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通过等离子鞘套的通信
我们希望获得能够与周围被等离子体鞘套包裹着的高超音速飞行器进行通信 的方法。为了能够进行远距离传播,携带信息的信号波必须是低频的,典型的为2GHz,等离子体鞘套对于这个频率电磁波是不透明的。我们的目的是利用等离子体的特性使得等离子体鞘套变得透明。
I. 引言
综合讨论
高超音速飞行器(8-15马赫)在平流层(海拔40-50km)飞行时会在周围形成等离子体鞘套。通常,等离子体频率为9GHz 对应的等离子体的电子密度n高达1018 m 3 。
1
2f方程(1)中, eL
2
f
方程(1)中, e
L
1.6
L
10
M
(1)
0
19 C (电子电荷);
0
8.85 10 12 CV 1m 1 (真空中
介电常数); M 9 10 31 kg(电子的质量)。因此低于9GHz 的电磁波是不能进入等
离子体的(能量大部分被反射)。直接穿过这样一个等离子体与飞行器进行通信是不可能的,因为适合通过大气层进行长距传播的电磁波的频率f要比远远小于这个频率。例如, 标准的用于导航卫星系统(包括GPS )的频率都小于2GHz ,对于GPS ,f=1.57542GHz。
因此,挑战就在于寻找能够维持与高超音速飞行器之间不间断的联系的方式。当此类飞行器是航天器时,至多两分钟的“黑障”阶段也是可以接受的,虽然我们不愿这种情况出现。但当此类飞行器是用于军事用途时,很显然,出于确定目标和快速中止的考虑, 保持和飞行器不间断的联系是必须做到的。
对于这个挑战,人们提出了许多对策,这些对策大体可以分为几种类别。第一种方法是通过使用远高于等离子体频率的信号进行通信,从而使等离子体失去作用。这种方法的困难之处在于这种信号在大气层中会发生严重的衰减和散射。第二种方法是利用频率为 100MHz 左右的低频信号进行通信,这种信号的波长大于等离子体鞘套的厚度(通常为1 米左右),从而达到等离子体的作用。但是这种方法会有很高的能量损耗和较低的信息传输速率,而且不能很好地被现行的标准所支持。第三种解决方法是破坏等离子体。一种途径是通过对飞行器的外形进行改造,例如,在飞行器的某点安装一个天线,从而将这个位置的等离子体移除
(浓度变薄)。另一种途径是通过喷射亲电子的物质或者喷射水滴来破坏等离子体。第三种 途径是利用强磁体来改变等离子体。这些解决方法需要付出很大的代价,因为这些方案在实 施的过程中必须将它们设计上实现相关功能的部件置于飞行器之中(加重了飞行器的负担)。然而,一些方案是可行和值得考虑的。例如,可以把天线安装在飞行器的锐前缘,这个位置 等离子体比较薄,只要保证这个锐前缘在足够长的飞行的时间内不被彻底烧毁就行。
第四种(也是我们最感兴趣的)方法是利用等离子体本身的特性去影响传输,这和柔道专 家所说的“以彼之道,还施彼身”具有相同的道理。一种想法是通过引入磁场来产生新的振
荡和传播模式。实际上,在磁场很强的情况下,拉莫尔频率f
Lmarmor
足够大,对应的等离子
体截止窗( f
Lmarmor
,max( f
L
))比较小,此时频率低于 f
Lmarmor
的电磁波可以穿过等离子
鞘套。但是引入的磁场需要对飞行器重新设计并且会额外增加飞行器的重量。第二种想法就
简单多了,它的目的是利用等离子体的非线性特性来使得信号能有效地通过等离子体鞘套
(也即等离子体鞘套对信号“透明”)。基于情况相似,接受飞行器上的信号和向飞行器发送信号都是可行的。我们先描述向飞行器发送信号的情况。如图Fig. 1所示,图为与飞行器垂
直的方向夹角为 、频率为 的低频入射波在入射到等离子体时的响应。
Fig. 1.
(z ) cos ,
L r
(0) 。如果等离子体鞘套的厚度等于 L R 1m ,信号频率为
L
f 2 GHz ,等离子体频率为 f
L
9 GHz ,那么 L 5 cm , R 95 cm 。
此响应有两个主要的特征。首先,在 z z
r
层会发生反射,这一点上的等离子体频率为
(z ) cos 。然而,信号的影响远远超越 z z
L r r
界面,也就是会达到 z 0 的共振
界面,对应的 L (0) ,朗缪尔振荡在此处被激发,产生大的横向和纵向的电场。共振界面可以看成一个天线。我们的任务就是找到一个能使z 0 处的共振界面(等效为天线)与
z R 处的飞行器表面上的接收器建立联系的方法。实现这一目的有几种方法,正如我们前面所概述的那样 1-。3
最实际的也是最简单的方法是Ref.1中首先提出的,但是论文中没有详细的数值模拟。我们利用机载源(也称之为激励源)来产生频率足够高的能穿透等离子体的电磁信号,电磁信
号频率为 p ( p max z L (z) )。这种源我们有一些选择,例如,市
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