電弧風洞熱/透波聯(lián)合試驗技術研究及應用

張松賀, 楊遠劍, 王茂剛, 馬 平

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

電弧風洞熱/透波聯(lián)合試驗技術研究及應用

張松賀*, 楊遠劍, 王茂剛, 馬 平

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動力研究所, 四川 綿陽 621000)

介紹了在電弧風洞上發(fā)展的一種新型試驗技術。針對某型飛行器，了解其在飛行條件下天線窗燒蝕透波特性對于了解及掌握“黑障”問題及通信信號特點至關重要。在電弧風洞內開展熱/透波聯(lián)合試驗考核是地面試驗考核的最佳選擇，但存在若干技術難點。為此在電弧風洞開展熱/透波聯(lián)合試驗技術研究，使用半橢圓噴管，改進進氣方式，提升能量利用率；改進電弧加熱器結構解決了銅離子對測試的干擾；設計定向天線，在關鍵部位布設吸波材料解決了試驗段內微波反射問題；將收發(fā)天線均置于試驗段內部，保證天線同頻振動，解決了風洞啟動時天線抖動導致的信號波動；設計水冷箱體解決了天線窗口長時間氣動加熱下天線的熱防護問題。經試驗驗證，研究內容是有效的、成熟的、可行的。目前該技術已成功用于指導在電弧風洞上開展的數(shù)項試驗。

電弧風洞；天線窗；熱/透波；半橢圓噴管；定向天線

0 引 言

飛行器以高超聲速在大氣層中飛行時,由于黏性和激波的作用,使得飛行器周圍的空氣產生離解和電離,在飛行器的頭身部形成包含等離子體鞘套的高溫激波層,在飛行器尾部形成等離子體尾跡。其中等離子體鞘套會嚴重影響飛行器和地面之間的通訊聯(lián)系,引起通信中斷問題[1-2]。

通信中斷(“黑障”)是航空與航天技術發(fā)展中繼“聲障”和“熱障”之后的又一技術難題。從20世紀60年代初開始,國外導彈與宇航部門投入大量人力物力,在理論和實驗方面同時開展研究,實施了諸如美國的Fire計劃、Asset計劃、Ram計劃、MA-6、GT-3計劃和Trailblazer計劃等一系列大規(guī)模飛行實驗[3-4]。到20世紀70年代中期,這項研究得到了長足進展,基本上弄清了等離子體鞘套的形成機理,掌握了多種緩和或減輕通訊中斷的措施,發(fā)展了相應的鞘套診斷技術。20世紀80年代后期美國空軍宇航和導彈局在制定再入系統(tǒng)計劃時,仍舊將通信中斷問題的進一步研究作為一項重要課題[5]。

20世紀70年代以來,我國雖然在通訊中斷問題研究上取得了一些進展,但是距離徹底克服通訊中斷、實現(xiàn)實時通信還有相當?shù)木嚯x。隨著我國載人航天工程的啟動、重復使用天地往返運載器、臨近空間飛行器的研究、行星探測器的研制,以及各種新型戰(zhàn)術戰(zhàn)略導彈的研制工作開展,研究“黑障”帶來的通訊中斷問題就顯得極為迫切[6-7]。

同時，在飛行器頭部形成的高溫等離子體流作用下，其表面會產生燒蝕，且燒蝕表面形貌也會產生變化[8]。此外，高溫下材料的介電常數(shù)與常溫下的介電常數(shù)有所不同[9]，這些變化會影響雷達波在材料中的傳輸[10]。因此針對某型飛行器，了解其在飛行條件下天線窗材料的燒蝕及透波特性對于研究“黑障”問題及通信信號傳輸至關重要。

在地面開展天線窗透波特性研究主要有輻射加熱考核，高頻等離子體風洞考核和電弧風洞考核等幾種方式[11-13]。采用輻射加熱時，只能開展靜態(tài)加熱條件下的透波特性研究；在高頻等離子體風洞上，由于設備功率限制，只能開展小尺寸窗口部件的透波特性研究；在電弧風洞上，可對較大尺寸天線窗口開展透波特性研究，同時還能對窗口四周連接部位開展熱結構及燒蝕特性研究。比較來看，在電弧風洞內開展熱/透波聯(lián)合試驗考核是地面試驗考核的最佳選擇。但是，在電弧風洞內開展熱/透波聯(lián)合試驗考核存在若干技術難題[14-15]，在國內一直未能開展該類試驗。為此在中國空氣動力研究與發(fā)展中心電弧風洞上開展了熱/透波聯(lián)合試驗技術研究。

1 研究內容

1.1 技術難點

在電弧風洞內開展熱/透波聯(lián)合試驗考核存在以下難點：1) 電弧風洞流場中所含銅離子對透波測試的干擾問題； 2) 微波在電弧風洞試驗段內的反射問題； 3) 試驗件振動引起信號波動問題；4) 長時間加熱的熱防護問題。

1.2 解決方法

針對上述難題，采取了以下措施：1) 通過改進電弧加熱器結構，改變進氣方式，加大進氣孔，使用半橢圓噴管提升能量利用效率，加長電弧加熱器長度，減小電流，減少了電極燒損導致銅離子增多的問題；2) 分析微波發(fā)射特點，確定反射部位，在關鍵部位粘接吸波材料，同時設計定向天線，解決微波試驗段內反射問題； 3) 將天線置于試驗段內部，解決了風洞啟動時天線抖動導致的信號波動；4) 設計水冷箱體解決了天線熱防護問題。

2 驗證試驗

為驗證該試驗技術研究內容的可行性，在氣動中心20MW電弧風洞上開展了驗證試驗。

2.1 試驗狀態(tài)與試驗原理

本試驗采用1個微波測試狀態(tài)，1個熱流狀態(tài)，具體試驗狀態(tài)見表1所示。

表1 試驗狀態(tài)表Table 1 Test conditons

試驗時，先采用校測模型對流場參數(shù)進行測試，調試出所需試驗狀態(tài)后，再安裝真實模型進行長時間試驗。試驗模型為天線窗模擬件，其結構如圖1所示。

根據(jù)試驗狀態(tài)及試驗模型，確定采用平板試驗技術進行試驗，如圖2所示，其試驗原理為：由電弧加熱器噴出的高溫氣流，經轉接段后進入半橢圓噴管，在半橢圓噴管直邊密接平齊地以一定攻角放置試驗模型，通過在模型前緣產生的斜激波造成的逆壓梯度，提高模型表面的壓力及熱流。

2.2 試驗設備及裝置

設備配置為片式電弧加熱器和半橢圓噴管，電弧風洞照片如圖3所示。

根據(jù)試驗需要設計了水冷試驗支架和Ka頻段天線。試驗支架包括水冷箱和水冷支架，均采用夾層強制水冷進行冷卻，其中水冷箱為中空結構，前部嵌校測模型或試驗模型，后端安裝測試用天線。

定向天線如圖5所示，Ka頻段天線的主要技術指標如下：帶寬為23GHz～33GHz，駐波比VSWR≤2，增益為26dB。

為保證試驗過程中天線安全，將發(fā)射天線置于水冷箱內，天線距離試驗模型一定距離，防止模型受熱升溫后對天線造成損壞，同時將接收天線放置于試驗段窗口旁(圖6)，為防止天線在試驗段內受熱損壞，在外面包裹防熱材料，經測試，包裹防熱材料后天線接收功率略有下降，但不影響試驗。

2.3 測試參數(shù)及方法

總焓測量：在已知喉道面積，測得氣體流量和弧室的總壓的條件下，可以利用高溫氣體熱力學函數(shù)表，利用等熵關系計算，近似關系為[11]：

式中：H0為氣流總焓，J/g；P0為弧室壓力，MPa；A*eff為噴管喉道有效面積，mm2；G為氣流流量，g/s。

冷壁熱流測量：設計并加工了與模型外形一致的校測模型，冷壁熱流采用塞式量熱計進行測量，熱流可以用以下公式計算得出[11]：

表面壓力測量：在模型表面打直徑為2 mm的小孔并焊接的銅管引出，外接量程為35 kPa的CYG微型絕壓傳感器進行測量。

表面溫度測量：采用雙色高溫計對模型表面特定點溫度進行測量。

模型內部溫度測量：在模型背面天線窗、天線等重點部位粘貼或焊接K型鎳鎘-鎳硅熱電偶，對模型內部溫度測量。

圖7為微波測量系統(tǒng)工作圖。

該測量系統(tǒng)包括矢量網絡分析儀、收發(fā)天線、功率放大器、計算機、無線路由器等。計算機通過LAN網線、無線路由器與矢量網絡分析儀聯(lián)接，遠程控制矢量網絡分析儀進行點頻測量、掃頻測量。矢量網絡分析儀的射頻端口1產生的激勵微波被分為2路：一路作為參考信號，另外一路作為激勵源。激勵信號通過功率放大器被放大，經發(fā)射天線照射到試件，產生反射、透射現(xiàn)象。反射波到達端口1，通過定向耦合器把入射波和反射波分離出來。透射波穿過試件，到達射頻端口2。由于在高頻段要直接對兩路信號的矢量運算比較困難，因此，在保持被測信號的幅度和相位信息的條件下，2個接收通道將反射波和透射波分別下變頻至適當?shù)闹蓄l上，通過對2路信號進行比值運算從而得出微波信號的反射參數(shù)S11和傳輸參數(shù)S21。為了在近場測量條件下模擬平面波照射試件和試件區(qū)域外微波輻射能量小的要求，研制了透鏡天線分別作為發(fā)射天線、接收天線。在典型工作頻點上天線口面電場能量分布的實測圖如圖8所示。圖中紅線和黑線分別代表E面和H面的分布情況，由圖可見，電磁波能量絕大部分被約束在天線口面區(qū)域，邊緣區(qū)域的能量很少，透鏡天線的電性能滿足了試驗要求。

透波性能的測試主要通過功率傳輸系數(shù)|T1|2來說明。在給定天線的工作狀態(tài)下，接收天線在不同溫度狀態(tài)下所接收的功率分別用P0、P1來表示，定義：

根據(jù)以上公式可知，將微波信號在不同溫度狀態(tài)下的接收功率進行比較，就能得到試件的功率傳輸系數(shù)。將接收功率進行歸一化處理，功率傳輸系數(shù)可以表示為：

采用點頻方式測量試件在加熱過程中以及降溫過程中Ka波段的透波特性， Ka波段測試頻段：28.5 GHz～29 GHz，共6個頻點，頻率間隔0.1 GHz。

試驗前對微波測量系統(tǒng)進行直通校準、歸零。然后在電弧風洞開車時加熱試件過程中以及電弧風洞停車后試件降溫過程中進行試件透波特性測量。

2.4 試驗結果分析

在Ka波段下開展了1件模型試驗，完成了1000 s長時間燒蝕試驗。試驗的過程中同時開展天線窗Ka波段透波試驗。

試驗過程中各模型高溫計對應點表面溫度變化如圖9所示?？梢钥闯觯耗Ｐ捅砻鏈囟萒w1、Tw2在420 s左右出現(xiàn)一個拐點，然后溫度上升趨勢加大，在600 s后出現(xiàn)基本平衡，平衡后溫度基本保持不變。平衡溫度基本在1000 ℃～1050 ℃之間。

模型背面溫度變化如圖10所示，模型停車時刻最高溫度12 ℃，總體來說模型背面溫度在停車時刻均較低，模型隔熱效果較好。

試驗過程中將Ka波段透鏡天線安裝在試件后發(fā)射微波信號，對面用Ku波段透鏡天線接收。圖11為試驗過程中及試驗后在各頻點透波特性變化情況，可以看出：試驗過程中氣流中等離子體的存在導致各頻點透波特性波動增大，同時隨著天線窗溫度增加，天線的介電常數(shù)發(fā)生變化，其透波特性也跟著發(fā)生變化，試驗開始后模型大部分頻點基本上處于平衡并略有上升，總體來說，在試驗過程中絕大部分頻點透波性能增強，個別頻點透波特性變差。

在模型冷卻后，模型的透波特性降低。

3 結 論

本文針對在電弧風洞中開展天線窗熱/透波聯(lián)合試驗的技術難點進行了分析研究，采用改進電弧加熱器結構、合理布設吸波材料、設計水冷箱體等措施解決了關鍵問題，并對該研究內容進行了試驗驗證。試驗結果顯示測試數(shù)據(jù)干擾很小，數(shù)據(jù)真實可靠，表明該項試驗技術研究成功解決了技術難點，研究內容是有效的、成熟的、可行的。

目前，該技術已成功應用于在電弧風洞上開展的其他天線窗透波試驗，并取得了較好效果。

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Studies and applications of thermal/wave-transmission test technique in arc-heated wind tunnel

Zhang Songhe*, Yang Yuanjian, Wang Maogang, Ma Ping

(HypervelocityAerodynamicsInstituteofChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

A newly developed test technique in arc-heated wind tunnel was introduced. It is important to know the performance of ablation and wave transmission of antenna window, since it may cause interruptions to communications during hypersonic vehicle reentry. To conduct ablation and wave transmission coupled test in arc-heated wind tunnel is the best qualified method for the study of wave transmission through antenna window on the ground. The interference of copper ions on test results was suppressed by improving the structure of the arc heater, using a semi-elliptical nozzle to enhance energy efficiency, and changing the way of intake; the reflection of microwaves within the test section was solved by designing directional antenna and laying microwave absorbing material on the key parts; the transmitting and receiving antennas were placed inside the test section to ensure the antennas having the same frequency vibration to solve the antenna jitter signal fluctuations caused by wind tunnel start-up; the antenna thermal protection for the antenna window experiencing a long time aerodynamic heating was performed by water-cooled cabinet designed. The experimental results show that the technique is effective, mature and feasible. This technique is successfully used to evaluate the microwave performance for the ablation of the antenna window test in the arc-heated wind tunnel.

arc-heated wind tunnel; antenna window; thermal/wave transmission; semi-elliptical nozzle; directional antenna

0258-1825(2017)01-0141-05

2015-08-10;

2015-05-13

張松賀*(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向：電弧風洞防熱及熱結構試驗技術研究. E-mail：20834643@qq.com

張松賀, 楊遠劍, 王茂剛, 等. 電弧風洞熱/透波聯(lián)合試驗技術研究及應用[J]. 空氣動力學學報, 2017, 35(1): 141-145.

10.7638/kqdlxxb-2015.0146 Zhang S H, Yang Y J, Wang M G, et al. Studies and applications of thermal/wave-transmission test technique in arc-heated wind tunnel[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(1): 141-145.

V211.3

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0146