電磁波與環(huán)境等離子體的相互作用是電磁場(chǎng)理論和等離子體物理的基本問(wèn)題之一,是電氣工程和等離子體物理的跨學(xué)科交叉應(yīng)用,具有普遍性的科學(xué)意義,并直接影響著國(guó)民經(jīng)濟(jì)、科技進(jìn)步、日常生活的方方面面。本文依托哈爾濱工業(yè)大學(xué)牽頭建設(shè)的國(guó)家大科學(xué)工程“空間環(huán)境地面模擬裝置”,針對(duì)大科學(xué)工程最為關(guān)注的國(guó)防和空間探索需求,研究了兩種典型等離子體環(huán)境與電磁波的相互作用,分別是:高密度、強(qiáng)碰撞的“黑障”等離子體,和低密度、(幾乎)無(wú)碰撞的磁層等離子體。這兩種等離子體處于參數(shù)空間的不同邊界,理論上具有很強(qiáng)的代表性。射頻電磁波同“黑障”等離子體環(huán)境的相互作用是解決臨近空間高超音速飛行器通訊“黑障”現(xiàn)象的關(guān)鍵物理問(wèn)題,而近地空間等離子體環(huán)境中電磁擾動(dòng)的激發(fā)和傳播則關(guān)系到人造航天器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)和通訊安全。因此,電磁波同臨近/近地空間中環(huán)境等離子體的相互作用與國(guó)防安全和人們的生活息息相關(guān),具有重要的理論價(jià)值和實(shí)際意義。本文從公開(kāi)的飛行和地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬結(jié)果出發(fā),分析和討論“黑障”等離子體環(huán)境的參數(shù)特征�；谶@些特征,做出一系列“黑障”等離子體假設(shè),建立“黑障”等離子體的雙流體模型,進(jìn)而將射頻電磁波與“黑障”等離子體鞘套的相互作用抽象為電小偶極天線與亞波長(zhǎng)等離子體薄層的相互作用,并建立了完整的數(shù)值模型。參考地面實(shí)驗(yàn)參數(shù),在典型工況下對(duì)電小偶極天線同亞波長(zhǎng)等離子體薄層的相互作用進(jìn)行數(shù)值模擬,得到了與實(shí)驗(yàn)相一致的結(jié)果,驗(yàn)證了該模型的正確性和可靠性。通過(guò)分析模擬結(jié)果,給出電小偶極天線與等離子體鞘套相互作用的物理圖像,并提出一種基于天線匹配層的電磁輻射增強(qiáng)方案。數(shù)值模擬結(jié)果表明,這種新的解決方案有望通過(guò)改善高超音速飛行器機(jī)載天線的匹配狀況,增強(qiáng)電磁輻射穿透“黑障”等離子體鞘套的能力。結(jié)合電控可變介電常數(shù)的超材料,該方法對(duì)“黑障”等離子體環(huán)境的參數(shù)變化具有一定的適應(yīng)性,能夠方便地進(jìn)行自適應(yīng)控制。針對(duì)地球磁層中離子伯恩斯坦波同時(shí)涉及電子和質(zhì)子動(dòng)力學(xué),時(shí)間和空間跨度比較大,難于進(jìn)行理論求解和數(shù)值計(jì)算的問(wèn)題,運(yùn)用電子回旋動(dòng)理學(xué)離子全動(dòng)理學(xué)(Gyro-kinetic electron and Fully kinetic Ion,Ge Fi)方法對(duì)其進(jìn)行研究,從而解決了線性色散關(guān)系求解器需要手工調(diào)參和全動(dòng)理學(xué)計(jì)算效率較低的問(wèn)題。通過(guò)在簡(jiǎn)化速度和質(zhì)量比的情況下對(duì)線性色散關(guān)系求解器、全動(dòng)理學(xué)模擬和Ge Fi模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證Ge Fi模型在研究地球磁層中離子伯恩斯坦波激發(fā)方面的能力。并通過(guò)進(jìn)一步提高質(zhì)量和速度比,確認(rèn)線性理論對(duì)不穩(wěn)定性線性增長(zhǎng)率的預(yù)測(cè)。充分發(fā)揮Ge Fi在高質(zhì)量和速度比方面的優(yōu)勢(shì),揭示了離子伯恩斯坦不穩(wěn)定性在非線性階段的演化行為,而常用的線性理論和全動(dòng)力學(xué)模擬是無(wú)法處理這一問(wèn)題的。最后,針對(duì)離子伯恩斯坦不穩(wěn)定性在大規(guī)模參數(shù)掃描中線性增長(zhǎng)率診斷的需求,將二維非線性Ge Fi模擬進(jìn)一步簡(jiǎn)化,提出一種通過(guò)一維線性擾動(dòng)動(dòng)理學(xué)模擬研究不穩(wěn)定性線性增長(zhǎng)率的自動(dòng)化方法,并對(duì)比線性色散關(guān)系求解器得到的線性增長(zhǎng)率和從線性擾動(dòng)動(dòng)理學(xué)模擬中診斷出的線性增長(zhǎng)率。結(jié)果表明,新的線性增長(zhǎng)率診斷方法準(zhǔn)確度很高,并且計(jì)算量大大減小,對(duì)離子伯恩斯不穩(wěn)定性而言是一種非常有效的研究手段。最后,通過(guò)應(yīng)用這種方法得到離子伯恩斯坦波線性增長(zhǎng)率對(duì)磁層環(huán)境等離子體中熱離子分布函數(shù)的依賴。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：O441.4;O53
【部分圖文】：

第 1 章 緒 論第 1 章 緒 論1.1 課題背景及研究目的和意義等離子體是包含足夠數(shù)量的非束縛態(tài)基本相互作用荷（比如電荷）的多粒子體系，被稱作物質(zhì)的第四態(tài)。地球大氣以外宇宙空間之中有 90% 以上的可見(jiàn)物質(zhì)是以等離子體的形態(tài)存在的。在地球大氣中有電離層等離子體，在近地空間中有磁層等離子體，在日地空間中有太陽(yáng)風(fēng)等離子體，就連太陽(yáng)本身也是等離子體。這些環(huán)境等離子體組成了人類賴以生存的空間環(huán)境。

圖 1-2 Messiaen 的試驗(yàn)裝置示意圖[20]Fig.1-2 Schematic diagram of the experiment device used by Messiae體不存在時(shí)的 20 倍左右，輻射功率增益達(dá)到 400 倍。根據(jù)輻射電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)等離子體頻率于天線工作頻率 12，即此時(shí)天線工作頻率低于電子等離子體頻率，但電體鞘套，并獲得了增益，因此我們稱之為“反�！痹鲆娆F(xiàn)

圖 1-2 Messiaen 的試驗(yàn)裝置示意圖[20]Fig.1-2 Schematic diagram of the experiment device used by Messiaen子體不存在時(shí)的 20 倍左右，輻射功率增益達(dá)到 400 倍。根據(jù) M，輻射電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到最大值時(shí)等離子體頻率于天線工作頻率比約為 12，即此時(shí)天線工作頻率低于電子等離子體頻率，但電磁輻子體鞘套，并獲得了增益，因此我們稱之為“反常”增益現(xiàn)象。

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本文編號(hào)：2815241