国防科技大学 前沿交叉学科学院，长沙 410073
高超声速飞行器飞行期间，由于表面激波的影响，飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波，导致通信信号发生衰减甚至中断，从而形成“黑障”问题。理论上来说，等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的变化呈现非线性，所以可能存在一个合适的电场幅值和辐照时间区间，使等离子体鞘套的电磁波透射率上升。针对这种可能性，采用有限元分析方法，对飞行器表面等离子体鞘套流场与电磁场进行二维耦合仿真，得到微波照射后等离子体鞘套透射率的改变情况。分别使用电场幅值为5×104、1×105、2.5×105、5×105 V·m−1的微波对等离子体鞘套进行30 ns的辐照，在辐照后等离子体鞘套对1.2 GHz和1.6 GHz的电磁波的最大透射率提升，为解决“黑障”问题提供了新的可能。
高超声速飞行器 等离子体鞘套 黑障 微波 耦合仿真 hypersonic vehicle plasma sheath blackout microwave coupling simulation 强激光与粒子束
2023, 35(8): 089001
1 西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070
2 甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心，甘肃 兰州 730070
当飞行器以超高速返回大气层时，飞行器表面的空气发生电离，形成严重阻碍地面与飞行器之间通信的等离子鞘层。针对再入飞行器表面的等离子鞘层的特性，建立了具有非均匀电子密度和非均匀电子碰撞频率的等离子鞘层模型。基于非均匀介质的等效波阻抗思想，探讨了太赫兹波在具有不同分布特性的等离子体鞘层中的传播规律，研究了左右两种极化方式的太赫兹波在等离子体鞘层中的传播特性受不同因素的影响。研究发现太赫兹波在等离子体鞘层中的相移特性主要受入射角影响，且与波所处的位置和波的频率有关，与波的极化方式无关，相移特性呈周期性变化。左右两种极化方式的太赫兹波的传播特性在低频范围内受相同因素影响的差异较大，随着传输频率的升高，两种极化方式的传播特性逐渐趋于一致。
傅里叶光学与信号处理 太赫兹波 等离子体鞘层 黑障 传输特性 激光与光电子学进展
2022, 59(17): 1707002
1 西北师范大学物理与电子工程学院，甘肃 兰州 730070
2 西北师范大学甘肃省智能信息技术与应用工程研究中心，甘肃 兰州 730070
基于“黑障”问题，建立了“自由空间-等离子体层-自由空间”三层结构的物理模型。在此模型的基础上利用解析方法进行仿真，研究在不同厚度等离子体层的前提下，等离子体吸收率与电磁波频率之间的关系。分别改变等离子体中电子密度、外加磁场强度以及电子碰撞频率，研究等离子体层对左旋及右旋圆极化波的吸收情况以及电磁波在等离子体中单程衰减。研究表明，改变等离子体层厚度、电子密度、外加磁场强度以及电子碰撞频率影响参数后，等离子体对电磁波的吸收特性及单程衰减也随之发生改变，仿真结果对降低等离子体层的吸收率和解决“黑障”问题起到一定的参考作用。
表面光学 等离子体 左旋圆极化波 右旋圆极化波 黑障 吸收率 激光与光电子学进展
2022, 59(3): 0319001
1 咸阳师范学院 物理与电子工程学院，陕西 咸阳 712000
2 陕西学前师范学院 物理与电子系，陕西 西安 710100
针对飞行器再入大气的“黑障”问题，基于等离子体电子密度Epstein分布，建立了太赫兹波穿过磁化等离子体鞘套的一维模型。计算了太赫兹波斜入射磁化等离子体鞘套的透射率和衰减；分析了等离子体碰撞频率、磁场强度、入射角等因素对太赫兹波传播特性的影响。研究结果表明，外加磁场强度增大，透射率的最小值和衰减峰值向较高太赫兹波频率方向移动；电磁波入射角变大，透射率变小，衰减变大；当入射角小于等于60°时，大气窗口0.22 THz处最大衰减为5.32 dB。研究结果为解决“黑障”问题提供了重要参考。
磁化等离子体 太赫兹波 黑障 衰减 magnetized plasma terahertz wave blackout attenuation 太赫兹科学与电子信息学报
2020, 18(2): 184
西北师范大学物理与电子工程学院, 甘肃 兰州 730070
针对高温等离子体对太赫兹波的传输特性,采用单层介质矩阵传输模型的求解方法,研究太赫兹在等离子体电子密度、厚度、外加磁场强度和温度影响下的变化规律。数值分析结果发现,不同条件下高温等离子体对太赫兹波产生的传输特性不同,等离子体电子密度和厚度越大,反射率越大,透射率越小;外加磁场可以改善衰减情况,因此等离子体电子密度越小,厚底越小,温度越高,对穿过电磁波的影响越小,通过调节外加磁场的大小,避开衰减峰值,可以缓解通信“黑障”现象。
表面光学 太赫兹波 高温等离子体 磁化 传输特性 黑障 激光与光电子学进展
2019, 56(20): 202419
中国空气动力研究与发展中心, 四川 绵阳 621000
为解决再入过程中的黑障问题, 在前期磁窗天线增强等离子体透波特性研究基础上, 开展了外加电磁窗影响研究, 磁体为钕铁硼, 外加电压为100 V。利用不同飞行高度下的流场数据, 对不加电磁场、外加磁场和外加正交电场与磁场影响下的流场进行数值模拟, 对比不同参数设置下天线窗口处的电子密度和电磁波衰减常数, 分析了再入飞行器的飞行高度、天线窗位置、电磁波频率、电子密度和碰撞频率等参数对电磁窗天线性能的影响。从分析结果可以看出, 外加正交电场与磁场对于减缓再入过程中黑障的效果优于仅外加磁场, 通过合理选择电磁窗的工作状态和参数可以改变等离子体的分布特性和介电参数, 能够有效地增强电磁波在等离子体鞘套中的传输, 为解决和减缓通信中断问题提供了一种可能的途径。
电磁窗 传输特性 黑障 再入过程 通信中断 electromagnetic window propagation characteristic blackout re-entry process communication interruption 强激光与粒子束
2018, 30(12): 123201
电子科技大学 电子科学技术研究院, 成都 611731
利用Z变换时域有限差分法(Z-FDTD)计算等离子体鞘层中太赫兹(THz)波的传输特性，得出太赫兹波的功率反射和透射系数在等离子鞘层中随电磁波频率的变化曲线图，分析了太赫兹波的传输特性与等离子体结构参数(鞘层厚度、碰撞频率以及电子密度)的关系，对利用太赫兹波缓解等离子体鞘层通信中出现的“黑障”现象做了探讨。结果表明：太赫兹波能改善等离子体鞘层通信，为解决“黑障”问题提供了有效途径。
Z变换时域有限差分法 太赫兹波 等离子体鞘层 黑障 Z-FDTD Terahertz wave plasma sheath blackout 强激光与粒子束
2018, 30(4): 043102
西北师范大学 物理与电子工程学院， 兰州 730070
针对“黑障”问题，借助于电磁波斜入射到磁化等离子体的传输模型，研究了太赫兹 （THz）波在磁化、均匀等离子体中的传输特性，分析了太赫兹波在磁化等离子体中传播的反射、透射以及衰减。仿真结果表明，等离子体碰撞频率、电子密度、入射角度以及磁场强度，对衰减产生不同的影响。单纯的增加碰撞频率，衰减值呈现出先增大后减小的变化趋势；电子密度的增加，与衰减峰值的大小有关；外加磁场加入，衰减值降低。通过调节外加恒定磁场，可以有效地解决“黑障”问题。
太赫兹波 磁化 等离子体 黑障 衰减特性 terahertz wave magnetization plasma blackout attenuation 强激光与粒子束
2018, 30(1): 013101
利用等离子体非线性效应的三波法是解决“黑障”问题的一种可能的解决方案。从三波非线性理论出发，详细介绍了转化效率的计算方法，进而对不同等离子体电子密度模型下的非线性效应进行分析。数值仿真结果表明: 存在一个最优的信号入射角度，当信号以该角度入射时转化效率最大; 等离子体厚度会对最佳入射角产生一定影响，当厚度减小时，最佳入射角变大; 等离子体电子密度变化范围、厚度、入射波及泵源参数都相同时，共振点处电子密度导数值越大，非线性效应越强。
黑障 等离子鞘 三波非线性 转化效率 最佳入射角 blackout plasma three-wave nonlinearity conversion efficiency optimum incident angle 强激光与粒子束
2017, 29(5): 053201
中国空气动力研究与发展中心，四川 绵阳 621000
当飞行器以超高速在大气层中飞行时，由于气动加热或烧蚀，在飞行器周围会形成等离子体鞘套。这将影响飞行器的通信特性，严重时会使通信中断，从而威胁飞行器的安全。我国新一代航天航空飞行器在大气层中飞行的时间长、速度快，而且弹道复杂，需要实时通信和控制，因此需要彻底解决通信中断问题。针对新一代航天飞行器面临的通信中断问题，研究了利用天线位置和地面遥测设备的布站优化、毫米波和太赫兹波通信、外加强磁场和激光通信等方法解决黑障问题的可能性及存在的问题。
黑障 通信安全 气动 太赫兹 外加强磁场 激光通信 blackout communication security aerodynamics teraherz wave applied strong magnet laser communication
