高速大鈍頭體電磁散射特性地面測試技術

邵忠杰，諶君謀，林 鍵，陳 星，紀 鋒，姚大鵬

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

0 引言

高速飛行器在大氣層中高速飛行時，飛行器與大氣強烈作用，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，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，同時吸收電磁波能量，影響飛行器與接收站的通訊，嚴重時甚至導致通訊中斷。等離子包履流場的空間散射特性與目標本體的散射特性不相同，誘導假目標和真目標的散射截面積也不相同。20 世紀80 年代以來，國內(nèi)外對等離子鞘套改變飛行器電磁散射的現(xiàn)象開展了持續(xù)的研究。

超高速物理現(xiàn)象和流動機理認識上的局限，造成電磁散射物理建模不盡適用，導致數(shù)值模擬存在一定的不確定性，因此需要進行試驗研究。而飛行試驗風險高、成本高、周期長，大量的前期試驗探究需要在地面試驗設備中進行。地面模擬手段的完善對等離子鞘套的電磁效應研究具有重要價值，試驗數(shù)據(jù)的積累可為數(shù)值仿真提供驗證，為理論研究提供依據(jù)。近年來，國內(nèi)外在彈道靶、高焓激波風洞等高焓設備開展了大量的電磁散射特性的試驗，取得了一系列成果。

本文基于中國航天空氣動力技術研究院的大尺寸FD-21 自由活塞高焓激波風洞，開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洞，可對橫截面為1 m 量級的復雜構(gòu)型開展定姿態(tài)測量，有望成為等離子包履大尺寸目標散射特性的通用實驗觀測平臺。實驗在X 波段開展，在9～11 GHz 范圍內(nèi)觀察到等離子鞘套對目標RCS 的變化。

1 實驗條件

1.1 實驗設備

FD-21 高焓激波風洞是一座采用重活塞驅(qū)動的2 m 量級高焓激波風洞，如圖1 所示，主要由高壓儲氣室、壓縮管、激波管、噴管、夾膜機構(gòu)、試驗段及真空罐組成。一般充入的試驗氣體為空氣，也可以是氮氣或二氧化碳等其它氣體。

圖1 FD-21 高焓激波風洞照片[19]

FD-21 風洞可實現(xiàn)寬范圍飛行環(huán)境的風洞模擬，包括再入環(huán)境、高馬赫數(shù)超燃動力飛行環(huán)境、深空探測進入環(huán)境等，最大模擬速度約為7.0 km/s，最大的模擬高度可達100 km。

1.2 測試系統(tǒng)

靜態(tài)RCS 測量系統(tǒng)主要包括射頻分系統(tǒng)、轉(zhuǎn)臺控制分系統(tǒng)和儀器自動控制分系統(tǒng)。射頻分系統(tǒng)主要包括PNA 矢量網(wǎng)絡分析儀、功率放大器、定向耦合器和天線。PNA 矢量網(wǎng)絡分析儀具有內(nèi)置信號源，其射頻輸出信號經(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作為參考信號連到矢量網(wǎng)絡分析儀的參考端口，耦合器的直通信號經(jīng)發(fā)射天線向外輻照目標，被測目標的回波信號由接收天線采集，送入網(wǎng)絡分析儀的測試端口，測試信號與參考信號進行比幅比相，獲取目標回波信號的幅相信息。測量系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。測量系統(tǒng)的主要技術指標：測試頻段10 MHz～40 GHz；最大發(fā)射功率20 dBm；動態(tài)范圍120 dB；最大中頻帶寬40 kHz。

圖2 FD-21 風洞目標電磁散射測量示意圖

1.3 實驗條件

高焓激波風洞噴管駐室總溫或者總焓無法直接測量，利用測量的入射激波強度和駐室總壓，采用激波管理論和Srinivasan、McBride 等提供的熱力學數(shù)據(jù)，計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)量分數(shù)，質(zhì)量分數(shù)小于10沒有列入表中。

表1 噴管駐室參數(shù)

試驗在FD-21 風洞Ma10 寬工況高焓型面噴管進行，噴管出口的流場參數(shù)如表2 所示。

表2 噴管出口自由流參數(shù)

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

圖3 測試環(huán)境照片

2 測試方法

利用X 波段單站連續(xù)波雷達獲取目標近場雷達回波信號數(shù)據(jù)，并對雷達回波信號數(shù)據(jù)進行標定，獲取目標近場散射幅相信號。

近場散射數(shù)據(jù)的標定選用相對標定方法。在特定測量距離、頻率、極化和方向下，分別測試目標和定標體的散射幅相信號，通過對定標體與待測目標所測得的信號之比，獲取一組頻率的復量散射信號。采用準單基RCS 測量，應用相對比較法測得RCS，即對同樣測試狀態(tài)下的標準體（龍伯球）進行測量，得到其回波功率的最大值，與測試目標的回波功率進行比較。由于標準體的RCS 已知，因此可計算得到目標各方位、各頻率點的RCS，計算公式為：

式中，σ為目標RCS；P為目標回波功率；P為目標回波功率最大值；σ為標準體的RCS。

角度域RCS 測量時，目標放置在轉(zhuǎn)臺上進行設定方位角的旋轉(zhuǎn)，通過接收機同步測試設定頻率下目標各個方位角的回波信號，通過標定獲取目標角度域RCS；頻率域RCS 測量時，利用轉(zhuǎn)臺控制目標方位角。在設定的方位角對目標進行掃頻測量，通過標定獲得目標頻率域RCS。

為了確保測試的雜波影響最小，采用背景抵消方法。分別測試有目標和沒有目標散射回波，通過二者相減，消除雜波影響。

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

3 測試結(jié)果

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

圖4 目標RCS 信號對比

4 結(jié)束語

試驗在中國航天空氣動力技術研究院FD-21 高焓激波風洞開展，在X 波段進行，利用該平臺觀察到等離子鞘套對目標RCS 的變化，并直接觀察到氣流狀態(tài)對目標散射回波的影響。試驗獲取的FD-21 風洞高焓氣流狀態(tài)、等離子的持續(xù)時間等信息，為后續(xù)等離子鞘套的定量研究提供參考。