飛行器進入外太空后再次返回地球大氣層的過程稱為再入過程,再入過程中由于高速飛行器與空氣的強烈相互作用,表面形成一層等離子體鞘套。等離子體鞘套會造成電磁波的反射、折射、吸收等現(xiàn)象,干擾電磁信號傳輸,嚴重時會產(chǎn)生通信中斷的“黑障”現(xiàn)象。為了解決“黑障”問題,需要對存在等離子體鞘套時的再入體的電磁散射特性進行深入的研究和分析。等離子體與電磁波的作用非常復雜,一般沒有解析解,需要利用數(shù)值方法進行模擬計算,而通常的FDTD算法在速度和計算資源消耗上都具有缺陷,同時由于再入體的動態(tài)特性,使得計算過程尤為復雜。因此開發(fā)出一種計算速度快、消耗資源少和計算精確度高的動態(tài)算法具有重要意義。論文的主要工作如下:再入體的電磁散射特性分析部分,首先分析RAM-C縮比模型分別在高度為30km、50km,速度為12Ma、15Ma的四種組合的仿真結果。對四種狀態(tài)下的等離子體鞘套進行密度進行分析,發(fā)現(xiàn)隨著高度的增加密度降低厚度略微變化,隨著速度增大密度增大厚度增大。接著分析不同速度、高度、頻率以及極化對RCS的影響。分析1GHz的雙站曲線發(fā)現(xiàn)12Ma、15Ma的再入體RCS比無等離子體鞘套時的RCS要低,說明等離子體對電磁波具有一定的吸收作用。1GHz的單站曲線也表明這一結論,而在較大的速度15Ma情況下,某些角度的吸收更為明顯。對3GHz不同高度的單站曲線分析發(fā)現(xiàn)同速度下,30km的單站RCS比50km更低。在50km等離子體密度較低的情況下,RCS均出現(xiàn)比無等離子體覆蓋的更大的情況。從1GHz、3GHz、5GHz的雙站曲線的對比可以發(fā)現(xiàn)1GHz時等離子體對電磁波有很強的衰減作用,3GHz時該作用明顯減弱,而5GHz時等離子體反而會增大RCS。因為5GHz和3GHz頻率較大,大于等離子體頻率,吸收作用減弱。5GHz單站曲線表明等離子體密度集中的再入體尖端會對電磁波產(chǎn)生較強的吸收產(chǎn)生作用,RCS呈現(xiàn)小于無等離子體的情況。而非尖端部位吸收作用衰減,RCS由于體積效應反而增大。對比水平極化和垂直極化的雙站曲線可以看出同一模型下呈不同分布特征。5GHz水平極化和垂直極化曲單站曲線中小角度中對電磁波吸收強度的差異也表明再入體RCS與電磁波極化水平存在相關關系。最后綜合上述討論,再入體等離子體鞘套可以對電磁波產(chǎn)生吸收作用從而影響RCS,但是電磁波與等離子體鞘套的相互作用是復雜的物理過程不僅涵蓋對電磁波的吸收,并且受到多種因素影響。基于蒙特卡洛方法的快速動態(tài)算法部分,首先重點介紹了POMC算法的主要原理,用粒子模擬電磁波在等離子體中的穿透過程以及用物理光學法計算粒子在金屬表面的反射,結合蒙特卡洛思想多次計算上述過程將多粒子的RCS統(tǒng)計平均得到最終結果。然后用PO、SBR計算RAM-C模型驗證POMC算法在無等離子體目標計算時的準確性。POMC算法計算結果與多層等離子體平板的Feko軟件解和多層等離子體球的解析解差異較小,驗證了POMC算法具備計算等離子體覆蓋目標的電磁散射特性。POMC計算穩(wěn)態(tài)目標RAM-C的流場仿真模型,得到的雙站RCS曲線具備合理的物理解釋�？紤]到再入體的動態(tài)特性,在POMC算法的設計中加入了等離子體參數(shù)隨機擾動以及粗糙表面的仿真。文章給出了多層等離子體平板隨機擾動以及單層平板粗糙表面的仿真結果,與相關文獻中結果類似,驗證了POMC是可以進行動態(tài)仿真的算法。最后討論了算法可并行的特點,以此可以大幅縮短復雜目標的計算時間。
【學位單位】：南京大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2019
【中圖分類】：O441;V419.2
【部分圖文】：

南京大學碩士論文邐等離子體鞘套及電磁計算方法逡逑梯度大的分布狀態(tài)。逡逑（２）碰撞頻率強度、跨度大逡逑Ｓｗｉｆｔ等人在研宄等離子理論的基礎上得到如下結論：再入體等離子鞘套在逡逑靠近天線窗口的區(qū)域內(nèi)，碰撞頻率沿壁面法向的變化并不明顯，可以認為是均勻逡逑的，碰撞頻率的大小主要由環(huán)境的溫度決定。據(jù)此，Ｓｗｉｆｔ等計算了不同溫度假逡逑設條件下，碰撞頻率隨高度的變化情況，如圖２－１所示［４０］。逡逑１００００邋邐：邐逡逑

時間尺度的波動特性［４１］。逡逑２．４邋ＦＤＴＤ邋方法逡逑時域有限差分（ＦＤＴＤ）方法以Ｙｅｅ元胞（圖２－２）為空間電磁場離散單元，逡逑對電場及磁場的Ｅ和Ｈ分量在空間和時間上采取交替抽樣的離散方式，然后在逡逑時間軸上逐步推進求解空間電磁場。ＦＤＴＤ主要是利用一階中心差分近似和平均逡逑值近似對麥克斯韋方程組進行離散，在三維直角坐標系迭代一次的電磁場方程組逡逑如下：逡逑Ｅ＼邐冬逡逑￥「及逡逑＾Ｈｘ邋Ｅｚｉ逡逑Ｅｙ逡逑圖２－２邋Ｙｅｅ元胞示意圖逡逑１４逡逑

、、，１逡逑圖２－３導體表面電磁散射逡逑如圖２－３，對于自由空間的一個理想導體散射體，其上一面元在觀察點Ｐ逡逑所形成散射場，根據(jù)Ｓｔｒａｔｔ0ｎ－Ｃｈｕ［４３］方程，可以得到物理光學法遠區(qū)散射場：逡逑Ｅｓ邋＝邋－ｊ0）ｆｉｆｓｒＪｓ（ｒ＇）Ｇｄｎ０邐（２－２９）逡逑其中人00時為ｒ＇點的表面感應電流密度，隱含了相位信息，Ｇ是格林函數(shù)。逡逑物理光學法在求解目標散射特性時，做了以下三點假設：逡逑（１）

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本文編號：2821507