各类返回式航天器再入大气层时,因空气电离形成包覆于表面的“等离子鞘套”,其屏蔽效应会导致通信中断(即“黑障”)现象,是困扰航天领域长达数十年的重大技术难题,至今仍未得到有效解决。近年来,随着我国载人航天工程、天地往返运载器、行星探测、新型装备,以及临近空间飞行器(空天飞机)等研究工作的开展,“黑障”问题成为关注热点。然而,我国在该领直接开展载飞试验的条件不成熟,加之地面实验手段存在相当大的差距,不仅限制等离子鞘套电磁相关科学问题的探索和验证,还遗留了一些与理论不符的现象(如“薄层现象”)至今尚未得到合理解释。针对上述问题,本文提出了一种针对天线窗局部等离子鞘套模拟的新方法,利用辉光放电和扩散的原理,产生了与实际等离子鞘套具有一定等效性的大面积等离子介质层;搭建了等离子鞘套下电波传播实验系统并对其进行了诊断、标校和模拟真实性分析。在此基础上进一步开展了若干电波传播实验研究,包括:UHF、L、S频段的电波传播特性研究、等离子薄层中的电波传播特性研究,以及等离子体中低频电磁波传播特性研究等。本文的主要创新点和贡献包括:1、提出了一种新型的等离子产生技术。利用低气压扩散辉光放电,能够在地面产生大面积、长时间持续、密度连续可控、无电极遮挡的等离子体层,特别适合开展电波传播实验。2、利用所提出的等离子发生器,构建了等离子体电波传播实验系统,获得了测控通信和导航频段(UHF、L、S频段)电磁波在等离子中的传播特性,并成功在地面长时间连续地再现了“黑障”现象。该系统可以为再入段测控、通信、导航设备研制和测试验证提供具有一定等效性的天线窗局部等离子鞘套的模拟环境。3、对“薄层现象”问题进行了实验检验。“薄层现象”是上世纪80年代在激波管进行再入等离子实验时观测到与经典理论不符、尚有争议的特殊电磁传播现象,受限于当时的研究条件,无法给出理论解释或采取其它手段进一步验证。本文对提出的等离子传播实验系统进行了改造,开展了相关实验,实验结果明显倾向经典理论预期,支持了“薄层现象”是激波管实验特有误差的结论,并给出了可能误差原因的分析。4、对等离子低频电波传播特性开展了实验研究。虽然理论上早在上世纪60年代就预言了等离子低频传播窗口的存在,然而至今鲜有实验报道。本文通过实验研究,发现了特殊的传播现象——低频小环天线近场波的衰减远低于平面波理论预期,并给予了理论解释。该结果有可能为再入全程导航提供一种全新的思路。本文的研究成果,可直接应用于等离子鞘套下电磁传播相关领域的基础理论研究,间接支撑再入飞行器/航天器、临近空间高速飞行器的研制和测试。其理论价值和应用前景体现在:1、在理论层面:一方面,对于等离子鞘套这一类非均匀介质的电波传播解析计算通常采用分层介质法,其正确性依赖于每一个薄层计算结果的有效性,本文对薄层等离子传播特性的实验,支持了经典理论的有效性,从而消除了自上世纪80年代以来遗留的疑问;另一方面,本文发现同时具备低频、低波阻抗的电磁波在等离子体中穿透率极高,利用磁天线近场区的低阻抗波穿透等离子鞘套,可能是一种具有对抗“黑障”潜力的新途径。2、在技术层面:本文提出的新型等离子鞘套模拟方法和电波传播实验平台,为“黑障”相关的研究提供了重要的补充手段。不仅能为再入段电子信息设备的测试提供简单有效的物理验证环境,还可以进一步支撑后续等离子鞘套下的电波传播、雷达探测、天线特性、“黑障”抑制等相关领域的研究。