着黑障效应所带来的飞行风险。由于对黑障效应开展飞行试验的成本较高,本文利用脉冲磁约束线形空心阴极生成的大面积等离子体片构建了一套地面黑障效应模拟系统,并对该系统的特征参数诊断及电磁波传播特性进行了较为全面的研究,最后利用该装置对现有黑障应对方案中的等离子体鞘套开口方案的优化开展了初步实验研究。主要工作及成果有:(1)完成了组合式线形空心阴极的设计,并依据该设计成功制作了双槽型组合式线形空心阴极,介绍了利用组合式线形空心阴极和固定尺寸线形空心阴极构建地面黑障效应模拟系统的设计方案和工作原理。为了促进组合式线形空心阴极的推广应用,设计了两种利用组合空心阴极生成等离子体光子晶体的方案。(2)完成了静电探针的研制,编写了探针数据的自动化处理软件,设计了旋转空心阴极法、快帧法和滑动静电探针法,完成了对地面黑障效应模拟系统中等离子体参数时-空分布特征的诊断研究,利用厚度方向与竖直方向等离子体片特征参数的诊断结果,再现了主要放电阶段地面黑障效应模拟系统内等离子体特征参数三维分布的演化过程。研究表明大面积等离子体片特征参数值及分布特征与等离子体鞘套类似,可以在电磁波传播特性方面对等离子体鞘套进行模拟。(3)设计并开展了变量控制实验,获得了不同脉冲放电电流、气压、磁场等放电条件下等离子体特征参数的时-空分布,进而对等离子体特征参数的影响因素进行了分析。鉴于等离子体特征参数影响因素的复杂性,为了便于快速设定工作参数生成所需要的等离子体片,简化了地面黑障效应模拟系统中等离子体参数的三维分布模型,提出了等离子体参数数据库的概念。(4)推导了磁化等离子体片横向场传播矩阵公式,采用等离子体分层模型和简化的等离子体参数三维分布模型,通过数值计算,研究了脉冲放电过程中电磁波在等离子体片中的传播特性。研究表明为了便于在地面黑障效应模拟系统中实现对“黑障”效应的模拟,最好选择脉冲放电开始后初始的100μs的等离子体片;入射电磁波频率应低于等离子体片的临界频率,极化方向既可以垂直于磁场方向亦可以平行于磁场方向,如果入射电磁波频率在高混杂谐振吸收频率内,选择极化方向垂直于磁场方向的电磁波效果更佳。(5)利用实测的电子密度分布数据和横向场传播矩阵公式,通过数值计算,研究了脉冲放电电流、气压、磁场以及等离子体片厚度对地面黑障模拟中电磁波传播特性的影响。研究结果表明为了便于在地面黑障效应模拟系统中实现对“黑障”效应的模拟,可以采用以下手段:适当地增加磁场,增加等离子体片厚度、增大气压、增大脉冲放电电流。(6)基于所建立的地面黑障效应模拟系统,在孔缝耦合理论的指导下,设计并开展了等离子体鞘套开口对电磁波透射率大小影响的初步实验研究。初步研究结果表明:极化方向平行于缝隙长边的电磁波更易于透过等离子体鞘套上的孔缝。大于缝隙谐振频率的电磁波更易于透过等离子体鞘套上的孔缝,缝隙的谐振频率取决于缝隙的开口宽度,宽度越小,谐振频率越大。
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(空间科学与应用研究中心)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V419;V416

【参考文献】

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