再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性测量

介绍了在弹道靶上利用二级轻气炮发射再入体缩比模型开展湍流等离子体电磁散射特性模拟试验方法、湍流等离子体的雷达散射截面积(RCS)测量方法。给出了模型尾迹湍流等离子体的电磁散射特性测量典型试验结果,对获得的试验结果进行了分析,并与一阶畸变波Born方法计算结果进行了比较。结果表明:合理选择缩比模型发射速度和飞行环境压力,在弹道靶上能够模拟产生湍流等离子体;利用激光阴影成像技术获得的锥模型尾迹流场图像证实了尾迹转捩的出现及其湍流形成;在给定的试验条件下,锥模型及其绕流RCS测量值比其尾迹RCS测量值高3个数量级,比背景散射电平高0.5~2.5个数量级,且信号没有周期性,幅度脉动范围为1~15dB,频率脉动范围0.4~40kHz;锥模型湍流尾迹RCS的脉动可能是尾迹电子密度的脉动引起的;单站X波段雷达系统测量的锥模型尾迹亚密湍流等离子体的散射信号测量值与计算结果变化规律一致;弹道靶RCS测量技术可用于再入体缩比模型湍流等离子体电磁散射特性研究,为开展相关研究提供了一种有效的地面模拟实验研究途径。     

高速模型尾迹流场及其电磁散射特性相似性实验研究

高速目标再入大气层或在临近空间飞行时,空气电离形成的等离子体鞘套和尾迹对目标的雷达散射特性会产生影响.为了研究不同模型尾迹流场及其电磁散射特性规律和相似性,以氧化铝球模型为研究对象,在弹道靶设备上开展了双尺度参数相同的条件下高速球模型尾迹流场及其电磁散射相似性实验研究.由二级轻气炮发射模型,模型直径分别为8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度约6 km/s,靶室压力分别为6.3,5.0,4.2,3.3 k Pa,采用阴影照相系统测量模型激波脱体距离、电子密度测量系统测量模型尾迹的电子密度分布、X波段单站雷达系统测量在视角为40?的模型及流场的雷达散射截面(RCS)分布.实验结果表明:在速度不变、双尺度参数相同的条件下,随着模型尺寸的增加,激波脱体距离逐渐增加,激波脱体距离与模型直径之比近似相同;不同模型尾迹电子密度测量曲线的趋势和数量级一致,表明不同模型的尾迹流场适用于双缩尺律;不同尺寸模型尾迹的总体RCS与分布RCS均不相同,表明不同模型尾迹的电磁散射不适用于二元缩尺律;高速球模型全目标电磁散射能量分布在模型及其绕流区域、等离子体尾迹区域;高速球模型全目标电磁散射能量在模型及绕流场区域出现1个强散射中心,在模型湍流尾迹区域出现多个散射中心;高速球模型尾迹的RCS测量信号呈现随机性分布特性,幅度脉动和频率脉动均没有周期性;随着模型尺寸的增加,模型尾迹的总体RCS增加,尾迹脉动频率的变化范围减小.     

高超声速模型尾迹电子密度二维分布反演方法

弹道靶利用二级轻气炮将模型加速到高超声速状态,模型在靶室内超高速飞行时形成等离子体尾迹.为实现高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布诊断,利用七通道微波干涉仪测量系统获得了高超声速模型尾迹截面不同位置处平均电子密度.该系统采用一发七收的方式,实现平面波照射等离子体及平面波接收,天线波束可完全覆盖尾迹径向范围.多通道微波干涉仪数据处理过程常将等离子体视为分层介质,考虑到分层界面上折射效应的影响,本研究利用射线追踪方式建立电磁传播模型,结合测量数据建立目标函数,通过遗传算法优化来反演高超声速模型尾迹电子密度径向二维分布.该数据处理方法的电子密度反演结果与相同来流条件下的数值模拟结果对比吻合较好,初步验证了该方法的有效性.分析了分层模型对电子密度分布特性的影响,结果表明利用七层模型对尾迹建模效果最佳,且适用于不同厚度尾迹,最大化利用接收通道数,确保了计算精度.利用该方法实现弹道靶高超声速球模型尾迹电子密度二维分布诊断,并给出了给定实验状态下模型尾迹电子密度二维分布的一些规律.     

激波风洞设施中的等离子体包覆目标电磁散射实验研究

利用JF10高焓激波风洞设施, 进行了等离子鞘包覆目标的电磁散射测量实验. 基于矢量网络仪的步进扫频体制, 在C波段进行实验, 观测到等离子鞘对目标雷达散射截面(radar cross section, RCS)的影响. 并且, 目标散射测量值中直接体现了激波风洞的高速气流状态信息: 气流前段会造成散射回波的剧烈变化且稳定性差, 持续0.5–1 ms; 激发的等离子鞘有效持续时间仅约为2 ms, 衰减了目标RCS回波.     

时空非均匀等离子体鞘套中太赫兹波的传播特性

高超声速飞行器再入地面的过程中,其周围等离子体的电子密度是非均匀且随时间变化的.对于不同的再入高度,飞行器周围的温度和压强也会发生改变.因此,研究电磁波在时空非均匀等离子体鞘套中的传播特性意义重大.首先建立了时变非均匀的等离子体鞘套模型,然后通过经验公式得到温度、压强与碰撞频率三者的关系.采用时域有限差分方法计算了太赫兹波段中不同电子密度弛豫时间、温度、压强时的反射系数、透射系数和吸收率.研究结果表明:在太赫兹波段中,电子密度的弛豫时间越长,温度越高,压强越大,电磁波越容易穿透等离子体;弛豫时间越短,温度越低,压强越小,等离子体对电磁波吸收率的变化越明显.这些结果为解决"黑障"问题提供了理论依据.     

等离子体鞘套低频通信电磁波透射率与辐照微波场强关系仿真研究

高超声速飞行器飞行期间,由于表面激波的影响,飞行器表面会生成等离子体鞘套。等离子体鞘套会吸收、反射和散射电磁波,导致通信信号发生衰减甚至中断,从而形成“黑障”问题。理论上来说,等离子体鞘套与微波的相互作用随微波电场幅值的变化呈现非线性,所以可能存在一个合适的电场幅值和辐照时间区间,使等离子体鞘套的电磁波透射率上升。针对这种可能性,采用有限元分析方法,对飞行器表面等离子体鞘套流场与电磁场进行二维耦合仿真,得到微波照射后等离子体鞘套透射率的改变情况。分别使用电场幅值为5×10^(4)、1×10^(5)、2.5×10^(5)、5×10^(5) V·m^(−1)的微波对等离子体鞘套进行30 ns的辐照,在辐照后等离子体鞘套对1.2 GHz和1.6 GHz的电磁波的最大透射率提升,为解决“黑障”问题提供了新的可能。     

飞艇红外探测系统探测高超声速目标性能研究

以X-51A为例,研究了飞艇红外探测系统对临近空间高超声速目标的探测性能。首先,根据飞行器的飞行状态和飞行高度建立了临近空间高超声速目标不同波段的红外辐射特性模型,以及随高度变化的目标背景红外辐射强度模型;其次,综合考虑飞行器与飞艇高度、地球曲率及红外辐射在大气中传播的波段选择性等因素,建立了红外辐射在临近空间大气中传播的透过率模型;在此基础上,建立了飞艇红外探测系统对高超声速目标的探测距离模型。通过仿真得到了临近空间高超声速目标在不同飞行状态下3个波段的红外辐射强度随目标飞行高度变化的曲线,以及飞艇红外探测系统对飞行器在不同飞行状态下3个红外辐射波段的探测能力。研究结果表明:飞艇红外探测系统对高超声速目标的有效探测距离可以达到百公里量级;当飞行器飞行状态一定时,随着飞行器飞行高度的增加,系统对目标的探测距离先增大后减小;与长波波段相比,中短波波段的探测距离更大,并给出了临近空间飞艇应尽量布置在海拔高度大于18 km的高空中的部署建议。     

静态强磁场对临近空间飞行器中天线辐射性能的影响

为了增强临近空间超高声速飞行器中的北斗天线的辐射性能,采用了施加静态强磁场削弱特定区域等离子体电子密度的方案,开展多物理场时域建模分析方法研究.首先利用具有谱精度的时域谱元(SETD)法对静态强磁场作用下等离子鞘套中北斗天线周围电子浓度的削减程度进行分析,再利用共形时域有限差分(CFDTD)方法对临近空间高超声速飞行器的北斗天线辐射特性进行建模仿真分析.本文所提方法预测了真实流场空间中静态强磁场对飞行器中北斗天线辐射性能的影响.仿真结果表明,施加静态强磁场能够对电子浓度起到“吹散”作用,从而提升等离子鞘套中北斗天线的辐射性能,为减弱等离子鞘套对临近空间高超声速飞行器中北斗天线辐射性能的影响提供理论指导.     

等离子鞘套中毫米波大气窗口的衰减特性

为了探索出减缓飞行器在临近空间出现的通信黑障问题,结合毫米波大气窗口在大气传输的优越性,根据RAM C提供的飞行试验数据,建立双指数分布、Epstein分布和高斯分布三个等离子体鞘套模型,用Z-FDTD算法计算毫米波大气窗口在等离子体鞘套中传播的衰减特性。综合分析可得:可采用35 GHz所在的Ka频段和以220 GHz所在的太赫兹频段的双频测控工作通信系统,此搭配可较好满足对高超声速飞行器在临近空间巡航时的测控需求。     

亚大气压六相交流电弧放电等离子体射流特性数值模拟

以临近空间高超声速飞行器和航天器再入大气环境飞行过程中其表面产生的高密度非平衡态等离子体为研究对象,基于本研究组所建立的多相交流电弧放电等离子体实验平台(MPX-2015),开展了非平衡态氩等离子体射流特性的二维数值模拟研究.在亚音速条件下二维、非平衡数值模拟所得到的计算结果与实验测量结果符合良好.超音速条件下的数值模拟结果表明,随着真空腔压强的降低,等离子体射流流速明显增大,覆盖钝体头部的等离子体鞘套的厚度先减小,而后又增加,鞘套的空间均匀性以及等离子体向钝体表面的总传热量均显著降低,而钝体头部的局部电子数密度则增大.数值模拟结果为在MPX-2015上开展超音速条件下的实验研究提供了理论指导.     

类HTV-2高超声速滑翔飞行器红外辐射特征与可探测性分析

以类HTV-2高超声速滑翔飞行器为研究对象,对其红外辐射特征进行了仿真分析。综合考虑了目标、背景、传输过程的方向和光谱特性,系统分析了地基平台、浮空器、天基卫星对类HTV-2高超声速飞行器的红外探测能力,得到了不同探测波段、不同探测平台的最大探测距离。研究结果表明,目标的红外辐射强度受观测方向的影响较大,最大探测距离随探测器灵敏度的增加而增大,中波波段(3.7~4.8μm、3.0~5.0μm)的探测距离比长波波段(7.7~9.5μm、8.0~12.0μm)的大。     

基于宽带扫频的导弹RCS测量与分析

针对导弹的典型几何外形结构,基于高频散射机理对其散射特性进行了初步分析,包括散射源分布及其散射类型、各散射源散射特性随导弹姿态的变化趋势等。接着,利用宽带扫频RCS测量系统对导弹L、X波段RCS和X波段一维距离像进行了测量,得到了导弹在不同技术条件下的RCS曲线和一维距离像。最后,对测量结果进行了初步分析。测量结果表明：导弹头锥仓与进气道腔体存在较大散射,尤其是进气道壁与弹体之间连接缝隙的散射较为突出;导弹在X波段下的RCS较L波段小,且受姿态变化的影响更为敏感;另外,导弹RCS峰值点并未出现在迎头向,而是偏离迎头向一定角度,尤以X波段下最为明显,偏离角度达20°左右。测量结果为导弹在试验中的应用,包括试验设计、试验结果分析与评估、等效推论等提供了重要的技术依据。     

再入尾迹湍流对雷达散射截面影响分析

通过探讨高超声速再入湍流尾迹等离子体场中电磁波的散射机制,推导出在工程上描述湍流亚密等离子体雷达散射的一阶畸变波Born近似模型,分析了该模型在充分发展湍流尾迹等离子体场中的适用性,完成了适用于三维尾迹等离子体场的程序设计.以已有的湍流尾迹等离子体流场数据为基础,分析了再入尾迹湍流等离子体流动对雷达散射截面的影响.选取考察的几个有代表性的因素为:湍流模型、转捩过程、湍流尺度、电子组分脉动初始条件等.由结果可以看到,湍流转捩过程和湍流尺度对雷达散射截面值影响不大;电子组份脉动强度初始值影响较明显;湍流模型在特定条件下影响亦不大.     

磁窗减缓等离子体对天线性能的影响

飞行器以高超声速再入大气层返回地球时,飞行器周围形成等离子体鞘套,等离子体会影响电磁波的传播特性,严重时通信甚至完全中断。从理论上分析了外加磁场时电磁波与等离子体的相互作用机理,提出了利用永磁体和螺旋天线一体式的设计方式,即磁窗天线,并研究了在等离子体环境中螺旋天线和磁窗天线的性能,仿真结果表明,利用永磁体和螺旋天线一体式设计的磁窗天线,可以减弱等离子体对天线性能的影响,这为解决飞行器再入通信中断问题提供了一种有效途径。     

二维高超声速后台阶表面传热特性实验研究

高超声速后台阶流动是大气层内高速飞行器发动机设计、表面热防护以及高超声速拦截器红外成像窗口气动光学效应校正等诸多先进高超声速技术研发过程中所涉及的一类基础流动问题. 研究高超声速后台阶流动特性对有效提升飞行器综合性能, 进一步掌握高超声速流动机理具有重大基础 意义. 本文以二维高超声速后台阶流动为研究对象, 在KD-01高超声速激波风洞中测量了二维后台阶模型表面传热系数和表面静压, 并将实测台阶下游表面传热系数分布同采用高超声速边界层理论所得估计值进行了比较. 为进一步验证实验结果, 使用NPLS技术测量了其中一种实验状态下台阶周围流动结构. 研究发现, 对于二维高超声速后台阶流动, 台阶下游表面传热分布受台阶处边界层外缘流动特性的直接影响; 在台阶下游分离区和再附区内, 气体黏性占主导作用; 在台阶下游远场区域, 边界层流动特性趋同于平板边界层; 下游边界层基本结构取决于台阶处边界层相对厚度. 对高超声速后台阶流动, 若使用数值模拟方法研究气动热问题, 应当使用湍流模型.     

亚大气压六相交流电弧等离子体射流特性研究:实验测量

以临近空间高超声速飞行器以及航天器再入大气环境飞行过程"黑障"问题的研究为背景,进行了多相交流电弧放电实验装置的物理设计,建立了六相交流电弧等离子体实验平台(MPX-2015),在背景压力为500 Pa的亚大气压条件下获得了最大直径和长度分别达到14.0 cm和60.0 cm的等离子体射流.研究了工作气体流量、真空腔压强、电极间距以及弧电流等因素对等离子体自由射流和冲击射流特性的影响规律.结果表明:在实验参数范围内,真空腔压强对等离子体的射流特性影响最为显著,等离子体自由射流的长度和直径以及冲击钝体条件下的鞘套有效工作长度和厚度均随着压强的降低而增大;提高沿电极环缝注入的工作气体流量或弧电流亦有利于等离子体鞘套尺寸的增加.上述工作有助于进一步开展临近空间飞行器与其周围复杂介质环境间复杂的气动热效应和"黑障"问题的研究.     

介质涂覆位置对双S弯排气系统电磁散射特性影响研究

尾喷管作为飞行器后向强散射源之一, 可通过特殊结构设计和介质涂覆缩减其雷达散射截面(RCS). 本文采用迭代物理光学法和阻抗边界条件的混合计算模型, 研究了6种涂覆方案和不涂覆时双S弯排气系统的电磁散射特性, 采用所提出的射线行程追踪方法提高了几何消隐计算效率, 利用前后向迭代方法加速收敛并采用openMP和MPI并行技术缩短计算时间, 获得了在X波段下7种模型的RCS随探测角度的变化规律. 研究结果表明, 介质涂覆能够有效抑制双S弯排气系统的RCS; 合理的介质涂覆方案不仅具有明显的抑制效果, 同时又具有经济性好、重量轻及涂覆方便等优势; 相比全涂覆方案, 仅在喷管出口附近涂覆的方案, 可减少73.6%的涂覆材料, 且其RCS的最大增幅不超过15.6%, 相比未涂覆方案, RCS 至少降低18.5%. 同时所开发的计算程序可用于任意腔体电磁散射特性的计算, 可为带介质涂覆腔体试验提供技术支撑.     

太赫兹目标RCS缩比测量技术

论述了国外基于微波上倍频、激光下变频、THz时域光谱三种典型太赫兹波目标雷达散射截面(RCS)缩比测试系统的构成、技术特点和应用范围。采用固态器件、基于微波上倍频技术集成研制了宽带太赫兹低频端目标RCS测量系统,采用基于扫频的时域法RCS测量技术和小角度旋转目标雷达合成孔径（ISAR）成像方法对小目标进行了电磁散射特性测量,获取了目标RCS和二维散射成像信息。     

壁面催化对再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响

针对超高声速流动中的高温真实气体效应,采用数值模拟求解考虑化学非平衡的三维Navier-Stokes(N-S)方程,研究了壁面催化对典型再入飞行器等离子体鞘套及电磁参数的影响规律.研究发现:(1)完全催化壁条件下等离子体密度计算结果与飞行试验符合较好;(2)完全催化壁条件下,离解原子在壁面的复合导致波后气体可压缩性增强...     

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对准光学谐振腔诊断等离子体的传统诊断方法进行了改进,提出一种可用于诊断瞬态等离子体的实时诊断方法。通过实验证明,矢量网络分析仪点频测试(CW Sweep)对信号相位变化的测量速度足够快,可以跟上等离子体鞘套和尾迹的变化速度,因此利用该方法诊断等离子体鞘套和尾迹是可行的。通过对诊断系统性能的评估,表明诊断装置具有较高的实时性,对等离子体电子浓度有较宽的测量范围,测量范围可达10-1~1015m-3。