高超声速球模型及流场光辐射和电磁散射特性测量

马平， 石安华， 杨益兼， 于哲峰， 孙良奎， 黄洁

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所， 四川 绵阳 621000)

高超声速球模型及流场光辐射和电磁散射特性测量

马平， 石安华， 杨益兼， 于哲峰， 孙良奎， 黄洁

(中国空气动力研究与发展中心 超高速空气动力研究所， 四川 绵阳 621000)

为了研究高超声速目标及其流场对目标探测和识别的影响，在弹道靶设备上开展了球模型光辐射和电磁散射特性测量。由二级轻气炮发射模型，模型为φ15 mm的球，材料为Al2O3，速度范围4.26.1 km/s，靶室压力范围2.015.4 kPa，光电倍增管探测器分别测量中心波长为254 nm、365 nm、430 nm的紫外辐射强度和可见光辐射强度，红外InSb探测器分别测量波长为35 μm、812 μm的红外辐射强度，X波段单站雷达系统测量在视角为40°的全目标雷达散射截面积(RCS)。实验结果表明：在给定的实验条件下，模型及流场的光辐射强度和电磁散射特性强烈依赖于模型飞行速度和实验压力；模型及流场紫外辐射、可见光辐射主要为头部激波帽辐射，尾迹基本没有紫外辐射、可见光辐射；模型及流场红外辐射主要集中在模型头部区域，尾迹在35 μm波段红外辐射明显且持续时间较长，尾迹在812 μm波段辐射不明显；在模型飞行速度较低时，模型及流场的电磁散射能量主要集中在有绕流的模型区域；当模型飞行速度较高时，模型及流场电磁散射能量分布在有绕流的模型区域和尾迹区域；在一定的实验条件下，模型尾迹总目标RCS比等离子鞘套包覆的模型目标RCS大约1个数量级。

兵器科学与技术； 光辐射； 电磁散射； 弹道靶； 流场； 测量

0 引言

高超声速目标再入大气层或在临近空间飞行时，由于与空气的剧烈相互作用，将在目标表面形成激波层，目标驻点周围的气体温度最高可达8 000～10 000 ℃以上，高温使目标附近空气发生电离，形成等离子体鞘套和尾迹。高超声速飞行器在大气中飞行时产生的复杂物理化学现象将严重影响目标的光辐射特性和电磁散射特性[1-2]。研究高超声速目标光电特性对于临近空间高超声速飞行器突防设计和评估中具有重要意义。美国空军阿诺德工程发展中心、俄罗斯科学院约菲技术物理研究所等在弹道靶、激波风洞等设备上开展了高超声速飞行器目标光电特性基础实验和应用研究工作，为其建立可靠的高超声速目标光电特性预测软件提供了验证数据。穆磊等[3]以RAM-CII飞行器为研究目标开展了高速钝锥体全流场光辐射特性模拟。胡兰芳等[4]开展了高超声速绕流流场及辐射特性数值模拟研究。葛学珍等[5]开展了聚碳酸酯球模型和铝球模型的弹道靶红外辐射测量。黄永等[6]应用1阶畸变Born近似完成了亚密湍流等离子体尾迹雷达散射截面的计算。于哲峰等[7]从高超声速流场模拟的双缩尺律和亚密湍流尾迹对雷达散射截面积(RCS)模拟的Born近似出发，开展了高超声速飞行体亚密湍流尾迹RCS特性的相似规律初步研究。崔朝龙等[8]开展了用于大气湍流探测的激光雷达研究，表明光强闪烁激光雷达能够获取大气湍流距离变化和日变化特征信息。张志成等[9]开展了典型再入飞行器的红外辐射和电磁散射特性数值模拟，并与实验结果进行了比较。金铭等[10]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，在C波段上观测到等离子鞘对目标RCS的影响。弹道靶可以提供模型自由飞行条件，使模型不受支架的干扰，模型发射速度和靶室压力易于控制，配置了不同波段的辐射计、雷达系统等测试设备，能够作为地面模拟高超声速目标光电特性研究的主力设备之一。目前，公开报道的高超声速目标光电特性地面模拟实验结果尚不多见。本文介绍了高超声速模型及其流场光电特性弹道靶测量方法，开展了Al2O3球模型光辐射和电磁散射特性测量实验，分析了不同实验条件下模型激波脱体距离的变化、模型及流场的典型波段光辐射特征和X波段单站后向电磁散射特性。

1 实验方法

利用靶室模拟模型飞行大气环境，弹道靶的二级轻气炮将实验模型发射到超高速飞行状态，模型在该环境中与空气相互作用产生等离子体流场。实验模型飞行速度通过控制发射器参数实现，模型飞行环境压力利用抽真空系统实现[11]。模型选用直径15 mm的高圆度且具有高强度和耐高温Al2O3球。由布置在弹道靶设备不同位置的阴影照相系统、光辐射测量系统和雷达系统分别进行模型激波脱体距离、光辐射特性和电磁散射特性测量。针对研究侧重点不同，模型激波脱体距离测量、模型及流场光辐射特性与电磁散射特性测量采用不同的实验条件。

1.1 模型激波脱体距离测量

模型激波脱体距离测量结果用于考核/验证流场参数计算使用的化学动力学模型和化学反应模型以及计算方法的有效性。激波脱体距离采用阴影仪进行测量。为避免模型因烧蚀引起形状变化带来的测量误差，测量位置距离发射器出口较近。光源采用波长532 nm脉冲激光器，激光出光脉冲宽度10 ns±1 ns. 通过缩小测量视场，提高成像系统的空间分辨率。采用高分辨率成像技术，激波脱体距离测量的空间分辨率高于100线对即10 μm. 模型激波脱体距离的测量方案见图1. 模型飞行速度分别为4.4 km/s、5.2 km/s、5.9 km/s，压力约10 kPa.

图1 球模型激波脱体距离高精度测量方案Fig.1 Measuring scheme of shock standoff distance on the sphere model and flow field

1.2 模型及流场光辐射特性测量

为了尽量避免模型烧蚀产生的烧蚀产物进入流场影响流场光辐射研究，一方面，采用耐高温材料制作模型；另一方面，光辐射测量位置尽量离发射器出口近，使实验时模型表面温升很小，在距离发射器出口不同位置分别进行紫外辐射强度、可见光辐射强度，以及红外辐射强度测量。流场紫外辐射强度、可见光辐射强度、红外辐射强度均采用双狭缝结构辐射计进行测量。采用瞬态红外辐射成像测量系统测量流场红外辐射二维分布。模型流场光辐射特性测量方案见图2. 紫外辐射强度测量中心波长分别为365 nm、390 nm，对应半峰全宽为2 nm、10 nm的紫外辐射强度一维分布；可见光辐射强度测量使用中心波长为430 nm、半峰全宽为10 nm的可见光辐射计进行测量；红外辐射强度测量使用测量波段为35 μm、812 μm的红外辐射计进行测量。辐射从水平方向测量，垂直于模型飞行方向，即测量视角为90.

图2 模型及流场光辐射特性测量方案Fig.2 Measuring shceme of ray radiation on sphere model and flow field

实验条件如下：1)速度4.4 km/s，压力6.5 kPa；2)速度5.1 km/s、压力7.0 kPa；3)速度5.9 km/s、7.4 kPa；4)速度5.8 km/s、10.0 kPa；5)速度5.8 km/s、15.4 kPa.

1.3 模型及流场电磁散射特性测量

利用X波段单站连续波雷达进行测量，该雷达系统测量灵敏度达到-80 dBsm，测量精度达到±1 dB. 为了减小背景散射影响，雷达布置在微波暗室中且采用了背景对消技术。图3给出了球模型及流场RCS测量方案。测量视角为40，采用垂直极化发射，垂直和水平极化接收方式测量。采用非烧蚀低RCS陶瓷材料Al2O3球作为实验模型，解决本体RCS与流场RCS差距大对动态测量范围要求大的问题。模型及流场电磁散射特性测量实验条件与模型及流场光辐射特性测量实验条件基本相同。由于在靶上测量位置不同，模型在飞行过程中速度有衰减，使模型在二者的测量区域速度略有差别。

图3 球模型及流场RCS测量方案Fig.3 Measuring scheme of RCS on sphere model and flow field

2 实验结果

2.1 模型激波脱体距离测量

实验中获得了直径15 mm的球模型以不同速度在模拟环境压力约10 kPa中飞行时的高分辨率阴影照片，如图4所示。根据阴影照片分析处理得到球模型激波脱体距离实验数据，具体见表1.

图4 球模型激波脱体距离测量阴影照片Fig.4 Photographs of measured shock standoff distance on the sphere model

模型直径/mm飞行速度/(km·s-1)模拟环境压力/kPa激波脱体距离/mm154223057315522305531561230463

模型激波脱体距离采用Photoshop等读图软件进行处理。由于采用高分辨率成像技术，在激波脱体距离测量图像中，模型直径所占像素达到4 300以上，考虑边缘判断误差，在直径所占像素判断中，误差不超过20个像素，激波线线宽在40个像素以下，激波脱体距离在200个像素以下。因此，激波脱体距离最大测量误差为

(1)

式中：d为球模型的直径。

根据(1)式计算，激波脱体距离最大测量误差0.038 mm.

2.2 模型及流场光辐射特性测量

红外辐射计采用中温腔式黑体炉标定，红外辐射成像测量系统使用大面积黑体炉标定，紫外辐射计、可见光辐射计采用高亮度宽带白光光源进行标定。紫外辐射计、可见光辐射计和红外辐射计标定方法见文献[12]。根据辐射计标定曲线及偏差范围，对于紫外和可见光辐射计，测量偏差在±20%以内；对于红外辐射计，测量偏差在±20%以内。在实验中获得了不同速度v∞和不同模拟环境压力p∞条件下球模型及流场在2个紫外波段、1个可见光波段、2个红外波段的辐射强度I一维分布数据。图5给出了不同实验条件下φ15 mm Al2O3球模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度、红外辐射强度一维分布测量数据，其中λ0为中心波长，Δλ为带宽。实验中测量的紫外辐射、可见光辐射主要来自于模型流场辐射，红外辐射主要来自于模型本体辐射。

图5 球模型及流场光辐射强度一维分布测量结果Fig.5 One-dimensional ray radiation distribution measurements of sphere models and flow field

2.3 模型及流场电磁散射特性测量

X波段单站雷达系统记录模型及尾迹的幅值A(t)、相位φ(t)曲线，进行背景对消、定标、近远场变换和一维成像处理，最终得出被测模型及尾迹的总RCS和沿模型飞行轴线分布RCS数据[13]。雷达测量系统采用发射低速金属球法进行标定。采用低速金属球进行动态标定时，金属球的速度选择在200～300 m/s范围，避免形成激波影响标定结果。标定结果表明，X波段雷达测量系统的测量误差不大于1 dB. 图6给出了实验获得的φ15 mm Al2O3球模型在不同实验条件下模型及流场在40视角方向上的X波段RCS一维分布数据。图6中RCS测量值均为相对于模型静态RCS值的归一化结果。

图6 球模型及流场RCS一维分布测量结果Fig.6 One-dimensional RCS distribution measurements of sphere models and flow field

3 分析讨论

3.1 模型激波脱体距离测量

由表1可知，利用高分辨激波脱体距离测量技术获得了清晰的具有高分辨率的模型飞行阴影照片。在压力约10 kPa时，模型飞行速度从4.4 km/s到5.9 km/s，激波脱体距离逐渐减小，但变化量小于100 μm量级，与高温气体化学反应动力学理论分析结果一致。

3.2 模型及流场光辐射特性测量

由图5可知，模型尾迹流场基本没有紫外、可见光辐射；模型尾迹流场在35 μm波段红外辐射明显且持续时间较长，尾迹流场在812 μm波段辐射不明显。在同一次实验中，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度在同一数量级，35 μm波段红外辐射强度比812 μm波段红外辐射强度高约1个数量级。

在不同实验条件下，φ15 mm Al2O3模型及流场的不同波段光辐射强度峰值随模型飞行速度、实验压力的变化分别见图7、图8所示。由图7、图8可知，模型及流场的光辐射强度强烈依赖于模型飞行速度和实验压力。说明速度、压力对模型流场辐射有较大的影响。在头部区自由电子导致的辐射起着重要作用，因为速度增加或压力增加使头部激波层温度提高，从而使电子密度迅速增加，这与利用Kremer计算公式得到的结果是一致的[14]。随着速度或实验压力的增加，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度和红外辐射强度均增加，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度的增加速率比红外辐射强度快得多。

整个夜晚，甲洛洛都同情着丁主任，感动着丁主任对自己说的话，觉得自己的份量一下加重了，心口也热烘烘的，他想着老婆本玛对自己敬重的眼神，不由得呵呵地笑着：甲洛洛，你可真是个老好人啊！

图7 模型及流场光辐射强度峰值随速度变化Fig.7 Radiation intensity peaks of models and flow field as a function of speed

图8 模型及流场光辐射强度峰值随压力变化Fig.8 Radiation intensity peaks of models and flow field as a function of pressure

由图7可知，随着模型飞行速度的增加，模型及流场紫外辐射强度峰值和可见光辐射强度峰值增加了大约1个多数量级，红外波段的辐射强度峰值增加了大约半个数量级。在模型飞行速度较低时，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度和35 μm波段红外辐射强度在同一个数量级。在模型飞行速度较高时，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度比其红外辐射强度大约0.51.5个数量级。

由图8可知，随着实验压力的增加，模型及流场紫外辐射强度、可见光辐射强度增加了约34倍，在红外波段辐射强度基本不变。在实验压力较低时，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度和35 μm波段红外辐射强度在同一个数量级。在实验压力较高时，模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度比其红外辐射强度大约12个数量级。

在相同的实验条件下，模型速度或环境压力变化引起模型流场的温度升快，模型温度加热慢得多，导致模型流场辐射变化要比模型辐射变化大得多。从不同波段辐射测量结果比较可以说明模型及流场紫外、可见光辐射主要为头部激波帽辐射，模型及流场红外辐射主要集中在模型头部区域。

3.3 模型及流场电磁散射特性测量

由图6可知，实验中观测到模型RCS突增现象，模型湍流尾迹RCS明显且持续距离较远；在模型飞行速度较低时，模型及流场的电磁散射主要集中在模型及等离子鞘套区域；当模型飞行速度较高时，模型及流场的电磁散射中心数增加，湍流尾迹区域各个散射中心RCS迅速变大，模型及流场电磁散射中心主要分布在模型及等离子鞘套区域和尾迹区域；模型湍流尾迹RCS变化频率最快接近20 kHz.

在不同实验条件下，φ15 mmAl2O3模型及流场的RCS随模型飞行速度、实验压力的变化分别如图9、图10所示。由图9、图10可知，模型及流场RCS强烈地依赖于模型飞行速度和实验压力。模型等离子鞘套的出现可能明显地增强模型电磁散射，使模型及等离子鞘套RCS比模型RCS增大7 dB，出现RCS突增现象；模型等离子鞘套的出现也可能对模型电磁散射影响不明显。在测量误差范围内，模型及等离子鞘套中RCS比模型RCS基本相同。随着模型飞行速度的增加，模型及等离子鞘套RCS逐渐减小，出现模型尾迹总RCS与模型及等离子鞘套RCS数量级相同的现象。随着实验压力的增加，模型及等离子鞘套RCS基本不变，模型湍流尾迹RCS最大值和尾迹总RCS均增大，出现模型尾迹总RCS远大于模型及等离子鞘套RCS的现象。

图9 模型及流场RCS随速度变化Fig.9 RCS of models and flow field as a function of velocity

图10 模型及流场RCS随实验压力变化Fig.10 RCS of models and flow field as a function of pressure

由图9可知，在实验压力不变的条件下，随着模型飞行速度增加，模型及等离子鞘套RCS减小7 dB，模型尾迹RCS最大值和尾迹总RCS增加了12个数量级，模型及等离子鞘套RCS与尾迹RCS最大值的差别减小了2个多数量级，模型及等离子鞘套RCS与尾迹总RCS的差别减小了接近2个数量级。在实验压力7.4 kPa、模型速度5.8 km/s的实验条件下，尾迹总RCS与模型及等离子鞘套RCS数量级相同。

4 结论

1)在压力约10 kPa时，模型飞行速度从4.2 km/s到6.1 km/s，激波脱体距离逐渐减小，但变化量小于100 μm量级。

2)在给定的实验条件下，模型及流场的光辐射强度强烈依赖于模型飞行速度和实验压力。模型及流场紫外、可见光辐射主要为头部激波帽辐射，尾迹基本没有紫外辐射、可见光辐射；模型及流场红外辐射主要集中在模型头部区域，尾迹在35 μm波段红外辐射明显且持续时间较长，尾迹在812 μm波段辐射不明显。模型及流场的紫外辐射强度、可见光辐射强度在同一数量级，35 μm波段红外辐射强度比812 μm波段红外辐射强度大1个数量级左右。

3)模型等离子鞘套的出现可能明显地增强模型电磁散射，出现模型RCS突增；模型湍流尾迹RCS明显且持续时间较长。在模型飞行速度较低时，模型及流场的电磁散射能量主要集中在模型及等离子鞘套区域。当模型飞行速度较高时，湍流尾迹区域各个散射中心的RCS迅速变大，模型及流场电磁散射中心主要分布在模型及等离子鞘套区域和尾迹区域。在一定的实验条件下，模型尾迹总RCS与模型及等离子鞘套RCS数量级相同，也可能远大于模型及等离子鞘套RCS.

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Measurement of Ray Radiation and Electromagnetic Scattering fromHypersonic Sphere Models and Their Flow Fields in Ballistic Range

MA Ping, SHI An-hua, YANG Yi-jian, YU Zhe-feng, SUN Liang-kui, HUANG Jie

(Hypervelocity Aerodynamics Institute, China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang 621000， Sichuan, China)

The ray radiation and electromagnetic scattering of the sphere models in the ballistic range are measured to investigate the effects of hypervelocity vehicle and flow field on the target detection and recognition. The models are launched from a two-stage light gas gun. The models are the spheres with the diameter of 15 mm, which are made of Al2O3. The velocity ranges from 4.2 km/s to 6.1 km/s, and the target chamber pressure ranges from 2.0 kPa to 15.4 kPa. The intensities of ultraviolet radiation (254 nm and 365 nm) and visible radiation (430 nm) of the models are measured by the photomultiplier detectors, respectively. The intensities of infrared radiation (3-5 μm and 8-12 μm) of the models are measured by using InSb detectors. The radar cross section (RCS) of the full targets is measured by the monostatic radar system working at X waveband, of which the visual angle between the main beam and the flight direction is 40°. The results show that the ray radiation intensities of the models and flow field and the electromagnetic scattering characteristics depend on the flight speeds of the models and the chamber pressure. The ultraviolet radiation intensity is the same as their visible light radiation intensity. The difference of radiation intensity between 3-5 μm and 8-12 μm is within one order of magnitude. The ultraviolet radiation and visible radiation mainly come from the shock wave radiation, which do not present in the wake radiation at all. The intensity of infrared radiation of the wake in the range of 3-5 μm is higher and its duration is longer compared to that of 8-12 μm. The electromagnetic scattering energy mainly comes from the regions of the models surrounded by the flow field when the flight speed is lower, and the electromagnetic scattering energy of the wake is markedly strengthened when the flight speed is higher. The electromagnetic scattering energy mainly comes from the regions of the models surrounded by flow fields and wakes when the flight speed is high. The total RCS of wake is about one order of magnitude larger than that of the model surrounded by flow fields under certain conditions.

ordnance science and technology; ray radiation; electromagnetic scattering; ballistic range; flow field; measurement

2016-11-01

国家重大基础研究发展计划项目(2014CB340200)；国家自然科学基金项目(11272336)； 电子科技大学极高频复杂系统国防重点学科实验室基金项目(2016年)

马平(1976—)，男，高级工程师。E-mail: hbmaping@263.net

V411.7

A

1000-1093(2017)06-1223-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.023