邵忠杰，諶君謀，林 鍵，陳 星，紀(jì) 鋒，姚大鵬

（中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院，北京 100074）

0 引言

高速飛行器在大氣層中高速飛行時(shí)，飛行器與大氣強(qiáng)烈作用，在頭部形成脫體激波，波后氣體溫度、壓力急劇升高，使大氣離解甚至電離，在飛行器周圍形成等離子體包覆流場(chǎng)，即等離子鞘套。等離子鞘套使電磁波產(chǎn)生反射、折射及散射，同時(shí)吸收電磁波能量，影響飛行器與接收站的通訊，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致通訊中斷。等離子包履流場(chǎng)的空間散射特性與目標(biāo)本體的散射特性不相同，誘導(dǎo)假目標(biāo)和真目標(biāo)的散射截面積也不相同。20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)等離子鞘套改變飛行器電磁散射的現(xiàn)象開(kāi)展了持續(xù)的研究。

超高速物理現(xiàn)象和流動(dòng)機(jī)理認(rèn)識(shí)上的局限，造成電磁散射物理建模不盡適用，導(dǎo)致數(shù)值模擬存在一定的不確定性，因此需要進(jìn)行試驗(yàn)研究。而飛行試驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)高、成本高、周期長(zhǎng)，大量的前期試驗(yàn)探究需要在地面試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行。地面模擬手段的完善對(duì)等離子鞘套的電磁效應(yīng)研究具有重要價(jià)值，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累可為數(shù)值仿真提供驗(yàn)證，為理論研究提供依據(jù)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外在彈道靶、高焓激波風(fēng)洞等高焓設(shè)備開(kāi)展了大量的電磁散射特性的試驗(yàn)，取得了一系列成果。

本文基于中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的大尺寸FD-21 自由活塞高焓激波風(fēng)洞，開(kāi)展大鈍頭體電磁散射特性的研究。相比于彈道靶和中小尺寸的高焓激波風(fēng)洞，可對(duì)橫截面為1 m 量級(jí)的復(fù)雜構(gòu)型開(kāi)展定姿態(tài)測(cè)量，有望成為等離子包履大尺寸目標(biāo)散射特性的通用實(shí)驗(yàn)觀測(cè)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)在X 波段開(kāi)展，在9～11 GHz 范圍內(nèi)觀察到等離子鞘套對(duì)目標(biāo)RCS 的變化。

1 實(shí)驗(yàn)條件

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

FD-21 高焓激波風(fēng)洞是一座采用重活塞驅(qū)動(dòng)的2 m 量級(jí)高焓激波風(fēng)洞，如圖1 所示，主要由高壓儲(chǔ)氣室、壓縮管、激波管、噴管、夾膜機(jī)構(gòu)、試驗(yàn)段及真空罐組成。一般充入的試驗(yàn)氣體為空氣，也可以是氮?dú)饣蚨趸嫉绕渌鼩怏w。

圖1 FD-21 高焓激波風(fēng)洞照片[19]

FD-21 風(fēng)洞可實(shí)現(xiàn)寬范圍飛行環(huán)境的風(fēng)洞模擬，包括再入環(huán)境、高馬赫數(shù)超燃動(dòng)力飛行環(huán)境、深空探測(cè)進(jìn)入環(huán)境等，最大模擬速度約為7.0 km/s，最大的模擬高度可達(dá)100 km。

1.2 測(cè)試系統(tǒng)

靜態(tài)RCS 測(cè)量系統(tǒng)主要包括射頻分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺(tái)控制分系統(tǒng)和儀器自動(dòng)控制分系統(tǒng)。射頻分系統(tǒng)主要包括PNA 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、定向耦合器和天線。PNA 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有內(nèi)置信號(hào)源，其射頻輸出信號(hào)經(jīng)功率放大器放大后接入定向耦合器。定向耦合器耦合端信號(hào)作為參考信號(hào)連到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的參考端口，耦合器的直通信號(hào)經(jīng)發(fā)射天線向外輻照目標(biāo)，被測(cè)目標(biāo)的回波信號(hào)由接收天線采集，送入網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)試端口，測(cè)試信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行比幅比相，獲取目標(biāo)回波信號(hào)的幅相信息。測(cè)量系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。測(cè)量系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)：測(cè)試頻段10 MHz～40 GHz；最大發(fā)射功率20 dBm；動(dòng)態(tài)范圍120 dB；最大中頻帶寬40 kHz。

圖2 FD-21 風(fēng)洞目標(biāo)電磁散射測(cè)量示意圖

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

高焓激波風(fēng)洞噴管駐室總溫或者總焓無(wú)法直接測(cè)量，利用測(cè)量的入射激波強(qiáng)度和駐室總壓，采用激波管理論和Srinivasan、McBride 等提供的熱力學(xué)數(shù)據(jù)，計(jì)算高焓條件下的噴管駐室參數(shù)，如表1 所示。組分濃度為質(zhì)量分?jǐn)?shù)，質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于10沒(méi)有列入表中。

表1 噴管駐室參數(shù)

試驗(yàn)在FD-21 風(fēng)洞Ma10 寬工況高焓型面噴管進(jìn)行，噴管出口的流場(chǎng)參數(shù)如表2 所示。

表2 噴管出口自由流參數(shù)

測(cè)試場(chǎng)選擇風(fēng)洞試驗(yàn)段外，目標(biāo)艙外布置收發(fā)天線和儀表雷達(dá)，電磁波透過(guò)玻璃窗照射返回艙模型，散射回波也透過(guò)玻璃窗被接收天線接收。風(fēng)洞試驗(yàn)段洞壁粘貼角錐型吸波材料。測(cè)試環(huán)境如圖3 所示。

圖3 測(cè)試環(huán)境照片

2 測(cè)試方法

利用X 波段單站連續(xù)波雷達(dá)獲取目標(biāo)近場(chǎng)雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)，并對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)定，獲取目標(biāo)近場(chǎng)散射幅相信號(hào)。

近場(chǎng)散射數(shù)據(jù)的標(biāo)定選用相對(duì)標(biāo)定方法。在特定測(cè)量距離、頻率、極化和方向下，分別測(cè)試目標(biāo)和定標(biāo)體的散射幅相信號(hào)，通過(guò)對(duì)定標(biāo)體與待測(cè)目標(biāo)所測(cè)得的信號(hào)之比，獲取一組頻率的復(fù)量散射信號(hào)。采用準(zhǔn)單基RCS 測(cè)量，應(yīng)用相對(duì)比較法測(cè)得RCS，即對(duì)同樣測(cè)試狀態(tài)下的標(biāo)準(zhǔn)體（龍伯球）進(jìn)行測(cè)量，得到其回波功率的最大值，與測(cè)試目標(biāo)的回波功率進(jìn)行比較。由于標(biāo)準(zhǔn)體的RCS 已知，因此可計(jì)算得到目標(biāo)各方位、各頻率點(diǎn)的RCS，計(jì)算公式為：

式中，σ為目標(biāo)RCS；P為目標(biāo)回波功率；P為目標(biāo)回波功率最大值；σ為標(biāo)準(zhǔn)體的RCS。

角度域RCS 測(cè)量時(shí)，目標(biāo)放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上進(jìn)行設(shè)定方位角的旋轉(zhuǎn)，通過(guò)接收機(jī)同步測(cè)試設(shè)定頻率下目標(biāo)各個(gè)方位角的回波信號(hào)，通過(guò)標(biāo)定獲取目標(biāo)角度域RCS；頻率域RCS 測(cè)量時(shí)，利用轉(zhuǎn)臺(tái)控制目標(biāo)方位角。在設(shè)定的方位角對(duì)目標(biāo)進(jìn)行掃頻測(cè)量，通過(guò)標(biāo)定獲得目標(biāo)頻率域RCS。

為了確保測(cè)試的雜波影響最小，采用背景抵消方法。分別測(cè)試有目標(biāo)和沒(méi)有目標(biāo)散射回波，通過(guò)二者相減，消除雜波影響。

式中，V(，)是沒(méi)有目標(biāo)的散射回波（即背景散射回波），V()是沒(méi)有定標(biāo)體的散射回波（即定標(biāo)體的背景散射回波）。

3 測(cè)試結(jié)果

流場(chǎng)有效試驗(yàn)時(shí)間約5 ms，測(cè)試時(shí)間設(shè)置1 s，觸發(fā)信號(hào)設(shè)置延時(shí)150～250 ms。采用高頻時(shí)序控制裝置，在流場(chǎng)有效時(shí)間內(nèi)，能夠全面觀察高速氣流狀態(tài)對(duì)目標(biāo)散射回波的影響。根據(jù)矢網(wǎng)的掃頻時(shí)間分配特性，按照5 ms 的等離子鞘套持續(xù)時(shí)間估計(jì)，在測(cè)試頻率為9～11 GHz 段。測(cè)試分別在高速氣流釋放前后進(jìn)行兩次，測(cè)試結(jié)果如圖4 所示，氣流覆蓋下，目標(biāo)RCS 略微增大。

圖4 目標(biāo)RCS 信號(hào)對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)在中國(guó)航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院FD-21 高焓激波風(fēng)洞開(kāi)展，在X 波段進(jìn)行，利用該平臺(tái)觀察到等離子鞘套對(duì)目標(biāo)RCS 的變化，并直接觀察到氣流狀態(tài)對(duì)目標(biāo)散射回波的影響。試驗(yàn)獲取的FD-21 風(fēng)洞高焓氣流狀態(tài)、等離子的持續(xù)時(shí)間等信息，為后續(xù)等離子鞘套的定量研究提供參考。