48km以上黑障区电磁波的趋肤深度分析

马玉峰 叶文慧

摘 要：空间飞行器返回大气过程中，降落至距离地面100km到48km处时会在表面形成一个复杂多变的等离子鞘套，这个等离子鞘套对电磁波的传播具有很大的衰减作用，对地面站与空间飞行器的电磁波通信产生不利的影响。本文从等离子鞘套具有近似金属的导电性的角度，通过分析电磁波在不同高度处的等离子鞘套内传播的趋肤深度，进而分析空间飞行器返回大气降落过程电磁波频率变化对克服通信黑障问题的影响。

关键词：通信黑障 电磁波 趋肤深度

中图分类号：V219 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（a）-0006-02

自从发现空间飞行器通信黑障现象以来，人们就对如何克服通信黑障问题进行了大量研究。经过反复的地面模拟实验和飞行实验，研究者们发现在返回大气降落过程中空间飞行器表面会形成一个等离子体鞘套，这个鞘套对电磁波传播具有较大衰减作用，从而产生通信黑障现象，对航天任务造成不利影响。因为48km以上黑障区的等离子鞘套具有近似金属的导电性，所以，本文考虑从电磁波传播趋肤深度的角度，分析电磁波在不同高度处等离子鞘套中的传播特性，为克服空间飞行器通信黑障问题提供了理论参考。

1 48km以上黑障区等离子鞘套内电磁波的趋肤深度

当空间飞行器降落至距离地面100km到48km的黑障区时，因表面的冲激波、飞行器与大气摩擦产生的高热能和表面防烧蚀材料的化学电离，在其表面形成等离子鞘套[1]。因此可以知道等离子鞘套是由大气电离和防烧蚀材料化学电离产生的大量电子、正负离子和中性粒子组成的，故它具有类似金属的良好导电性。因为电磁波穿过导电物质具有趋肤效应，所以通过计算电磁波在等离子鞘套中的趋肤深度，可以了解電磁波在等离子鞘套的传播情况。一般情况下，电磁波垂直入射到良导体表面时，其趋肤深度δ均可以表示为[2]：

2 实验结果及分析

本文根据美国国家航空航天局（NASA）在1970年进行的RAM C-Ⅲ飞行实验[4]中取得的飞行器表面等离子鞘套介质特性数据，如表1所示。根据这些等离子鞘套介质特性数据，对48km以上黑障区电磁波在均匀等离子鞘套中的趋肤深度进行实验分析，结果如图1所示。

由图1可以看出，空间飞行器距地面76km时，其表面等离子鞘套内部电子密度较小，所以此处电磁波在等离子鞘套中传播的趋肤深度明显比62km和53km处的趋肤深度大。而在62km和53km处时，等离子鞘套内电子密度变化不大，但是53km处电子碰撞频率明显增加，所以53km处的趋肤深度反而比62km处的趋肤深度大。当空间飞行器处于48km以上黑障区时，电磁波在其表面等离子鞘套内传播的趋肤深度主要受到电子密度和碰撞频率的影响，当等离子鞘套内的电子密度增加时，电磁波传播的趋肤深度减小，电磁波较难穿透等离子鞘套；当等离子鞘套内的电子碰撞频率增加时，电磁波传播的趋肤深度增加，电磁波更易穿透等离子鞘套。而且电磁波频率的增加也会使电磁波传播的趋肤深度增加，电磁波更易穿透等离子鞘套。

3 结语

本文根据空间飞行器表面的等离子鞘套具有类似金属的良好导电性，对电磁波在48km以上黑障区均匀等离子鞘套中传播的趋肤深度进行了计算。计算结果表明，当空间飞行器返回大气降落至距地面100km到48km高度处时，电磁波在均匀等离子鞘套中传播的趋肤深度主要受到等离子鞘套电子密度和碰撞频率的影响，当电磁波频率增加时，电磁波在均匀等离子鞘套传播的趋肤深度增加，电磁波较易穿透等离子鞘套。但是空间飞行器表面的等离子鞘套具有不均匀性，仍需进一步研究电磁波在不均匀等离子鞘套中传播的趋肤深度，进而为解决空间飞行器通信黑障问题提供理论基础。

参考文献

[1] 于哲峰，孙良奎，马平，等.黑障对通信安全的影响及几种可能的解决方案[J].红外，2017（2）：39-45.

[2] 王家胜，杨显强，经姚翔，等.钝头型航天器再入通信黑障及对策研究[J].航天器工程，2014（1）：6-16.

[3] 杨敏.等离子鞘套下测控通信信号传输特性研究[D].西安电子科技大学，2014.

[4] National Aeronautics and Space Administration.The entry plasma sheath and its effects on space vehicle electromagnetic systems [Z].Washington DC：NASA，1970.