毫米波辐射在磁等离子体电推进羽流中的传播特性

【作者】 罗吴迪； 任军学； 韩星； 汤海滨； 李志辉；

【机构】 北京航空航天大学空间与环境学院； 北京航空航天大学； 中国空气动力研究与发展中心； 国家计算流体实验室；

【摘要】 电推进羽流等离子体属于非均匀等离子体,同时由于电推力器中常存在较强的磁场,其就具有磁化等离子体的特性。磁化等离子体对毫米波波段电磁波信号有衰减、折射和反射等作用,尤其是随着近年来星载毫米波雷达的使用增加,需要考虑星上推力器与天线的布置策略以及对毫米波雷达信号的修正,因此毫米波辐射在电推进等离子体羽流中的传播特性的研究具有重要意义。为研究毫米波电磁波在电推进羽流中的传播特性,本文以一种15k W的附加场磁等离子体推力器(AF-MPDT)羽流为研究对象,基于麦氏方程组以及磁等离子体方程组建立了一种计算辐射吸收系数、反射系数与折射角的模型,计算辐射传输过程时,采用几何光路算法对电磁波在等离子体羽流媒质中的传输衰减进行积分求解,计算了毫米波辐射在非均匀等离子体羽流中传播时的折射、反射和吸收情况,对毫米波辐射在其中的衰减进行评估。对计算结果进行分析,可以发现,该15k W的AF-MPDT羽流作为一种非均匀等离子体,羽流核心区域辐射传播的截止频率恰好落在毫米波波段,同样频率的毫米波信号在羽流核心的衰减和反射会明显强于边缘区域。当信号频率低于羽流核心区域的等离子体朗缪尔频率(大约对应波长大于2.4mm)时,通过羽流核心区域的辐射频率低于等离子体朗缪尔频率,将会发生强吸收和全反射,导致信号无法穿过羽流。在磁场较大的情况下,电磁波吸收系数谱会发生比较明显的变化,且左旋电磁波和右旋电磁波的表现有所区别。在辐射传播的过程中,光线在不同的等离子体区与会发生不同程度的折射。越接近羽流中心区域折射角越大,直至全反射,折射的方向趋于等离子体密度高且磁场强度大的区域。更多还原