高超聲速球模型及流場光輻射和電磁散射特性測量

馬平， 石安華， 楊益兼， 于哲峰， 孫良奎， 黃潔

(中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所， 四川 綿陽 621000)

高超聲速球模型及流場光輻射和電磁散射特性測量

馬平， 石安華， 楊益兼， 于哲峰， 孫良奎， 黃潔

(中國空氣動力研究與發展中心 超高速空氣動力研究所， 四川 綿陽 621000)

為了研究高超聲速目標及其流場對目標探測和識別的影響，在彈道靶設備上開展了球模型光輻射和電磁散射特性測量。由二級輕氣炮發射模型，模型為φ15 mm的球，材料為Al2O3，速度范圍4.26.1 km/s，靶室壓力范圍2.015.4 kPa，光電倍增管探測器分別測量中心波長為254 nm、365 nm、430 nm的紫外輻射強度和可見光輻射強度，紅外InSb探測器分別測量波長為35 μm、812 μm的紅外輻射強度，X波段單站雷達系統測量在視角為40°的全目標雷達散射截面積(RCS)。實驗結果表明：在給定的實驗條件下，模型及流場的光輻射強度和電磁散射特性強烈依賴于模型飛行速度和實驗壓力；模型及流場紫外輻射、可見光輻射主要為頭部激波帽輻射，尾跡基本沒有紫外輻射、可見光輻射；模型及流場紅外輻射主要集中在模型頭部區域，尾跡在35 μm波段紅外輻射明顯且持續時間較長，尾跡在812 μm波段輻射不明顯；在模型飛行速度較低時，模型及流場的電磁散射能量主要集中在有繞流的模型區域；當模型飛行速度較高時，模型及流場電磁散射能量分布在有繞流的模型區域和尾跡區域；在一定的實驗條件下，模型尾跡總目標RCS比等離子鞘套包覆的模型目標RCS大約1個數量級。

兵器科學與技術； 光輻射； 電磁散射； 彈道靶； 流場； 測量

0 引言

高超聲速目標再入大氣層或在臨近空間飛行時，由于與空氣的劇烈相互作用，將在目標表面形成激波層，目標駐點周圍的氣體溫度最高可達8 000～10 000 ℃以上，高溫使目標附近空氣發生電離，形成等離子體鞘套和尾跡。高超聲速飛行器在大氣中飛行時產生的復雜物理化學現象將嚴重影響目標的光輻射特性和電磁散射特性[1-2]。研究高超聲速目標光電特性對于臨近空間高超聲速飛行器突防設計和評估中具有重要意義。美國空軍阿諾德工程發展中心、俄羅斯科學院約菲技術物理研究所等在彈道靶、激波風洞等設備上開展了高超聲速飛行器目標光電特性基礎實驗和應用研究工作，為其建立可靠的高超聲速目標光電特性預測軟件提供了驗證數據。穆磊等[3]以RAM-CII飛行器為研究目標開展了高速鈍錐體全流場光輻射特性模擬。胡蘭芳等[4]開展了高超聲速繞流流場及輻射特性數值模擬研究。葛學珍等[5]開展了聚碳酸酯球模型和鋁球模型的彈道靶紅外輻射測量。黃永等[6]應用1階畸變Born近似完成了亞密湍流等離子體尾跡雷達散射截面的計算。于哲峰等[7]從高超聲速流場模擬的雙縮尺律和亞密湍流尾跡對雷達散射截面積(RCS)模擬的Born近似出發，開展了高超聲速飛行體亞密湍流尾跡RCS特性的相似規律初步研究。崔朝龍等[8]開展了用于大氣湍流探測的激光雷達研究，表明光強閃爍激光雷達能夠獲取大氣湍流距離變化和日變化特征信息。張志成等[9]開展了典型再入飛行器的紅外輻射和電磁散射特性數值模擬，并與實驗結果進行了比較。金銘等[10]利用JF10高焓激波風洞設施, 進行了等離子鞘包覆目標的電磁散射測量實驗，在C波段上觀測到等離子鞘對目標RCS的影響。彈道靶可以提供模型自由飛行條件，使模型不受支架的干擾，模型發射速度和靶室壓力易于控制，配置了不同波段的輻射計、雷達系統等測試設備，能夠作為地面模擬高超聲速目標光電特性研究的主力設備之一。目前，公開報道的高超聲速目標光電特性地面模擬實驗結果尚不多見。本文介紹了高超聲速模型及其流場光電特性彈道靶測量方法，開展了Al2O3球模型光輻射和電磁散射特性測量實驗，分析了不同實驗條件下模型激波脫體距離的變化、模型及流場的典型波段光輻射特征和X波段單站后向電磁散射特性。

1 實驗方法

利用靶室模擬模型飛行大氣環境，彈道靶的二級輕氣炮將實驗模型發射到超高速飛行狀態，模型在該環境中與空氣相互作用產生等離子體流場。實驗模型飛行速度通過控制發射器參數實現，模型飛行環境壓力利用抽真空系統實現[11]。模型選用直徑15 mm的高圓度且具有高強度和耐高溫Al2O3球。由布置在彈道靶設備不同位置的陰影照相系統、光輻射測量系統和雷達系統分別進行模型激波脫體距離、光輻射特性和電磁散射特性測量。針對研究側重點不同，模型激波脫體距離測量、模型及流場光輻射特性與電磁散射特性測量采用不同的實驗條件。

1.1 模型激波脫體距離測量

模型激波脫體距離測量結果用于考核/驗證流場參數計算使用的化學動力學模型和化學反應模型以及計算方法的有效性。激波脫體距離采用陰影儀進行測量。為避免模型因燒蝕引起形狀變化帶來的測量誤差，測量位置距離發射器出口較近。光源采用波長532 nm脈沖激光器，激光出光脈沖寬度10 ns±1 ns. 通過縮小測量視場，提高成像系統的空間分辨率。采用高分辨率成像技術，激波脫體距離測量的空間分辨率高于100線對即10 μm. 模型激波脫體距離的測量方案見圖1. 模型飛行速度分別為4.4 km/s、5.2 km/s、5.9 km/s，壓力約10 kPa.

圖1 球模型激波脫體距離高精度測量方案Fig.1 Measuring scheme of shock standoff distance on the sphere model and flow field

1.2 模型及流場光輻射特性測量

為了盡量避免模型燒蝕產生的燒蝕產物進入流場影響流場光輻射研究，一方面，采用耐高溫材料制作模型；另一方面，光輻射測量位置盡量離發射器出口近，使實驗時模型表面溫升很小，在距離發射器出口不同位置分別進行紫外輻射強度、可見光輻射強度，以及紅外輻射強度測量。流場紫外輻射強度、可見光輻射強度、紅外輻射強度均采用雙狹縫結構輻射計進行測量。采用瞬態紅外輻射成像測量系統測量流場紅外輻射二維分布。模型流場光輻射特性測量方案見圖2. 紫外輻射強度測量中心波長分別為365 nm、390 nm，對應半峰全寬為2 nm、10 nm的紫外輻射強度一維分布；可見光輻射強度測量使用中心波長為430 nm、半峰全寬為10 nm的可見光輻射計進行測量；紅外輻射強度測量使用測量波段為35 μm、812 μm的紅外輻射計進行測量。輻射從水平方向測量，垂直于模型飛行方向，即測量視角為90.

圖2 模型及流場光輻射特性測量方案Fig.2 Measuring shceme of ray radiation on sphere model and flow field

實驗條件如下：1)速度4.4 km/s，壓力6.5 kPa；2)速度5.1 km/s、壓力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 模型及流場電磁散射特性測量

利用X波段單站連續波雷達進行測量，該雷達系統測量靈敏度達到-80 dBsm，測量精度達到±1 dB. 為了減小背景散射影響，雷達布置在微波暗室中且采用了背景對消技術。圖3給出了球模型及流場RCS測量方案。測量視角為40，采用垂直極化發射，垂直和水平極化接收方式測量。采用非燒蝕低RCS陶瓷材料Al2O3球作為實驗模型，解決本體RCS與流場RCS差距大對動態測量范圍要求大的問題。模型及流場電磁散射特性測量實驗條件與模型及流場光輻射特性測量實驗條件基本相同。由于在靶上測量位置不同，模型在飛行過程中速度有衰減，使模型在二者的測量區域速度略有差別。

圖3 球模型及流場RCS測量方案Fig.3 Measuring scheme of RCS on sphere model and flow field

2 實驗結果

2.1 模型激波脫體距離測量

實驗中獲得了直徑15 mm的球模型以不同速度在模擬環境壓力約10 kPa中飛行時的高分辨率陰影照片，如圖4所示。根據陰影照片分析處理得到球模型激波脫體距離實驗數據，具體見表1.

圖4 球模型激波脫體距離測量陰影照片Fig.4 Photographs of measured shock standoff distance on the sphere model

模型直徑/mm飛行速度/(km·s-1)模擬環境壓力/kPa激波脫體距離/mm154223057315522305531561230463

模型激波脫體距離采用Photoshop等讀圖軟件進行處理。由于采用高分辨率成像技術，在激波脫體距離測量圖像中，模型直徑所占像素達到4 300以上，考慮邊緣判斷誤差，在直徑所占像素判斷中，誤差不超過20個像素，激波線線寬在40個像素以下，激波脫體距離在200個像素以下。因此，激波脫體距離最大測量誤差為

(1)

式中：d為球模型的直徑。

根據(1)式計算，激波脫體距離最大測量誤差0.038 mm.

2.2 模型及流場光輻射特性測量

紅外輻射計采用中溫腔式黑體爐標定，紅外輻射成像測量系統使用大面積黑體爐標定，紫外輻射計、可見光輻射計采用高亮度寬帶白光光源進行標定。紫外輻射計、可見光輻射計和紅外輻射計標定方法見文獻[12]。根據輻射計標定曲線及偏差范圍，對于紫外和可見光輻射計，測量偏差在±20%以內；對于紅外輻射計，測量偏差在±20%以內。在實驗中獲得了不同速度v∞和不同模擬環境壓力p∞條件下球模型及流場在2個紫外波段、1個可見光波段、2個紅外波段的輻射強度I一維分布數據。圖5給出了不同實驗條件下φ15 mm Al2O3球模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度、紅外輻射強度一維分布測量數據，其中λ0為中心波長，Δλ為帶寬。實驗中測量的紫外輻射、可見光輻射主要來自于模型流場輻射，紅外輻射主要來自于模型本體輻射。

圖5 球模型及流場光輻射強度一維分布測量結果Fig.5 One-dimensional ray radiation distribution measurements of sphere models and flow field

2.3 模型及流場電磁散射特性測量

X波段單站雷達系統記錄模型及尾跡的幅值A(t)、相位φ(t)曲線，進行背景對消、定標、近遠場變換和一維成像處理，最終得出被測模型及尾跡的總RCS和沿模型飛行軸線分布RCS數據[13]。雷達測量系統采用發射低速金屬球法進行標定。采用低速金屬球進行動態標定時，金屬球的速度選擇在200～300 m/s范圍，避免形成激波影響標定結果。標定結果表明，X波段雷達測量系統的測量誤差不大于1 dB. 圖6給出了實驗獲得的φ15 mm Al2O3球模型在不同實驗條件下模型及流場在40視角方向上的X波段RCS一維分布數據。圖6中RCS測量值均為相對于模型靜態RCS值的歸一化結果。

圖6 球模型及流場RCS一維分布測量結果Fig.6 One-dimensional RCS distribution measurements of sphere models and flow field

3 分析討論

3.1 模型激波脫體距離測量

由表1可知，利用高分辨激波脫體距離測量技術獲得了清晰的具有高分辨率的模型飛行陰影照片。在壓力約10 kPa時，模型飛行速度從4.4 km/s到5.9 km/s，激波脫體距離逐漸減小，但變化量小于100 μm量級，與高溫氣體化學反應動力學理論分析結果一致。

3.2 模型及流場光輻射特性測量

由圖5可知，模型尾跡流場基本沒有紫外、可見光輻射；模型尾跡流場在35 μm波段紅外輻射明顯且持續時間較長，尾跡流場在812 μm波段輻射不明顯。在同一次實驗中，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度在同一數量級，35 μm波段紅外輻射強度比812 μm波段紅外輻射強度高約1個數量級。

在不同實驗條件下，φ15 mm Al2O3模型及流場的不同波段光輻射強度峰值隨模型飛行速度、實驗壓力的變化分別見圖7、圖8所示。由圖7、圖8可知，模型及流場的光輻射強度強烈依賴于模型飛行速度和實驗壓力。說明速度、壓力對模型流場輻射有較大的影響。在頭部區自由電子導致的輻射起著重要作用，因為速度增加或壓力增加使頭部激波層溫度提高，從而使電子密度迅速增加，這與利用Kremer計算公式得到的結果是一致的[14]。隨著速度或實驗壓力的增加，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度和紅外輻射強度均增加，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度的增加速率比紅外輻射強度快得多。

整個夜晚，甲洛洛都同情著丁主任，感動著丁主任對自己說的話，覺得自己的份量一下加重了，心口也熱烘烘的，他想著老婆本瑪對自己敬重的眼神，不由得呵呵地笑著：甲洛洛，你可真是個老好人啊！

圖7 模型及流場光輻射強度峰值隨速度變化Fig.7 Radiation intensity peaks of models and flow field as a function of speed

圖8 模型及流場光輻射強度峰值隨壓力變化Fig.8 Radiation intensity peaks of models and flow field as a function of pressure

由圖7可知，隨著模型飛行速度的增加，模型及流場紫外輻射強度峰值和可見光輻射強度峰值增加了大約1個多數量級，紅外波段的輻射強度峰值增加了大約半個數量級。在模型飛行速度較低時，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度和35 μm波段紅外輻射強度在同一個數量級。在模型飛行速度較高時，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度比其紅外輻射強度大約0.51.5個數量級。

由圖8可知，隨著實驗壓力的增加，模型及流場紫外輻射強度、可見光輻射強度增加了約34倍，在紅外波段輻射強度基本不變。在實驗壓力較低時，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度和35 μm波段紅外輻射強度在同一個數量級。在實驗壓力較高時，模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度比其紅外輻射強度大約12個數量級。

在相同的實驗條件下，模型速度或環境壓力變化引起模型流場的溫度升快，模型溫度加熱慢得多，導致模型流場輻射變化要比模型輻射變化大得多。從不同波段輻射測量結果比較可以說明模型及流場紫外、可見光輻射主要為頭部激波帽輻射，模型及流場紅外輻射主要集中在模型頭部區域。

3.3 模型及流場電磁散射特性測量

由圖6可知，實驗中觀測到模型RCS突增現象，模型湍流尾跡RCS明顯且持續距離較遠；在模型飛行速度較低時，模型及流場的電磁散射主要集中在模型及等離子鞘套區域；當模型飛行速度較高時，模型及流場的電磁散射中心數增加，湍流尾跡區域各個散射中心RCS迅速變大，模型及流場電磁散射中心主要分布在模型及等離子鞘套區域和尾跡區域；模型湍流尾跡RCS變化頻率最快接近20 kHz.

在不同實驗條件下，φ15 mmAl2O3模型及流場的RCS隨模型飛行速度、實驗壓力的變化分別如圖9、圖10所示。由圖9、圖10可知，模型及流場RCS強烈地依賴于模型飛行速度和實驗壓力。模型等離子鞘套的出現可能明顯地增強模型電磁散射，使模型及等離子鞘套RCS比模型RCS增大7 dB，出現RCS突增現象；模型等離子鞘套的出現也可能對模型電磁散射影響不明顯。在測量誤差范圍內，模型及等離子鞘套中RCS比模型RCS基本相同。隨著模型飛行速度的增加，模型及等離子鞘套RCS逐漸減小，出現模型尾跡總RCS與模型及等離子鞘套RCS數量級相同的現象。隨著實驗壓力的增加，模型及等離子鞘套RCS基本不變，模型湍流尾跡RCS最大值和尾跡總RCS均增大，出現模型尾跡總RCS遠大于模型及等離子鞘套RCS的現象。

圖9 模型及流場RCS隨速度變化Fig.9 RCS of models and flow field as a function of velocity

圖10 模型及流場RCS隨實驗壓力變化Fig.10 RCS of models and flow field as a function of pressure

由圖9可知，在實驗壓力不變的條件下，隨著模型飛行速度增加，模型及等離子鞘套RCS減小7 dB，模型尾跡RCS最大值和尾跡總RCS增加了12個數量級，模型及等離子鞘套RCS與尾跡RCS最大值的差別減小了2個多數量級，模型及等離子鞘套RCS與尾跡總RCS的差別減小了接近2個數量級。在實驗壓力7.4 kPa、模型速度5.8 km/s的實驗條件下，尾跡總RCS與模型及等離子鞘套RCS數量級相同。

4 結論

1)在壓力約10 kPa時，模型飛行速度從4.2 km/s到6.1 km/s，激波脫體距離逐漸減小，但變化量小于100 μm量級。

2)在給定的實驗條件下，模型及流場的光輻射強度強烈依賴于模型飛行速度和實驗壓力。模型及流場紫外、可見光輻射主要為頭部激波帽輻射，尾跡基本沒有紫外輻射、可見光輻射；模型及流場紅外輻射主要集中在模型頭部區域，尾跡在35 μm波段紅外輻射明顯且持續時間較長，尾跡在812 μm波段輻射不明顯。模型及流場的紫外輻射強度、可見光輻射強度在同一數量級，35 μm波段紅外輻射強度比812 μm波段紅外輻射強度大1個數量級左右。

3)模型等離子鞘套的出現可能明顯地增強模型電磁散射，出現模型RCS突增；模型湍流尾跡RCS明顯且持續時間較長。在模型飛行速度較低時，模型及流場的電磁散射能量主要集中在模型及等離子鞘套區域。當模型飛行速度較高時，湍流尾跡區域各個散射中心的RCS迅速變大，模型及流場電磁散射中心主要分布在模型及等離子鞘套區域和尾跡區域。在一定的實驗條件下，模型尾跡總RCS與模型及等離子鞘套RCS數量級相同，也可能遠大于模型及等離子鞘套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

國家重大基礎研究發展計劃項目(2014CB340200)；國家自然科學基金項目(11272336)； 電子科技大學極高頻復雜系統國防重點學科實驗室基金項目(2016年)

馬平(1976—)，男，高級工程師。E-mail: hbmaping@263.net

V411.7

A

1000-1093(2017)06-1223-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.06.023