200m自由飞弹道靶升级改造

2014-03-29焦德志平新红谢爱民罗锦阳

实验流体力学 2014年2期

焦德志, 黄洁, 平新红, 谢爱民, 罗锦阳, 柳森

(中国空气动力研究与发展中心, 四川绵阳 621000)

0 引言

200m自由飞弹道靶是我国自行研制的弹道靶试验设备，采用二级轻气炮将试验模型发射至真实飞行速度，然后让模型在环境气体真实、组分和压力可调的靶室内自由飞行的方式开展试验，具有综合模拟高马赫数、高雷诺数和高焓等飞行条件的特点，是国内唯一一座具备开展超高速范围内的气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。该设备1968年列入规划，1975年设计，1986年完成主体设备和配套测量设备的安装调试，经过几十年的运行，该设备完成了多项科研试验任务。

改造前的200m自由飞弹道靶配备37/50mm口径二级轻气炮，靶室直径1.5m，长188m，真空模拟范围1×105～6×103Pa，图1为200m自由飞弹道靶靶室及测量系统照片，图2为37/50mm口径二级轻气炮照片。

图1 气动中心的200m自由飞弹道靶靶室及测量系统

图2 37/50mm口径二级轻气炮

根据高超声速飞行器发展需求，对比国外先进的弹道靶设备[1-4]，200m自由飞弹道靶存在着发射器口径和靶室直径偏小、发射过载偏大、环境模拟能力不足、速度测量精度偏低、模型姿态和流场显示系统测量视场小等缺点。为满足各类高超声速飞行器气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验研究不断发展的需求，2009年，气动中心提出了200m自由飞弹道靶的升级改造任务。

1 改造前设备的试验能力

改造前的200m自由飞弹道靶总长约240m，主要由发射器系统、靶室系统以及配套测量系统构成(图3)，其中发射器总长约40m，靶室总长约200m。发射器系统配备37/50mm口径二级轻气炮(图2)，弹丸质量范围34～680g，发射速度1～6.5km/s(实测数据见图4)。该发射器配备有完善的勤务运行系统，最高运行频率为3次/天，为目前国内同等规模发射器中运行效率最高的弹道靶设备之一。靶室系统主要由洞体及配套的真空系统构成，洞体由膨胀室和试验段构成，膨胀室直径2m，试验段直径1.5m，原设计压力为0.1MPa～13.3Pa，可实现0～60km左右高度范围内的模拟。真空系统配备3套H-600滑阀式真空泵，经过多年使用，目前真空能力只能达到6×103Pa。

图3 原200m自由飞弹道靶

图4 37/50mm口径二级轻气炮发射能力(实测值)

配套试验及测量系统主要包括阴影照相系统、速度测量控制系统、雨/雪侵蚀系统等。阴影照相系统配备有测试视场Ф300mm、Ф400mm和Ф500mm的阴影仪共计30站，可实现模型姿态、流场密度等的测量和显示。速度测量控制系统配备有25套TC300/400模型探测器、20台测控仪及1套数采系统，探测范围可达到400mm，测速精度1%。雨雪场侵蚀系统包括侵蚀场生成装置、雨雪模拟装置和软回收装置等，可实现雨滴直径1.2～1.7mm，雪场浓度20～60g/m3的侵蚀场模拟。

在200m自由飞弹道靶上开展过的试验有：抗粒子云侵蚀试验、模型自由飞试验、转捩试验、超高速碰撞试验等[5-7]。

2 改造内容

针对200m自由飞弹道靶存在的不足，结合高超声速飞行器发展需求，2009年，气动中心提出了200m自由飞弹道靶升级改造的任务并正式启动，其改造内容主要包括：发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等的升级改造。

发射器系统新增203mm和120mm口径二级轻气炮，实现0.5～30kg模型发射速度0.3～5km/s的发射能力；靶室由原来的Ф1.5m洞体升级至Ф3m洞体，同时配备新的真空设备，实现0～80km高度模拟；测控系统测试视场由原来的400mm扩大至1000mm，以满足大模型测速需要；模型姿态测量系统除配备阴/纹影照相系统外，还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统、基准系统等测试设备，可实现超高速模型在靶室飞行过程中的模型姿态、流场的可靠测量。

3 改造后的试验能力

改造后的200m自由飞弹道靶总长达310m，将配备37/50、120和203mm口径二级轻气炮，发射器最大长度105m；靶室直径Ф3m，长度197.5m，最高真空度10Pa，最大模拟高度80km；测试系统配备阴影照相系统13站，双目前光成像定位系统30站，TC400模型探测器15站，TC1000模型探测器30站，脉冲X射线测量系统1套等。建成后的200m自由飞弹道靶如图5所示。发射器系统配备37/50、120和203mm口径二级轻气炮，三座二级轻气炮可互换使用，共用同一个支撑平台。二级轻气炮的内弹道计算采用气动中心编制的内弹道计算程序进行[8]；新增的120mm和203mm口径二级轻气炮发射模型质量范围为0.5～30kg，发射速度范围为0.3～5km/s，将8kg模型发射到4.5km/s时发射过载低于4×104g，可实现复杂外形模型的超高速发射。120mm和203mm二级轻气炮发射能力曲线见图6，8kg模型发射至4.5km/s时的发射过载曲线见图7。

图5 改造后200m自由飞弹道靶

图6 200m自由飞弹道靶发射器发射能力曲线图(计算值)

改造后200m自由飞弹道靶靶室内径Ф3m，由爆震段、碰撞室和试验段构成，总长度约200m，洞体上开设有各类测试窗口，以满足测试设备的安装和测试需求。真空系统采用3套罗茨真空机组，最大抽速为1.5×104L/s，机组极限真空为0.5Pa，靶室压力范围为0.1MPa～10Pa，可实现0～80km的高度模拟，并具备雨、雪天气模拟能力。

图7 弹丸发射过载曲线(模型质量8kg，速度4.5km/s)

测控系统配备TC400和TC1000模型探测器，测试视场分别为400mm和1000mm，用于不同尺寸模型的速度测量，测量精度优于3‰。模型姿态测量系统配备阴影照相系统、双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统、超高速摄影、TC400速度测量与控制系统和TC1000速度测量与控制系统等。阴影照相系统测试视场为Ф400mm和Ф500mm，共13站，双目前光成像定位系统测试视场为Ф1000mm，定位精度±1mm，共30站；脉冲X射线成像测量系统电压范围为150～450kV，测量序列为三序列；超高速摄影幅频为500万fps/s。

截止到2013年10月，中国空气动力研究与发展中心已完成200m自由飞弹道靶靶室及真空系统和37/50mm口径二级轻气炮的改造任务，并形成试验能力。120mm口径二级轻气炮加工任务已基本完成，速度测量系统和双目前光成像系统等测试设备及配套系统正在进行现场安装调试。预计到2014年10月，120mm口径二级轻气炮将初步具备试验能力。

改造后的200m自由飞弹道靶发射系统具备从质量40g的小模型到质量30kg大模型的发射能力，实现大尺寸高仿真模型的超高速发射；测试系统具备测试视场为Ф300～Ф1000mm大尺寸模型的速度和姿态测量。

4 应用展望

改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全，具备气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力，测试手段先进的综合性弹道靶设备。

在气动力研究方面，可开展飞行动稳定性，边界层转捩和分离尾流的转捩、增长及其尾流特性，真实气体效应，表面压力测量等试验；

在气动物理研究方面，可开展再入目标光电特性、目标隐身特性、烧蚀对尾流流场影响、绕流和尾流的等离子特性、再入通讯中断等试验与研究；

在超高速碰撞研究方面，可开展材料抗粒子云侵蚀试验、高速/超高速碰撞试验、材料特性试验、模型与固体及液体粒子侵蚀/烧蚀现象等试验；

在气动热研究方面，可开展烧蚀试验，表面热流测量试验，头部发汗冷却试验等；

在飞行演示验证研究方面，可开展先进航天器飞行演示验证、超燃发动机带动力模型飞行演示、飞行器稳定性飞行验证试验等。

参考文献:

[1]Cable A J. Upgrade of ballistic facilities at AEDC the Half-way Point[R]. AIAA-92-3997.

[2]Cable A J. Upgrade of ballistic facilities at AEDC two-thirds complete[R]. AIAA-93-0349.

[3]Cable A J. Upgrade of ballistic facilities at AEDC status as of october 1993[R]. AIAA-94-0452.

[4]Harris H, Hendrix R. Upgrade in optical measurement capabilities of AEDC ballistic ranges[R]. AIAA-94-0672.

[5]柳森, 黄洁, 李毅, 等. 中国空气动力研究与发展中心的空间碎片超高速撞击试验研究进展[J]. 载人航天, 2011, 6: 17-23.

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[6]牛雯霞, 黄洁, 罗锦阳, 等. 超高速撞击混凝土冲击压力测量与分析[J]. 兵工学报, 2009, 30(2): 242-246.

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[7]柳森, 王宗浩, 谢爱民, 等. 高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验[J]. 实验流体力学, 2013, 27(6): 26-31.

Liu Sen, Wang Zonghao, Xie Aimin, et al. Ballistic range experiments of hypersonic boundary layer transition on a cone-cylinder-flare configuration[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2013, 27(6): 26-31.

[8]黄洁, 梁世昌, 李海燕, 等. 二级轻气炮发射过程内弹道数值计算研究[J]. 空气动力学学报, 2013, 31(5): 657-661.

Huang Jie, Liang Shichang, Li Haiyan, et al. Numerical research on interior ballistics of the launch process of two-stage light gas gun[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2013, 31(5): 657-661.

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