馬平 石安華 楊益兼 于哲峰 梁世昌 黃潔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,綿陽 621000)

高速模型尾跡流場及其電磁散射特性相似性實驗研究

馬平?石安華 楊益兼 于哲峰 梁世昌 黃潔

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心,綿陽 621000)

(2017年2月2日收到;2017年3月14日收到修改稿)

高速目標再入大氣層或在臨近空間飛行時,空氣電離形成的等離子體鞘套和尾跡對目標的雷達散射特性會產生影響.為了研究不同模型尾跡流場及其電磁散射特性規(guī)律和相似性,以氧化鋁球模型為研究對象,在彈道靶設備上開展了雙尺度參數相同的條件下高速球模型尾跡流場及其電磁散射相似性實驗研究.由二級輕氣炮發(fā)射模型,模型直徑分別為8.0、10.0、12.0、15.0 mm,速度約6 km/s,靶室壓力分別為6.3,5.0,4.2,3.3 kPa,采用陰影照相系統(tǒng)測量模型激波脫體距離、電子密度測量系統(tǒng)測量模型尾跡的電子密度分布、X波段單站雷達系統(tǒng)測量在視角為40?的模型及流場的雷達散射截面(RCS)分布.實驗結果表明∶在速度不變、雙尺度參數相同的條件下,隨著模型尺寸的增加,激波脫體距離逐漸增加,激波脫體距離與模型直徑之比近似相同;不同模型尾跡電子密度測量曲線的趨勢和數量級一致,表明不同模型的尾跡流場適用于雙縮尺律;不同尺寸模型尾跡的總體RCS與分布RCS均不相同,表明不同模型尾跡的電磁散射不適用于二元縮尺律;高速球模型全目標電磁散射能量分布在模型及其繞流區(qū)域、等離子體尾跡區(qū)域;高速球模型全目標電磁散射能量在模型及繞流場區(qū)域出現(xiàn)1個強散射中心,在模型湍流尾跡區(qū)域出現(xiàn)多個散射中心;高速球模型尾跡的RCS測量信號呈現(xiàn)隨機性分布特性,幅度脈動和頻率脈動均沒有周期性;隨著模型尺寸的增加,模型尾跡的總體RCS增加,尾跡脈動頻率的變化范圍減小.

∶等離子體,尾跡流場,電磁散射,相似性

PACS∶24.10.Cn,41.20.Jb,42.68.Mj,52.35.RaDOI∶10.7498/aps.66.102401

1 引 言

當高速飛行器在大氣層中飛行時,由于和空氣的劇烈相互作用,使氣體被加熱到較高的溫度,導致空氣發(fā)生振動激發(fā)、離解甚至電離的高溫真實氣體效應,形成高溫等離子體繞流場.高溫繞流流場內的多組元氣體將發(fā)生內能級激發(fā)、離解、電離、復合等復雜的物理化學過程,并伴隨著振動、轉動、電子能級躍遷等各種不同的輻射躍遷過程.高速飛行器周圍等離子體分布直接影響電磁波的散射特性,在某些情況下會產生雷達散射突增現(xiàn)象[1?7].圖1為美國Trailblazer計劃的飛行實驗結果[8],由圖可見UHF波段從58—59 km開始突增,S波段約50 km左右,湍流脈動使RCS增加了2—3個數量級,層流尾跡的影響要小得多.

由于飛行實驗成本較高,理論計算分析和地面模擬實驗是研究高速飛行器等離子體鞘套電磁散射特性的重要手段.近年來,理論與數值分析已從穩(wěn)態(tài)等離子體中電磁散射特性分析進展到時變等離子體中電磁散射特性的數值計算,研究了復雜目標電磁散射特性高效計算方法.文獻[9]推導了適用于時變等離子體的時域有限差分(FDTD)方法,證實了時變等離子體對電磁波產生的頻偏作用,討論了弛豫時間和頻率偏移效應對目標電磁散射特性的影響.文獻[10]針對復雜等離子體目標電磁散射特性研究,提出了一種分段線性遞歸卷積時域有限差分算法及其在MPI+openMP并行計算模型中的高效實現(xiàn)方法.文獻[11]基于電流密度拉普拉斯變換方法改進的時域有限差分算法,推導出計算三維時變問題的時域有限差分算法的迭代式.文獻[12]采用半解析半數值的方法求解了平面波在任意連續(xù)分層介質覆蓋導體球上的散射問題,給出了邊界條件和控制方程,可給出其散射系數.文獻[13]針對等離子體寬頻電磁散射特性分析的復雜性,提出了一種基于最佳一致逼近理論的寬頻分析算法,避免了復雜高階阻抗矩陣導數的計算.文獻[14]采用分段線性電流密度遞歸卷積時域有限差分方法計算了不均勻時變等離子體覆蓋導體圓柱的雙站雷達散射(RCS)特性.文獻[15]從高超聲速流場模擬的雙縮尺率和亞密湍流尾跡RCS模擬的Born近似出發(fā),推導了真實飛行條件下和地面彈道靶試驗之間亞密湍流尾跡RCS模擬的一種相似特性.

圖1 不同高度下的再入體雷達散射特性Fig.1.The electromagnetic scattering characteristics of the reentry vehicle at multiple altitudes.

地面模擬手段對開展等離子體鞘套中電磁散射特性研究具有非常重要的意義.地面模擬實驗數據可以為理論建模與數值仿真分析研究提供驗證數據.高速飛行器電磁散射特性實驗研究主要還是在地面模擬設備上完成.在彈道靶試驗中,模型自由飛,能夠方便地模擬高速飛行器的再入速度、飛行環(huán)境壓力,配置有微波暗室.因此,彈道靶設備是目前開展高速飛行器目標電磁散射特性研究的主要地面實驗設備之一.美國通用汽車公司防御研究室(GM/DRL)、空軍阿諾德工程發(fā)展中心(AEDC)、俄羅斯科學院約菲技術物理研究所、俄羅斯中央機械研究院(TSNNIMASH)等在彈道靶設備上開展了高速目標及其鞘套RCS特性、湍流尾跡的增長律和相關尺度、湍流能譜函數、湍流脈動強度及尾跡流動狀態(tài)對電磁散射的影響等系列研究工作[16?22].中國航天科工集團公司207所在中國科學院力學研究所JF10爆轟驅動高焓激波風洞中開展了等離子體包覆目標電磁散射特性實驗[23],基于矢量網絡儀的步進掃頻體制,在C波段上進行實驗,觀測到等離子體鞘套對目標RCS的影響.

目前,公開報道的高速目標電磁散射特性地面模擬實驗結果較少,尤其是針對雙尺度參數條件下不同模型尾跡流場及電磁散射特性相似性實驗研究尚未見公開報道.本文以氧化鋁球模型為研究對象,在彈道靶設備上開展了雙尺度參數相同(即環(huán)境壓力與模型尺寸乘積相同)的條件下高速非燒蝕球模型激波脫體距離測量、模型尾跡電子密度測量、模型及流場RCS測量,研究不同模型尾跡流場及其電磁散射的變化規(guī)律及相似性,分析了環(huán)境壓力、模型尺寸等因素對目標尾跡流場電子密度分布、RCS分布的影響.

2 高速目標尾跡流場及其電磁散射特性彈道靶實驗測量方法

利用彈道靶的二級輕氣炮將實驗模型發(fā)射到超高速飛行狀態(tài),靶室模擬環(huán)境壓力,模型在該環(huán)境中與空氣相互作用產生等離子體高溫流場.實驗模型速度通過控制發(fā)射器參數實現(xiàn),模型飛行環(huán)境壓力利用抽真空系統(tǒng)實現(xiàn)[24].選用直徑8,10,12,15.00 mm的氧化鋁球,模型速度約6 km/s,靶室壓力對應為6.3,5.0,4.2,3.3 kPa.由布置在彈道靶設備不同位置的陰影照相系統(tǒng)、電子密度測量系統(tǒng)和雷達系統(tǒng)分別進行模型激波脫體距離、模型尾跡電子密度和電磁散射特性測量.激波脫體距離和尾跡的電子密度測量結果主要用于驗證考核流場參數計算使用的化學動力學模型和化學反應模型以及計算方法.彈道靶雷達系統(tǒng)獲得模型及流場后向RCS變化.

2.1 高速模型激波脫體距離測量方法

激波脫體距離在氣動物理靶上采用陰影儀進行測量.光源采用532 nm脈沖激光器,激光出光脈沖寬度10 ns±1 ns,模型選用直徑為15.00 mm的高圓度且具有高強度和耐高溫Al2O3球.通過提高測速控制系統(tǒng)的精度來減少對大測量視場的要求,采用單鏡頭成像等技術措施提高成像系統(tǒng)的空間分辨率,分析結果表明激波脫體距離測量的空間分辨率高于10μm.選用觸發(fā)時刻與出光時刻時間差穩(wěn)定的激光光源,時間差偏差小于1μs,實現(xiàn)了模型在飛行軸線方向處于測量視場寬度范圍中.通過調節(jié)刀口位置改變成像系統(tǒng)的靈敏度,實現(xiàn)了不同壓力下模型激波脫體距離測量的需要,測量系統(tǒng)示意圖見圖2.

圖2 高速模型激波脫體距離測量方法Fig.2.The measuring methods of shock standof fdistances of the models with hypersonic velocity.

2.2 高速模型尾跡電子密度測量方法

為了滿足高超聲速模型尾跡大動態(tài)范圍的電子密度(109—1013)/cm3的測量要求,采用了8 mm微波干涉儀測量系統(tǒng)(以下簡稱微波干涉儀)和開式微波諧振腔測量系統(tǒng)(以下簡稱開腔)銜接來完成.在(1011—1013)/cm3范圍采用微波干涉儀測量,在(109—1011)/cm3范圍采用工作模式為TEM00q的開腔測量.電子密度測量系統(tǒng)空間分辨率為50 mm.

從微波干涉儀信號源發(fā)出的微波信號分成兩路,一路為測量支路,一路為參考支路.測量支路的微波信號通過點聚焦透鏡天線形成聚焦波束穿過模型尾跡,通過等離子體的微波信號產生相位移,由點聚焦透鏡接收天線接收饋送到微波接收電路.該信號與參考支路的信號在混頻器混頻后送入數據采集與處理系統(tǒng).利用數字鑒相方法得到微波經過等離子體后的相位變化.根據相位移和電子密度之間的關系獲得相應的尾跡電子密度.模型尾跡電子密度的微波干涉儀測量示意圖見圖3.

圖3 微波干涉儀測量高速模型尾跡電子密度示意圖Fig.3.The schematic diagram of the wake electron density of the models with hypersonic velocity by the microwave interferometer system.

圖4 開腔測量高速模型尾跡電子密度示意圖Fig.4.The schematic diagram of the wake electron density of the models with hypersonic velocity by the open microwave resonant cavity.

當高速模型從開腔腔體內通過時,空氣受高速模型產生的激波作用形成等離子體尾跡高溫氣體,尾跡對腔體電場產生微擾,腔體中電磁場的諧振頻率和相位發(fā)生變化.通過高精度的幅相測量系統(tǒng)測量尾跡引起的傳輸信號的幅度變化和相位移.根據傳輸信號的幅度、相位移與電子密度的關系,計算得到沿模型飛行軸線的尾跡電子密度分布.模型尾跡電子密度的開腔測量示意圖見圖4.

2.3 高速模型及流場RCS測量技術

利用X波段連續(xù)波雷達系統(tǒng)測量高速模型及流場RCS.在微波暗室內測量天線固定一個特定角度,目標飛過天線波束區(qū)時,雷達記錄目標散射測量信號,經過數據處理得出對應于測量方式時的目標RCS數據;彈道靶測控系統(tǒng)實現(xiàn)模型測速,并且為陰影照相系統(tǒng)、電子密度測量系統(tǒng)、雷達測量系統(tǒng)提供同步時間觸發(fā)信號,使模型位置、姿態(tài)數據與雷達測量數據同步、關聯(lián),獲得與模型位置、姿態(tài)相關的RCS數據;陰影照相系統(tǒng)實現(xiàn)目標流場顯示測量.為了減小背景反射的影響,雷達布置在微波暗室中且采用了背景對消技術.圖5給出了高速模型及流場RCS測量方案,測量視角為40?,采用垂直極化發(fā)射、垂直和水平極化接收方式測量.實驗前,利用單站對消裝置進行背景對消,降低背景散射電平.

圖5 高速模型及流場RCS測量方案Fig.5.The RCS measurement scheme of the models with hypersonic velocity and their flow fields.

當模型穿過天線波束時,模型及流場對入射電磁波產生散射,雷達系統(tǒng)記錄模型及流場散射信號的幅值A(t)、相位Φ(t)曲線.經過定標、近遠場變換和一維成像處理,最終得出模型及流場的總體RCS和沿模型飛行軸線分布RCS數據.由于繞流和尾跡RCS通常遠小于金屬模型RCS,采用金屬模型進行流場對RCS的影響實驗,不易觀察到繞流和尾跡對RCS的影響.因此,選用本體RCS較小的氧化鋁球作為實驗模型.

3 高速模型流場特性和電磁散射特性數據處理方法

3.1 高速模型激波脫體距離測量

通過照片判讀的實驗模型激波脫體距離?和模型直徑D與照片像素之間存在如下的比例關系∶

式中,Pe1為沿模型垂直中心線判讀出的模型直徑像素,Pe2為沿模型水平中心線判讀出的駐點激波脫體距離像素,?為照片判讀的實驗模型激波脫體距離,D為實驗模型直徑.

判讀得到激波脫體距離?為

通過判讀實驗照片得到激波脫體距離數據的誤差主要來源于像素判讀偏差和模型尺寸誤差.激波脫體距離判讀誤差E為

式中,?Pe1為沿模型垂直中心線判讀模型直徑像素時偏差的像素,?Pe2為沿模型水平中心線判讀駐點激波脫體距離像素時偏差的像素,?D為實驗模型直徑誤差.

3.2 高速模型尾跡電子密度數據測量

根據彈道靶模型尾跡增長規(guī)律、結合模型尾跡流場照片可以得到模型尾跡寬度.對于微波干涉儀,根據直接測量的相位移?和微波透射的等離子體厚度δ,計算得到相應的模型等離子體尾跡電子密度ne∶

式中,λ0為掃頻微波源中心頻率,e為電子的電量,ε0為真空介電常數,me為電子質量,ω為掃頻微波源角頻率.

開腔測量高速模型尾跡電子密度時,將等離子體尾跡等效為大體積小介電常數的微擾.根據微擾法求解電磁場方程,得到等離子體尾跡微擾情況下電子密度與腔體參數之間的關系∶

式中,f0為微波諧振腔的諧振頻率,?f為微波諧振腔諧振頻率的3 dB帶寬,δ為等離子體尾跡寬度,dr為腔體反射面之間的距離,k為電磁波波數,w0為電磁波高斯波束在z=0處的束腰半徑,x0為等離子體區(qū)中心橫坐標,y0為等離子體區(qū)中心縱坐標,ne0為尾跡中心軸線上的電子密度,nc為角頻率為ω0時的臨界電子密度,Q為腔體品質因數.

由于缺乏標準的等離子體源,電子密度測量系統(tǒng)采用間接標定的方法確定系統(tǒng)測量誤差.標定結果顯示,電子密度測量系統(tǒng)響應時間小于1μs,測量系統(tǒng)誤差小于10%.

3.3 高速模型及流場電磁散射特性測量

雷達測量系統(tǒng)采用發(fā)射低速金屬球法進行標定.標定結果顯示,X波段雷達系統(tǒng)測量誤差小于±1 dBsm.由于模型及流場處于天線近場區(qū),為了獲得目標遠場RCS,需要進行近遠場變換.近遠場變換算法是把依次通過天線波束的模型和尾跡信號進行合成,通過一定變換,把在近場測量的信號轉變?yōu)檎w目標在遠區(qū)的總回波信號,經過定標后表示為遠區(qū)的總RCS.

利用定標球可得目標散射值∶

式中,vsphere為定標球運動速度,vtarget為目標運動速度,θ01為X軸正方向到發(fā)射天線波束中心的旋轉角,θ02為X軸正方向到接收天線波束中心的旋轉角,G0(t)為定標球構造函數,G(t)為目標構造函數,V0(t)為定標球測量數據,V(t)為目標測量數據,RCSsphere(θ01,θ02) 為雷達從θ01方向發(fā)射信號、在θ02方向上觀察到的定標球遠場雙站RCS,它通過理論計算獲得.

為了獲得模型及流場沿飛行方向的一維距離像,利用模型及尾跡依次穿過天線波束時產生的多普勒頻移信號,經過相位補償對其進行聚焦后產生模型及尾跡在模型飛行方向的一維RCS像.根據目標與測量雷達之間的相對運動關系,建立空間幾何模型.圖6給出了測量雷達和目標的空間幾何關系.

圖6 測量雷達和目標的空間幾何關系Fig.6.The space geometry relations between instrumentation radar and targets.

考慮雙站測量狀態(tài)(單站為雙站測量的特例),如圖6所示,目標為分布在位置上散射強度為σi的散射點,水平沿彈道方向以速度vi運動.點散射源響應信號為

式中,Pt為雷達發(fā)射功率,λ為雷達波工作波長,r1(vit)為第i個聚焦函數的點散射源在t時刻到發(fā)射天線的距離,r2(vit)為第i個聚焦函數的點散射源在t時刻到接收天線的距離,θ1(t)為X軸正方向到r1(vit)的旋轉角,θ2(t)為X軸正方向到r2(vit)的旋轉角,Ft(θ)為發(fā)射天線的幅度方向性函數,Fr(θ)為接收天線的幅度方向性函數.

為了提取目標中速度為vi的各散射點的散射強度σi,構造一系列沿彈道中心線運動速度為vj的飛過收發(fā)天線波束照射區(qū)域的點散射源響應信號∶

對Sj(t)能量歸一化作為成像系統(tǒng)聚焦函數.聚焦函數信號Sj(t)與測量信號Si(t)互相關,通過相關結果的最大值獲得具有該速度的目標相對散射強度.然后,利用陰影儀記錄的目標和定標球各自的彈道偏移量對相對散射強度值進行彈道偏移修正.最后用定標球完成目標RCS定標,以獲得具有不同速度的各個散射點散射強度的距離分布.

4 高速模型電磁散射特性測量實驗結果與分析討論

4.1 高速模型激波脫體距離測量

圖7給出了實驗獲得的不同狀態(tài)條件下球模型飛行時的高分辨率陰影/紋影照片.

表1給出了根據陰影/紋影照片分析處理得到的高速球模型激波脫體距離實驗數據.由表1可見,在給定的實驗條件下,激波脫體距離的測量誤差最大值為4.3%.在速度近似不變、雙尺度參數相同的實驗條件下,隨著模型尺寸的增加,模型激波脫體距離逐漸增加.

理論分析表明,化學反應對球模型頭部激波脫體距離有重要影響.雙尺度參數是模擬離解反應的相似參數,在雙尺度參數條件下,離解反應起主要作用.雙尺度參數相同時,不同直徑球模型流動的化學反應相似,激波脫體距離與球模型特征尺度之比近似相同.隨著球模型直徑變大,激波脫體距離也變大.實驗中,不同直徑的球模型激波脫體距離與球模型直徑的比值分別為0.0393,0.0408,0.0416,0.0357,近似相同.因此,在給定的實驗條件下,隨著球模型尺寸的增加,其激波脫體距離逐漸增加,激波脫體距離與球模型直徑之比近似相同,獲得的球模型激波脫體距離數據與理論分析的變化規(guī)律一致.

圖7 高速氧化鋁球模型激波脫體距離測量照片F(xiàn)ig.7.The photographs of the shock standof fdistances of the Al2O3balls with hypersonic velocity.

表1 高速氧化鋁球模型激波脫體距離測量結果Table 1.The measurement results of the shock standof fdistances of the Al2O3balls with hypersonic velocity.

4.2 高速模型尾跡電子密度測量

采用耐高溫的Al2O3陶瓷球作為實驗模型,實驗中模型不發(fā)生燒蝕.理論研究表明,非燒蝕高速模型流場的不同部分可能由不同體模型的化學反應占主導地位,且存在過渡區(qū),即模型流場的不同部分可能服從不同的縮尺律.Lees[23]用理論證明大部分尾跡流場中,電子的衰減由二體化學反應占主導地位,即大部分流場服從雙縮尺律.雙尺律條件如下∶1)幾何相似,且物體的線性尺度有η=d1/d2的關系;2)來流速度ν∞相同,即ν∞1=ν∞2;3)來流組分Ci∞相同,即Ci∞1=Ci∞2;4)來流溫度T∞相同,即T∞1=T∞2;5)來流密度p∞與物體的線性尺度成反比,即p∞1d1=p∞2d2.雙縮尺律在遠尾流適用與否,要取決于下面兩個電子衰減反應中哪一個占主導地位∶

利用電子密度測量系統(tǒng)獲得了不同直徑的Al2O3球模型尾跡(109—1012)個/cm3量級內的電子密度一維分布數據.圖8為實驗中測量的不同直徑Al2O3模型尾跡電子密度沿飛行方向的一維分布圖,x是從模型底部量起的距離.實驗中,在模型速度不變的條件下,保持模型直徑與實驗壓力之積不變,實驗氣體均為干燥空氣.由圖8可見,不同模型的尾跡電子密度測量結果數量級和變化趨勢基本一致.從模型近尾到遠尾,模型尾跡電子數密度從1012個/cm2量級逐漸下降到109個/cm2量級.在模型尾跡的相應點x1/d1=x2/d2,有(ne1)avδ1=(ne2)avδ2, 即尾跡積分電子密度相同.在x/d從1到接近1000的范圍內,不同模型尾跡電子密度在同一相對位置為同一個數量級,并且電子密度變化規(guī)律相同.在同一個相對位置,不同模型尾跡電子密度在數值上相差最大不超過1.5倍.說明高速球模型的尾跡流場在給定的實驗條件下適用于雙縮尺律,(9)式表示的化學反應占主導地位.

圖8 (網刊彩色)高速氧化鋁球模型尾跡平均電子密度分布測量結果Fig.8.(color online)The wake electron density distribution measurement results of the Al2O3with hypersonic velocity.

4.3 高速模型及流場RCS測量

單站X波段雷達系統(tǒng)沿模型飛行方向的空間分辨率約為70 mm.X波段雷達系統(tǒng)可以測量到低至?80 dBsm的RCS.圖9為高速氧化鋁球模型及其尾跡歸一化RCS沿飛行方向的一維距離分布圖.實驗中,電子密度系統(tǒng)測量的是一定區(qū)域面積內尾跡電子密度宏觀的平均值.高速氧化鋁球模型尾跡RCS的脈動可能是由測試區(qū)域尾跡電子密度的脈動引起的.

圖9 (網刊彩色)高速氧化鋁球模型及其流場歸一化RCS一維分布測量結果Fig.9.(color online)The normalized RCS distribution measurement results of the Al2O3balls with hypersonic velocity and their flow fields.

圖10 (網刊彩色)高速氧化鋁球模型尾跡速度一維分布測量結果Fig.10.(color online)One dimensional distribution measurement results of the Al2O3balls with hypersonic velocity and their flow fields.

圖10為高速氧化鋁模型尾跡速度分布圖,可見模型后尾跡速度沿飛行方向逐漸降低.不同尺寸高速模型尾跡歸一化RCS的幅度變化、頻率變化、散射中心數見表2.高速模型尾跡會出現(xiàn)較強的RCS.在一定速度壓力下,模型尾跡總RCS甚至會大于本體及繞流RCS.在給定的實驗條件下,不同尺寸模型尾跡總體RCS與分布RCS均不相同,說明不同模型尾跡的電磁散射特性不符合二元縮尺律.

尾跡的電磁散射是尾跡流場中的電子在雷達波作用下被加速而再次進行電磁輻射的過程.層流尾跡是平穩(wěn)、近似光滑的流動,因此層流尾跡散射的能量主要集中在鏡面反射方向.對于后向散射而言,只有垂直入射時單站雷達才有較強的層流尾跡回波.湍流是一種隨機介質,散射特性接近于各向同性散射(亞密情況)或粗糙面隨機散射(過密情況),在任意方向上可觀察到較強的回波.實驗中,雷達波的入射方向與高速模型飛行方向夾角為40?.電子密度測量系統(tǒng)測量的高速模型尾跡電子密度最大值為1012個/cm3量級.在距離模型x/d大于10之后,尾跡電子密度均小于1012個/cm3量級,即小于雷達工作頻率對應的臨界電子密度,屬于亞密等離子體,因此實驗中單站雷達接收的尾跡散射能量主要來自于高速模型亞密湍流等離子體尾跡的散射.

表2 不同尺寸高速模型尾跡歸一化RCS幅頻及散射中心的變化Table 2.The amplitude frequency changes and scattering center changes of the normalized wake RCS on various models with hypersonic velocity.

在給定的實驗條件下,高速氧化鋁模型全目標電磁散射能量分布在模型及其繞流區(qū)域、等離子體尾跡區(qū)域.高速氧化鋁模型全目標電磁散射能量呈現(xiàn)多個散射中心,模型及繞流場區(qū)域出現(xiàn)1個強散射中心,模型湍流尾跡出現(xiàn)多個散射中心.對同一模型而言,模型及繞流場區(qū)域的散射中心強度遠大于模型尾跡單個散射中心的強度,模型本體與其尾跡散射中心強度最大值之差最小約10 dB.模型尾跡散射中心強度最大值與最小值的差別最大約22 dB.

高速氧化鋁球模型尾跡RCS測量信號呈現(xiàn)隨機性分布特性,幅度脈動和頻率脈動均沒有周期性,幅度脈動范圍從9.1 dB到22 dB,頻率脈動范圍從0.4 kHz到12.7 kHz.隨著模型尺寸的增加,模型本體RCS和尾跡總體RCS均增加,尾跡散射中心從43個逐漸減小到11個,尾跡脈動頻率的變化范圍減小.

5 結 論

在彈道靶設備上開展了速度不變、雙尺度參數相同的條件下高速模型尾跡流場電磁散射特性研究,獲得了相關的實驗數據,分析了環(huán)境壓力、模型尺寸對目標RCS的影響.根據實驗結果與分析討論,可以得到以下結論∶

1)在給定的實驗條件下,隨著模型尺寸的增加,激波脫體距離逐漸增加,激波脫體距離與模型直徑之比近似相同,與理論分析的變化規(guī)律一致;

2)在給定的實驗條件下,不同模型尾跡電子密度測量曲線趨勢和數量級一致,高速球模型的尾跡流場適用于雙縮尺律;

3)在給定的實驗條件下,不同尺寸模型尾跡總體RCS與分布RCS均不相同,不同模型尾跡的電磁散射不符合二元縮尺律;

4)在給定的實驗條件下,高速氧化鋁模型全目標電磁散射能量分布在模型及其繞流區(qū)域、等離子體尾跡區(qū)域;高速氧化鋁模型全目標電磁散射能量呈現(xiàn)多個散射中心,模型及繞流場區(qū)域出現(xiàn)1個強散射中心,模型湍流尾跡出現(xiàn)多個散射中心;

5)在給定的實驗條件下,高速氧化鋁球模型尾跡RCS測量信號呈現(xiàn)隨機性分布特性,幅度脈動和頻率脈動均沒有周期性;隨著模型尺寸的增加,模型本體RCS和尾跡總體RCS均增加,尾跡脈動頻率的變化范圍減小.

中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所謝愛民高級工程師提供了球模型激波脫體距離的照片;與中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所李海燕副研究員討論了球模型激波脫體距離變化的物理機理,獲益匪淺;中國空氣動力研究與發(fā)展中心超高速空氣動力研究所羅錦陽高級工程師、廖富強、李文光等同志在實驗中提供了幫助.對上述各位的幫助,在此一并表示感謝!

[1]Huang Y,Chen Z S,Xu J W 2008 Ship.Elec.Counter.31 969(in Chinese)[黃勇,陳宗勝,徐記偉2008艦船電子對抗31 969]

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PACS∶24.10.Cn,41.20.Jb,42.68.Mj,52.35.RaDOI∶10.7498/aps.66.102401

?Corresponding author.E-mail:hbmaping@263.net

Experiment on similarity between wake flow field and electromagnetic scattering characteristic of the hypersonic model

Ma Ping?Shi An-Hua Yang Yi-Jian Yu Zhe-Feng Liang Shi-Chang Huang Jie
(China Aerodynamics Reasearch and Development Center,Mianyang 621000,China)

2 February 2017;revised manuscript

14 March 2017)

The plasma sheath and wake flow of the hypersonic vehicle can affect the electromagnetic scattering characteristics of the reentry targets when they pass through the earth atmosphere at high speed.In order to study the similarity between the wake and the characteristic of the model launched at high velocity,the simulation experiments on the electromagnetic scattering characteristics of the spherical models made of Al2O3and their wakes are carried out under the same binary scaling parameters in the ballistic range.The models are launched by the two-stage light-gas gun.The diameters of the models are 8 mm,10 mm,12 mm and 15 mm,respectively,while the pressures of the target chamber are 6.3 kPa,5.0 kPa,4.2 kPa and 3.3 kPa,respectively.The shock standof fdistance is obtained by the shadow graph system.The electron density distribution of the wake is measured by the electron density measurement system.The RCS distribution of the wake and the model are acquired by X band monostatic radars,whose visual angle is 40?.The results show that the shock standof fdistance gradually increases with the increasing of the model dimension under the conditions of the same velocity and binary scaling parameters.The wake electron densities of different models are similar in their variation trends and orders of magnitude.The wake flow field of the different models with high velocity are the same as the results predicted by the double scale laws.The RCS distributions and total RCS of the wake of the models are different from each other.The electromagnetic scattering properties of the wake flow field of the various models do not conform with the predicted results obtained from the double scale law.The electromagnetic scattering energy is distributed over the regions of the models made up of aluminium oxide and the wake zones.There appears to be one center of the electromagnetic scattering energy in the area of the model coated with flow field,while several centers emerge in the region of the wake.The measuring signals of the RCS of the models show a random distribution,because the amplitude variation of the RCS and the frequency change of the RCS are random.The total RCS of the model increases with the increase of the model dimension,but the variation range of ripple frequency decreases with the increase of the model dimension.

∶plasma,wake flow field,electromagnetic scattering,similarity

?通信作者.E-mail:hbmaping@263.net

?2017中國物理學會Chinese Physical Society