CN114019256A - 一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法，所述模拟装置包括真空系统，可抽出式真空微波暗室系统，等离子体束流发生系统，进气系统，水冷系统，激励电源系统，真空泵组系统，目标钝体系统，微波暗室支撑系统，目标钝体支撑系统，等离子参数诊断系统，微波传输测量系统，小型化天线组系统和中控系统；能够在频段100MHz～40GHz范围内实现对等离子体环境的电磁通信测量，对等离子体参数诊断通过不同的诊断方式进行相互校核，在较长时间产生纯净度高、等离子体密度及束流尺寸可调的等离子体束流；更真实地模拟临近空间等离子体环境，并提供在该环境下开展相关研究所需的微波传输测量及等离子体诊断手段。

Description

一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法

技术领域

本发明属于电磁测量技术领域，具体地，涉及一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法。

背景技术

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10¹⁸m^-3，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，当雷达探测时高速飞行器时，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负出昂贵的代价，因此迫切需要一种可在地面对临近空间飞行器再入环境复现并对其中关键参数有效诊断的系统。

目前公开报道的用于临近空间等离子体环境地面模拟电磁实验系统，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10¹⁹m^-3，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10¹⁹m^-3。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1-几十GHz，而对于低频条件下的如MHz信号通常不做考虑。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法，其中包括宽频段的微波暗室频率范围可覆盖100MHz-40 GHz、等离子体束流可控且碰撞频率范围宽等离子体密度高的等离子体源、具有宽频范围的小型化天线组、可用于进行等离子体参数及电磁参数诊断的设备以及可形成包覆的钝体目标。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环境，以及在该环境下开展信号传输、雷达探测等电磁实验，解决了现有技术中存在的问题。

本发明是通过以下方案实现的：

一种临近空间等离子体环境地面模拟装置：

所述模拟装置包括真空系统1，可抽出式真空微波暗室系统2，等离子体束流发生系统3，进气系统4，水冷系统5，激励电源系统6，真空泵组系统7，目标钝体系统8，微波暗室支撑系统9，等离子参数诊断系统10，微波传输测量系统11，目标钝体运动支撑系统12，小型化天线组系统和中控系统15；

所述中控系统15分别与进气系统4，水冷系统5，激励电源系统6和等离子体束流发生系统3连接；通过真空泵组系统7与微波暗室支撑系统9相连接；通过等离子参数诊断系统10与真空系统1相连接；通过微波传输测量系统11与小型化天线组系统相连接；

所述小型化天线组系统包括振子天线组13，第一多频天线组14-1和第二多频天线组14-2，其中振子天线组13分三组分别放置于目标钝体系统8中；第一多频天线组14-1和第二多频天线组14-2均由低频振子天线、中频喇叭天线以及高频介质棒天线组成，其中第一多频天线组14-1位于真空微波暗室系统2的底部移动导轨上，第二多频天线组14-2通过吊装机构安装于真空系统1上方；等离子体束流发生系统3位于真空系统1左侧；目标钝体系统8位于真空微波暗室系统2内部，在目标钝体系统8进入微波暗室系统2时，由微波暗室系统2内部的目标钝体运动支撑系统12进行移动及支撑；微波暗室支撑系统9铺有导轨，微波暗室系统2进入真空系统1时，可由导轨推入真空系统1。

进一步地，

真空系统1：用于提供临近空间真空环境气压条件100～1000Pa；

可抽出式真空微波暗室系统2：用于提供接近实际情况下的无电磁反射环境，波段范围为100MHz～40GHz；

等离子体发生系统3：用于将中性气体电离产生高密度>10¹⁹m^-3均匀可控的等离子体束流；

通过结合等离子体发生系统3与目标钝体系统8，共同模拟临近空间高速目标表面等离子体环境；

等离子参数诊断系统10通过非接触式的HCN诊断，发射光谱诊断，用于强碰撞条件下模型修正的探针阵列诊断三种方式对产生的等离子体进行相互校验及诊断，从而获得放电等离子体关键参数；

微波传输测量系统11：用于对所传输的微波信号进行有交采集及分析；

振子天线组13的频率范围0.1～40GHz；

第一多频天线组14-1及第二多频天线组14-2的低频振子天线用于对100MHz～1GHz频段信号增益，中频喇叭天线用于对1GHz～18GHz频段信号增益，高频介质棒天线用于对18GHz～40GHz频段信号增益；

中控系统15：用于对整体装置进行有效统一控制。

进一步地，

等离子体发生系统3模拟产生高密度等离子体束流，其中电子密度最高达10¹⁹m^-3，直径最宽可达35cm，长度不小于100cm，持续时间不短于400s，且产生的等离子体束流中杂质含量小于10ppm。

一种应用于所述的临近空间等离子体环境地面模拟装置的模拟方法：

所述方法具体包括以下步骤：

步骤1：将第一多频天线组14-1放置在微波暗室系统2内部的导轨上；

频骤2：将振子天线组13放置在目标钝体系统8内部，并将目标钝体系统8放置在微波暗室系统2内部的目标钝体运动支撑系统12上，并分别调整好目标与等离子体源的距离及待测量天线频段；

步骤3：将真空微波暗室系统2推入到真空系统1中；

步骤4：将第二多频天线组14-2由顶部吊装机构伸入到真空系统1中的微波暗室系统2中；

步骤5：开启真空泵组系统7；

步骤6：待真空完全建立后，即抽至本底真空10Pa，打开进气系统4及水冷系统5；

步骤7：利用进气系统4及真空泵组系统7共同确定实验所需的真空环境，开始实验；

步骤8：打开激励电源系统6，用于产生高密度等离子体束流；

步骤9：利用等离子体束流发生系统3与目标钝体系统8共同建立临近空间等离子体环境；

步骤10：通过改变进气量及电源功率来调整覆盖模拟目标等离子体环境的几何形貌；

步骤11：打开等离子参数诊断系统10，利用等离子参数诊断系统10，对所产生的等离子体环境进行参数诊断；

步骤12：打开微波传输测量系统11，利用微波传输测量系统11，对等离子体与电磁波相互作用过程中的信号进行采集测量；完成实验。

本发明有益效果

本发明与已有其它发明结构相比，改进了整体结构关系，并提升了其中的关键参数指标，可以更真实地模拟临近空间等离子体环境，并提供在该环境下开展相关研究所需的微波传输测量及等离子体诊断手段：

(1)为了降低实验过程中的电磁反射，建立了大型真空微波暗室，用于对电磁通讯问题的电磁特性研究。其吸波频率可达100MHz-40 GHz；

(2)本发明能够模拟产生电子密度最高达10¹⁹m^-3，直径最宽可达35cm，长度不小于100cm，且持续时间不短于400s的高密度等离子体束流。该等离子体束流产生装置的另一个特点是具有高纯净度，所产生的等离子体束流中杂质含量要小于10ppm；

(3)在等离子体长时间运行过程中，随着参数间的相互作用及参数变化，如气压变化、温度累积等，会严重影响形成等离子体束流的参数；等离子体束流发生装置，可以在较长时间产生纯净度高、等离子体密度及束流尺寸可调的等离子体束流；通过中控的闭环控制系统可以对其进行稳定控制，从而实现长时间稳定、可控运行；

(4)本发明利用产生的等离子体束流与目标钝体结合，形成可用于地面模拟的临近空间等离子体电磁环境，用于开展薄层等离子体与电磁波的相互作用实验；

(5)对等离子体参数诊断时采用三种不同的方式，即HCN、可见发射光谱及探针阵列，可以通过不用的诊断方式进行相互校核，从而更精准的获得放电等离子体关键参数；

(6)克服了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的缺陷。

附图说明

图1为本发明实施例一种临近空间等离子体环境地面模拟装置系统及模拟方法结构示意图；

其中，1.真空腔室；2.可抽出式真空微波暗室；3.等离子体束流发生系统；4.进气系统；5.水冷系统；6.激励电源系统；7.真空泵组系统；8.目标钝体系统；9.微波暗室支撑系统；10.等离子参数诊断系统；11.微波传输测量系统；12.目标钝体运动支撑系统；13振子天线组，14-1第一多频天线组，14-2第二多频天线组；15.中控系统。

具体实施方式

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种临近空间等离子体环境地面模拟装置：

所述模拟装置包括真空系统1，可抽出式真空微波暗室系统2，等离子体束流发生系统3，进气系统4，水冷系统5，激励电源系统6，真空泵组系统7，目标钝体系统8，微波暗室支撑系统9，等离子参数诊断系统10，微波传输测量系统11，目标钝体运动支撑系统12，小型化天线组系统和中控系统15；

所述中控系统15分别与进气系统4，水冷系统5，激励电源系统6，目标钝体支撑运动系统12和等离子体束流发生系统3连接；通过真空泵组系统7及波纹管与微波暗室支撑系统9相连接；通过等离子参数诊断系统10与真空系统1相连接；通过微波传输测量系统11与小型化天线组系统相连接；

所述小型化天线组系统包括振子天线组13和第一多频天线组14-1和第二多频天线组14-2，其中振子天线组13分三组分别放置于目标钝体系统8中；第一多频天线组14-1和第二多频天线组14-2均由低频振子天线、中频喇叭天线以及高频介质棒天线组成，其中第一多频天线组14-1位于真空微波暗室系统2的底部移动导轨上，第二多频天线组14-2通过吊装机构安装于真空系统1上方；等离子体束流发生系统3位于真空系统1左侧；目标钝体系统8位于真空微波暗室系统2内部，在目标钝体系统8进入微波暗室系统2时，由微波暗室系统2内部的目标钝体运动支撑系统12进行移动及支撑；微波暗室支撑系统9铺有导轨，微波暗室系统2进入真空系统1时，可由导轨推入真空系统1。

真空系统1：用于提供临近空间真空环境气压条件100～1000Pa；

可抽出式真空微波暗室系统2：用于提供接近实际情况下的无电磁反射环境，波段范围为100MHz～40GHz；所述可抽出式真空微波暗室系统2可以采用申请人在先申请202110945458.4中记载的“一种用于临近空间高速目标等离子体环境地面模拟的宽频段真空微波暗室”实现，该真空微波暗室包括真空罐体、微波暗室骨架、支撑机构和复合电磁波吸收体；所述的微波暗室骨架设置在真空罐体内，且通过真空罐体内的支撑机构进行支撑，所述的真空罐体为圆筒形结构，且在真空罐体的一端设有真空门；所述微波暗室骨架包括依次连接的多个连接段，每一连接段均包括两个加强环，且两个加强环之间由若干角钢结构连接，两个加强环与若干角钢结构连接形成一个筒体形状，多个连接段之间连接形成筒体结构；微波暗室骨架的一端为多级嵌套法兰，另一端设有吸波屏蔽门，吸波屏蔽门的位置与真空封头法兰的位置相对应，在微波暗室骨架上开设有若干微波暗室窗口，在真空罐体的相应位置也开设有若干真空罐体窗口，通过安装若干块复合电磁波吸收体完全覆盖微波暗室骨架的内壁，每一块所述复合电磁波吸收体由铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料通过阻抗匹配复合而成，所述的铁氧体瓦、匹配层和角锥吸波材料从下到上依次布置；

等离子体发生系统3：用于将中性气体电离产生高密度均匀可控的等离子体束流；

水冷系统5为多通道水冷装置，具体可以采用申请人在先申请202110942578.9中记载的“一种多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置”实现，所述多通道电弧等离子体源级联铜片水冷装置，所述装置包括：圆柱形铜片、钼环、密封圈、不锈钢管道；多个圆柱形铜片堆叠在一起形成级联铜片，钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道，钼环圆心距铜片圆心10mm，三个钼环互相呈120°放置，密封圈的圆心与铜片圆心重合，铜片内部存在水冷通道与外部的不锈钢管道相连接；圆柱形铜片的直径为60mm，厚度7mm，三个钼环的内径为2mm，外径为3mm；钼环中间设有多通道级联电弧源的放电通道直径为2mm；不锈钢管道包括入水不锈钢管道和出水不锈钢管道，通过银焊的方式将两个不锈钢管道与圆柱形铜片在水冷通道位置焊接在一起，两个不锈钢管道在与圆柱形铜片相接的位置直径为4mm，其余位置为5mm；

上述水冷系统5的优化方法可以采用申请人在先申请202110942578.9中记载的优化方法实现，具体为耦合固体传热和非等温管道流对铜片的冷却过程建模，通过下式表示建模过程：

其中，u为管道中心线切线方向的横截面平均流体速度，A为管道的横截面积，ρ为密度，p为压力，f_D为摩擦因子，Re为雷诺数，e为管道粗糙度，d为管道直径，μ为粘性系数；Cp为恒压热容，T为冷却水温度，k为导热系数，Q_wall为水与铜片热交换的源项T₂为铜电极温度；Z为管道周长，h为传热系数，T_ext为管道外部温度。

通过结合等离子体发生系统3与目标钝体系统8，共同模拟临近空间高速目标表面等离子体环境；

微波暗室支撑系统9为设置在真空罐体底部的平行布置的两个导轨，在微波暗室骨架的下方设有两排导轨轮，且两排导轨轮与真空罐体底部的两个导轨配合。

微波暗室支撑系统9可以采用申请人在新申请202111044862.0记载的“一种用于真空微波暗室骨架的独立支撑结构”来实现，具体为：所述独立支撑结构包括导轨及沿水平方向依次布置的若干支撑柱，其中支撑柱包括竖向布置的支撑主体及套装在支撑主体上部的波纹管，导轨水平布置且固装在若干支撑主体的顶端，微波暗室骨架配合滑动安装在导轨上方，波纹管的底端密封设置，真空腔室的底部开设有数量与波纹管数量相等的安装通孔，波纹管的顶端对应与真空腔室的安装通孔之间通过法兰密封连接；导轨为倒V型导轨；导轨的底部沿其长度方向加工有凸台，支撑柱的顶端水平加工有安装槽，凸台卡装在若干支撑柱的安装槽内，且通过螺钉固接，若干支撑柱中，每两个支撑柱为一组分布，两组支撑柱之间间隔700mm；导轨的长度为5950mm；支撑主体包括上下首尾一体固接的上柱和下柱，所述上柱包括水平布置的第一底板及竖直固装在第一底板顶面的第一支柱，波纹管套装在第一支柱上且底端与第一底板密封固接；所述第一支柱为中空结构。所述下柱包括竖向布置的第二支柱以及分别水平固装在第二支柱顶端及底端的第二底板、第三底板，第一底板与第二底板之间通过螺栓固接，第二支柱的外侧均布有若干肋板，且若干肋板的顶端及底端对应与第二底板及第三底板固接；所述第二支柱为中空结构，波纹管的顶端及底端分别通过螺栓对应与真空腔室及支撑柱固接。

等离子参数诊断系统10通过非接触式的HCN诊断，发射光谱诊断，可用于强碰撞条件下模型修正的探针阵列诊断三种方式对产生的等离子体进行相互校验及诊断；从而获得放电等离子体关键参数；

微波传输测量系统11：用于对所传输的微波信号进行有交采集及分析；

振子天线组13的频率范围0.1～40GHz；

第一多频天线组14-1和第二多频天线组14-2的低频振子天线用于对100MHz～1GHz频段信号增益，中频喇叭天线用于对1GHz～18GHz频段信号增益，高频介质棒天线用于对18GHz～40GHz频段信号增益；

所述天线组具有天线保护罩支撑夹持装置；所述天线保护罩支撑夹持装置可以采用申请人在先申请202111041605.1记载的“一种天线保护罩支撑夹持装置”实现，该支撑夹持装置包括平移机构、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，所述夹持机构与天线保护罩相连，所述平移机构带动天线保护罩径向平移，所述旋转机构带动天线保护罩周向旋转，所述夹持机构包括连接板、下夹持板、上夹持板、底板和径向移动组件，所述连接板与旋转机构相连，所述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，所述径向移动组件与下夹持板相连，所述下夹持板上端与上夹持板相连，所述天线保护罩夹持在下夹持板与上夹持板之间；所述平移机构包括底座、立柱、第一丝杠、第一导轨和真空伺服电机，所述底座上设置第一丝杠和第一导轨，所述立柱设置在第一导轨上并与第一丝杠相连，所述第一丝杠一端与真空伺服电机相连，所述立柱上端与旋转机构相连；所述底座上设置有直线光栅尺；所述旋转机构包括旋转板、固定座、旋转轴和旋转电机，所述固定座与平移机构相连，所述旋转轴转动连接在固定座内部，所述旋转轴一端与旋转电机相连，另一端与旋转板相连，所述旋转板与连接板相连。所述旋转轴上设置有圆光栅尺。所述连接板中心设置有支撑柱，所述多个底板与支撑柱之间通过多个支撑板相连。所述径向移动组件包括第二导轨、第二丝杠和步进电机，所述第二导轨和第二丝杠均设置在底板上，所述下夹持板设置在第二导轨上并与第二丝杠相连，所述第二丝杠一端与步进电机相连。所述底板数量为三个，三个底板互相呈120°设置，所述旋转机构驱动夹持机构顺时针或逆时针旋转120°；所述下夹持板与上夹持板之间设置有垫环。

所述天线组通过适用于穿舱结构的天线阵列吊装机构进行吊装，所述天线阵列吊装机构可以采用申请人的在先申请202111086438.2记载的“一种适用于穿舱结构的宽频段小型化天线阵列吊装机构”来实现，所述吊装机构包括天线阵列提升机构、天线阵列穿舱机构、天线阵列平移机构和天线阵列转动机构，所述的天线阵列提升机构设置在真空舱外部，所述的天线阵列穿舱机构穿过真空舱设置，所述的天线阵列平移机构和天线阵列转动机构均设置在真空舱内部；所述的天线阵列提升机构带动天线阵列实现竖直方向运动；所述的天线阵列穿舱机构安装在天线阵列提升机构上，所述的天线阵列平移机构安装在天线阵列穿舱机构上，天线阵列穿舱机构带动天线阵列实现水平方向上的移动；所述的天线阵列转动机构安装在天线阵列平移机构上，天线阵列转动机构实现天线阵列的转动。所述天线阵列提升机构包括横梁、滑轨安装板、滑轨、起吊板、电动葫芦和吊耳，在横梁的左右两侧各安装两个滑轨安装板，在每个滑轨安装板上分别安装一个竖向滑轨，在四个竖向滑轨上配合一起吊板，通过电动葫芦带动起吊板在竖向滑轨上升降运动。所述天线阵列穿舱机构包括拉杆法兰、波纹管、连接杆、穿舱盲法兰和盲法兰；所述天线阵列平移机构包括安装底板、左侧板、右侧板、导轨、丝杠、第一联轴器、第一真空步进电机和天线安装转接组件，两个连接杆的下端均与安装底板连接；所述天线阵列转动机构包括第二真空步进电机、第二联轴器、电机安装座、外套管、竖直传动轴、安装架、第一锥齿轮、第二锥齿轮、天线连接板和水平转轴，所述的第二真空步进电机安装在电机安装座上，电机安装座的上端与对应的天线安装转接组件连接。

中控系统15：用于对整体装置进行有效统一控制。

等离子体发生系统3模拟产生高密度等离子体束流，其中电子密度最高达10¹⁹m^-3，直径最宽可达35cm，长度不小于100cm，持续时间不短于400s，且产生的等离子体束流中杂质含量小于10ppm。

所述临近空间等离子体环境，是根据等离子体束流与目标钝体相结合共同实现的。其中目标坐落于运动支撑机构上，可实现前后位移及±120度旋转。而等离子体束流则通过激励电源输出的电流值(大小)及进气量实现等离子体束流的直径及长度。两者共同形成可用于临近空间等离子体环境(是等离子体环境，其中电磁环境指的是微波暗室)。特别地，所有部件间的配合均是由中控在实验前输入的指令配合完成得到的。

一种应用于所述的临近空间等离子体环境地面模拟装置的模拟方法：

所述方法具体包括以下步骤

步骤1：将第一多频天线组14-1放置在微波暗室系统2内部的导轨上；

频骤2：将振子天线组13放置在目标钝体系统8内部，并将目标钝体系统8放置在微波暗室系统2内部的目标钝体运动支撑系统12上，并分别调整好目标与等离子体源的距离及待测量天线频段；

步骤3：将微波暗室系统2推入到真空系统1中；

步骤4：将第二多频天线组14-2由顶部吊装机构伸入到真空系统1中的微波暗室系统中；

步骤5：开启真空泵组系统7；

步骤6：待真空完全建立后，即抽至本底真空10Pa，打开进气系统4及水冷系统5；

步骤7：利用进气系统4及水冷系统5共同确定实验所需的真空环境；开始实验；

步骤8：打开激励电源系统6，用于产生高密度等离子体束流；

步骤9：利用等离子体束流发生系统3与目标钝体系统8共同建立临近空间高速目标等离子体环境；

步骤10：通过改变进气量及电源功率来调整覆盖模拟目标等离子体环境的几何形貌；

步骤11：打开等离子参数诊断系统10，利用等离子参数诊断系统10，对所产生的等离子体环境进行参数诊断；

步骤12：打开微波传输测量系统11，利用微波传输测量系统11，对等离子体与电磁波相互作用过程中的信号进行采集测量；完成实验。

等离子体诊断与微波传输测量诊断并不同时进行；

临近空间等离子体环境模拟的背景环境主要是真空微波暗室环境及等离子体环境；

真空环境是通过真空泵组与进气系统共同决定，例如当所我们所需的工作气压为100Pa时，通过真空泵组阀门(闸板阀与蝶阀)的开启程度与进气系统中质量流量计对进气流速的控制，共同实现真空环境。

等离子体环境则是已经确定好的背景气压下，开启激励电源使得进气(氩气)被击穿，形成等离子体。由于工作环境是稳态而非脉冲放电，所以可以保证整个装置在长时间内保证稳定。

同时因为感性耦合等离子体是通过射频电压交变产生的磁场耦合给等离子体。为了提高等离子体密度，就需要增加外施电压值，由于外施激励源本身是交变的射频电场，在增加电压的同时，产生的磁场也会随之增加，但耦合给等离子体的能量并不是与外施电压值成正比例(或正反馈)的。

而本发明所述的等离子体源是级联电弧源，外施的激励电源采用的是直流电源，其外施的参量与反馈给等离子体的能量是成比例的，因此不存在趋肤效应，也就解决了难以实现对覆盖目标的大面积包覆问题。

以上对本发明所提出的一种临近空间等离子体环境地面模拟装置及其模拟方法，进行了详细介绍，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。

Claims (4)

1.一种临近空间等离子体环境地面模拟装置，其特征在于：

所述模拟装置包括真空系统(1)，可抽出式真空微波暗室系统(2)，等离子体束流发生系统(3)，进气系统(4)，水冷系统(5)，激励电源系统(6)，真空泵组系统(7)，目标钝体系统(8)，微波暗室支撑系统(9)，等离子参数诊断系统(10)，微波传输测量系统(11)，目标钝体运动支撑系统(12)，小型化天线组系统和中控系统(15)；

所述中控系统(15)分别与进气系统(4)，水冷系统(5)，激励电源系统(6)，目标钝体运动支撑系统(12)和等离子体束流发生系统(3)连接；通过真空泵组系统(7)及波纹管与微波暗室支撑系统(9)相连接；通过等离子参数诊断系统(10)与真空系统(1)相连接；通过微波传输测量系统(11)与小型化天线组系统相连接；

所述小型化天线组系统包括振子天线组(13)，第一多频天线组(14-1)和第二多频天线组(14-2)，其中振子天线组(13)分三组分别放置于目标钝体系统(8)中；第一多频天线组(14-1)和第二多频天线组(14-2)均由低频振子天线、中频喇叭天线以及高频介质棒天线组成，其中第一多频天线组(14-1)位于真空微波暗室系统(2)的底部移动导轨上，第二多频天线组(14-2)通过吊装机构安装于真空系统(1)上方；等离子体束流发生系统(3)位于真空系统(1)左侧；目标钝体系统(8)位于真空微波暗室系统(2)内部，在目标钝体系统(8)进入微波暗室系统(2)时，由微波暗室系统(2)内部的目标钝体运动支撑系统(12)进行移动及支撑；微波暗室支撑系统(9)铺有导轨，微波暗室系统(2)进入真空系统(1)时，可由导轨推入真空系统(1)。

2.根据权利要求1所述装置，其特征在于：

真空系统(1)：用于提供临近空间真空环境气压条件100～1000Pa；

可抽出式真空微波暗室系统(2)：用于提供接近实际情况下的无电磁反射环境，波段范围为100MHz～40GHz；

等离子体发生系统(3)：用于将中性气体电离产生高密度均匀可控的等离子体束流；所述等离子体束流的密度大于10¹⁹m^-3；

通过结合等离子体发生系统(3)与目标钝体系统(8)，共同模拟临近空间高速目标表面等离子体环境；

等离子参数诊断系统(10)通过非接触式的HCN诊断，发射光谱诊断，用于强碰撞条件下模型修正的探针阵列诊断三种方式对产生的等离子体进行相互校验及诊断，从而获得放电等离子体关键参数；

微波传输测量系统(11)：用于对所传输的微波信号进行有交采集及分析；

振子天线组(13)的频率范围0.1～40GHz；

第一多频天线组(14-1)和第二多频天线组(14-2)的低频振子天线用于对100MHz～1GHz频段信号增益，中频喇叭天线用于对1GHz～18GHz频段信号增益，高频介质棒天线用于对18GHz～40GHz频段信号增益；

中控系统(15)：用于对整体装置进行有效统一控制。

3.根据权利要求2所述装置，其特征在于：

等离子体发生系统(3)模拟产生高密度等离子体束流，其中电子密度最高达10¹⁹m^-3，直径最宽可达35cm，长度不小于100cm，持续时间不短于400s，且产生的等离子体束流中杂质含量小于10ppm。

4.一种如权利要求1-3中任一项所述所述的临近空间环境地面模拟装置的模拟方法，其特征在于：

所述方法具体包括以下步骤

步骤1：将第一多频天线组(14-1)放置在微波暗室系统(2)内部的导轨上；

频骤2：将振子天线组(13)放置在目标钝体系统(8)内部，并将目标钝体系统(8)放置在微波暗室系统(2)内部的目标钝体运动支撑系统(12)上，并分别调整好目标与等离子体源的距离及待测量天线频段；

步骤3：将真空微波暗室系统(2)推入到真空系统(1)中；

步骤4：将第二多频天线组(14-2)由顶部吊装机构伸入到真空系统(1)中的微波暗室系统(2)中；

步骤5：开启真空泵组系统(7)；

步骤6：待真空完全建立后，即抽至本底真空10Pa，打开进气系统(4)及水冷系统(5)；

步骤7：利用进气系统(4)及真空泵组系统(7)共同确定实验所需的真空环境，开始实验；

步骤8：打开激励电源系统(6)，用于产生高密度等离子体束流；

步骤9：利用等离子体束流发生系统(3)与目标钝体系统(8)共同建立临近空间等离子体鞘套环境；

步骤10：通过改变进气量及电源功率来调整覆盖模拟目标等离子体环境的几何形貌；

步骤11：打开等离子参数诊断系统(10)，利用等离子参数诊断系统(10)，对所产生的等离子体环境进行参数诊断；

步骤12：打开微波传输测量系统(11)，利用微波传输测量系统(11)，对等离子体与电磁波相互作用过程中的信号进行采集测量；完成实验。

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