第1章 绪论
临近空间飞行器高速飞行时，飞行器周围的气体分子会被激发电离，形成包覆飞行器的等离子体鞘套。等离子体鞘套中有中性粒子、正离子和自由电子，其中的带电粒子会对入射电磁波产生不容忽视的影响，严重时会出现所谓的“黑障”现象，目前已成为高速飞行器通信、导航、探测领域亟待解决的世界性难题。
1.1 高超声速目标等离子体鞘套
临近空间是指距地面20～100km的高空区域，包括大部分平流层、全部中间层和部分热层。以飞机为代表的航空器，其*高飞行高度一般低于20km，而以卫星为代表的轨道飞行器，其*低飞行高度为100km，因此临近空间介于卫星和航空平台之间，是高超声速飞行器的飞行走廊，而高超声速飞行器是开发临近空间的重要载体。临近空间高超声速飞行器主要包括高速运载器和高速打击武器两类。高速运载器能够全球快速到达，具有巨大的军事价值及潜在的商业价值，而高速打击武器作为一种潜在的新型战略进攻武器，具备实时路径规划和高突防能力，且无有效防御手段，已经成为各军事大国竞争的焦点。由于其巨大的商业价值和潜在的军事价值，近年来，以美国、俄罗斯、欧盟各国及日本为主的科技强国，在加大对临近空间经费投入的同时，也加快了对高速运载器和高速打击武器的研究步伐，竞争激烈的临近空间高超声速技术给国际战略平衡带来了极大的不稳定性。
临近空间高超声速飞行器是指在临近空间飞行且速度大于马赫数5的飞行器，是航空航天技术高度融合的产物，主要包括可重复使用的航天运载器、高超声速飞机（空天飞机）、太空作战飞行器等。当高超声速飞行器在临近空间飞行时，会与周围的空气产生剧烈摩擦，温度瞬间可达数千甚至上万摄氏度，飞行器周围的空气分子被高温激发电离，形成一层包覆于飞行器表面的等离子体鞘套，如图1.1所示。等离子体鞘套中包含大量的中性粒子、正离子和自由电子，其中带电粒子（主要为自由电子）会对入射其中的电磁波进行吸收、反射和散射，继而引发一系列电磁效应，使地面探测站与飞行器之间的通信/探测信号产生畸变，导致信息系统特性发生改变、目标探测异常等，严重时会产生“黑障”，即通信中断［1］。
图1.1 等离子体鞘套示意图[2，3]
等离子体鞘套流场变化本质上是一个极其复杂的动态随机过程，高超声速飞行器的加速度、姿态攻角、湍流/压力脉动、大气环境等因素的变化会引起等离子体流场随时间的随机抖动，表现为空间上的非均匀性和时间上的随机动态性。除此之外，飞行器表面涂敷材料经高温烧蚀产生的大量烧蚀颗粒会悬浮于等离子体鞘套中，形成尘埃等离子体，也称为复杂等离子体，这些都会对入射等离子体中的电磁波产生不容忽视的影响。
在空间上，等离子体鞘套的物理参数沿飞行器径向及轴向均具有明显的非均匀分布特征，同时伴随着4个数量级以上的大梯度变化。以钝锥飞行器为例，在与飞行器表面垂直方向10cm的厚度范围内，自由电子密度可从109 cm-3上升至1013 cm-3，碰撞频率可从10MHz上升至10GHz。因此，等离子体鞘套的空间分布特征总体上可概括为非均匀、大梯度、宽参数、高碰撞。
在时间上，等离子体鞘套的物理参数具有高动态性，即电磁参数随时间发生快速的随机抖动。一方面，由于飞行器的飞行参数及大气环境要素发生改变，电磁波在鞘套内部传播时经历直射、反射、绕射等过程，造成接收场强的大尺度衰落；另一方面，由于鞘套内部的湍流结构、激波边界层干扰等因素，使得接收场强发生小尺度衰落，且这些复杂的随机因素并非单独作用，它们之间还会紧密耦合引起更高阶的动态效应，*终使等离子体鞘套电磁参数呈现出高动态性。
在频率上，等离子体鞘套是一种具有色散效应的特殊介质，电磁波在等离子体中的传播速度随入射频率的变化而改变，磁化等离子还会表现出各向异性的色散效应。色散效应可导致天线和馈电系统的阻抗失配，使其产生大量的反射损耗，并降低天线的有效辐射能力，使天线方向图恶化。
1.2 等离子体鞘套研究历程
20世纪50～60年代，美国和苏联正处于激烈的载人航天竞争中，研究人员发现再入飞行器进入地球大气层后会与地面观测站发生数分钟的通信中断，即“黑障”现象。为解决这一问题，针对等离子体鞘套的产生、物理特征、与电磁波之间的相互作用及减缓“黑障”的方法，美国和苏联两国不仅进行了深入的理论研究，还开展了大量的持续性的试验研究。美国国家航空航天局（National Aeronautics and Space Administration， NASA）实施了一系列的高超声速飞行器测控实验［4］，比较著名的有无线电衰减测量（Radio Attenuation Measurements，RAM）计划、双子星计划（Gemini Program）、水星计划（Mercury Program）、阿波罗计划（Apollo Program）等。这些都属于*早期的“黑障”载飞试验，在这些项目的持续推动下，他们获得了大批宝贵数据，积累了大量的理论方法及技术储备。如图1.2所示，NASA对RAM-C的整个弹道过程都进行了详细的数据采集和分析［4］。
随着冷战的结束，美苏两个超级大国对高超声速飞行器技术的研究也逐渐进入了冷却期，直到20世纪90年代，在意识到高超声速飞行器技术的商业价值及潜在军事价值之后，美国又掀起了新一轮的高超声速飞行器研究热潮，进行了高超声速飞行试验（Hyper-X），制定了高超声速技术（Hy-Tech）计划及高超声速飞行（Hyfly）计划，并先后开展了X-43A、X-51A、HTV-2和X-37B 等多个型号飞行器的研制与飞行试验［57］，部分如图1.3所示。据报道，2020年3月19日22：30，美国海军和陆军联合，成功进行了“通用型高超声速滑翔体（C-HGB）”飞行试验，美国国防部表示，此次试验是美军高超声速武器研制的重要里程碑，将为高超声速武器部署奠定重要基础。由此可见，高超声速飞行器技术已成为新一轮航空航天及军事武器竞争的热点领域。
图1.2 RAM-C再入试验测量［4］
图1.3 高超声速飞行器示意图[6，7]
相比之下，我国在高超声速技术方面的研究起步较晚，20世纪80年代，考虑到国外临近空间高新技术的迅猛发展，同时为了有力支撑国家重大战略科技需求，国内许多研究院所也针对等离子体鞘套的“黑障”问题进行了深入的研究，填补了我国在高超声速技术领域的空白。近些年，我国对临近空间高超声速飞行器的研究高度重视，国内又掀起了等离子体鞘套下电磁特性及信息传输的研究热潮，经过一系列富有成效的工作，目前已经初步形成了较为系统的等离子体鞘套研究体系。
1.2.1 等离子体鞘套中的电磁波传播
等离子体鞘套中的电磁波传播及物理机理是研究等离子体鞘套下信息传输的基础，自*初观察到“黑障”现象以来，国内外诸多学者在这方面已经进行了大量的理论研究及测量实验。*为经典的是苏联科学家金兹堡对等离子体环境中电磁波传播的阐述［8］，在此理论基础上，其他学者对均匀/非均匀、磁化/非磁化、碰撞/无碰撞的空间非均匀等离子体环境中电磁波的传播进行了大量的仿真计算，采用的理论方法主要包括温采尔克劳迈斯勃立鲁英（Wentzel-Kramers-Brillouin，WKB）方法［9］、时域有限差分（finite difference time domain， FDTD）方法［10，11］、矩量法（method of moments， MoM）、有限元法（finite element method， FEM）[12]、传输矩阵法（transfer matrix method，TMM）等［13］。
近年来，对等离子体鞘套中电磁波传播的研究大多针对提升电磁计算方法的准确性、快速性及有效性，通过不断改进算法以更好地适应等离子体鞘套中的电磁波传播。例如，美国犹他大学的Samimi等提出将电流方程合并到Maxwell方程的时域有限差分形式中，该算法可显式地对方程求解，因此具有更快的计算速度［14］。该团队在此算法的基础上进行改进，于2019年提出用于解决空间非均匀等离子体中电磁波传播的三维随机时域有限差分法，该方法的计算效率远远高于蒙特卡罗法，可应用于等离子体鞘套或电离层中的电磁波传播计算［15］。
国内诸多团队在等离子体鞘套的电磁特性研究方面也取得了很好的成果，例如，北京理工大学的Li等提出将计算流体力学与计算电磁学耦合的多物理方法，在对纳维斯托克斯（Navier-Stokes，N-S）方程求解，得出等离子体鞘套电磁参数的基础上，采用辅助微分方程有限时域差分法分析了高功率微波在等离子体鞘套内的传播特征［16］。北京大学的Sha等通过求解N-S方程，建立了等离子体流场的电磁参数，并用矩量法对其电磁特性进行了研究［17］。Wang等针对影响等离子体鞘套动态性的烧蚀因素，给出了太赫兹频率下尘埃等离子体的色散介电常数，在验证了传播矩阵方法的有效性后，比较了有、无真空夹层的尘埃等离子体的传输特性［18］。Li等提出了一种新的时域方法来处理弱电离尘埃等离子体中的电磁波传播问题，并采用该方法对包覆金属钝锥飞行器的弱电离尘埃等离子体鞘套中的电磁波传播进行了仿真计算［19］。Zhang等建立了等离子体鞘套中宽带平面波传播的二维时域有限差分模型，并通过数值算例验证了该方法的有效性和准确性［20］。
高超声速等离子体鞘套与传统的等离子体介质不同，具有非均匀、宽参数、强碰撞及高动态等特征，在研究等离子体鞘套中的电磁波传播问题时，还需考虑这些独特的物理效应对电磁波传播的影响，使研究难度大幅增加。美国对这些特殊物理效应的研究起步较早，例如，早在1959年，Kistler等利用热线法测量了马赫数为1.72、3.56、4.7下的湍流体的流速和温度抖动［21］。1970年，Demetriades等提出了一种利用温度抖动导出电子密度抖动的方法，并指出真实的等离子体电子密度比用平均温度算出的电子密度大得多，且电子密度的抖动方差与平均值处于同一量级，并根据Kistler测量得到的温度抖动数据验证了这一结论［22］。同年，Fante提出了时变介质中的电磁波传播计算方法［23］。
自20世纪90年代以来，随着高超声速技术的进一步快速发展，人们对等离子体鞘套的复杂电磁效应也进行了大量的研究，如1993年，Kalluri等用WKB方法研究了电磁波在快速产生的磁化等离子体中的传播［24］。1999年，麻省理工学院的Ohler和密歇根大学的Gallimore等研究了动态时变等离子体使信号产生幅度和相位调制的物理机理［25］。2004年，Sagaut等研究发现，在2.3马赫数下，即使在非扰动边界层也存在很大的抖动［26］。2006年，Lin等认识到当等离子体鞘套边界层发生湍流时，等离子体的各项参数均是随时间变化的，这种时变等离子体会引起电磁波幅度和相位上的寄生调制［27］。同年，Trifkovic等研究了电磁波在时变等离子体介质中的非线性变换［28］。2009年，Kalluri等对时变等离子体介质中的比较恒等式进行了研究［29］。2010年，Schreyer等报道了德国斯图加特大学的研究人员在HMMS风洞通过恒温热线仪测得的2.5马赫数下流体的速度、电子密度变化规律与Kistler测得的结果较为吻合［30］。之后，Jandieri等针对磁化等离子体的湍流效应，采用微扰法分析了电子密度的涨落对电磁波相位的影响［31］。
近年来，等离子体鞘套的复杂电磁效应也引起了国内研究者的广泛关注，一些学者通过建立理论的时变模型，以模拟等离子体鞘套物理参数的随机抖动，并在此基础上对其电磁特征进行研究。例如，清华大学的He等基于等离子体鞘套中电子密度的bi-Guass模型，建立了电子密度随时间及空间变化的理论模型，并采用传输矩阵法对该模型的电磁波传播进行了研究［32］。清华大学的Lyu等基于等离子体鞘层信道的隐马尔可夫模型，分析了信道模型参数对等离子体鞘层信道中断
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