摘要
高超飞行器再入大气层期间，会形成包覆于飞行器表面的等离子体鞘套。等离子体鞘套对雷达信号具有衰减和延迟等不利影响，严重时会产生“黑障”现象。近些年，由于太赫兹波的高频性能以及太赫兹源的快速发展，太赫兹通信被认为是解决“黑障”问题的最具工程可行性方案之一。然而，目前太赫兹通信方案是基于特定的再入高度和飞行器开展理论研究所提出的，仍然具有一定的局限性;并且太赫兹波传输地面实验也有待于进一步开展以验证再入通信方案的可行性，针对以上问题开展研究对解决飞行器再入期间的“黑障”难题具有重要意义。论文在热化学非平衡下再入等离子体鞘套特性的研究基础上，数值分析再入高度、化学反应速率不确定性、飞行器类型对太赫兹波传输特性的影响，并对相关差异性机制进一步探索以提出对应的再入通信新方案。同时研制了大气压等离子体射流APPJ(Atmospheric pressure plasma jet)装置并搭建了太赫兹干涉THz-IF(Terahertz Interferometer)测试系统，开展了太赫兹波传输地面实验验证。取得的主要结果如下: (1)首先基于USim平台改进并编写了考虑热化学非平衡下的高超声速等离子体流动模型程序以求解再入等离子体鞘套特性，并且对热化学非平衡现象进行了分析。同时开展激波管实验以及与飞行数据的对比分别验证了碰撞频率经验公式和电子密度数据的准确性。基于以上等离子体鞘套特性的验证，进一步与太赫兹传输模型形成联合仿真，为后续动态再入等离子体鞘套中太赫兹波传输特性研究提供理论支持和数据验证。 (2)探究了化学反应速率不确定性以及不同再入高度对太赫兹波传输特性的影响。以不同再入高度为例推导了反应速率不确定性影响系数公式，定量分析了电离和非电离反应速率系数对等离子体鞘套特性和再入通信的影响,提出了通过表面催化作用降低NO(?)N+O非电离反应和电离反应速率以缓解“黑障”问题的新方案。通过不同再入高度下太赫兹传输特性研究进一步验证了该方案的普适性，同时确定适用于整个再入过程的太赫兹通信临界频率为0.33 THz,并为后续研究确定了衰减最为严重的再入高度为30 km。 (3)探究了不同类型飞行器对太赫兹波传输特性的影响以及差异性相关机制,并提出对应的外形优化方案。对30 km下不同类型飞行器的等离子体鞘套以及太赫兹波传输特性进行对比分析，并讨论了太赫兹衰减贡献机制的差异性。通过不同头部和尾部的影响研究提出了减小飞行器头部半径和尾部宽度这一具有普适性的外形优化方案，并进一步针对特定RAM C飞行器探索了外形半角对太赫兹衰减的影响并提出了减小RAM C飞行器半角的特定外形优化方案。 (4)研制了 APPJ地面装置并搭建了 THz-IF测试系统，开展了不同放电电压和针电极半径条件下APPJ地面装置中的等离子体环境以及太赫兹传输特性理论与实验研究。在APPJ装置中观测到与HIFIRE-5b以及RAM C飞行器匹配的再入等离子体鞘套环境以及相同的太赫兹波衰减贡献机制，验证了 APPJ装置以及THz-IF测试系统用于再入通信方案地面实验的可行性。 综上所述，本文通过引入热化学非平衡效应优化了高超等离子体流动模型,联合太赫兹传输模型系统研究了化学反应速率不确定性、再入高度、飞行器外形等对太赫兹波传输特性的影响，并搭建太赫兹干涉测试系统验证了 APPJ等离子体环境及其太赫兹衰减贡献机制与再入等离子体鞘套中的匹配性。研究结果为缓解“黑障”问题提供了潜在的工程技术方案，并为后续进一步针对这些方案的等离子射流型风洞地面实验验证提供了可行性依据。
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