高速大钝头体电磁散射特性地面测试技术

2022-10-24邵忠杰谌君谋姚大鹏

航天电子对抗 2022年4期

邵忠杰，谌君谋，林键，陈星，纪锋，姚大鹏

（中国航天空气动力技术研究院，北京 100074）

0 引言

高速飞行器在大气层中高速飞行时，飞行器与大气强烈作用，在头部形成脱体激波，波后气体温度、压力急剧升高，使大气离解甚至电离，在飞行器周围形成等离子体包覆流场，即等离子鞘套。等离子鞘套使电磁波产生反射、折射及散射，同时吸收电磁波能量，影响飞行器与接收站的通讯，严重时甚至导致通讯中断。等离子包履流场的空间散射特性与目标本体的散射特性不相同，诱导假目标和真目标的散射截面积也不相同。20 世纪80 年代以来，国内外对等离子鞘套改变飞行器电磁散射的现象开展了持续的研究。

超高速物理现象和流动机理认识上的局限，造成电磁散射物理建模不尽适用，导致数值模拟存在一定的不确定性，因此需要进行试验研究。而飞行试验风险高、成本高、周期长，大量的前期试验探究需要在地面试验设备中进行。地面模拟手段的完善对等离子鞘套的电磁效应研究具有重要价值，试验数据的积累可为数值仿真提供验证，为理论研究提供依据。近年来，国内外在弹道靶、高焓激波风洞等高焓设备开展了大量的电磁散射特性的试验，取得了一系列成果。

本文基于中国航天空气动力技术研究院的大尺寸FD-21 自由活塞高焓激波风洞，开展大钝头体电磁散射特性的研究。相比于弹道靶和中小尺寸的高焓激波风洞，可对横截面为1 m 量级的复杂构型开展定姿态测量，有望成为等离子包履大尺寸目标散射特性的通用实验观测平台。实验在X 波段开展，在9～11 GHz 范围内观察到等离子鞘套对目标RCS 的变化。

1 实验条件

1.1 实验设备

FD-21 高焓激波风洞是一座采用重活塞驱动的2 m 量级高焓激波风洞，如图1 所示，主要由高压储气室、压缩管、激波管、喷管、夹膜机构、试验段及真空罐组成。一般充入的试验气体为空气，也可以是氮气或二氧化碳等其它气体。

图1 FD-21 高焓激波风洞照片[19]

FD-21 风洞可实现宽范围飞行环境的风洞模拟，包括再入环境、高马赫数超燃动力飞行环境、深空探测进入环境等，最大模拟速度约为7.0 km/s，最大的模拟高度可达100 km。

1.2 测试系统

静态RCS 测量系统主要包括射频分系统、转台控制分系统和仪器自动控制分系统。射频分系统主要包括PNA 矢量网络分析仪、功率放大器、定向耦合器和天线。PNA 矢量网络分析仪具有内置信号源，其射频输出信号经功率放大器放大后接入定向耦合器。定向耦合器耦合端信号作为参考信号连到矢量网络分析仪的参考端口，耦合器的直通信号经发射天线向外辐照目标，被测目标的回波信号由接收天线采集，送入网络分析仪的测试端口，测试信号与参考信号进行比幅比相，获取目标回波信号的幅相信息。测量系统示意图如图2 所示。测量系统的主要技术指标：测试频段10 MHz～40 GHz；最大发射功率20 dBm；动态范围120 dB；最大中频带宽40 kHz。

图2 FD-21 风洞目标电磁散射测量示意图

1.3 实验条件

高焓激波风洞喷管驻室总温或者总焓无法直接测量，利用测量的入射激波强度和驻室总压，采用激波管理论和Srinivasan、McBride 等提供的热力学数据，计算高焓条件下的喷管驻室参数，如表1 所示。组分浓度为质量分数，质量分数小于10没有列入表中。

表1 喷管驻室参数

试验在FD-21 风洞Ma10 宽工况高焓型面喷管进行，喷管出口的流场参数如表2 所示。

表2 喷管出口自由流参数

测试场选择风洞试验段外，目标舱外布置收发天线和仪表雷达，电磁波透过玻璃窗照射返回舱模型，散射回波也透过玻璃窗被接收天线接收。风洞试验段洞壁粘贴角锥型吸波材料。测试环境如图3 所示。

图3 测试环境照片

2 测试方法

利用X 波段单站连续波雷达获取目标近场雷达回波信号数据，并对雷达回波信号数据进行标定，获取目标近场散射幅相信号。

近场散射数据的标定选用相对标定方法。在特定测量距离、频率、极化和方向下，分别测试目标和定标体的散射幅相信号，通过对定标体与待测目标所测得的信号之比，获取一组频率的复量散射信号。采用准单基RCS 测量，应用相对比较法测得RCS，即对同样测试状态下的标准体（龙伯球）进行测量，得到其回波功率的最大值，与测试目标的回波功率进行比较。由于标准体的RCS 已知，因此可计算得到目标各方位、各频率点的RCS，计算公式为：

式中，σ为目标RCS；P为目标回波功率；P为目标回波功率最大值；σ为标准体的RCS。

角度域RCS 测量时，目标放置在转台上进行设定方位角的旋转，通过接收机同步测试设定频率下目标各个方位角的回波信号，通过标定获取目标角度域RCS；频率域RCS 测量时，利用转台控制目标方位角。在设定的方位角对目标进行扫频测量，通过标定获得目标频率域RCS。

为了确保测试的杂波影响最小，采用背景抵消方法。分别测试有目标和没有目标散射回波，通过二者相减，消除杂波影响。

式中，V(，)是没有目标的散射回波（即背景散射回波），V()是没有定标体的散射回波（即定标体的背景散射回波）。

3 测试结果

流场有效试验时间约5 ms，测试时间设置1 s，触发信号设置延时150～250 ms。采用高频时序控制装置，在流场有效时间内，能够全面观察高速气流状态对目标散射回波的影响。根据矢网的扫频时间分配特性，按照5 ms 的等离子鞘套持续时间估计，在测试频率为9～11 GHz 段。测试分别在高速气流释放前后进行两次，测试结果如图4 所示，气流覆盖下，目标RCS 略微增大。