高速大鈍頭體電磁散射特性地面測試技術

邵忠杰，諶君謀，林 鍵，陳 星，紀 鋒，姚大鵬

（中國航天空氣動力技術研究院，北京 100074）

0 引言

高速飛行器在大氣層中高速飛行時，飛行器與大氣強烈作用，在頭部形成脫體激波，波后氣體溫度、壓力急劇升高，使大氣離解甚至電離，在飛行器周圍形成等離子體包覆流場，即等離子鞘套。等離子鞘套使電磁波產生反射、折射及散射，同時吸收電磁波能量，影響飛行器與接收站的通訊，嚴重時甚至導致通訊中斷。等離子包履流場的空間散射特性與目標本體的散射特性不相同，誘導假目標和真目標的散射截面積也不相同。20 世紀80 年代以來，國內外對等離子鞘套改變飛行器電磁散射的現象開展了持續的研究。

超高速物理現象和流動機理認識上的局限，造成電磁散射物理建模不盡適用，導致數值模擬存在一定的不確定性，因此需要進行試驗研究。而飛行試驗風險高、成本高、周期長，大量的前期試驗探究需要在地面試驗設備中進行。地面模擬手段的完善對等離子鞘套的電磁效應研究具有重要價值，試驗數據的積累可為數值仿真提供驗證，為理論研究提供依據。近年來，國內外在彈道靶、高焓激波風洞等高焓設備開展了大量的電磁散射特性的試驗，取得了一系列成果。

本文基于中國航天空氣動力技術研究院的大尺寸FD-21 自由活塞高焓激波風洞，開展大鈍頭體電磁散射特性的研究。相比于彈道靶和中小尺寸的高焓激波風洞，可對橫截面為1 m 量級的復雜構型開展定姿態測量，有望成為等離子包履大尺寸目標散射特性的通用實驗觀測平臺。實驗在X 波段開展，在9～11 GHz 范圍內觀察到等離子鞘套對目標RCS 的變化。

1 實驗條件

1.1 實驗設備

FD-21 高焓激波風洞是一座采用重活塞驅動的2 m 量級高焓激波風洞，如圖1 所示，主要由高壓儲氣室、壓縮管、激波管、噴管、夾膜機構、試驗段及真空罐組成。一般充入的試驗氣體為空氣，也可以是氮氣或二氧化碳等其它氣體。

圖1 FD-21 高焓激波風洞照片[19]

FD-21 風洞可實現寬范圍飛行環境的風洞模擬，包括再入環境、高馬赫數超燃動力飛行環境、深空探測進入環境等，最大模擬速度約為7.0 km/s，最大的模擬高度可達100 km。

1.2 測試系統

靜態RCS 測量系統主要包括射頻分系統、轉臺控制分系統和儀器自動控制分系統。射頻分系統主要包括PNA 矢量網絡分析儀、功率放大器、定向耦合器和天線。PNA 矢量網絡分析儀具有內置信號源，其射頻輸出信號經功率放大器放大后接入定向耦合器。定向耦合器耦合端信號作為參考信號連到矢量網絡分析儀的參考端口，耦合器的直通信號經發射天線向外輻照目標，被測目標的回波信號由接收天線采集，送入網絡分析儀的測試端口，測試信號與參考信號進行比幅比相，獲取目標回波信號的幅相信息。測量系統示意圖如圖2 所示。測量系統的主要技術指標：測試頻段10 MHz～40 GHz；最大發射功率20 dBm；動態范圍120 dB；最大中頻帶寬40 kHz。

圖2 FD-21 風洞目標電磁散射測量示意圖

1.3 實驗條件

高焓激波風洞噴管駐室總溫或者總焓無法直接測量，利用測量的入射激波強度和駐室總壓，采用激波管理論和Srinivasan、McBride 等提供的熱力學數據，計算高焓條件下的噴管駐室參數，如表1 所示。組分濃度為質量分數，質量分數小于10沒有列入表中。

表1 噴管駐室參數

試驗在FD-21 風洞Ma10 寬工況高焓型面噴管進行，噴管出口的流場參數如表2 所示。

表2 噴管出口自由流參數

測試場選擇風洞試驗段外，目標艙外布置收發天線和儀表雷達，電磁波透過玻璃窗照射返回艙模型，散射回波也透過玻璃窗被接收天線接收。風洞試驗段洞壁粘貼角錐型吸波材料。測試環境如圖3 所示。

圖3 測試環境照片

2 測試方法

利用X 波段單站連續波雷達獲取目標近場雷達回波信號數據，并對雷達回波信號數據進行標定，獲取目標近場散射幅相信號。

近場散射數據的標定選用相對標定方法。在特定測量距離、頻率、極化和方向下，分別測試目標和定標體的散射幅相信號，通過對定標體與待測目標所測得的信號之比，獲取一組頻率的復量散射信號。采用準單基RCS 測量，應用相對比較法測得RCS，即對同樣測試狀態下的標準體（龍伯球）進行測量，得到其回波功率的最大值，與測試目標的回波功率進行比較。由于標準體的RCS 已知，因此可計算得到目標各方位、各頻率點的RCS，計算公式為：

式中，σ為目標RCS；P為目標回波功率；P為目標回波功率最大值；σ為標準體的RCS。

角度域RCS 測量時，目標放置在轉臺上進行設定方位角的旋轉，通過接收機同步測試設定頻率下目標各個方位角的回波信號，通過標定獲取目標角度域RCS；頻率域RCS 測量時，利用轉臺控制目標方位角。在設定的方位角對目標進行掃頻測量，通過標定獲得目標頻率域RCS。

為了確保測試的雜波影響最小，采用背景抵消方法。分別測試有目標和沒有目標散射回波，通過二者相減，消除雜波影響。

式中，V(，)是沒有目標的散射回波（即背景散射回波），V()是沒有定標體的散射回波（即定標體的背景散射回波）。

3 測試結果

流場有效試驗時間約5 ms，測試時間設置1 s，觸發信號設置延時150～250 ms。采用高頻時序控制裝置，在流場有效時間內，能夠全面觀察高速氣流狀態對目標散射回波的影響。根據矢網的掃頻時間分配特性，按照5 ms 的等離子鞘套持續時間估計，在測試頻率為9～11 GHz 段。測試分別在高速氣流釋放前后進行兩次，測試結果如圖4 所示，氣流覆蓋下，目標RCS 略微增大。

圖4 目標RCS 信號對比

4 結束語

試驗在中國航天空氣動力技術研究院FD-21 高焓激波風洞開展，在X 波段進行，利用該平臺觀察到等離子鞘套對目標RCS 的變化，并直接觀察到氣流狀態對目標散射回波的影響。試驗獲取的FD-21 風洞高焓氣流狀態、等離子的持續時間等信息，為后續等離子鞘套的定量研究提供參考。