焦德志, 黃 潔, 平新紅, 謝愛民, 羅錦陽(yáng), 柳 森

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽(yáng) 621000)

0 引 言

200m自由飛彈道靶是我國(guó)自行研制的彈道靶試驗(yàn)設(shè)備，采用二級(jí)輕氣炮將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶l(fā)射至真實(shí)飛行速度，然后讓模型在環(huán)境氣體真實(shí)、組分和壓力可調(diào)的靶室內(nèi)自由飛行的方式開展試驗(yàn)，具有綜合模擬高馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)和高焓等飛行條件的特點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)唯一一座具備開展超高速范圍內(nèi)的氣動(dòng)力、氣動(dòng)物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等地面試驗(yàn)研究的綜合性彈道靶設(shè)備。該設(shè)備1968年列入規(guī)劃，1975年設(shè)計(jì)，1986年完成主體設(shè)備和配套測(cè)量設(shè)備的安裝調(diào)試，經(jīng)過幾十年的運(yùn)行，該設(shè)備完成了多項(xiàng)科研試驗(yàn)任務(wù)。

改造前的200m自由飛彈道靶配備37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮，靶室直徑1.5m，長(zhǎng)188m，真空模擬范圍1×105～6×103Pa，圖1為200m自由飛彈道靶靶室及測(cè)量系統(tǒng)照片，圖2為37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮照片。

圖1 氣動(dòng)中心的200m自由飛彈道靶靶室及測(cè)量系統(tǒng)

圖2 37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮

根據(jù)高超聲速飛行器發(fā)展需求，對(duì)比國(guó)外先進(jìn)的彈道靶設(shè)備[1-4]，200m自由飛彈道靶存在著發(fā)射器口徑和靶室直徑偏小、發(fā)射過載偏大、環(huán)境模擬能力不足、速度測(cè)量精度偏低、模型姿態(tài)和流場(chǎng)顯示系統(tǒng)測(cè)量視場(chǎng)小等缺點(diǎn)。為滿足各類高超聲速飛行器氣動(dòng)力特性、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗(yàn)研究不斷發(fā)展的需求，2009年，氣動(dòng)中心提出了200m自由飛彈道靶的升級(jí)改造任務(wù)。

1 改造前設(shè)備的試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

改造前的200m自由飛彈道靶總長(zhǎng)約240m，主要由發(fā)射器系統(tǒng)、靶室系統(tǒng)以及配套測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成(圖3)，其中發(fā)射器總長(zhǎng)約40m，靶室總長(zhǎng)約200m。發(fā)射器系統(tǒng)配備37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮(圖2)，彈丸質(zhì)量范圍34～680g，發(fā)射速度1～6.5km/s(實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見圖4)。該發(fā)射器配備有完善的勤務(wù)運(yùn)行系統(tǒng)，最高運(yùn)行頻率為3次/天，為目前國(guó)內(nèi)同等規(guī)模發(fā)射器中運(yùn)行效率最高的彈道靶設(shè)備之一。靶室系統(tǒng)主要由洞體及配套的真空系統(tǒng)構(gòu)成，洞體由膨脹室和試驗(yàn)段構(gòu)成，膨脹室直徑2m，試驗(yàn)段直徑1.5m，原設(shè)計(jì)壓力為0.1MPa～13.3Pa，可實(shí)現(xiàn)0～60km左右高度范圍內(nèi)的模擬。真空系統(tǒng)配備3套H-600滑閥式真空泵，經(jīng)過多年使用，目前真空能力只能達(dá)到6×103Pa。

圖3 原200m自由飛彈道靶

圖4 37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮發(fā)射能力(實(shí)測(cè)值)

配套試驗(yàn)及測(cè)量系統(tǒng)主要包括陰影照相系統(tǒng)、速度測(cè)量控制系統(tǒng)、雨/雪侵蝕系統(tǒng)等。陰影照相系統(tǒng)配備有測(cè)試視場(chǎng)Ф300mm、Ф400mm和Ф500mm的陰影儀共計(jì)30站，可實(shí)現(xiàn)模型姿態(tài)、流場(chǎng)密度等的測(cè)量和顯示。速度測(cè)量控制系統(tǒng)配備有25套TC300/400模型探測(cè)器、20臺(tái)測(cè)控儀及1套數(shù)采系統(tǒng)，探測(cè)范圍可達(dá)到400mm，測(cè)速精度1%。雨雪場(chǎng)侵蝕系統(tǒng)包括侵蝕場(chǎng)生成裝置、雨雪模擬裝置和軟回收裝置等，可實(shí)現(xiàn)雨滴直徑1.2～1.7mm，雪場(chǎng)濃度20～60g/m3的侵蝕場(chǎng)模擬。

在200m自由飛彈道靶上開展過的試驗(yàn)有：抗粒子云侵蝕試驗(yàn)、模型自由飛試驗(yàn)、轉(zhuǎn)捩試驗(yàn)、超高速碰撞試驗(yàn)等[5-7]。

2 改造內(nèi)容

針對(duì)200m自由飛彈道靶存在的不足，結(jié)合高超聲速飛行器發(fā)展需求，2009年，氣動(dòng)中心提出了200m自由飛彈道靶升級(jí)改造的任務(wù)并正式啟動(dòng)，其改造內(nèi)容主要包括：發(fā)射器系統(tǒng)、靶室/真空系統(tǒng)、測(cè)控系統(tǒng)、模型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)等的升級(jí)改造。

發(fā)射器系統(tǒng)新增203mm和120mm口徑二級(jí)輕氣炮，實(shí)現(xiàn)0.5～30kg模型發(fā)射速度0.3～5km/s的發(fā)射能力；靶室由原來(lái)的Ф1.5m洞體升級(jí)至Ф3m洞體，同時(shí)配備新的真空設(shè)備，實(shí)現(xiàn)0～80km高度模擬；測(cè)控系統(tǒng)測(cè)試視場(chǎng)由原來(lái)的400mm擴(kuò)大至1000mm，以滿足大模型測(cè)速需要；模型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)除配備陰/紋影照相系統(tǒng)外，還將新增雙目前光成像定位系統(tǒng)、脈沖X射線成像測(cè)量系統(tǒng)、基準(zhǔn)系統(tǒng)等測(cè)試設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)超高速模型在靶室飛行過程中的模型姿態(tài)、流場(chǎng)的可靠測(cè)量。

3 改造后的試驗(yàn)?zāi)芰?/h2>

改造后的200m自由飛彈道靶總長(zhǎng)達(dá)310m，將配備37/50、120和203mm口徑二級(jí)輕氣炮，發(fā)射器最大長(zhǎng)度105m；靶室直徑Ф3m，長(zhǎng)度197.5m，最高真空度10Pa，最大模擬高度80km；測(cè)試系統(tǒng)配備陰影照相系統(tǒng)13站，雙目前光成像定位系統(tǒng)30站，TC400模型探測(cè)器15站，TC1000模型探測(cè)器30站，脈沖X射線測(cè)量系統(tǒng)1套等。建成后的200m自由飛彈道靶如圖5所示。發(fā)射器系統(tǒng)配備37/50、120和203mm口徑二級(jí)輕氣炮，三座二級(jí)輕氣炮可互換使用，共用同一個(gè)支撐平臺(tái)。二級(jí)輕氣炮的內(nèi)彈道計(jì)算采用氣動(dòng)中心編制的內(nèi)彈道計(jì)算程序進(jìn)行[8]；新增的120mm和203mm口徑二級(jí)輕氣炮發(fā)射模型質(zhì)量范圍為0.5～30kg，發(fā)射速度范圍為0.3～5km/s，將8kg模型發(fā)射到4.5km/s時(shí)發(fā)射過載低于4×104g，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜外形模型的超高速發(fā)射。120mm和203mm二級(jí)輕氣炮發(fā)射能力曲線見圖6，8kg模型發(fā)射至4.5km/s時(shí)的發(fā)射過載曲線見圖7。

圖5 改造后200m自由飛彈道靶

圖6 200m自由飛彈道靶發(fā)射器發(fā)射能力曲線圖(計(jì)算值)

改造后200m自由飛彈道靶靶室內(nèi)徑Ф3m，由爆震段、碰撞室和試驗(yàn)段構(gòu)成，總長(zhǎng)度約200m，洞體上開設(shè)有各類測(cè)試窗口，以滿足測(cè)試設(shè)備的安裝和測(cè)試需求。真空系統(tǒng)采用3套羅茨真空機(jī)組，最大抽速為1.5×104L/s，機(jī)組極限真空為0.5Pa，靶室壓力范圍為0.1MPa～10Pa，可實(shí)現(xiàn)0～80km的高度模擬，并具備雨、雪天氣模擬能力。

圖7 彈丸發(fā)射過載曲線(模型質(zhì)量8kg，速度4.5km/s)

測(cè)控系統(tǒng)配備TC400和TC1000模型探測(cè)器，測(cè)試視場(chǎng)分別為400mm和1000mm，用于不同尺寸模型的速度測(cè)量，測(cè)量精度優(yōu)于3‰。模型姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)配備陰影照相系統(tǒng)、雙目前光成像定位系統(tǒng)、脈沖X射線成像測(cè)量系統(tǒng)、超高速攝影、TC400速度測(cè)量與控制系統(tǒng)和TC1000速度測(cè)量與控制系統(tǒng)等。陰影照相系統(tǒng)測(cè)試視場(chǎng)為Ф400mm和Ф500mm，共13站，雙目前光成像定位系統(tǒng)測(cè)試視場(chǎng)為Ф1000mm，定位精度±1mm，共30站；脈沖X射線成像測(cè)量系統(tǒng)電壓范圍為150～450kV，測(cè)量序列為三序列；超高速攝影幅頻為500萬(wàn)fps/s。

截止到2013年10月，中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心已完成200m自由飛彈道靶靶室及真空系統(tǒng)和37/50mm口徑二級(jí)輕氣炮的改造任務(wù)，并形成試驗(yàn)?zāi)芰Α?20mm口徑二級(jí)輕氣炮加工任務(wù)已基本完成，速度測(cè)量系統(tǒng)和雙目前光成像系統(tǒng)等測(cè)試設(shè)備及配套系統(tǒng)正在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝調(diào)試。預(yù)計(jì)到2014年10月，120mm口徑二級(jí)輕氣炮將初步具備試驗(yàn)?zāi)芰Α?/p>

改造后的200m自由飛彈道靶發(fā)射系統(tǒng)具備從質(zhì)量40g的小模型到質(zhì)量30kg大模型的發(fā)射能力，實(shí)現(xiàn)大尺寸高仿真模型的超高速發(fā)射；測(cè)試系統(tǒng)具備測(cè)試視場(chǎng)為Ф300～Ф1000mm大尺寸模型的速度和姿態(tài)測(cè)量。

4 應(yīng)用展望

改造后的200m自由飛彈道靶將成為大中小口徑發(fā)射器配套齊全，具備氣動(dòng)力、氣動(dòng)物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗(yàn)?zāi)芰Γ瑴y(cè)試手段先進(jìn)的綜合性彈道靶設(shè)備。

在氣動(dòng)力研究方面，可開展飛行動(dòng)穩(wěn)定性，邊界層轉(zhuǎn)捩和分離尾流的轉(zhuǎn)捩、增長(zhǎng)及其尾流特性，真實(shí)氣體效應(yīng)，表面壓力測(cè)量等試驗(yàn)；

在氣動(dòng)物理研究方面，可開展再入目標(biāo)光電特性、目標(biāo)隱身特性、燒蝕對(duì)尾流流場(chǎng)影響、繞流和尾流的等離子特性、再入通訊中斷等試驗(yàn)與研究；

在超高速碰撞研究方面，可開展材料抗粒子云侵蝕試驗(yàn)、高速/超高速碰撞試驗(yàn)、材料特性試驗(yàn)、模型與固體及液體粒子侵蝕/燒蝕現(xiàn)象等試驗(yàn)；

在氣動(dòng)熱研究方面，可開展燒蝕試驗(yàn)，表面熱流測(cè)量試驗(yàn)，頭部發(fā)汗冷卻試驗(yàn)等；

在飛行演示驗(yàn)證研究方面，可開展先進(jìn)航天器飛行演示驗(yàn)證、超燃發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)力模型飛行演示、飛行器穩(wěn)定性飛行驗(yàn)證試驗(yàn)等。

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作者簡(jiǎn)介:

焦德志(1984-)，男，山東泰安人，碩士，工程師。研究方向：彈道靶設(shè)備及模型設(shè)計(jì)。通訊地址：四川省綿陽(yáng)市中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：jiaodezhi198499@163.com