一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法与流程

本发明属于高超声速空气动力学试验，特别涉及一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法。

背景技术：

1、“黑障”是高超声速飞行器再入飞行过程中飞行环境最恶劣的一段时间，严重威胁着传统高超声速飞行器再入飞行过程的飞行安全，对新型临近空间轨道飞行器影响则更为严重。具有不同气动外形的高超声速飞行器，其通信中断发生的飞行高度、飞行速度、飞行姿态及“黑障”持续时间有显著区别。高超声速流动物理现象认识上的局限，导致其物理建模的不适当，进而使得数值计算存在一定的不确定性，因此通过试验研究高超声速流动规律显得非常重要。由于飞行试验成本较高，大量的试验研究需要在地面模拟设备中进行。

2、为研究纯净空气高速飞行器电磁波通讯现象，需要利用高焓激波风洞进行地面模拟。

技术实现思路

1、本发明的技术解决问题：针对高速飞行器通信中断问题，利用大尺寸高焓激波风洞，在复现飞行环境条件下，通过采用不同波段的电磁波穿透试验模型表面的等离子鞘套，测量不同波段的电磁波在等离子体鞘套中的流场传输特性。本发明不仅仅能够研究不同波段的电磁波在模型前缘的等离子体鞘套中的流场传输特性，还能够验证等离子鞘套对频率高于其频率电子波的通信特性，为高速飞行器通讯效能提供有力支撑。

2、本发明提供的技术方案如下：

3、一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，包括：

4、建立电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型，利用多组分多温度navier-stokes方程确定飞行环境条件下飞行器模型周围流场的电子密度，利用磁流体力学方程确定电磁波在等离子鞘套中的振幅信息；

5、将飞行器模型置于激波风洞试验段中，模拟飞行环境条件，获取激波风洞试验段中飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度；

6、采用电磁波发射系统的定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量；

7、将磁流体力学方程测定的电磁波振幅信息和navier-stokes方程测定的电子密度结果分别与风洞试验测试得到的飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度和电磁波振幅信息进行对比，验证理论模拟结果的正确性，如果结果不匹配，修改理论模型，检查风洞试验测量结果，直到相互匹配；

8、根据满足匹配性要求的电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型，确定等离子体鞘套电磁频段通信窗口，采用电磁波发射系统选择通信窗口内电磁频段，实施电磁波穿透试验模型表面等离子鞘套的测试。

9、根据本发明提供的一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，具有以下有益效果：

10、本发明提供的一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，利用大尺寸高焓激波风洞，在复现飞行环境条件下，通过采用不同波段的电磁波穿透试验模型表面的等离子鞘套，测量不同波段的电磁波在等离子体鞘套中的流场传输特性。本发明不仅仅能够研究不同波段的电磁波在模型不同部位的等离子体鞘套中的流场传输特性，还能够验证等离子鞘套对频率高于或者低于其频率电子波的低损通信特性，为高速飞行器通讯效能提供有力支撑。

技术特征：

1.一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述将飞行器模型置于激波风洞试验段中，模拟飞行环境条件，确定激波风洞试验段中飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度的步骤中，所述激波风洞的激波管末端驻室流场总温高于4000k。

3.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述将飞行器模型置于激波风洞试验段中，模拟飞行环境条件，确定激波风洞试验段中飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度的步骤中，采用静电探针或微波法确定激波风洞试验段中飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度。

4.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述采用电磁波发射系统的定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量的步骤中，所述电磁波发射系统包括本振源、电磁波信号源和定向发射天线，本振源用于提供本振信号和转发信号，其为0.01-10thz连续运转可调谐本振源；电磁波信号源用于产生电磁波信号；定向发射天线用于传输线中的高频电磁能转化为自由空间的电磁波。

5.根据权利要求4所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述采用定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量的步骤中，所述电磁波发射系统位于飞行器模型里面或者激波风洞试验段外。

6.根据权利要求5所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述采用定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量的步骤中，所述电磁波发射系统位于试验段外时，与电磁波接收系统位于试验段两侧，电磁波发射系统与电磁波接收系统均正对试验段两侧观测窗口。

7.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述采用定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量的步骤中，所述电磁波发射系统位于试验段外时，所述通过光路的预校准使电磁波空间传输方向垂直于试验段观测窗口，窗口材质为石英玻璃。

8.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述采用定向发射天线将电磁波耦合输出，通过电磁波接收系统的电磁波探测器对电磁波振幅信息进行测量的步骤中，电磁波接收系统包括依次连接的定向接收天线、电磁波探测器、信号处理系统和计算机终端；定向接收天线用于接受各种频率的信号；电磁波探测器用于捕捉和解析电磁波；信号处理系统用于电磁波信号转为数字信号；计算机终端用于分析和处理数字信号。

9.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述方法还包括：如果根据满足匹配性要求的电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型无法获得合适频段的通信窗口，在飞行器模型头部加装遥测天线，整个遥测天线伸出飞行器头部的激波层外，采用理论模型确定等离子体鞘套电磁频段通信窗口，实施电磁波穿透试验模型表面等离子鞘套的测试。

10.根据权利要求1所述的高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，其特征在于，所述方法还包括：对于再入飞行器或者吸气式高速飞行器，如果根据满足匹配性要求的电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型无法获得合适频段的通信窗口，或者飞行器模型头部无法加装遥测天线，在飞行器模型内部前缘外加电磁场，磁场强度为0.1t～2t，选用高于等离子体鞘套的电磁波工作频率。

技术总结
本发明提供了一种高焓激波风洞电磁波通讯测试方法，包括：建立电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型，确定飞行环境条件下飞行器模型周围流场的电子密度和电磁波在等离子鞘套中的振幅信息；获取激波风洞试验段中飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度和电磁波振幅信息；理论模型得到的电子密度结果和振幅信息分别与风洞试验测试得到的飞行器模型周围等离子鞘套的电子密度和电磁波振幅信息进行对比匹配，获得修正后的理论模型；根据满足匹配性要求的电磁波与等离子体鞘套相互作用理论模型，确定等离子体鞘套电磁频段通信窗口，采用电磁波发射系统选择通信窗口内电磁频段，实施电磁波穿透试验模型表面等离子鞘套的测试。

技术研发人员：谌君谋,杨伟,张建乡,熊春芳,梁浩天,周南思,邵中杰,姚大鹏,文帅,纪锋
受保护的技术使用者：中国航天空气动力技术研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17