高超声速等离子体流场及电磁波传播特性数值模拟

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无论是再入航天器还是临近空间高超声速飞行器,其飞行过程中由于超高的速度会在头部形成激波,随后产生高温效应并发生电离等化学反应,形成包覆于飞行器表面的等离子体,称为等离子体鞘套。等离子体鞘套会对通信信号产生类似于金属的屏蔽效应,严重时会导致通信中断,这一现象称为“黑障”现象。为了加深对“黑障”现象的理解和寻求解决黑障的方案提供有效参考,本文以RAMC飞行器作为研究对象,开展了RAMC二维和三维等离子体流场及其电磁波传播特性研究,主要工作如下:基于N-S方程和热化学非平衡模型,使用有限体积法首先对61km再入高度下飞行器二维等离子体流场进行数值模拟。其中热化学非平衡模型采用7组分18化学反应处理,非结构化网格考虑边界层等影响进行设计。然后对设计的二维网格进行了网格独立性验证并与飞行试验数据以及其他研究者的仿真结果进行对比,验证了程序和网格模型的可靠性。对20~90km再入高度下飞行器二维等离子体流场进行计算,给出电子数密度和电子碰撞频率分布。通过分析得出电子数密度和碰撞频率随着再入高度、轴向距离以及径向距离的变化趋势。同时考虑化学反应模型宽温度范围导致化学反应速率的不确定性问题,对不同化学反应电离速率下飞行器二维等离子体流场进行数值计算,并分析不同电离速率对等离子体鞘套厚度、电子数密度和碰撞频率的影响。对61km再入高度和0°攻角下高超声速三维等离子体流场进行数值模拟,三维流场计算的热化学非平衡模型与二维相同,非结构化网格从二维扩展到三维。对三维网格进行了网格独立性验证并将仿真结果与飞行试验数据和二维流场的计算结果对比,验证了结果的准确性。在此基础上对不同攻角下飞行器三维等离子体流场进行数值模拟,并分析了攻角对电子数密度、压强和温度的影响。基于以上流场计算结果,通过求解多物理场耦合波动方程,对不同频率、不同再入高度、不同极化方式、不同入射角度和不同电离速率下电磁波在等离子体鞘套中的传播特性进行数值计算。相比于传统的SMM散射矩阵法,本文基于流场对电磁波传播特性的计算再现了整个传播过程。通过分析不同条件下电磁波在等离子体中的传播特性,得出减小电磁波幅度衰减的四种方法,一是将天线尽可能安装靠近飞行器尾部,二是降低化学反应电离速率,三是减小电磁波入射角度,四是提高电磁波通信频率。本文对再入等离子体鞘层特性以及电磁波传播特性进行数值求解的相关结论为寻求缓解“黑障”现象的方案提供数据参考和理论支持。
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