火箭喷焰尘埃等离子体电磁特性的理论研究

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火箭喷焰是由电子、离子、分子以及尘埃粒子组成的弱电离尘埃等离子体,固体火箭喷焰是一种含有Al2O3尘埃颗粒,温度在几百°K~3000°K的弱电离尘埃等离子体,其中分子的浓度远大于电子和离子的浓度,电子与离子的浓度基本相等并远大于Al2O3尘埃粒子的浓度。固体火箭喷焰对微波有强烈的衰减作用,强度衰减可达十几个dB以上,严重时可使微波通信中断。研究固体火箭喷焰的微波衰减机理对于降低微波的衰减保证通信的畅通有重要的意义。研究发现,固体火箭喷焰的微波衰减主要受电子的浓度、铝粉的含量以及Al2O3等尘埃颗粒大小的影响。当电子的浓度增大时,固体火箭喷焰对微波的衰减也将增大,这与等离子体理论给出的电导率和衰减常数的结论是一致的。实验研究还表明,铝粉含量的增加或Al2O3尘埃颗粒的增大均能使微波衰减增大。对于这一现象,目前的理论给出的解释是,铝粉含量的增加提高了火箭喷焰的温度,高温使得固体火箭推进剂中的钾和钠电离出更多的电子,电子浓度的增加造成了微波衰减的增大;但Al2O3尘埃颗粒的增大也能使微波衰减增大,实际上,在固体火箭喷焰中,即使电子浓度基本不变,只要Al2O3尘埃粒子的浓度增大,固体火箭喷焰对微波的衰减也会增大。对此,仅从等离子体物理的观点难以给出令人满意的解释。自上世纪90年代起,尘埃等离子体理论及相关的应用研究受到了越来越普遍的重视。在尘埃等离子体的纵波不稳定性、尘埃粒子晶体特性,尘埃粒子鞘层模型等研究方面发表了大量文献。此外,在尘埃等离子体对电磁波散射的研究方面也发表了一些文献。但有关弱电离尘埃等离子体对电磁波的衰减特性研究,发表的文献很少。 弱电离尘埃等离子体对微波的衰减除了要考虑微波对电子的加速、电子与中性分子的碰撞这一能量转化过程外,还需考虑电子对尘埃粒子的充电这一物理过程。后者由于是一个完全非弹性碰撞,在能量的转化规模上可能比前者更大。 本文首先介绍了火箭喷焰流场的内部结构以及其中的物理化学过程,并对喷焰中电子密度分布和尘埃粒子的密度和大小分布进行了文献的综合分析,确定了电子密度的量级为1012m-3~1019m-3(106cm-3~1013cm-3),尘埃粒子的密度处于1010m-3~1015m-3(104 cm-3~109cm-3)之间,尘埃粒子的半径一般在0.1μm~10μm范围。 将电子运动过程中的碰撞和对尘埃粒子的充电过程作为影响其电磁特性的主要机制,忽略离子的作用和尘埃等离子体内部不稳定性造成的影响,采用局部均匀假设,应用统计理论,通过求解Boltzmaan方程和Shukla方程,导出弱电离尘埃等离子体的电导率和介电常数计算公式,以及相应的微波衰减常数和相位常数计算公式。提出了充电响应因子的概念,分析表明作为弱电离尘埃等离子体常数计算公式。提出了充电响应因子的概念,分析表明作为弱电离尘埃等离子体的火箭喷焰,其电导率和介电常数的大小与电子的浓度、尘埃粒子的浓度以及尘埃粒子的截面积三者的乘积有关。当微波频率一定时,尘埃对微波衰减的贡献可由充电响应因子决定。充电响应因子是电子浓度、尘埃粒子浓度以及尘埃面积三者的乘积成正比。对微波的衰减来说,火箭喷焰中铝粉的增多,不仅能通过燃烧使电子浓度增大,同时也使AlO3尘埃粒子的浓度增大。铝粉含量的增加必然会使微波衰减增大。此外,尘埃粒度(即尘埃粒子半径)的增大,也会增大充电响应因子并导致微波衰减的增加。即使电子的浓度基本不变,只要尘埃粒子的浓度增加,微波的衰减同样会很严重。 将固体火箭喷焰的相关参数代入这些公式计算喷焰对微波的衰减,并将计算结果与实验观测及一般等离子体理论给出的计算值比较,结果发现,在相同电子浓度下,由尘埃等离子体理论给出的微波衰减比一般等离子体理论计算给出的衰减大1到3个量级。尘埃粒子的浓度及大小均会对微波的衰减产生影响。火箭喷焰环境压强的变化会引起电子浓度、电子与分子的碰撞频率以及尘埃粒子充电频率发生变化,喷焰尘埃等离子体的电导率将因此发生变化。研究发现,随着火箭高度的上升,对某一频率的微波,在火箭的某一高度存在最大的电导率和最大的介电常数,这一结果可以解释火箭喷焰在某一高度上对微波的衰减比地面更为严重这一现象。
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