叶文慧 李琳琳 潘彩平
摘要：近年来，空间飞行器返回大气时的通信问题又被大家广泛关注，空间飞行器返回大气时再入过程中遇到的黑障区通信问题也急需解决。本文从信号链路角度，分析空间飞行器返回大气时再入过程中的黑障区通信问题。通过对等离子鞘套介质特性、电磁特性的深入探讨，针对飞行器实际飞行情况，对不同高度处等离子鞘套电子密度加入随机性，并对非均匀等离子鞘套进行改进的自适应分层分析电磁波在非均匀等离子鞘套中传播的衰减损耗，为解决空间飞行器返回大气时再入过程中黑障区通信问题提供理论基础。
关键词：空间飞行器；通信黑障；等离子鞘套；电磁波衰减。
中图分类号： TN01 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0000-00
引言
自2003年10月15日我国第一艘载人航天飞船神舟五号成功发射并返航以来，我国在航天领域的研究取得了迅猛的发展，载人航天计划、月球探测计划、空间站建设计划等航天领域研究均已获得不错的成果，同时近几年来，临近空间飞行器的通信技术研究也成为热门，因此空间飞行器再入过程中的临近空间通信问题也引来了较多的关注。
空间飞行器返回大气时在再入过程中，会因高速产生激波压缩空气引起周围分子离解、飞行器表面与周围空气相互高速摩擦作用产生热电离、飞行器隔热层烧蚀浓融物质引起化学电离三方面原因在空间飞行器表面形成一个结构复杂的等离子鞘套，该等离子鞘套会对与空间飞行器通信的电磁波产生较大的衰减影响，使空间飞行器在返回大气再入过程中与地面站存在一段时间的通信中断，即为通信黑障[1]。空间飞行器的通信黑障问题一般发生在空间飞行器据地面30-100km之间，对载人航天中宇航员的安全、临近空间飞行器飞行过程中的信息采集都有着较大的影响，所以，如何克服空间飞行器通信黑障成为了临近空间通信研究中急需解决的问题[2，3]。
本文在深入探讨等离子鞘套介质特性和电磁特性的基础上，通过等效波阻抗方法对等离子鞘套进行改进的斜率自适应分层，计算电磁波在等离子鞘套斜率自适应分层模型中传播的透射系数，进而利用透射系数计算电磁波在等离子鞘套斜率自适应分层模型中传播的衰减损耗。等离子鞘套的等离子体电子密度对其他介质特性和电磁特性有着较大的影响，且等离子体电子密度情况复杂多变，所以本文在考虑等离子鞘套等离子体电子密度实际实验数据的基础上，加入了随机性的计算，更加贴合实际，具有参考价值。
等离子鞘套介质特性及电磁特性
等离子鞘套中的等离子体电子密度是等离子鞘套很重要的介质参数，它是指等离子鞘套单位体积等离子体内的电子的个数，对等离子鞘套其他介电特性均有着较大的影响。图1为美国国家航空航天局（NASA）在1967年进行的RAM-C系列飞行实验中取得的飞行器表面等离子体电子密度数据[4]，现有研究中大部分均是利用该数据进行实验研究的，本文考虑到实际飞行中的不确定性，在利用双高斯曲线针对实验数据进行拟合时，加入了随机性，在仿真过程中对等离子鞘套最大等離子体电子密度进行了随机化，使实验结果更加贴合实际。
图 1不同高度处RAM-C飞行器表面的等离子体电子密度分布
通过查找大量的实验数据，本文总结了六个高度处空间飞行器表面等离子鞘套电子密度数据（如表1），考虑到实际空间飞行器表面等离子鞘套为复杂多变的动态介质，它的介质参数会具有一定的随机性，所以在计算过程中对等离子体电子密度峰值进行随机化，使随机化后的等离子体电子密度峰值在原等离子体电子密度峰值±5%范围内浮动随机，并根据随机化后的等离子体电子密度峰值和双高斯曲线对随机化的等离子体电子密度曲线进行了100次拟合计算，最后根据计算结果的平均值利用经验公式计算等离子鞘套等离子体频率、电导率、介电常数等介质参数。
表 1等离子鞘套相关介质特性
飞行高度
（km）随机化的等离子体电子密度峰值（/cm3）碰撞频率
（GHz）气压
（Pa）等离子鞘套厚度（cm）
764.02×〖10〗^10±5%0.0072.014.0
624.37×〖10〗^11±5%0.05916.77.8
536.86×〖10〗^11±5%0.22854.87.0
401.41×〖10〗^12±5%1.62875.0
301.00×〖10〗^13±5%7.111977.0
215.03×〖10〗^10±5%27.147295.2
电磁波在等离子鞘套中的传输
本文采用等效波阻抗方法计算电磁波在等离子鞘套中传播的透射系数，并利用透射系数得到电磁波在入射和射出等离子鞘套时的电场强度和磁场强度，利用坡印廷定理计算得到电磁波在等离子鞘套中传播的功率损耗。
目前较多研究都是将等离子鞘套进行均匀分层，因等离子鞘套中的等离子体电子密度近似呈双高斯分布，如果采用均匀分层，在等离子体电子密度变化较剧烈的区间中就不能将等离子体电子密度看作是均匀的，与最开始的设定条件不符，2014年张作一提出了一种自适应分层模型[5]，本文在他的基础上提出了改进，首先根据不同高度处等离子鞘套厚度进行50层均匀分层，计算各层等离子鞘套电子密度曲线斜率及50层曲线斜率绝对值的平均值k，当第m层曲线斜率大于k时，则将该层平均分为两层，并计算这两层的曲线斜率继续与k进行比较，直到所有分层等离子体电子密度曲线斜率均小于等于k为止。直到所有层曲线斜率均小于等于k时，得到该高度处改进后的等离子鞘套的斜率自适应分层模型。采用这种分层方式对等离子鞘套进行分层，就可以将斜率自适应分层模型中每层的等离子体电子密度看作是均匀的，符合等效波阻抗计算的条件，有效减少均匀分层情况下单层等离子鞘套电子密度变化太大导致的计算失真。
根据得到的不同高度处等离子鞘套的斜率自适应分层模型进行等效波阻抗方法计算电磁波在等离子鞘套中的传播衰减，在斜率自适应分层模型中，第 m 层等离子体的总电场强度、总磁场强度可以表示为
（1）
（2）
式中， 、 分别为第 m 层等离子体的波数和波阻抗。利用每层等离子体的总电场强度（式（1））、总磁场强度（式（2））及每层等离子体边界面的边界条件，可以得到每层等离子体边界面上电磁波的反射系数和透射系数的递推关系式为：
（3）
（4）
式中， 即为第 m 层等离子体的等效波阻抗。由于等离子鞘套斜率自适应分层中最后一层入射波不再进行反射，因此最后一层边界面的反射系数和透射系数公式较易被算出，即
（5）
（6）
这样根据电磁波反射系数和透射系数的递推关系式（式（3）、（4））便可以从最后一层边界面的反射系数和透射系数（式（5）、（6））逐渐向前迭代[1]，得到斜率自适应分层模型各层边界面的反射系数值和透射系数值，将各层透射系数迭代相乘，最终得到电磁波在整个斜率自适应分层模型中传播的复透射系数T。本文根据上述等效波阻抗公式，计算出不同高度处等离子鞘套的斜率自适应分层模型复透射系数T，并利用该复透射系数T计算电磁波在入射和射出斜率自适应分层模型时的电场和磁场，再通过坡印廷定理计算得出电磁波在不同高度处等离子鞘套的斜率自适应分层模型中传播的功率衰减。
仿真结果
本文根据表1等离子鞘套相关介质参数和随机化的等离子鞘套等离子体电子密度曲线，针对不同高度选取不同曲线斜率k分别建立等离子鞘套的斜率自适应分层模型，并对电磁波在等离子鞘套斜率自适应分层模型中的功率衰减进行仿真。因常用通信频段L频段、S频段、C频段、Ku频段和Ka频段频率范围在1.0-40GHz之间，所以仿真过程中电磁波频率选在这个范围内，仿真结果如图2所示。
图 2 电磁波在不同高度处等离子鞘套中的传播损耗
根据仿真结果分析得到电磁波频率越高，电磁波在等离子鞘套斜率自适应分层模型中传播的功率衰减越小，且当电磁波频率大于20GHz时，电磁波在不同高度处等离子鞘套中传播的功率衰减损耗明显减小，因此采用频率波长大于20GHz的高频电磁波与再入过程中的空间飞行器进行通信，可以有效减少等离子鞘套对电磁波的传播衰减损耗。
结论
本文采用随机化的等离子体电子密度进行电磁波在等离子鞘套中传播的功率衰减计算，并对等离子鞘套建立一种改进的斜率自适应分层模型。仿真结果表明，采用频率波长大于20GHz的高频电磁波与再入过程中的空间飞行器进行通信，可以有效减少电磁波在等离子鞘套中传播的功率衰减损耗。但是高频电磁波在地面站与空间飞行器传播时较易受到雨衰、大气衰减等的影响，選择一个合适频段的高频电磁波进行地面站与再入过程中的空间飞行器之间的通信还需考虑高频电磁波在大气中传播受到的影响，有待进一步研究。
参考文献
[1]杨敏.等离子鞘套下测控通信信号传输特性研究[D].西安电子科技大学，2014.
[2]王家胜，杨显强，经姚翔，游晟.钝头型航天器再入通信黑障及对策研究[J].航天器工程，2014，（01）：6-16.
[3]于哲峰，孙良奎，马平，杨益兼，张志成，黄洁.黑障对通信安全的影响及几种可能的解决方案[J].红外，2017，（02）：39-45.
[4] National Aeronautics and Space Administration.The entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems [R]. Washington DC：NASA，1970.
[5]张作一，赵良，刘秀祥.再入等离子鞘套对测控信号传输的影响[J].电讯技术，2014，54（9）：1265 -1269.
