【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及低温等离子体。
技术介绍
1、当飞行器在临近空间段(20km～100km)飞行速度达到10马赫以上时，飞行器前端会形成激波层，激波的压缩和飞行器与周围气流的摩擦使得飞行器动能大量转化为热能，飞行器周围温度迅速升高，高温导致气体分子被电离形成等离子体，激波“下游”的气体及等离子体和飞行器表面的防护材料发生化学反应、能量弛豫过程、电子激发和烧蚀等现象，最后生成包括各种组分的分子、离子和电子组成的非均匀、弱电离等离子体包覆在飞行器表面，形成等离子体鞘套。由于等离子体的电磁介质特性，电磁波通过等离子体鞘套时会被反射、折射、吸收和散射，导致飞行器与外界的通信恶化，造成导航、数传、遥测、遥控等信号传输中断，即飞行器的通信“黑障”问题。一旦发生通信“黑障”，飞行器将会变成“信息孤岛”，导致参数不可知、目标不可见、状态不可控等一系列危险后果，严重威胁飞行器的飞行安全，如2003年，美国哥伦比亚(colombia)号航天飞机由于遥测信号中断最终导致飞机失事。
2、“黑障”问题几乎伴随着各种类型的临近空间高超声速飞行器，传统解决飞行器“黑障”问题的方法为被动的“存储转发”技术：在“黑障”时先存储通讯信息，出“黑障”后将已存储的信息重发，延迟获取“黑障”区域内飞行状态和参数。这种技术对于从大气层外以抛物线运动方式返回地球的传统再入飞行器，由于其飞行轨迹简单，并且快速穿越“黑障”区域，“黑障”持续时间短，具有一定效果，但对于具有长航程、长时间、航班化天地往返等需求的新型高速飞行器，由于“黑障”持续时间长，无法采用存储转发技术实
3、自20世纪60年代人类在发展载人航天过程中发现通讯“黑障”问题以来，研究人员先后提出了多种等离子体鞘套主动调控方法以缓解通信“黑障”，技术路径主要包括两大类：(1)从电磁波在等离子体鞘套中的传播特性入手，增强透射能力；(2)以降低等离子体鞘套电子密度为目标，从源头缓解黑障现象。增强电磁波在等离子体鞘套中的透射能力指不改变等离子体鞘套，基于等离子体鞘套与电磁波的相互作用，通过高频、低频、提高功率、拉曼散射、中继等一系列方法缓解通信“黑障”；降低等离子体鞘套电子密度的方法主要包括改善飞行器气动外形、改进飞行器防热材料、引入外加电磁场调控、亲电子物质注入等。
4、但上述方法均因其各自存在的问题导致应用受限，如使用高频、低频通信需要改变现有通信体系，改变飞行器气动外形会影响飞行器有效载荷，引入外加电磁场调控会极大增加发射成本降低有效载荷，同时可能会给飞行器带来电磁干扰。
5、上述方法中亲电子物质注入是唯一被成功应用于载人航天器上的缓解通信“黑障”技术手段：1965年3月，美国gemini 3号载人飞船使用注水的方法在部分弹道时段超高频(vhf)波段和c波段信号突破了通信黑障，相较于其他方法更加具有实际应用前景，但是长航程、长时间飞行过程中所需要的亲电子物质将会占用大量的有效载荷，同时在高密度条件下所需的亲电子物质将大量增加，因此寻找更有效降低等离子体鞘套电子密度的亲电子物质变得至关重要。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是解决现有高速飞行器在临近空间段飞行过程中由于等离子体鞘套高电子密度引发的通信信号衰减，即通信“黑障”问题，提出了一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统及其方法，得到使用c4f7n和c5f10o两种新型强电负性气体作为亲电子物质注入降低等离子体鞘套电子密度，并设计了可用于等离子体鞘套地面模拟装置上的亲电子物质注入系统。相较于现有的使用co2、sf6等气体，使用c4f7n和c5f10o气体注入后等离子体鞘套电子密度下降效果得到了提升。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术提供一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，所述调控系统包括三通道级联电弧等离子体源、进气管道、朗缪尔探针和真空腔室；
4、所述三通道级联电弧等离子体源用于产生等离子体束流并输送给所述真空腔室，模拟出等离子体鞘套环境；
5、所述进气管道用于将亲电子物质注入所述等离子体鞘套环境；
6、所述朗缪尔探针用于诊断所述等离子体鞘套环境内亲电子物质注入前后的等离子体密度变化。
7、进一步，还有一种优选实施例，上述进气管道与三通道级联电弧等离子体源的距离为280mm；
8、上述进气管道的喷口与所述等离子体鞘套环境的中轴线的距离为30mm。
9、进一步，还有一种优选实施例，上述真空腔室的直径为488mm，长度为1850mm。
10、进一步地，还有一种优选实施例，采用螺杆泵维持上述真空腔室的真空。
11、进一步，还有一种优选实施例，上述真空腔室内的进气管道采用外径4mm，壁厚0.5mm的316l不锈钢管实现。
12、进一步，还有一种优选实施例，上述真空腔室外的进气管道采用外径为8mm，壁厚1.5mm的pu管实现。
13、进一步，还有一种优选实施例，上述进气管道内分别充有sf6、c4f7n和c5f10o三种亲电子物质。
14、进一步地，还有一种优选实施例，上述调控系统还包括质量流量控制器；
15、所述质量流量控制器用于控制进气管道内亲电子物质的注入流量。
16、进一步地，还有一种优选实施例，上述调控系统还包括真空转接法兰；
17、所述真空转接法兰用于将进气管道的喷口引入指定位置。
18、本专利技术还提供一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控方法，所述调控方法是基于上述任意一项所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统实现的，所述调控方法为：
19、s1、采用三通道级联电弧等离子体源产生等离子体束流模拟出等离子体鞘套环境；
20、s2、采用朗缪尔探针检测等离子体鞘套环境内的电子密度，当所述电子密度达到5.0×1018m-3后；
21、s3、将进气管道内的亲电子物质sf6、c4f7n和c5f10o按照同一流量、同一注入时间原则分别注入到所述等离子体鞘套环境中；
22、s4、采用朗缪尔探针分别检测注入sf6、c4f7n和c5f10o后的电子密度；
23、s5、根据朗缪尔探针检测的结果进行分析，得到sf6、c4f7n和c5f10o分别作为亲电子物质调控等离子体鞘套在相同条件下的电子密度数值。
24、本专利技术的有益效果为：
25、1、本专利技术提供一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，采用三通道级联电弧等离子体源产生等离子体束流模拟出等离子体鞘套环境，采用进气管道将亲电子物质注入所述等离子体鞘套环境，采用朗缪尔探针诊断注入前后等离子体密度；同时，进气管道与三通道级联电弧等离子体源的距离为280mm，进气管道的喷口与所述本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述系统包括三通道级联电弧等离子体源、进气管道、朗缪尔探针和真空腔室；
2.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述进气管道与三通道级联电弧等离子体源的距离为280mm；
3.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述真空腔室的直径为488mm，长度为1850mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，采用螺杆泵维持所述真空腔室的真空。
5.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述真空腔室内的进气管道采用外径4mm，壁厚0.5mm的316L不锈钢管实现。
6.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述真空腔室外的进气管道采用外径为8mm，壁厚1.5mm的PU管实现。
7.根据权利要求1所述的一种
8.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述系统还包括质量流量控制器；
9.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述系统还包括真空转接法兰；
10.一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控方法，其特征在于，所述方法是基于权利要求1-9任意一项所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统实现的，所述方法为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述系统包括三通道级联电弧等离子体源、进气管道、朗缪尔探针和真空腔室；
2.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述进气管道与三通道级联电弧等离子体源的距离为280mm；
3.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述真空腔室的直径为488mm，长度为1850mm。
4.根据权利要求3所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，采用螺杆泵维持所述真空腔室的真空。
5.根据权利要求1所述的一种基于亲电子物质注入的等离子体鞘套电子密度调控系统，其特征在于，所述真空腔室内的进气管道采用外径4mm，壁厚0.5mm的316l不锈钢管实现。
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【专利技术属性】
技术研发人员：艾昕，聂秋月，张仲麟，黄韬，陈培奇，费正航，赵星羽，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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