一種緩解航天器通信黑障的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明屬于緩解通信黑障領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)航天器在大氣層中再入高速飛行時(shí)，頭部產(chǎn)生的激波會(huì)將航天器動(dòng)能的一部分轉(zhuǎn)化為周圍氣體的熱能，而且周圍氣體分子呈粘滯狀態(tài)，熱量不易散發(fā)，從而會(huì)使航天器周圍形成一個(gè)溫度達(dá)幾千攝氏度的高溫區(qū)。高溫區(qū)內(nèi)的氣體和航天器表面材料的分子被分解和電離后形成等離子體鞘套，完全包裹著航天器，能夠吸收和反射電磁波，使航天器與地面指揮站或衛(wèi)星之間的通訊信號(hào)受到嚴(yán)重干擾甚至中斷，這種現(xiàn)象被稱為通信黑障。
[0003]通信黑障期形成的等離子體鞘套具有高密度、強(qiáng)碰撞、強(qiáng)非均勻和弱電離的特點(diǎn)，電磁波在其中傳播的物理圖像是:當(dāng)入射電磁波的頻率低于等離子體振蕩頻率時(shí)，電磁波會(huì)被等離子體鞘套反射；當(dāng)入射電磁波的頻率高于等離子體振蕩頻率時(shí)，電磁波被等離子體吸收。所以，在航天器表面等離子體鞘套的參數(shù)范圍內(nèi)，不論電磁波的頻率是低于還是高于等離子體振蕩頻率，均不能實(shí)現(xiàn)電磁波的順利傳播。
[0004]本方法對(duì)緩解航天器再入大氣層過(guò)程中的通信保障研究具有重要意義，目前深空探測(cè)中某些行星大氣層再入著陸任務(wù)的實(shí)施，需要及時(shí)獲得遙測(cè)數(shù)據(jù)以便對(duì)可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)判和處理，由于世界各國(guó)爭(zhēng)相進(jìn)行空間的探索及開(kāi)發(fā)，因此通訊黑障的緩解技術(shù)研究相比以往顯得更加重要與緊迫。
[0005]目前緩解航天器通信黑障的方法主要分為兩類一一被動(dòng)法和主動(dòng)法。被動(dòng)法通過(guò)設(shè)計(jì)航天器的結(jié)構(gòu)來(lái)減小等離子體鞘套對(duì)通信電磁波的影響，比如氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、提高電磁波入射頻率與發(fā)射功率；主動(dòng)法通過(guò)操控天線附近的等離子體狀態(tài)及電子密度實(shí)現(xiàn)電磁波通信，有親電子物質(zhì)注入、穩(wěn)態(tài)磁窗、引入交叉電磁場(chǎng)的方法等。在這些方法中，具有應(yīng)用前景主要是親電子物質(zhì)注入、穩(wěn)態(tài)磁窗及引入交叉電磁場(chǎng)的方法。
[0006]制約親電子物質(zhì)注入法的技術(shù)因素主要是系統(tǒng)重量大，航天器有效載荷小，注入對(duì)航天器空氣動(dòng)力學(xué)特性影響較大，使得飛行控制精度下降。相比于親電子物質(zhì)注入，穩(wěn)態(tài)磁窗法及引入交叉電磁場(chǎng)的方法對(duì)航天器空氣動(dòng)力學(xué)特性影響較小，但這兩種方法所采用的電磁場(chǎng)是靜態(tài)恒溫電磁場(chǎng)，由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)量值都較大，因此導(dǎo)致電源功率增大，系統(tǒng)重量增加，航天器有效載荷減小。此外，磁場(chǎng)的產(chǎn)生方式也是重要因素，不管采用電磁線圈、永磁體或超導(dǎo)磁體，都有各自的技術(shù)制約，比如永磁體穩(wěn)定性較差且其形成的磁場(chǎng)很難隨等離子體參數(shù)的變化做出調(diào)整，超導(dǎo)磁體需要杜瓦瓶降溫等?？傊?，系統(tǒng)的重量、體積以及可靠性問(wèn)題仍是這些方法所面對(duì)的核心技術(shù)限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有緩解通信黒障的方法中存在的系統(tǒng)重量大、電能需求大以及航天器測(cè)控可靠性低的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種緩解航天器通信黑障的方法。
[0008]一種緩解航天器通信黑障的方法，該方法是基于可控脈沖電源系統(tǒng)、脈沖磁體和本機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)的，該方法的具體過(guò)程為:通過(guò)本機(jī)控制器控制可控脈沖電源系統(tǒng)給脈沖磁體提供脈沖電流，使脈沖磁體在數(shù)毫秒量級(jí)產(chǎn)生1T以上的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將航天器天線周圍的電子磁化，產(chǎn)生磁凍結(jié)效應(yīng)，從而形成電磁波穿過(guò)等離子體鞘套的窗口，緩解航天器的通信黑障。
[0009]所述的脈沖磁體為具有多層銅導(dǎo)體的圓筒型結(jié)構(gòu)；
[0010]可控脈沖電源系統(tǒng)包括蓄電池組、主放電開(kāi)關(guān)、1號(hào)均流可調(diào)電阻、1號(hào)熔斷器、2號(hào)熔斷器、直流斷路器、續(xù)流二極管、續(xù)流電阻、脈沖磁體、換流開(kāi)關(guān)、換流電感、換流電阻和換流電容；
[0011 ] 蓄電池組的負(fù)極接電源地，其正極同時(shí)與主放電開(kāi)關(guān)電輸入端和換流電容的一端連接，主放電開(kāi)關(guān)的電輸出端與1號(hào)均流可調(diào)電阻的一端連接，1號(hào)均流可調(diào)電阻的另一端與1號(hào)熔斷器的一端連接，1號(hào)熔斷器的另一端同時(shí)與2號(hào)熔斷器的一端和換流開(kāi)關(guān)的電輸出端連接，2號(hào)熔斷器的另一端與直流斷路器的一端連接，直流斷路器的另一端同時(shí)與續(xù)流二極管的陰極和脈沖磁體的一端連接，續(xù)流二極管的陽(yáng)極與續(xù)流電阻的一端連接，續(xù)流電阻的另一端和脈沖磁體的另一端同時(shí)接電源地；換流電容的另一端與換流電阻的一端連接，換流電阻的另一端與換流電感的一端連接，換流電感的另一端與換流開(kāi)關(guān)的電輸入端連接；
[0012]本機(jī)控制器的主控制信號(hào)輸出端與主放電開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)輸入端連接，
[0013]本機(jī)控制器的換流控制信號(hào)輸出端與換流開(kāi)關(guān)的控制信號(hào)輸入端連接，
[0014]本機(jī)控制器的斷路控制信號(hào)輸出端與直流斷路器的控制信號(hào)輸入端連接，
[0015]所述的通過(guò)可控脈沖電源系統(tǒng)給脈沖磁體提供脈沖電流的過(guò)程為:首先，通過(guò)本機(jī)控制器控制主放電開(kāi)關(guān)導(dǎo)通、換流開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，通過(guò)蓄電池組向脈沖磁體放電，脈沖磁體中產(chǎn)生脈沖電流進(jìn)而產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，待在一個(gè)脈沖周期內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖磁場(chǎng)后，通過(guò)本機(jī)控制器控制主放電開(kāi)關(guān)關(guān)斷，此后脈沖磁體產(chǎn)生的脈沖電流經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管續(xù)流，脈沖磁場(chǎng)能量消耗在續(xù)流電阻和脈沖磁體的電阻上，脈沖磁場(chǎng)減小為零。
[0016]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種緩解航天器通信黑障的方法一一高功率脈沖磁窗，脈沖磁窗在數(shù)暈秒量級(jí)產(chǎn)生1T以上的強(qiáng)磁場(chǎng)，在脈沖持續(xù)的短時(shí)間內(nèi)將電子磁化，滿足“磁凍結(jié)”的條件，同時(shí)利用磁壓將等離子體推開(kāi)以降低天線附近的電子密度，也降低了電子——中性粒子的碰撞頻率，從而形成電磁波可以順利穿過(guò)等離子體鞘套的窗口。
[0017]更進(jìn)一步地，在本技術(shù)方案中，脈沖磁窗提供的脈沖形態(tài)、磁場(chǎng)強(qiáng)度和位形均可隨等離子體鞘套參數(shù)的變化而進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，以滿足航天器不同高度處的通信需求。
[0018]更進(jìn)一步地，在本技術(shù)方案中，脈沖磁窗可以在一套脈沖電源的控制下，分時(shí)在不同天線(如GPS信號(hào)天線、音頻信號(hào)天線、遙測(cè)信號(hào)天線)處激發(fā)所需的脈沖磁場(chǎng)。
[0019]本發(fā)明帶來(lái)的有益效果是:(1)由于強(qiáng)磁場(chǎng)采取脈沖形態(tài)，系統(tǒng)的總重量和體積減小，航天器的有效載荷增加。(2)高功率脈沖磁窗所產(chǎn)生的脈沖磁場(chǎng)可以隨等離子鞘套參數(shù)的變化進(jìn)行反饋調(diào)節(jié)，增加了系統(tǒng)的靈活性，提高了電能的利用率。⑶由于脈沖磁場(chǎng)在短時(shí)間內(nèi)作用，通過(guò)合理布置通信天線的位置、對(duì)航天器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可使得該方法對(duì)航天器的空氣動(dòng)力學(xué)特性影響較小，提高了航天器測(cè)控的可靠性。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為航天器表面形成的等離子體鞘套與可控脈沖電源系統(tǒng)和脈沖磁體的相對(duì)位置關(guān)系；附圖標(biāo)記15表示航天器表面形成的等離子體鞘套；
[0021]圖2為本發(fā)明所述的基于可控脈沖電源系統(tǒng)和脈沖磁體的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖3為【具體實(shí)施方式】五所述的脈沖磁體的軸向剖視圖；
[0023]圖4為脈沖磁體中心脈沖磁場(chǎng)波形圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]【具體實(shí)施方式】一:參見(jiàn)圖1和2說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的一種緩解航天器通信黑障的方法，該方法是基于可控脈沖電源系統(tǒng)、脈沖磁體9和本機(jī)控制器14實(shí)現(xiàn)的，該方法的具體過(guò)程為:通過(guò)本機(jī)控制器14控制可控脈沖電源系統(tǒng)給脈沖磁體9提供脈沖電流，使脈沖磁體9在數(shù)毫秒量級(jí)產(chǎn)生1T以上的磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)將航天器天線周圍的電子磁化，產(chǎn)生磁凍結(jié)效應(yīng)，從而形成電磁波穿過(guò)等離子體鞘套的窗口，緩解航天器的通信黑障。
[0025]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種緩解航天器通信黑障的方法的區(qū)別在于，所述的脈沖磁體9為具有多層銅導(dǎo)體的圓筒型結(jié)構(gòu)；
[0026]可控脈沖電源系統(tǒng)包括蓄電池組1、主放電開(kāi)關(guān)2、1號(hào)均流可調(diào)電阻3、1號(hào)熔斷器4、2號(hào)熔斷器5、直流斷路器6、續(xù)流二極管7、續(xù)流電阻8、脈沖磁體9、換流開(kāi)關(guān)10、換流電感11、換流電阻12和換流電容13 ;
[0027]蓄電池組1的負(fù)極接電源地，其正極同時(shí)與主放電開(kāi)關(guān)2電輸入端和換流電容13的一端連接，主放電開(kāi)關(guān)2的電輸出端與1號(hào)均流可調(diào)電阻3的一端連接，1號(hào)均流可調(diào)電阻3的另一端與1號(hào)熔斷器4的一端連接，1號(hào)熔斷器4的另一端同時(shí)與2號(hào)熔斷器5的一端和換流開(kāi)關(guān)10的電輸出端連接，2號(hào)熔斷器5的另一端與直流斷路器6的一端連接，直流斷路器6的另一端同時(shí)與續(xù)流二極管7的陰極和脈沖磁體9的一端連接，續(xù)流二極管7的陽(yáng)極與續(xù)流電阻8的一端連接，續(xù)流電阻8的另一端和脈沖磁體9的另一端同時(shí)接電源地；換流電容13的另一端與換流電阻12的一端連接，換流電阻12的另一端與換流電感11的一端連接，換流電感11的另一端與換流開(kāi)關(guān)10的電輸入端連接；
[0028]本機(jī)控制器14的主控制信號(hào)輸出端與主放電開(kāi)關(guān)2的控制信號(hào)輸入端連接，
[0029]本機(jī)控制器14的換流控制信號(hào)輸出端與換流開(kāi)關(guān)10的控制信號(hào)輸入端連接，
[0030]本機(jī)控制器14的斷路控制信號(hào)輸出端與直流斷路器6的控制信號(hào)輸入端連接，
[0031]所述的通過(guò)可控脈沖電源系統(tǒng)給脈沖磁體9提供脈沖電流的過(guò)程為:首先，通過(guò)本機(jī)控制器14控制主放電開(kāi)關(guān)2導(dǎo)通、換流開(kāi)關(guān)10斷開(kāi)，通過(guò)蓄電池組1向脈沖磁體9放電，脈沖磁體9中產(chǎn)生脈沖電流進(jìn)而產(chǎn)生脈沖磁場(chǎng)，待在一個(gè)脈沖周期內(nèi)產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖磁場(chǎng)后，通過(guò)本機(jī)控制器14控制主放電開(kāi)關(guān)2關(guān)斷，此后脈沖磁體9產(chǎn)生的脈沖電流經(jīng)過(guò)續(xù)流二極管7續(xù)流，脈沖磁場(chǎng)能量消耗在續(xù)流電阻8和脈沖磁體9的電阻上，脈沖磁場(chǎng)減小為零。
[0032]【具體實(shí)施方式】三:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一所述的一種緩解航天器通信黑障的方法的區(qū)別在于，所述的通過(guò)可控脈沖電源系統(tǒng)給脈沖磁體提供的脈沖電流峰值為5000A，脈沖磁體中心產(chǎn)生磁場(chǎng)的峰值為5T，脈沖磁場(chǎng)的上升時(shí)間、峰值持續(xù)時(shí)間、下降時(shí)間分別為 4ms，2ms，4ms。
[0033]【具體實(shí)施方式】四:參見(jiàn)圖3說(shuō)明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】二所述的一種緩解航天器通信黑障的方法的區(qū)別在于，所述的脈沖磁體9為具有多層銅導(dǎo)體的圓筒型結(jié)構(gòu)，多層銅導(dǎo)體位于圓筒型結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁與外側(cè)壁之間，多層銅導(dǎo)體同軸且沿圓筒型結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)壁至外側(cè)壁方向依次排列，每層銅導(dǎo)體均包括多根導(dǎo)體線圈，每根導(dǎo)體線圈為1匝，每根導(dǎo)體線圈的橫截面為矩形結(jié)構(gòu)。
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