[发明专利]一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法

说明书

本发明提出一种实现高密度、强碰撞、亚波长、非均匀的临近空间等离子体鞘套地面模拟装置及微波传输测量和等离子体诊断方法，属于临近空间环境地面模拟及诊断技术领域。解决了现有用于地面实验的临近空间高速目标等离子体鞘套地面模拟技术无法真实模拟的问题。模拟装置包括等离子体束流发生系统与真空系统一端相连，所述目标钝体系统设置在微波暗室系统内部的目标钝体运动支撑系统上，所述目标钝体系统与等离子体束流发生系统位置等高且同心对位，所述目标钝体运动支撑系统设置在微波暗室系统内部的导轨上，所述等离子体诊断系统包括氰化氢激光干涉仪、探针诊断机构和光谱诊断机构。它主要用于临近空间等离子体鞘套地面模拟及电磁诊断。

技术领域

本发明属于临近空间环境地面模拟及诊断技术领域，特别是涉及一种临近空间高速目标等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法。

背景技术

高超或再入飞行器在临近空间(20-100km)以超过5马赫以上的速度飞行时，由于气动飞行器头部与空气剧烈摩擦，加热效应会使周围空气进行电离，在飞行器表面形成一层等离子体鞘套，该等离子体鞘套是由大量的粒子，包括电子、离子及中性分子组成，其密度通常会超过10¹⁸m^-3，高密度等离子体会对通讯用电磁波信号产生衰减，形成电磁通讯黑障现象，当雷达探测高速飞行器时，由于等离子体鞘套的存在会使返回信号减小甚至发生畸变。由于真实飞行试验数据需要付出昂贵的代价，因此迫切需要一种临近空间高速目标等离子体鞘套地面模拟技术及相关的电磁实验诊断方法。

目前公开报道的用于地面实验的临近空间高速目标等离子体鞘套地面模拟技术，其等离子体产生方式通常采用激波风洞/激波管、电弧风洞和高频感性耦合等离子体发生装置。其中采用风洞的原理主要是采用高压气体破膜的方式产生超高声速激波，压缩实验段内的气体从而产生高温等离子体，其电子密度可以达到10¹⁹m^-3，但激波风洞稳定持续时间很短，一般为几毫秒至百毫秒，很难对飞行过程中的天线特性进行有效测量，同时很难长时间持续实验，使实验不具备连续性；而采用高频感性耦合等离子体方式(ICP)产生的等离子体可长时间稳定运行，但受其产生机制影响，其电子密度通常很难达到10¹⁹m^-3。同时由于感性耦合等离子体在产生过程中是受到耦合磁场驱动，在提高密度时会产生较强的趋肤效应，很难实现对覆盖目标的大面积包覆。此外，由于飞行器在真实飞行过程中会随飞行高度及飞行速度的不同，表面等离子体鞘套的几何形貌也不尽相同。这要求所研究覆盖的电磁波段需要具有极宽的波段，通常在MHz-GHz内变化。而目前公开报道的用于临近空间环境地面模拟电磁实验系统，其所研究的电磁波段通常为一至几十GHz，而对于低频条件下的(如MHz)信号通常不做考虑。

发明内容

本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法，可实现高密度、强碰撞、亚波长、非均匀临近空间高速目标等离子体鞘套环境的地面模拟。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置，它包括真空系统、微波暗室系统、等离子体束流发生系统、目标钝体系统、等离子体诊断系统、微波传输测量系统、第一多频天线组系统、第二多频天线组系统、振子天线组系统以及目标钝体运动支撑系统，所述等离子体束流发生系统与真空系统一端相连，所述目标钝体系统设置在微波暗室系统内部的目标钝体运动支撑系统上，所述目标钝体系统与等离子体束流发生系统位置等高且同心对位，所述目标钝体运动支撑系统设置在微波暗室系统内部的导轨上，所述等离子体诊断系统包括氰化氢激光干涉仪、探针诊断机构和光谱诊断机构，所述氰化氢激光干涉仪和光谱诊断机构均通过真空系统上的石英观察窗进行光学诊断，探针诊断机构通过穿舱法兰与真空系统连接进行诊断，所述第一多频天线组系统放置在微波暗室微波内部的目标钝体运动支撑系统的运动导轨上，第二多频天线组系统通过穿舱吊装机构与真空系统相连，并伸入到微波暗室系统内部，所述振子天线组系统放置在微波暗室微波内部的目标钝体系统内部，所述微波传输测量系统与第一多频天线组系统、第二多频天线组系统及振子天线组系统相连。