電弧風(fēng)洞熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

張松賀, 楊遠(yuǎn)劍, 王茂剛, 馬 平

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

電弧風(fēng)洞熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用

張松賀*, 楊遠(yuǎn)劍, 王茂剛, 馬 平

(中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心 超高速空氣動(dòng)力研究所, 四川 綿陽(yáng) 621000)

介紹了在電弧風(fēng)洞上發(fā)展的一種新型試驗(yàn)技術(shù)。針對(duì)某型飛行器，了解其在飛行條件下天線窗燒蝕透波特性對(duì)于了解及掌握“黑障”問題及通信信號(hào)特點(diǎn)至關(guān)重要。在電弧風(fēng)洞內(nèi)開展熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)考核是地面試驗(yàn)考核的最佳選擇，但存在若干技術(shù)難點(diǎn)。為此在電弧風(fēng)洞開展熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究，使用半橢圓噴管，改進(jìn)進(jìn)氣方式，提升能量利用率；改進(jìn)電弧加熱器結(jié)構(gòu)解決了銅離子對(duì)測(cè)試的干擾；設(shè)計(jì)定向天線，在關(guān)鍵部位布設(shè)吸波材料解決了試驗(yàn)段內(nèi)微波反射問題；將收發(fā)天線均置于試驗(yàn)段內(nèi)部，保證天線同頻振動(dòng)，解決了風(fēng)洞啟動(dòng)時(shí)天線抖動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)；設(shè)計(jì)水冷箱體解決了天線窗口長(zhǎng)時(shí)間氣動(dòng)加熱下天線的熱防護(hù)問題。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，研究?jī)?nèi)容是有效的、成熟的、可行的。目前該技術(shù)已成功用于指導(dǎo)在電弧風(fēng)洞上開展的數(shù)項(xiàng)試驗(yàn)。

電弧風(fēng)洞；天線窗；熱/透波；半橢圓噴管；定向天線

0 引 言

飛行器以高超聲速在大氣層中飛行時(shí),由于黏性和激波的作用,使得飛行器周圍的空氣產(chǎn)生離解和電離,在飛行器的頭身部形成包含等離子體鞘套的高溫激波層,在飛行器尾部形成等離子體尾跡。其中等離子體鞘套會(huì)嚴(yán)重影響飛行器和地面之間的通訊聯(lián)系,引起通信中斷問題[1-2]。

通信中斷(“黑障”)是航空與航天技術(shù)發(fā)展中繼“聲障”和“熱障”之后的又一技術(shù)難題。從20世紀(jì)60年代初開始,國(guó)外導(dǎo)彈與宇航部門投入大量人力物力,在理論和實(shí)驗(yàn)方面同時(shí)開展研究,實(shí)施了諸如美國(guó)的Fire計(jì)劃、Asset計(jì)劃、Ram計(jì)劃、MA-6、GT-3計(jì)劃和Trailblazer計(jì)劃等一系列大規(guī)模飛行實(shí)驗(yàn)[3-4]。到20世紀(jì)70年代中期,這項(xiàng)研究得到了長(zhǎng)足進(jìn)展,基本上弄清了等離子體鞘套的形成機(jī)理,掌握了多種緩和或減輕通訊中斷的措施,發(fā)展了相應(yīng)的鞘套診斷技術(shù)。20世紀(jì)80年代后期美國(guó)空軍宇航和導(dǎo)彈局在制定再入系統(tǒng)計(jì)劃時(shí),仍舊將通信中斷問題的進(jìn)一步研究作為一項(xiàng)重要課題[5]。

20世紀(jì)70年代以來,我國(guó)雖然在通訊中斷問題研究上取得了一些進(jìn)展,但是距離徹底克服通訊中斷、實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信還有相當(dāng)?shù)木嚯x。隨著我國(guó)載人航天工程的啟動(dòng)、重復(fù)使用天地往返運(yùn)載器、臨近空間飛行器的研究、行星探測(cè)器的研制,以及各種新型戰(zhàn)術(shù)戰(zhàn)略導(dǎo)彈的研制工作開展,研究“黑障”帶來的通訊中斷問題就顯得極為迫切[6-7]。

同時(shí)，在飛行器頭部形成的高溫等離子體流作用下，其表面會(huì)產(chǎn)生燒蝕，且燒蝕表面形貌也會(huì)產(chǎn)生變化[8]。此外，高溫下材料的介電常數(shù)與常溫下的介電常數(shù)有所不同[9]，這些變化會(huì)影響雷達(dá)波在材料中的傳輸[10]。因此針對(duì)某型飛行器，了解其在飛行條件下天線窗材料的燒蝕及透波特性對(duì)于研究“黑障”問題及通信信號(hào)傳輸至關(guān)重要。

在地面開展天線窗透波特性研究主要有輻射加熱考核，高頻等離子體風(fēng)洞考核和電弧風(fēng)洞考核等幾種方式[11-13]。采用輻射加熱時(shí)，只能開展靜態(tài)加熱條件下的透波特性研究；在高頻等離子體風(fēng)洞上，由于設(shè)備功率限制，只能開展小尺寸窗口部件的透波特性研究；在電弧風(fēng)洞上，可對(duì)較大尺寸天線窗口開展透波特性研究，同時(shí)還能對(duì)窗口四周連接部位開展熱結(jié)構(gòu)及燒蝕特性研究。比較來看，在電弧風(fēng)洞內(nèi)開展熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)考核是地面試驗(yàn)考核的最佳選擇。但是，在電弧風(fēng)洞內(nèi)開展熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)考核存在若干技術(shù)難題[14-15]，在國(guó)內(nèi)一直未能開展該類試驗(yàn)。為此在中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心電弧風(fēng)洞上開展了熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究。

1 研究?jī)?nèi)容

1.1 技術(shù)難點(diǎn)

在電弧風(fēng)洞內(nèi)開展熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)考核存在以下難點(diǎn)：1) 電弧風(fēng)洞流場(chǎng)中所含銅離子對(duì)透波測(cè)試的干擾問題； 2) 微波在電弧風(fēng)洞試驗(yàn)段內(nèi)的反射問題； 3) 試驗(yàn)件振動(dòng)引起信號(hào)波動(dòng)問題；4) 長(zhǎng)時(shí)間加熱的熱防護(hù)問題。

1.2 解決方法

針對(duì)上述難題，采取了以下措施：1) 通過改進(jìn)電弧加熱器結(jié)構(gòu)，改變進(jìn)氣方式，加大進(jìn)氣孔，使用半橢圓噴管提升能量利用效率，加長(zhǎng)電弧加熱器長(zhǎng)度，減小電流，減少了電極燒損導(dǎo)致銅離子增多的問題；2) 分析微波發(fā)射特點(diǎn)，確定反射部位，在關(guān)鍵部位粘接吸波材料，同時(shí)設(shè)計(jì)定向天線，解決微波試驗(yàn)段內(nèi)反射問題； 3) 將天線置于試驗(yàn)段內(nèi)部，解決了風(fēng)洞啟動(dòng)時(shí)天線抖動(dòng)導(dǎo)致的信號(hào)波動(dòng)；4) 設(shè)計(jì)水冷箱體解決了天線熱防護(hù)問題。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

為驗(yàn)證該試驗(yàn)技術(shù)研究?jī)?nèi)容的可行性，在氣動(dòng)中心20MW電弧風(fēng)洞上開展了驗(yàn)證試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)狀態(tài)與試驗(yàn)原理

本試驗(yàn)采用1個(gè)微波測(cè)試狀態(tài)，1個(gè)熱流狀態(tài)，具體試驗(yàn)狀態(tài)見表1所示。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)表Table 1 Test conditons

試驗(yàn)時(shí)，先采用校測(cè)模型對(duì)流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，調(diào)試出所需試驗(yàn)狀態(tài)后，再安裝真實(shí)模型進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑樘炀€窗模擬件，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)試驗(yàn)狀態(tài)及試驗(yàn)?zāi)Ｐ停_定采用平板試驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示，其試驗(yàn)原理為：由電弧加熱器噴出的高溫氣流，經(jīng)轉(zhuǎn)接段后進(jìn)入半橢圓噴管，在半橢圓噴管直邊密接平齊地以一定攻角放置試驗(yàn)?zāi)Ｐ停ㄟ^在模型前緣產(chǎn)生的斜激波造成的逆壓梯度，提高模型表面的壓力及熱流。

2.2 試驗(yàn)設(shè)備及裝置

設(shè)備配置為片式電弧加熱器和半橢圓噴管，電弧風(fēng)洞照片如圖3所示。

根據(jù)試驗(yàn)需要設(shè)計(jì)了水冷試驗(yàn)支架和Ka頻段天線。試驗(yàn)支架包括水冷箱和水冷支架，均采用夾層強(qiáng)制水冷進(jìn)行冷卻，其中水冷箱為中空結(jié)構(gòu)，前部嵌校測(cè)模型或試驗(yàn)?zāi)Ｐ停蠖税惭b測(cè)試用天線。

定向天線如圖5所示，Ka頻段天線的主要技術(shù)指標(biāo)如下：帶寬為23GHz～33GHz，駐波比VSWR≤2，增益為26dB。

為保證試驗(yàn)過程中天線安全，將發(fā)射天線置于水冷箱內(nèi)，天線距離試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵欢ň嚯x，防止模型受熱升溫后對(duì)天線造成損壞，同時(shí)將接收天線放置于試驗(yàn)段窗口旁(圖6)，為防止天線在試驗(yàn)段內(nèi)受熱損壞，在外面包裹防熱材料，經(jīng)測(cè)試，包裹防熱材料后天線接收功率略有下降，但不影響試驗(yàn)。

2.3 測(cè)試參數(shù)及方法

總焓測(cè)量：在已知喉道面積，測(cè)得氣體流量和弧室的總壓的條件下，可以利用高溫氣體熱力學(xué)函數(shù)表，利用等熵關(guān)系計(jì)算，近似關(guān)系為[11]：

式中：H0為氣流總焓，J/g；P0為弧室壓力，MPa；A*eff為噴管喉道有效面積，mm2；G為氣流流量，g/s。

冷壁熱流測(cè)量：設(shè)計(jì)并加工了與模型外形一致的校測(cè)模型，冷壁熱流采用塞式量熱計(jì)進(jìn)行測(cè)量，熱流可以用以下公式計(jì)算得出[11]：

表面壓力測(cè)量：在模型表面打直徑為2 mm的小孔并焊接的銅管引出，外接量程為35 kPa的CYG微型絕壓傳感器進(jìn)行測(cè)量。

表面溫度測(cè)量：采用雙色高溫計(jì)對(duì)模型表面特定點(diǎn)溫度進(jìn)行測(cè)量。

模型內(nèi)部溫度測(cè)量：在模型背面天線窗、天線等重點(diǎn)部位粘貼或焊接K型鎳鎘-鎳硅熱電偶，對(duì)模型內(nèi)部溫度測(cè)量。

圖7為微波測(cè)量系統(tǒng)工作圖。

該測(cè)量系統(tǒng)包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、收發(fā)天線、功率放大器、計(jì)算機(jī)、無線路由器等。計(jì)算機(jī)通過LAN網(wǎng)線、無線路由器與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀聯(lián)接，遠(yuǎn)程控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行點(diǎn)頻測(cè)量、掃頻測(cè)量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的射頻端口1產(chǎn)生的激勵(lì)微波被分為2路：一路作為參考信號(hào)，另外一路作為激勵(lì)源。激勵(lì)信號(hào)通過功率放大器被放大，經(jīng)發(fā)射天線照射到試件，產(chǎn)生反射、透射現(xiàn)象。反射波到達(dá)端口1，通過定向耦合器把入射波和反射波分離出來。透射波穿過試件，到達(dá)射頻端口2。由于在高頻段要直接對(duì)兩路信號(hào)的矢量運(yùn)算比較困難，因此，在保持被測(cè)信號(hào)的幅度和相位信息的條件下，2個(gè)接收通道將反射波和透射波分別下變頻至適當(dāng)?shù)闹蓄l上，通過對(duì)2路信號(hào)進(jìn)行比值運(yùn)算從而得出微波信號(hào)的反射參數(shù)S11和傳輸參數(shù)S21。為了在近場(chǎng)測(cè)量條件下模擬平面波照射試件和試件區(qū)域外微波輻射能量小的要求，研制了透鏡天線分別作為發(fā)射天線、接收天線。在典型工作頻點(diǎn)上天線口面電場(chǎng)能量分布的實(shí)測(cè)圖如圖8所示。圖中紅線和黑線分別代表E面和H面的分布情況，由圖可見，電磁波能量絕大部分被約束在天線口面區(qū)域，邊緣區(qū)域的能量很少，透鏡天線的電性能滿足了試驗(yàn)要求。

透波性能的測(cè)試主要通過功率傳輸系數(shù)|T1|2來說明。在給定天線的工作狀態(tài)下，接收天線在不同溫度狀態(tài)下所接收的功率分別用P0、P1來表示，定義：

根據(jù)以上公式可知，將微波信號(hào)在不同溫度狀態(tài)下的接收功率進(jìn)行比較，就能得到試件的功率傳輸系數(shù)。將接收功率進(jìn)行歸一化處理，功率傳輸系數(shù)可以表示為：

采用點(diǎn)頻方式測(cè)量試件在加熱過程中以及降溫過程中Ka波段的透波特性， Ka波段測(cè)試頻段：28.5 GHz～29 GHz，共6個(gè)頻點(diǎn)，頻率間隔0.1 GHz。

試驗(yàn)前對(duì)微波測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行直通校準(zhǔn)、歸零。然后在電弧風(fēng)洞開車時(shí)加熱試件過程中以及電弧風(fēng)洞停車后試件降溫過程中進(jìn)行試件透波特性測(cè)量。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

在Ka波段下開展了1件模型試驗(yàn)，完成了1000 s長(zhǎng)時(shí)間燒蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)的過程中同時(shí)開展天線窗Ka波段透波試驗(yàn)。

試驗(yàn)過程中各模型高溫計(jì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)表面溫度變化如圖9所示。可以看出：模型表面溫度Tw1、Tw2在420 s左右出現(xiàn)一個(gè)拐點(diǎn)，然后溫度上升趨勢(shì)加大，在600 s后出現(xiàn)基本平衡，平衡后溫度基本保持不變。平衡溫度基本在1000 ℃～1050 ℃之間。

模型背面溫度變化如圖10所示，模型停車時(shí)刻最高溫度12 ℃，總體來說模型背面溫度在停車時(shí)刻均較低，模型隔熱效果較好。

試驗(yàn)過程中將Ka波段透鏡天線安裝在試件后發(fā)射微波信號(hào)，對(duì)面用Ku波段透鏡天線接收。圖11為試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)后在各頻點(diǎn)透波特性變化情況，可以看出：試驗(yàn)過程中氣流中等離子體的存在導(dǎo)致各頻點(diǎn)透波特性波動(dòng)增大，同時(shí)隨著天線窗溫度增加，天線的介電常數(shù)發(fā)生變化，其透波特性也跟著發(fā)生變化，試驗(yàn)開始后模型大部分頻點(diǎn)基本上處于平衡并略有上升，總體來說，在試驗(yàn)過程中絕大部分頻點(diǎn)透波性能增強(qiáng)，個(gè)別頻點(diǎn)透波特性變差。

在模型冷卻后，模型的透波特性降低。

3 結(jié) 論

本文針對(duì)在電弧風(fēng)洞中開展天線窗熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行了分析研究，采用改進(jìn)電弧加熱器結(jié)構(gòu)、合理布設(shè)吸波材料、設(shè)計(jì)水冷箱體等措施解決了關(guān)鍵問題，并對(duì)該研究?jī)?nèi)容進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果顯示測(cè)試數(shù)據(jù)干擾很小，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，表明該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)研究成功解決了技術(shù)難點(diǎn)，研究?jī)?nèi)容是有效的、成熟的、可行的。

目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用于在電弧風(fēng)洞上開展的其他天線窗透波試驗(yàn)，并取得了較好效果。

[1]John W M.On the decrease of the radar cross section of the apollo command module due to reentry plasma effects[R]. NASA TN D-4784.P722-728.

[2]Tischer F J. Communication Blackout at Reentry[R]. Tokyo: University of Alabama Research Institute, NASA CR-551673, 1963.

[3]IAMESP, RYBAK, et al. Progress in reentry communications[R]. IEEE, Transaction on Aerospace and Electronic System. Vol AES-7, 1971.P. 879-894.

[4]Bhaskar C, Shashank C. Three-dimensional computation of re-duction in radar cross section using plasma shielding[J]. IEEE Trans. on Plasma Sci, 2005, 33(6): 2027-2034.

[5]David E M,Jeffrey M P. Radio frequency (RF)blackout during hypersonic reentry[R]. AIAA/CIRA13thInternational Space Planes and Hypersonic Systemand Technologyp[R]. AIAA 2005-3443.

[6]Ma P, Zeng X J, Shi A H, et al. Experimental investigation on electromagnetic wavetransmission characterin the plasma high temperature gas[J]. Journal of Experimental in Fluid Mechanics, 2010, 24(5): 51-52.馬平, 曾學(xué)軍, 石安華, 等. 電磁波在等離子體高溫氣體中傳輸特性試驗(yàn)研究[J]. 實(shí)驗(yàn)流體力學(xué), 2010, 24(5): 51-52.

[7]Ma P, Qin L, Shi A H, et al. Simulation and experimental study on of Terahertz wave transmission characteristics in the plasma produced by shock tube[J]. J. Infrared Millim Waves, 2014, 33(4): 420-426.馬平, 秦龍, 石安華, 等. 激波管等離子體中太赫茲波傳輸特性仿真與實(shí)驗(yàn)研究[J]. 紅外與毫米微波學(xué)報(bào), 2014, 33(4): 420-426.

[8]Jiang Y G, Zhang C R，Cao F, et al. The performance research of ablation and wave transmission properties of nitride ceramic matrix composites[J]. Science China, 2007, 37(7): 661-666.姜勇剛, 張長(zhǎng)瑞, 曹峰, 等. 氮化物陶瓷基復(fù)合材料燒蝕透波性能研究[J]. 中國(guó)科學(xué), 2007, 37(7): 661-666.

[9]Walton Jr J D. Reaction sintered silicon nitride for high temperature radome application[J]. Am Ceram Soc Bull, 1974, 53(3): 255-258.

[10]Vasundara V V, Richard D H, Deepak K G, et al. Free-space, broadband measurement of high-temperature, complex dielectric propertiesat microwave frequencies[J]. IEEE Trans Instrum Meas, 1991, 40: 842-846.

[11]Liu C P. Aerodynamic heat and thermal protection test heat- flow measurement[M]. Beijing: National Defend Industry Press, 2013: 251-282.劉初平編. 氣動(dòng)熱與熱防護(hù)試驗(yàn)熱流測(cè)量[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2013: 251-282.

[12] Tillian D J, et al. Thermal performance and radio-frequency transmissivity of candidate ablation materials for S-band antenna window application on manned spacecraft[R]. Houston: Manned Spacecraft Center, NASA-TM-X-68325, 1970.

[13]Arnold J, Hanawa L T. Plasma ARC test technique for evaluating antenna window RF transmission performance[R]. Washington D C:American Institute of Aeronautics and Astronautics, AIAA-82-0900, 1982.

[14]Litz M, Rosario R D, Leshich K. Effects of a radome on a UWB detection system[R]. Adelphi: Army Reseach Laboratory, ARL-SR-73, 1998.

[15]Li Z P. Major Advancement and Development Trends in Study of hotwall Microwave-Transparency Mechanisms and High-temperature Micorwave-Transparent Materials[J]. Materials China, 2013, 32(4): 193-196.李仲平. 熱透波機(jī)理及熱透波材料進(jìn)展與展望[J]. 中國(guó)材料進(jìn)展, 2013, 32(4): 193-196.

Studies and applications of thermal/wave-transmission test technique in arc-heated wind tunnel

Zhang Songhe*, Yang Yuanjian, Wang Maogang, Ma Ping

(HypervelocityAerodynamicsInstituteofChinaAerodynamicsResearchandDevelopmentCenter,Mianyang621000,China)

A newly developed test technique in arc-heated wind tunnel was introduced. It is important to know the performance of ablation and wave transmission of antenna window, since it may cause interruptions to communications during hypersonic vehicle reentry. To conduct ablation and wave transmission coupled test in arc-heated wind tunnel is the best qualified method for the study of wave transmission through antenna window on the ground. The interference of copper ions on test results was suppressed by improving the structure of the arc heater, using a semi-elliptical nozzle to enhance energy efficiency, and changing the way of intake; the reflection of microwaves within the test section was solved by designing directional antenna and laying microwave absorbing material on the key parts; the transmitting and receiving antennas were placed inside the test section to ensure the antennas having the same frequency vibration to solve the antenna jitter signal fluctuations caused by wind tunnel start-up; the antenna thermal protection for the antenna window experiencing a long time aerodynamic heating was performed by water-cooled cabinet designed. The experimental results show that the technique is effective, mature and feasible. This technique is successfully used to evaluate the microwave performance for the ablation of the antenna window test in the arc-heated wind tunnel.

arc-heated wind tunnel; antenna window; thermal/wave transmission; semi-elliptical nozzle; directional antenna

0258-1825(2017)01-0141-05

2015-08-10;

2015-05-13

張松賀*(1984-)，男，碩士，工程師，研究方向：電弧風(fēng)洞防熱及熱結(jié)構(gòu)試驗(yàn)技術(shù)研究. E-mail：20834643@qq.com

張松賀, 楊遠(yuǎn)劍, 王茂剛, 等. 電弧風(fēng)洞熱/透波聯(lián)合試驗(yàn)技術(shù)研究及應(yīng)用[J]. 空氣動(dòng)力學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 35(1): 141-145.

10.7638/kqdlxxb-2015.0146 Zhang S H, Yang Y J, Wang M G, et al. Studies and applications of thermal/wave-transmission test technique in arc-heated wind tunnel[J]. Acta Aerodynamica Sinica, 2017, 35(1): 141-145.

V211.3

A doi: 10.7638/kqdlxxb-2015.0146