临近空间高速目标等离子体电子密度高精度诊断研究

临近空间高速目标等离子体电子密度高精度诊断研究

近些年随着航空航天技术的发展,临近空间的开发越来越受到重视,临近空间不仅是高超声速飞行器的飞行走廊,而且还是航天器往返太空的必经之地。在临近空间,飞行器飞行速度较高,由于粘性和激波的作用,飞行器表面附近的空气分子会因为剧烈的热运动电离,形成电离气体(等离子体),电离气体附着在飞行器周围,形成所谓的等离子体鞘套。

等离子体鞘套中具有大量的粒子包括中性分子、带电自由粒子,其中带电自由粒子中包括自由离子和自由电子。自由电子对电磁的传播影响较大,对电磁波具有反射和散射作用,引发一系列电磁效应,使通信和探测信号产生畸变,导致信息系统特性发生改变,对高速飞行器的通信和探测造成严重影响。

地面模拟是研究临近空间高速目标等离子体的有效方法,临近空间高速目标等离子体电磁科学实验装置,正是在这种背景下产生的。电磁科学实验装置主要研究电磁波与等离子体的相互作用机理;高速飞行器通信异常问题;等离子体包覆下可靠的雷达探测问题等。

这些问题研究都需要可靠的电子密度数据。本文主要为电磁科学实验装置研制两种电子密度诊断系统:三道HCN干涉仪和静电探针系统,其中静电探针系统又分为快动探针系统和探针阵列系统。

干涉仪主要测量等离子体弦积分电子密度,快动探针测量电子密度的径向分布。第一章,简单介绍了电磁科学实验装置研制背景,电磁科学实验装置的研究目的、参数范围等。

并介绍了HCN干涉仪和静电探针国内外研究现状。第二章,详细介绍了HCN 干涉仪测量等离子体电子密度的物理基础,分析了中性分子和碰撞频率对干涉仪

测量的影响。

介绍了常见静电探针的原理,以及非理想状态下探针的修正理论。第三章,主要介绍了三道HCN干涉仪的研制,包括干涉仪波长的选择、干涉仪结构的选择、中频调制系统的选择及研制、光路设计、机械设计和探头选择等。

第四章,介绍了静电探针的研制,主要包括探针支架的设计。由于探针支架放在电测科学实验装置内部,探针工作在高温流场中,因此,我们使用ANSYS软件对探针做了应力和热分析,结果表明我们设计是合理有效的。

第五章主要是对HCN干涉仪和静电探针系统做了测试,首先使用wedge代替等离子体做了台面测试,测试结果与理论计算值比较发现两者符合一致。然后使用多凹腔组合式感应耦合等离子体测试HCN干涉仪和静电探针系统。

两者测量结果相符。最后对全文做了总结,以及对未来做了展望。