CN105329465A - 一种缓解航天器通信黑障的方法 - Google Patents

Abstract

一种缓解航天器通信黑障的方法，属于缓解通信黑障领域。解决了现有缓解通信黒障的方法中存在的系统重量大、电能需求大以及航天器测控可靠性低的问题。该方法是基于可控脉冲电源系统、脉冲磁体和本机控制器实现的，该方法的具体过程为：通过本机控制器控制可控脉冲电源系统给脉冲磁体提供脉冲电流，使脉冲磁体在数毫秒量级产生1T以上的磁场，该磁场将航天器天线附近的电子磁化，产生磁冻结效应，从而形成电磁波穿过等离子体鞘套的窗口，缓解航天器的通信黑障。它主要应用在航天器上。

Description

一种缓解航天器通信黑障的方法

技术领域

本发明属于缓解通信黑障领域。

背景技术

当航天器在大气层中再入高速飞行时，头部产生的激波会将航天器动能的一部分转化为周围气体的热能，而且周围气体分子呈粘滞状态，热量不易散发，从而会使航天器周围形成一个温度达几千摄氏度的高温区。高温区内的气体和航天器表面材料的分子被分解和电离后形成等离子体鞘套，完全包裹着航天器，能够吸收和反射电磁波，使航天器与地面指挥站或卫星之间的通讯信号受到严重干扰甚至中断，这种现象被称为通信黑障。

通信黑障期形成的等离子体鞘套具有高密度、强碰撞、强非均匀和弱电离的特点，电磁波在其中传播的物理图像是：当入射电磁波的频率低于等离子体振荡频率时，电磁波会被等离子体鞘套反射；当入射电磁波的频率高于等离子体振荡频率时，电磁波被等离子体吸收。所以，在航天器表面等离子体鞘套的参数范围内，不论电磁波的频率是低于还是高于等离子体振荡频率，均不能实现电磁波的顺利传播。

本方法对缓解航天器再入大气层过程中的通信保障研究具有重要意义，目前深空探测中某些行星大气层再入着陆任务的实施，需要及时获得遥测数据以便对可能出现的风险进行预判和处理，由于世界各国争相进行空间的探索及开发，因此通讯黑障的缓解技术研究相比以往显得更加重要与紧迫。

目前缓解航天器通信黑障的方法主要分为两类——被动法和主动法。被动法通过设计航天器的结构来减小等离子体鞘套对通信电磁波的影响，比如气动外形设计、提高电磁波入射频率与发射功率；主动法通过操控天线附近的等离子体状态及电子密度实现电磁波通信，有亲电子物质注入、稳态磁窗、引入交叉电磁场的方法等。在这些方法中，具有应用前景主要是亲电子物质注入、稳态磁窗及引入交叉电磁场的方法。

制约亲电子物质注入法的技术因素主要是系统重量大，航天器有效载荷小，注入对航天器空气动力学特性影响较大，使得飞行控制精度下降。相比于亲电子物质注入，稳态磁窗法及引入交叉电磁场的方法对航天器空气动力学特性影响较小，但这两种方法所采用的电磁场是静态恒温电磁场，由于电场与磁场量值都较大，因此导致电源功率增大，系统重量增加，航天器有效载荷减小。此外，磁场的产生方式也是重要因素，不管采用电磁线圈、永磁体或超导磁体，都有各自的技术制约，比如永磁体稳定性较差且其形成的磁场很难随等离子体参数的变化做出调整，超导磁体需要杜瓦瓶降温等。总之，系统的重量、体积以及可靠性问题仍是这些方法所面对的核心技术限制。

发明内容

本发明是为了解决现有缓解通信黒障的方法中存在的系统重量大、电能需求大以及航天器测控可靠性低的问题，本发明提供了一种缓解航天器通信黑障的方法。

一种缓解航天器通信黑障的方法，该方法是基于可控脉冲电源系统、脉冲磁体和本机控制器实现的，该方法的具体过程为：通过本机控制器控制可控脉冲电源系统给脉冲磁体提供脉冲电流，使脉冲磁体在数毫秒量级产生1T以上的磁场，该磁场将航天器天线周围的电子磁化，产生磁冻结效应，从而形成电磁波穿过等离子体鞘套的窗口，缓解航天器的通信黑障。

所述的脉冲磁体为具有多层铜导体的圆筒型结构；

可控脉冲电源系统包括蓄电池组、主放电开关、1号均流可调电阻、1号熔断器、2号熔断器、直流断路器、续流二极管、续流电阻、脉冲磁体、换流开关、换流电感、换流电阻和换流电容；

蓄电池组的负极接电源地，其正极同时与主放电开关电输入端和换流电容的一端连接，主放电开关的电输出端与1号均流可调电阻的一端连接，1号均流可调电阻的另一端与1号熔断器的一端连接，1号熔断器的另一端同时与2号熔断器的一端和换流开关的电输出端连接，2号熔断器的另一端与直流断路器的一端连接，直流断路器的另一端同时与续流二极管的阴极和脉冲磁体的一端连接，续流二极管的阳极与续流电阻的一端连接，续流电阻的另一端和脉冲磁体的另一端同时接电源地；换流电容的另一端与换流电阻的一端连接，换流电阻的另一端与换流电感的一端连接，换流电感的另一端与换流开关的电输入端连接；

本机控制器的主控制信号输出端与主放电开关的控制信号输入端连接，

本机控制器的换流控制信号输出端与换流开关的控制信号输入端连接，

本机控制器的断路控制信号输出端与直流断路器的控制信号输入端连接，

所述的通过可控脉冲电源系统给脉冲磁体提供脉冲电流的过程为：首先，通过本机控制器控制主放电开关导通、换流开关断开，通过蓄电池组向脉冲磁体放电，脉冲磁体中产生脉冲电流进而产生脉冲磁场，待在一个脉冲周期内产生稳定的脉冲磁场后，通过本机控制器控制主放电开关关断，此后脉冲磁体产生的脉冲电流经过续流二极管续流，脉冲磁场能量消耗在续流电阻和脉冲磁体的电阻上，脉冲磁场减小为零。

本发明所采用的技术方案是：一种缓解航天器通信黑障的方法——高功率脉冲磁窗，脉冲磁窗在数毫秒量级产生1T以上的强磁场，在脉冲持续的短时间内将电子磁化，满足“磁冻结”的条件，同时利用磁压将等离子体推开以降低天线附近的电子密度，也降低了电子——中性粒子的碰撞频率，从而形成电磁波可以顺利穿过等离子体鞘套的窗口。

更进一步地，在本技术方案中，脉冲磁窗提供的脉冲形态、磁场强度和位形均可随等离子体鞘套参数的变化而进行优化调节，以满足航天器不同高度处的通信需求。

更进一步地，在本技术方案中，脉冲磁窗可以在一套脉冲电源的控制下，分时在不同天线(如GPS信号天线、音频信号天线、遥测信号天线)处激发所需的脉冲磁场。

本发明带来的有益效果是：(1)由于强磁场采取脉冲形态，系统的总重量和体积减小，航天器的有效载荷增加。(2)高功率脉冲磁窗所产生的脉冲磁场可以随等离子鞘套参数的变化进行反馈调节，增加了系统的灵活性，提高了电能的利用率。(3)由于脉冲磁场在短时间内作用，通过合理布置通信天线的位置、对航天器的结构进行优化设计，可使得该方法对航天器的空气动力学特性影响较小，提高了航天器测控的可靠性。

附图说明

图1为航天器表面形成的等离子体鞘套与可控脉冲电源系统和脉冲磁体的相对位置关系；附图标记15表示航天器表面形成的等离子体鞘套；

图2为本发明所述的基于可控脉冲电源系统和脉冲磁体的结构示意图；

图3为具体实施方式五所述的脉冲磁体的轴向剖视图；

图4为脉冲磁体中心脉冲磁场波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参见图1和2说明本实施方式，本实施方式所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，该方法是基于可控脉冲电源系统、脉冲磁体9和本机控制器14实现的，该方法的具体过程为：通过本机控制器14控制可控脉冲电源系统给脉冲磁体9提供脉冲电流，使脉冲磁体9在数毫秒量级产生1T以上的磁场，该磁场将航天器天线周围的电子磁化，产生磁冻结效应，从而形成电磁波穿过等离子体鞘套的窗口，缓解航天器的通信黑障。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的脉冲磁体9为具有多层铜导体的圆筒型结构；

可控脉冲电源系统包括蓄电池组1、主放电开关2、1号均流可调电阻3、1号熔断器4、2号熔断器5、直流断路器6、续流二极管7、续流电阻8、脉冲磁体9、换流开关10、换流电感11、换流电阻12和换流电容13；

蓄电池组1的负极接电源地，其正极同时与主放电开关2电输入端和换流电容13的一端连接，主放电开关2的电输出端与1号均流可调电阻3的一端连接，1号均流可调电阻3的另一端与1号熔断器4的一端连接，1号熔断器4的另一端同时与2号熔断器5的一端和换流开关10的电输出端连接，2号熔断器5的另一端与直流断路器6的一端连接，直流断路器6的另一端同时与续流二极管7的阴极和脉冲磁体9的一端连接，续流二极管7的阳极与续流电阻8的一端连接，续流电阻8的另一端和脉冲磁体9的另一端同时接电源地；换流电容13的另一端与换流电阻12的一端连接，换流电阻12的另一端与换流电感11的一端连接，换流电感11的另一端与换流开关10的电输入端连接；

本机控制器14的主控制信号输出端与主放电开关2的控制信号输入端连接，

本机控制器14的换流控制信号输出端与换流开关10的控制信号输入端连接，

本机控制器14的断路控制信号输出端与直流断路器6的控制信号输入端连接，

所述的通过可控脉冲电源系统给脉冲磁体9提供脉冲电流的过程为：首先，通过本机控制器14控制主放电开关2导通、换流开关10断开，通过蓄电池组1向脉冲磁体9放电，脉冲磁体9中产生脉冲电流进而产生脉冲磁场，待在一个脉冲周期内产生稳定的脉冲磁场后，通过本机控制器14控制主放电开关2关断，此后脉冲磁体9产生的脉冲电流经过续流二极管7续流，脉冲磁场能量消耗在续流电阻8和脉冲磁体9的电阻上，脉冲磁场减小为零。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的通过可控脉冲电源系统给脉冲磁体提供的脉冲电流峰值为5000A，脉冲磁体中心产生磁场的峰值为5T，脉冲磁场的上升时间、峰值持续时间、下降时间分别为4ms，2ms，4ms。

具体实施方式四：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式二所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的脉冲磁体9为具有多层铜导体的圆筒型结构，多层铜导体位于圆筒型结构的内侧壁与外侧壁之间，多层铜导体同轴且沿圆筒型结构的内侧壁至外侧壁方向依次排列，每层铜导体均包括多根导体线圈，每根导体线圈为1匝，每根导体线圈的横截面为矩形结构。

具体实施方式五：参见图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式四所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的脉冲磁体为具有4层铜导体的圆筒型结构，4层铜导体沿圆筒型结构的内侧壁至外侧壁方向上分别定义为第一至第四层铜导体，

脉冲磁体的内径为10mm、外径为30mm、高度为40mm，导体线圈的横截面尺寸是3.18mm×4.58mm、导体线圈的根数为44根，线圈共分为四层：第一层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体中心轴之间的距离为12.5mm、第二层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体中心轴之间的距离为17.5mm、第三层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体中心轴之间的距离为22.5mm、第四层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体中心轴之间的距离为27.5mm。

此种结构的脉冲磁体产生磁场的能力最强，并且其可连续产生的脉冲个数满足通信需求。

本实施方式，仿真得到脉冲磁体中心的磁场峰值为4.95T，计算得到脉冲磁体的电阻为7.8mΩ、电感为32.85μH、所占的体积为0.113L、质量为0.717kg，在此基础上设计的脉冲磁场发生系统的主要参数是蓄电池组电压165V、电源内阻25mΩ、续流电阻25mΩ。在该组参数下，脉冲磁场的形态满足发明要求。

仿真得到的磁体中心脉冲磁场波形如图4所示，脉冲的上升时间、峰值持续时间、下降时间分别为2.41ms、3.47ms、2.26ms，脉冲磁场的峰值为4.94T。在脉冲磁场的上升阶段，航天器表面等离子体鞘套中的电子被磁化，并且脉冲强磁场产生的压强将天线附近的等离子体推开，在脉冲磁场峰值持续的短时间内，航天器表面的等离子体鞘套上打开了一个电磁波传播的窗口，进而有效缓解了航天器的通信黑障。

通过调节蓄电池组的电压和1号与2号均流可调电阻就可以实现脉冲磁场强度的调节，通过调节1号与2号均流可调电阻及续流电阻的阻值就可以对磁体线圈中脉冲磁场的形态进行调节。

所以，通过测量航天器的高度与等离子体鞘套的参数，计算得到目标脉冲磁场，结合相应的控制策略就可以实现对脉冲磁场的反馈控制和调节。

根据飞行器上不同天线通信的功能需求，为每个天线设计相应的脉冲磁体，通过时序控制方案就可以在一套脉冲电源供电下，实现对各个脉冲磁体的分时控制。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的具有多层铜导体的圆筒型结构的脉冲磁体9内嵌有铁素体。

本实施方式，本实施方式中在脉冲磁体9内嵌有铁素体，增强脉冲磁体9产生的磁场。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的主放电开关2和换流开关10均采用晶闸管实现。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述方法基于M个脉冲磁体9实现，通过本机控制器14控制可控脉冲电源系统分时为M个脉冲磁体9提供脉冲电流，进而实现分时在M个不同天线激发所需的脉冲磁场，M为正整数。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的M个不同天线为GPS信号天线、音频信号天线和遥测信号天线。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的可控脉冲电源系统还包括2号均流可调电阻16，所述的2号均流可调电阻16的一端与续流二极管7的阴极连接，另一端与脉冲磁体9的一端连接。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式二所述的一种缓解航天器通信黑障的方法的区别在于，所述的可控脉冲电源系统的能源由蓄电池组或可调直流高压电源提供，蓄电池组或可调直流电压源经桥式逆变器、谐振电路、升压变压器及高压整流电路给电容器组充电，然后由电容器组给脉冲磁体瞬时放电。

Claims (10)

1.一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，该方法是基于可控脉冲电源系统、脉冲磁体(9)和本机控制器(14)实现的，该方法的具体过程为：通过本机控制器(14)控制可控脉冲电源系统给脉冲磁体(9)提供脉冲电流，使脉冲磁体(9)在数毫秒量级产生1T以上的磁场，该磁场将航天器天线周围的电子磁化，产生磁冻结效应，从而形成电磁波穿过等离子体鞘套的窗口，缓解航天器的通信黑障。

2.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的脉冲磁体(9)为具有多层铜导体的圆筒型结构；

可控脉冲电源系统包括蓄电池组(1)、主放电开关(2)、1号均流可调电阻(3)、1号熔断器(4)、2号熔断器(5)、直流断路器(6)、续流二极管(7)、续流电阻(8)、脉冲磁体(9)、换流开关(10)、换流电感(11)、换流电阻(12)和换流电容(13)；

蓄电池组(1)的负极接电源地，其正极同时与主放电开关(2)电输入端和换流电容(13)的一端连接，主放电开关(2)的电输出端与1号均流可调电阻(3)的一端连接，1号均流可调电阻(3)的另一端与1号熔断器(4)的一端连接，1号熔断器(4)的另一端同时与2号熔断器(5)的一端和换流开关(10)的电输出端连接，2号熔断器(5)的另一端与直流断路器(6)的一端连接，直流断路器(6)的另一端同时与续流二极管(7)的阴极和脉冲磁体(9)的一端连接，续流二极管(7)的阳极与续流电阻(8)的一端连接，续流电阻(8)的另一端和脉冲磁体(9)的另一端同时接电源地；换流电容(13)的另一端与换流电阻(12)的一端连接，换流电阻(12)的另一端与换流电感(11)的一端连接，换流电感(11)的另一端与换流开关(10)的电输入端连接；

本机控制器(14)的主控制信号输出端与主放电开关(2)的控制信号输入端连接，

本机控制器(14)的换流控制信号输出端与换流开关(10)的控制信号输入端连接，

本机控制器(14)的断路控制信号输出端与直流断路器(6)的控制信号输入端连接，

所述的通过可控脉冲电源系统给脉冲磁体(9)提供脉冲电流的过程为：首先，通过本机控制器(14)控制主放电开关(2)导通、换流开关(10)断开，通过蓄电池组(1)向脉冲磁体(9)放电，脉冲磁体(9)中产生脉冲电流进而产生脉冲磁场，待在一个脉冲周期内产生稳定的脉冲磁场后，通过本机控制器(14)控制主放电开关(2)关断，此后脉冲磁体(9)产生的脉冲电流经过续流二极管(7)续流，脉冲磁场能量消耗在续流电阻(8)和脉冲磁体(9)的电阻上，脉冲磁场减小为零。

3.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的通过可控脉冲电源系统给脉冲磁体(9)提供的脉冲电流峰值为5000A，脉冲磁体(9)中心产生磁场的峰值为5T，脉冲磁场的上升时间、峰值持续时间、下降时间分别为4ms，2ms，4ms。

4.根据权利要求2所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的脉冲磁体(9)为具有多层铜导体的圆筒型结构，且多层铜导体位于圆筒型结构的内侧壁与外侧壁之间，且沿圆筒型结构的内侧壁至外侧壁方向依次排列，每层铜导体均包括多根导体线圈，每根导体线圈为1匝，导体线圈与脉冲磁体(9)同轴，每根导体线圈的横截面为矩形结构。

5.根据权利要求4所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的脉冲磁体(9)为具有4层铜导体的圆筒型结构，4层铜导体沿圆筒型结构的内侧壁至外侧壁方向上分别定义为第一至第四层铜导体，

脉冲磁体(9)的内径为10mm、外径为30mm、高度为40mm，导体线圈的横截面尺寸是3.18mm×4.58mm、导体线圈的根数为44根，线圈共分为四层：第一层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体(9)中心轴之间的距离为12.5mm、第二层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体(9)中心轴之间的距离为17.5mm、第三层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体(9)中心轴之间的距离为22.5mm、第四层铜导体的内侧壁相对于脉冲磁体(9)中心轴之间的距离为27.5mm。

6.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的具有多层铜导体的圆筒型结构的脉冲磁体(9)内嵌有铁素体。

7.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的主放电开关(2)和换流开关(10)均采用晶闸管实现。

8.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述方法基于M个脉冲磁体(9)实现，通过本机控制器(14)控制可控脉冲电源系统分时为M个脉冲磁体(9)提供脉冲电流，进而实现分时在M个不同天线激发所需的脉冲磁场，M为正整数。

9.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的M个不同天线为GPS信号天线、音频信号天线和遥测信号天线。

10.根据权利要求1所述的一种缓解航天器通信黑障的方法，其特征在于，所述的可控脉冲电源系统还包括2号均流可调电阻(16)，所述的2号均流可调电阻(16)的一端与续流二极管(7)的阴极连接，另一端与脉冲磁体(9)的一端连接。