[发明专利]一种烧蚀飞行器表面的电磁散射仿真方法

说明书

技术领域

本发明属于等离子体鞘套电磁仿真领域，具体涉及电磁散射数值 仿真，用于获取等离子体鞘套中烧蚀颗粒的电磁散射参数。

背景技术

高超声速飞行器(如航天飞机、载人飞船等)再入大气层或者在 临近空间高速飞行时，飞行器前端形成很强的脱体激波，激波的压缩 以及飞行器与周围空气之间的剧烈摩擦使得飞行器的动能大量转化 为热能，使飞行器周围空气温度迅速升高，导致飞行器表面周围空气 发生离解和电离，同时会使热防护材料发生烧蚀并电离，飞行器周围 被这些含量复杂的电离气体以及烧蚀颗粒所包围，其周围形成了一个 电离程度很强、电子分布极不均匀、结构和物质瞬态变化等离子体薄 层，即所谓的“等离子体鞘套”。等离子体鞘套对电磁波具有强烈的 散射作用，这将导致飞行器与外界控制设备以及通信设备的信号受到 严重干扰，而烧蚀颗粒又是等离子体鞘套的重要组成部分。因此，等 离子体鞘套中烧蚀颗粒的电磁散射问题研究在国防领域和民用领域 具有显著的学术价值和广泛的应用前景。

在过去的几十年中，地面植被的电磁散射问题研究已经相当成 熟。其中，森林散射模型MIMICS(MichiganMicrowaveCanopy Scattering)将森林模拟为由树冠层、树干层及地面层组成的三层介质 模型。其中树冠层包括树叶、细小的茎、树枝等散射体，树干层由树 干组成，用长的圆柱来描述。在实际的研究过程中科研人员发现常见 的植被，比如农作物、草坪等，叶子和茎并没有明显的分层界限，且 茎的尺寸较小，不能用长圆柱来模拟，MIMICS模型应用于这类植被 时需要进行修正。此时，取树干层高度为零，形成双层植被散射模型， 即散射模型由植被层和地面层组成，植被层被模拟成离散散射体叶 子、茎等组成的随机介质，这些散射体可用形状规则的椭球体模拟； 地面层被模拟为粗糙面。

在以往的等离子体鞘套电磁散射问题中，常常忽略烧蚀颗粒的影 响，这样就大大降低了仿真的精确度，而双层植被散射模型一直应用 于地面植被电磁散射的研究领域，未见基于双层植被散射模型研究等 离子体鞘套中烧蚀颗粒的电磁散射特性。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种烧蚀飞行 器表面的电磁散射仿真方法，本发明与现有技术相比，不仅弥补了等 离子体鞘套中烧蚀颗粒散射问题的空白，而且为进一步改进等离子体 鞘套电磁仿真提出了新的要求，可用于获取烧蚀飞行器表面的电磁散 射参数。

实现本发明目的的技术方案是，一种烧蚀飞行器表面的电磁散射 仿真方法，包括如下步骤：

(1)根据双层植被散射模型，将植被散射等效为等离子体鞘套 中烧蚀颗粒的电磁散射，建立烧蚀飞行器表面的电磁散射模型。

(2)根据烧蚀飞行器表面的电磁散射模型，利用蒙特卡罗方法 产生方位角和位置随机分布的M个椭球散射体，并求解每一个椭球散 射体的内场。

(3)假设椭球散射体位于坐标原点，采用平面波作为入射波， 推导椭球散射体的远区散射场。

(4)采用单次散射近似，将每一个椭球散射体的散射场进行叠 加表示远区的总散射场。

(5)根据得到的远区散射场结合入射波，求解椭球散射体(烧 蚀颗粒)的双站散射系数。

本方法将双层植被散射模型，应用到等离子体鞘套烧蚀颗粒的电 磁散射中，避免了以往计算等离子体鞘套电磁散射时忽略烧蚀颗粒影 响的问题，保留了双层植被散射模型的优点，并可以将其应用到等离 子体鞘套中烧蚀颗粒电磁散射的计算；同时由于采用了蒙特卡洛随机 模拟理论产生随机分布的烧蚀颗粒，使电磁仿真结果更加接近实际情 况。

附图说明

图1是本发明的实现流程图。

图2是本发明中烧蚀飞行器表面散射示意图。

图3是椭球散射体的Euler角取向示意图。

图4是入射单个散射体示意图。

图5是烧蚀颗粒的四种散射方式。

图6是用本发明仿真的飞行器表面为菲涅尔面和粗糙面时烧蚀 颗粒的双站散射系数对比图。

图7是用本发明仿真的粗糙面相关长度不同时烧蚀颗粒的双站 散射系数对比图。

图8用本发明仿真的粗糙面均方根高度不同时烧蚀颗粒的双站 散射系数对比图。

具体实施方式

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：