一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法

1.本发明属于临近空间环境地面模拟及诊断技术领域，特别是涉及一种临近空间高速目标等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法。


背景技术：

2.高超或再入飞行器在临近空间(20-100km)以超过5马赫以上的速度飞行时，由于气动飞行器头部与空气剧烈摩擦，加热效应会使周围空气进行电离，在飞行器表面形成一层等离子体鞘套，该等离子体鞘套是由大量的粒子，包括电子、离子及中性分子组成，其密度通常会超过10
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，高密度等离子体会对通讯用电磁波信号产生衰减，形成电磁通讯黑障现象，当雷达探测高速飞行器时，由于等离子体鞘套的存在会使返回信号减小甚至发生畸变。由于真实飞行试验数据需要付出昂贵的代价，因此迫切需要一种临近空间高速目标等离子体鞘套地面模拟技术及相关的电磁实验诊断方法。
3.目前公开报道的用于地面实验的临近空间高速目标等离子体鞘套地面模拟技术，其等离子体产生方式通常采用激波风洞/激波管、电弧风洞和高频感性耦合等离子体发生装置。其中采用风洞的原理主要是采用高压气体破膜的方式产生超高声速激波，压缩实验段内的气体从而产生高温等离子体，其电子密度可以达到10
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，但激波风洞稳定持续时间很短，一般为几毫秒至百毫秒，很难对飞行过程中的天线特性进行有效测量，同时很难长时间持续实验，使实验不具备连续性；而采用高频感性耦合等离子体方式(icp)产生的等离子体可长时间稳定运行，但受其产生机制影响，其电子密度通常很难达到10
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。同时由于感性耦合等离子体在产生过程中是受到耦合磁场驱动，在提高密度时会产生较强的趋肤效应，很难实现对覆盖目标的大面积包覆。此外，由于飞行器在真实飞行过程中会随飞行高度及飞行速度的不同，表面等离子体鞘套的几何形貌也不尽相同。这要求所研究覆盖的电磁波段需要具有极宽的波段，通常在mhz-ghz内变化。而目前公开报道的用于临近空间环境地面模拟电磁实验系统，其所研究的电磁波段通常为一至几十ghz，而对于低频条件下的(如mhz)信号通常不做考虑。


技术实现要素：

4.本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法，可实现高密度、强碰撞、亚波长、非均匀临近空间高速目标等离子体鞘套环境的地面模拟。
5.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置，它包括真空系统、微波暗室系统、等离子体束流发生系统、目标钝体系统、等离子体诊断系统、微波传输测量系统、第一多频天线组系统、第二多频天线组系统、振子天线组系统以及目标钝体运动支撑系统，所述等离子体束流发生系统与真空系统一端相连，所述目标钝体系统设置在微波暗室系统内部的目标钝体运动支撑系统上，所述目标钝体系统与等离子体束流发生系统位置等高且同心对位，所述目标钝体运动支撑系统设置在微波暗
室系统内部的导轨上，所述等离子体诊断系统包括氰化氢激光干涉仪、探针诊断机构和光谱诊断机构，所述氰化氢激光干涉仪和光谱诊断机构均通过真空系统上的石英观察窗进行光学诊断，探针诊断机构通过穿舱法兰与真空系统连接进行诊断，所述第一多频天线组系统放置在微波暗室微波内部的目标钝体运动支撑系统的运动导轨上，第二多频天线组系统通过穿舱吊装机构与真空系统相连，并伸入到微波暗室系统内部，所述振子天线组系统放置在微波暗室微波内部的目标钝体系统内部，所述微波传输测量系统与第一多频天线组系统、第二多频天线组系统及振子天线组系统相连。
6.更进一步的，所述真空系统为圆筒形真空罐体结构，真空罐体一端设置多级嵌套法兰，多级嵌套法兰与等离子体束流发生系统相连，真空罐体另一端设置封头法兰，封头法兰通过气缸卡钳与真空罐体密封，真空罐体顶部设置有天线吊装法兰，天线吊装法兰与第二多频天线组系统相连，真空罐体底部设置有抽气法兰，抽气法兰与真空泵组相连。
7.更进一步的，所述真空罐体表面开设有第一窗口组、第二窗口组和第三窗口组，第一窗口组与探针诊断机构相连，第二窗口组与氰化氢激光干涉仪相连，第三窗口组与光谱诊断机构相连。
8.更进一步的，所述真空系统内部设置有微波暗室骨架，所述微波暗室骨架上设置有连接底座，所述连接底座与目标钝体运动支撑系统相连。
9.更进一步的，所述等离子体束流发生系统包括阴级钨针、级联片、阳极盘、水冷系统和进气系统，所述阴级钨针穿过级联片后与阳极盘相连，进气系统中的气管连接柱和水冷系统中的水管连接柱与阳极盘和阴级钨针相连，所述阴级钨针和阳极盘与激励电源相连。
10.更进一步的，所述阴极钨针和阳极盘均为中空结构，所述气管连接柱和水管连接柱均为铜制结构，所述气管连接柱和水管连接柱与阳极盘和阴级钨针采过钎焊方式相连，所述激励电源采用直流驱动的形式。
11.更进一步的，所述目标钝体运动支撑系统包括平移机构、旋转机构和夹持机构，所述平移机构与旋转机构相连，所述旋转机构与夹持机构相连，所述目标钝体系统数量为三个，三个目标钝体系统沿夹持机构圆周方向均布，所述平移机构带动目标钝体系统径向平移，所述旋转机构带动目标钝体系统周向旋转。
12.更进一步的，所述目标钝体系统为陶瓷材质，所述等离子体束流发生系统的电子密度调节范围为10
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。
13.本发明提供了一种高密度、强碰撞、亚波长、非均匀临近空间高速目标等离子体鞘套环境地面模拟装置，以及开展相关研究所需的微波传输测量及等离子体诊断方法，它包括以下步骤：
14.步骤1：将目标模拟系统安装到目标钝体运动支撑系统上，将目标钝体运动支撑系统安装在微波暗室骨架上；
15.步骤2：将第一多频天线组系统安装在目标钝体运动支撑系统上，将振子天线组系统放置在目标钝体系统内，将目标钝体系统安装在微波暗室系统的目标钝体运动支撑系统上；
16.步骤3：将等离子体束流发生系统安装在多级嵌套法兰上；
17.步骤4：将微波暗室骨架推进真空系统内；
18.步骤5：将第二多频天线组系统由真空罐体顶部天线吊装法兰伸入到微波暗室骨架内；
19.步骤6：关闭封头法兰；
20.步骤7：打开真空泵组对真空系统内部抽真空，待真空系统内的气压低于10pa时，使中性气体进入到等离子体束流发生系统中；
21.步骤8：开启等离子体束流发生系统，中性气体被电离产生高密度等离子体；
22.步骤9：通过调整抽速及气体流速使工作背景气压达到实验所需；
23.步骤10：通过读取等离子体诊断系统得出的电子密度或通过微波传输测量系统对放电过程中的电磁信号进行诊断。
24.更进一步的，所述步骤9中实验所需工作背景气压为100pa～1000pa。
25.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有用于地面实验的临近空间高速目标等离子体鞘套环境地面模拟技术无法真实模拟的问题。本发明可以更真实地模拟临近空间高速目标周围形成的等离子体鞘套环境，以及在该环境开展信号传输、雷达探测等电磁实验。本发明用于模拟产生等离子体鞘套的等离子体源具有等离子体密度高、参数范围宽、几何尺寸范围宽(直径可达35cm，长度可达1.5m)、组分纯净且稳定可控等优点。所选取的工作气压、密度参数等均与真实飞行数据可比拟，可以更真实地模拟临近空间高速目标周围形成的等离子体鞘套，便于在地面开展信号传输、雷达探测以及等离子体与电磁波相互作用等电磁实验。
26.本发明能够模拟临近空间高速目标表面等离子体鞘套环境，并对其进行有效的鞘套等离子体参数诊断及电磁通信诊断。
27.本发明能够产生用于模拟高速目标表面等离子体鞘套的具有高密度、强碰撞频率的等离子体，其电子密度最高可达10
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，直径可达35cm，长度可达150cm且组分纯净，所含杂质小于10ppm。
28.本发明能够通过氰化氢激光干涉仪(hcn)及探针阵列实时诊断等离子体电子密度，进而通过反馈调节等离子体束流发生系统的参数，实现等离子体的连续稳定控制。
29.本发明能够实现等离子体电子密度非均匀性分布的调控，更真实地模拟临近空间高速目标表面形成的等离子体鞘套，以开展非均匀等离子体与电磁波的相互作用实验；
30.本发明降低了实验段背景电磁波反射，提高了电磁实验的可靠性，能够用于通信黑障的地面复现研究和等离子体包覆目标的电磁散射特性研究。
附图说明
31.图1为本发明所述的一种临近空间等离子体鞘套地面模拟装置结构示意图；
32.图2为本发明所述的真空系统结构示意图；
33.图3为本发明所述的真空系统内部结构示意图；
34.图4为本发明所述的真空系统内部俯视结构示意图；
35.图5为本发明所述的运动控制系统结构示意图。
36.1-真空系统，2-微波暗室系统，3-等离子体束流发生系统，4-目标钝体系统，5-等离子体诊断系统，6-微波传输测量系统，7-第一多频天线组系统，8-第二多频天线组系统，9-振子天线组系统，10-目标钝体运动支撑系统，11-多级嵌套法兰，12-封头法兰，13-天线
吊装法兰，14-抽气法兰，15-第一窗口组，16-第二窗口组，17-第三窗口组，18-微波暗室骨架，19-连接底座，20-平移机构，21-旋转机构，22-夹持机构。
具体实施方式
37.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。
38.参见图1-5说明本实施方式，一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置，它包括真空系统1、微波暗室系统2、等离子体束流发生系统3、目标钝体系统4、等离子体诊断系统5、微波传输测量系统6、第一多频天线组系统7、第二多频天线组系统8、振子天线组系统9以及目标钝体运动支撑系统10，所述等离子体束流发生系统3与真空系统1一端相连，所述目标钝体系统4设置在微波暗室系统2内部的目标钝体运动支撑系统10上，所述目标钝体系统4与等离子体束流发生系统3位置等高且同心对位，所述目标钝体运动支撑系统10设置在微波暗室系统2内部的导轨上，所述等离子体诊断系统5包括氰化氢激光干涉仪、探针诊断机构和光谱诊断机构，所述氰化氢激光干涉仪和光谱诊断机构均通过真空系统1上的石英观察窗进行光学诊断，探针诊断机构通过穿舱法兰与真空系统1连接进行诊断，所述第一多频天线组系统7放置在微波暗室微波2内部的目标钝体运动支撑系统10的运动导轨上，第二多频天线组系统8通过穿舱吊装机构与真空系统1相连，并伸入到微波暗室系统2内部，所述振子天线组系统9放置在微波暗室微波2内部的目标钝体系统4内部，所述微波传输测量系统6与第一多频天线组系统7、第二多频天线组系统8及振子天线组系统9相连。
39.本实施例真空系统1用于提供临近空间真空气压环境100pa～1000pa以及高密度等离子体束流产生的真空环境。等离子体束流发生系统3用于将中性气体电离产生高温等离子体，根据相对位置电子密度10
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可调。目标钝体系统4与高密度等离子体束流发生系统3共同形成临近空间高速目标等离子体鞘套。目标钝体运动支撑系统10用于调整目标钝体系统4与等离子体束流间的位置关系，从而改变目标钝体系统4表面的等离子体鞘套形貌。等离子体诊断系统5通过采用非浸入式氰化氢激光干涉仪hcn、探针诊断机构和光谱诊断机构三种诊断方式，共同对产生的等离子体鞘套进行有效诊断。微波传输测量系统6用于对电磁测量过程中发射和接收的电磁信号进行高效诊断。第一多频天线组系统7、第二多频天线组系统8、振子天线组系统9用于对电磁测量过程中收发天线进行传输。
40.真空系统1为两截直径为5m的圆筒形真空罐体结构，真空罐体一端设置多级嵌套法兰11，多级嵌套法兰1与等离子体束流发生系统3相连，真空罐体另一端设置封头法兰12，封头法兰12通过气缸卡钳与真空罐体密封，真空罐体顶部设置有300mm
×
2000mm的长条天线吊装法兰13，天线吊装法兰13与第二多频天线组系统8相连，用于进行电磁通信研究，真空罐体底部设置有抽气法兰14，抽气法兰14与真空泵组相连，用于真空获取。在真空罐体的第一截罐体上、中、下各有三个400mm
×
600mm对称设置的观察窗口，用于对放电的状态观察及等离子体电学及光学诊断，其中包括第一窗口组15、第二窗口组16和第三窗口组17，第一窗口组15与探针诊断机构相连，第二窗口组16与氰化氢激光干涉仪hcn相连，第三窗口组17与光谱诊断机构相连。第二截罐体顶部及罐体左右各有多种尺寸法兰，为后期预留，两截罐体采用焊接方式进行连接。真空系统1内部设置有微波暗室骨架18，微波暗室骨架18上骨架底部预留轨道并设置有连接底座19，连接底座19与目标钝体运动支撑系统10相连。
41.等离子体束流发生系统3包括阴级钨针、级联片、阳极盘、水冷系统和进气系统，阴级钨针穿过级联片后与阳极盘相连，进气系统中的气管连接柱和水冷系统中的水管连接柱与阳极盘和阴级钨针相连，阴级钨针和阳极盘与激励电源相连。阴极钨针和阳极盘均为中空结构，气管连接柱和水管连接柱均为铜制结构，气管连接柱和水管连接柱与阳极盘和阴级钨针采过钎焊方式相连，激励电源采用直流驱动的形式。将通入其中的中性气体电离从而产生洁净度高、等离子体密度高的等离子体，并通过中性气体流速、背景气压及电流大小共同实现对放电等离子体密度的调控。
42.目标钝体运动支撑系统10包括平移机构20、旋转机构21和夹持机构22，平移机构20与旋转机构21相连，旋转机构21与夹持机构22相连，目标钝体系统4数量为三个，三个目标钝体系统4沿夹持机构22圆周方向均布，平移机构20带动目标钝体系统4径向平移，旋转机构21带动目标钝体系统4周向旋转。通过目标钝体运动支撑系统10实现目标钝体系统4的平移和转动。目标钝体系统4为陶瓷材质，由特制的陶瓷烧制而成，使目标钝体系统4具有耐高温、高透波等特点。等离子体束流发生系统3的电子密度调节范围为10
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。
43.平移机构20包括底座、立柱、第一丝杠、第一导轨和真空伺服电机，底座上设置第一丝杠和第一导轨，立柱设置在第一导轨上并与第一丝杠相连，第一丝杠一端与真空伺服电机相连，立柱上端与旋转机构21相连，立柱被放置在第一导轨上，底座上安装有真空伺服电机和直线光栅尺，可以控制立柱整体径向平移，并控制移动距离。旋转机构21包括旋转板、固定座、旋转轴和旋转电机，固定座与平移机构20相连，旋转轴转动连接在固定座内部，旋转轴一端与旋转电机相连，另一端与旋转板相连，旋转板与连接板相连，旋转轴上设置有圆光栅尺，连接板中心设置有支撑柱，多个底板与支撑柱之间通过多个支撑板相连，夹持机构22包括连接板、下夹持板、上夹持板、底板和径向移动组件，连接板与旋转机构21相连，连接板沿周向均布有多个底板，每个底板上均设置有径向移动组件，径向移动组件与下夹持板相连，下夹持板上端与上夹持板相连，天线保护罩夹持在下夹持板与上夹持板之间，径向移动组件包括第二导轨、第二丝杠和步进电机，第二导轨和第二丝杠均设置在底板上，下夹持板设置在第二导轨上并与第二丝杠相连，第二丝杠一端与步进电机相连，底板数量为三个，三个底板互相呈120
°
设置，旋转机构21驱动夹持机构22顺时针或逆时针旋转120
°
用于更换不同的目标钝体系统4。径向移动组件用于控制目标钝体系统4的径向移动。下夹持板和上夹持板均为陶瓷材质，主要形状为两个半圆柱环，在下夹持板与上夹持板之间设置一个垫环起保护作用。
44.本实施例为一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置的电磁诊断方法，它包括以下步骤：
45.步骤1：将目标模拟系统4安装到目标钝体运动支撑系统10上，将目标钝体运动支撑系统10安装在微波暗室骨架18上；
46.步骤2：将第一多频天线组系统7安装在目标钝体运动支撑系统10上，将振子天线组系统9放置在目标钝体系统4内，将目标钝体系统4安装在微波暗室系统2的目标钝体运动支撑系统10上；
47.步骤3：将等离子体束流发生系统3安装在多级嵌套法兰11上；
48.步骤4：将微波暗室骨架18推进真空系统1内；
49.步骤5：将第二多频天线组系统8由真空罐体顶部天线吊装法兰13伸入到微波暗室
骨架18内；
50.步骤6：关闭封头法兰12；
51.步骤7：打开真空泵组对真空系统1内部抽真空，待真空系统1内的气压低于10pa时，使中性气体进入到等离子体束流发生系统3中；
52.步骤8：开启等离子体束流发生系统3，中性气体被电离产生高密度等离子体；
53.步骤9：通过调整抽速及气体流速使工作背景气压达到实验所需；
54.步骤10：通过读取等离子体诊断系统5得出的电子密度或通过微波传输测量系统6对放电过程中的电磁信号进行诊断。
55.步骤9中实验所需工作背景气压为100pa～1000pa。
56.以上对本发明所提供的一种临近空间等离子体鞘套环境地面模拟装置及诊断方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。