C频段雷达黑障区捕获跟踪新型返回舱策略研究

史军飞, 刘亚涛, 黄 宇

(中国人民解放军63628部队,甘肃 酒泉 732750)

返回式航天器再入稠密大气层后，由于速度高，会与大气剧烈摩擦，在航天器表面形成一层等离子体，一般会导致黑障区的产生。当航天器处于该区域内，测控及通信设备与航天器之间的信号会产生短暂的中断，导致通信中断、外测及遥测设备丢失目标。关于返回式航天器再入段黑障现象，国外进行了较多实验研究。MIT Lincoln实验室和NASA Langley研究中心在20世纪60年代通过Traiblazer计划[1]进行了再入体RCS(Radar Cross Section,雷达散射截面)测量试验，实现了使用地面测试设备来提供模拟再入大气条件的设想。之后，制定了导弹防御关键测量计划，提高导弹的突防技术和对导弹末端的拦截技术[2]，不断推进等离子体隐身技术的发展，并应用于隐身兵器研究。国内的相关研究主要集中在等离子体隐身技术的理论以及数值仿真方面。牛家玉[3]、彭世镠[4]等研究了再入尾迹湍流等离子体与电磁波相互作用的机理，提供分析目标特性的方法。刘明海等[5]研究了不同参数大气等离子体对电磁波的衰减效应。胡红军等[6]结合神舟任务获取的雷达及USB设备实测数据对测控设备黑障区捕获跟踪返回舱的策略进行了分析研究。为适应中国空间站运营以及未来载人探月需要，航天科技集团五院抓总研制了新一代载人飞船。在新型载人飞船返回舱返回过程中，雷达出现了同神舟飞船返回舱相似的黑障区目标丢失现象。与神舟飞船返回舱相比，新型返回舱高度及直径增加近1倍，采用了新型防热结构和材料，这些改变导致新型返回舱再入段黑障区雷达反射特性发生了变化。今后新型载人飞船返回任务呈现高密度状态，但目前公开发表的关于新型返回舱黑障区C频段雷达反射特性的研究还几乎处于空白，因此，加强对其返回段黑障区特性及跟踪策略的研究十分重要。本文通过梳理等离子体对电磁波传播影响的基本理论，分析等离子体对电磁波的反射、吸收特性，推理出雷达反射式跟踪返回舱时，在黑障区丢失目标的可能原因。对比3套C频段雷达在某次新型返回舱返回过程中的跟踪数据，验证理论分析的正确性。针对C频段雷达目标丢失的高度、速度和RCS特性，以某型号雷达为例，制定相应的捕获跟踪策略，为其他型号雷达提供参考。

1 等离子体鞘套对电磁波传输的影响

1.1 返回式航天器等离子体鞘套形成因素分析

返回式航天器高速进入大气层时，与周围稠密大气剧烈摩擦，在短时间内产生大量热量，形成高温区，温度可达3000 K[7]。高温区内气体分子产生电离，航天器表面防热材料也同时在高温下被烧蚀电离，形成平时所说的物质的第四种形态——等离子体，峰值电子密度可达1013～1016cm-3，这层等离子体沿航天器表面分布，即“等离子鞘套”[8]。该鞘套的物理参数与再入航天器锥角、飞行速度、返回入射角、距地面高度、防热材料以及环境大气密度等因素直接相关[6]。

1.2 等离子体主要物理参数

1.2.1 等离子体密度

等离子体密度的定义是单位体积中电子的数目，因为与其他粒子相比，电子的活动更加活跃；单位一般为个/cm3，该值主要受空气密度和等离子鞘套温度的影响。在航天器头部由于强烈的摩擦作用，产生强激波，大气受到压缩而且几乎完全电离，电子密度较高；在航天器的侧面向尾部方向，电子密度逐渐降低；在尾部，摩擦作用较弱，电离作用基本不再发生，电子与离子的复合过程将起主要作用，因此在飞行器尾部区域的等离子体密度比飞行器前部和侧面的等离子体密度低很多。

1.2.2 等离子体角频率

等离子体角频率又被称为朗缪尔振荡频率，是等离子体的重要特征参数之一。当等离子体受到气体放电、射线辐射等外界条件的影响时，会产生一部分微观粒子偏离原平衡的状态，此时，在粒子间库伦力的作用下，偏离平衡态的等离子体会重新成为电中性，这种从偏离平衡状态到恢复平衡状态的过程就叫等离子体的自由振荡，自由振荡的频率就是等离子体角频率ωm[9]。能够保持等离子体性质不变的最大偏离范围被称作德拜长度。

(1)

式中：Ne为电子密度;qe为电子电荷量;ε0为真空中介电常数;me为电子质量;fp为等离子体波频率。

1.2.3 等离子体碰撞频率

在等离子体微观粒子之间的碰撞中，电子与中性粒子、离子之间的碰撞占了绝大多数，因此通常将电子与其他粒子的碰撞频率当作等离子体碰撞频率的近似值。电子碰撞频率表示为

Ve=Ven+Vei

(2)

式中：Ven为中性粒子与电子碰撞频率；Vei为离子与电子碰撞频率。等离子体碰撞频率决定了电磁波在等离子体内被吸收的程度。大气相对密度和等离子体温度与该参数有比较大的关系。

1.3 等离子体对电磁波传输的影响

1.3.1 等离子体对电磁波的折射、反射作用

等离子体与其他介质一样具有介电常数ε，在频率为ω的电磁波的电场作用下，结合电子的运动、位移和速度方程，推出其相对介电常数的表达式为[8]

(3)

式中：Ve为电子碰撞频率。由于微观粒子之间存在碰撞，导致等离子体的相对介电常数是一个复数，实部反映了入射电磁波的色散，虚部反映电磁波的吸收。定义电磁波在等离子体中传播、反射、折射时的折射率和衰减率为[9]

(4)

(5)

电磁波在等离子体中传播时的相位系数和衰减系数定义为

(6)

(7)

针对ω、ωm、Ve之间的关系，讨论等离子体对电磁波传播的影响。

① 当ω=ωm时，若Ve=0，此时n′和n″都是零，表明此时入射电磁波无法在等离子体中传播，而是在表面被完全反射；若Ve≠0，此时n′和n″均大于零，表明电磁波可以在等离子体内传播一定距离。

(8)

(9)

因此，折射率n′基本与Ve无关，衰减率n″受到碰撞频率Ve的影响，且电磁波频率越高产生的衰减越小。

(10)

通过以上分析可知，对于Ve≠0的情况，平面电磁波在等离子体中总是存在衰减，并且等离子体厚度越大，产生的总衰减越大。

1.3.2 等离子体对电磁波的衰减作用机理

等离子体内部会通过粒子间碰撞吸收入射到等离子体内部的电磁波能量。当ω<ωm时，处于截止状态，电磁波不能够在等离子体内传播；当ω>ωm时，由于等离子体中电子的变化速度跟不上电磁波的变化速度，电磁波受到的阻碍作用会比较小，此时电磁波可以通过等离子体，但会被吸收一部分。电磁波被吸收的原因是电场对电子做功后，电磁波的一部分能量转化为电子的动能，电子又通过与其他粒子的碰撞，将一部分能量传递给其他粒子，同时自身能量被衰减。

1.4 黑障区等离子体鞘套对电磁波衰减常数计算

为简化分析模型，将航天器再入时形成的等离子体鞘套看作无限大均匀非磁化导电介质，可以得出电磁波在等离子体内的衰减常数α和相位常数β为[7]

(11)

(12)

《载人飞船空气动力学》[11]中提供了载人飞船返回舱在黑障区不同高度下对应的大气电子密度Ne及碰撞频率Ve分布。从中可以得出载人飞船返回舱近地返回时，返回走廊内电子密度在1010～1014cm-3之间。

从文献[12]中获取了载人飞船返回舱在黑障区不同高度时的电子密度、等离子体频率、等离子体碰撞频率等参数，据此计算出S、C、X、K频段电磁波在等离子体鞘套内传播时的衰减常数α，如表1所示。

表1 不同频段电磁波在等离子体内传播的衰减常数α

1.5 黑障区等离子体鞘套对电磁波影响分析

结合以上数据，针对C频段雷达反射回波信号丢失与重捕情况，得出新型返回舱在返回过程中“黑障”现象相关结论如下。

① 当返回舱高度H>100 km时，空气密度比较低，返回舱与大气摩擦作用较弱，产生的热量较少，因此大气电离较弱，等离子体电子密度低，等离子体角频率ωm远小于电磁波频率，电磁波能以很小的衰减穿透等离子体并形成反射回波到达雷达天线，此时等离子体几乎对雷达设备工作不产生影响。

② 当返回舱高度90 kmω。

③ 当返回舱高度50 km

⑤ 当返回舱高度30 kmω>ωm时，等离子体由过密状态变为亚密状态，尾部形成亚密湍流，出现体散射[14]，导致目标RCS出现逐渐增大趋势，甚至高于目标本体RCS。此时认为目标处于黑障区边缘。

⑥ 当返回舱高度H<30 km时，速度进一步降低，表面温度不断下降，电离过程继续减弱，等离子体角频率ωm随高度下降而下降；同时由于大气密度增加，等离子体碰撞频率上升，综合作用导致α→0，等离子体对电磁波的衰减作用很弱，鞘套消失，此时雷达接收到的为返回舱本体信号，目标已经通过黑障区。

2 实测数据验证

某次新型返回舱升力控制式返回过程中，末段3套C频段雷达捕获目标后，均出现雷达信号短时间内迅速减小、随后目标丢失的现象，雷达跟踪返回舱RCS变化情况如图1～图3所示。

图1 1#雷达跟踪新型返回舱t-RCS关系图

图2 2#雷达跟踪新型返回舱t-RCS关系图

图3 3#雷达跟踪新型返回舱t-RCS关系图

对比3套C频段雷达跟踪实测数据，获取新型返回舱某次任务弹道式返回过程中再入大气层后目标信号丢失点及重捕点高度、AGC(Automatic Gain Control，自动增益控制)值、丢失时间等信息如表2所示。

表2 某任务3套C频段雷达目标丢失点数据对比

① 返回舱高度在50 kmω，电磁波无法进入等离子体传播，在界面处被反射，雷达接收到的回波信号来自于等离子体鞘套，其RCS比目标本体高约11.5 dB，在11～17 dBsm之间，此时雷达跟踪目标较为稳定。

② 3套C频段雷达目标丢失高度均在50 km附近，具有较好的一致性，可判断在该区域返回舱处于出黑障前的第4阶段。等离子体对C频段电磁波的衰减作用占主导地位，导致雷达回波信号突然减小，目标丢失。

③ 返回舱高度在30 km

④ 返回舱高度在H<30 km时，由于等离子体电子密度下降，ωm<ω，此时电磁波几乎不会受到等离子体的衰减，照射在返回舱后形成后向散射，雷达跟踪信号信噪比也比较稳定，此时雷达接收到的为返回舱本体信号，RCS均值为0.5～1.0 dBsm，跟踪稳定。

3 新型返回舱捕获跟踪策略

在分析新型返回舱黑障区特性的基础上，结合某型号雷达操作，提出新型返回舱捕获跟踪策略如图4所示。

图4 C频段雷达捕获跟踪新型返回舱策略流程图

3.1 距离估算

依据某型号雷达跟踪数据，返回舱RCS为-10～19.88 dBsm，任务跟踪数据最小RCS为-10 dBsm，利用雷达相关参数计算得出该型号雷达跟踪新型返回舱较为合适的作用距离为340 km。在进行雷达布站时，尽量不超出此作用距离。

3.2 扫描空域范围设置

新型返回舱采取升力控制式返回，再入大气层后由于受到大气摩擦以及气流影响，理论弹道与实际弹道偏移量会逐渐变大。扫描空域的设置应该区分后向、侧向、前向测站等不同情况。返回舱相对后向与前向测站，一般来说方位变化较小，俯仰变化较大，因此扫描空域应设置为方位较大、俯仰较小，这样有利于提升电扫描效能。

对于侧向测站，一般方位变化比俯仰变化要大，因此方位扫描范围应比俯仰扫描范围大一些。以侧向测站为例，在航天器飞行过程中，雷达丢失目标时，速度约为3.0 km/s，方位角速度为0.6°/s，俯仰角速度为0.04°/s，设置扫描空域为2°×1°，与雷达距离为532 km处矩形框为18.6 km×9.26 km，返回舱穿越该区域所需时间为3.09～6.2 s，大于雷达电扫描时间9 ms，可以满足目标重捕要求。

3.3 捕获跟踪方案

(1) 等待点设置。

依据返回舱跟踪数据以及理论弹道，预估目标丢失点时间、高度、方位、俯仰值，在预估丢失点前后20 s，以及目标丢失点后40 s设置等待点。

(2) 扫描空域设置。

在临近预估黑障区时，应当按照事先计算好的空域范围切换扫描空域。

(3) 引导源选择。

在返回舱返回弹道的末段一般内引数据会出现较大偏差，因此应当按照外引、内引、屏引的优先级确定引导源。若返回舱是在夜间返回，由于摩擦烧蚀作用舱体会形成发光体，此时应采用光学引导设备进行引导重捕。

(4) 雷达参数设置。

返回舱处于“隐身区”前后时，回波信号较弱，此时操作手应及时调整MGC(Manual Gain Control，手动增益控制)，使之与回波幅度较为匹配；并且由于目标回波信号弱，容易丢失目标，伺服操作手应手控伺服，待目标信号稳定后，再转为角度自动跟踪。依据理论弹道预先评估黑障区适宜的波形、扫描空域、电扫带宽等参数。

4 结束语

目前黑障区目标反射回波丢失现象虽不可消除，但通过分析其“隐身区”特点，关注不同方位测站跟踪效果、目标丢失高度、RCS变化特点，测控人员可预测本设备目标丢失以及重捕点的时间、目标位置，发挥测控设备最佳性能，尽力缩短目标丢失时间。返回舱末段的测控精度对于准确预报返回舱落点意义重大。今后可以在目标弹道的实时外推方面做一定工作，从而实时调整预设的目标重捕等待点。本文为新型返回舱黑障区测控工作提供了实践经验和理论解释，为今后的返回舱测控工作奠定了基础。