高超声速飞行器或再入航天器在临近空间飞行时,在飞行器外会形成等离子体鞘套,等离子体鞘套一方面会阻碍飞行器与地面的通信,即黑障问题,另一方面也会影响雷达对飞行器的探测,因此分析电磁波与等离子体鞘套之间的相互作用已经成为一大重要而紧迫的研究课题。电磁波与等离子体的相互作用非常复杂,且参数众多,整个过程会产生多种非线性效应,所以非线性效应的研究也是至关重要的。本文针对鞘套形成机理、流场仿真模拟、非线性效应对电磁波在等离子体鞘套中的传输和散射的影响等问题从四个方面展开研究。1.鞘套形成机理及流场仿真模拟。首先概述鞘套形成机理及仿真模型,推导其介电参数,建立高超声速飞行器的几何模型,完成对飞行器周围空间的网格剖分,通过分析等离子体鞘套的形成要素,合理设置满足高超声速流场的条件,求解流场控制方程组,得到飞行器周围鞘套流场分布,并进一步给出等离子体鞘套电子密度分布,为后续研究电磁波与等离子体鞘套的相互作用提供数据基础。计算结果与RAM-C的钝头锥对比后,量级几乎一致,同时结果表明,飞行器上部电子密度的量级比下部要高2个数量级以上,但鞘套厚度较薄,而下部的电子密度分布较为平缓。2.等离子鞘套中的非线性效应。基于热致非线性效应原理,推导热致非线性效应影响下的碰撞频率、非线性衰减常数以及介电常数,仿真比较线性与非线性衰减常数随频率的变化,并分析了碰撞频率与介电常数扰动随电场强度与频率的变化规律。结果表明,当入射波电场强度与等离子体特征场相比较大时,热致非线性效应不可忽略。通过对电极化强度项进行非线性推广,推导得到非线性衰减常数,仿真不同碰撞频率和电子密度下非线性衰减常数随频率的变化,并把结果与线性衰减常数作比较。结果表明,考虑非线性时衰减常数有所减小。3.基于三波互作用的非线性效应开展突破黑障的探索研究。根据电磁波在等离子体鞘套中的Ginzburg方程,数值求解得到了三种电磁波的磁场分布,仿真分析了该方法的可行性;比较了不同电子密度分布和信号频率下三波的磁场分布,分析不同参数对三波非线性作用的影响;依据RAM-C数据仿真不同空间高度处的三波磁场分布,分析了该方法的实际效果。结果表明,该方法具有实际应用的前景。4.非线性效应对等离子体鞘套包覆目标电磁散射特性的影响。基于计算涂覆目标RCS的FDTD、PO等方法,仿真不同鞘套参数下均匀磁化等离子体涂覆导体方柱、高超声速钝锥体飞行器和高超声速类HTV飞行器的双站RCS,分析热致非线性效应对目标RCS的影响。结果表明,当考虑热致非线性效应时,三类目标的RCS都有所减小,并且对于不同入射波频率下钝头锥的双站RCS结果,非线性情形的变化规律不同于线性情形。