高超声速飞行体亚密湍流尾迹RCS特性的相似规律研究

再入或临近空间高超声速飞行器在大气层中飞行时,会形成等离子体绕流和尾迹,将严重影响飞行器的电磁散射特性,从而使得临近空间高超声速飞行器表现出与大气层内常规飞行器和大气层外轨道飞行器在电磁散射特性上的明显不同,对飞行器的探测、跟踪带来新的挑战。弹道靶是高超声速飞行器尾迹电磁散射特性研究的重要设备,为了由弹道靶试验结果外推出真实飞行条件下亚密湍流尾迹的RCS,本文从高超声速流场模拟的双缩尺率和亚密湍流尾迹RCS模拟的Born近似出发,推导出真实飞行条件下和地面弹道靶试验之间亚密湍流尾迹RCS模拟的一种相似规律,推导结果显示当D1/D2=η,V∞1=V∞2,ρ∞1/ρ∞2=1/η,ω1/ω2=λ2/λ1=1/η时,雷达散射截面服从σ1/σ2=η4的相似规律。推导出的相似规律可以为超高速飞行器亚密湍流尾迹RCS研究提供技术支持。     

跨声速半球柱绕流流场的激波系结构

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等离子体涡电磁散射特性及隐身性能

 针对非均匀等离子体在飞行器隐身中的应用,采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分（PLJERC-FDTD）方法计算等离子体涡及涡串电磁散射特性,分析等离子体涡对飞行器隐身性能影响。计算表明,等离子体涡在很大频率区间对电磁波吸收效果显著,RCS降低很大,具有明显的隐身效果。等离子体涡表现出一定规律性的极化特性,对L,S和C波段电磁波具有不同的吸收、反射特性。     

高超声速再入体烧蚀流场计算分析

从化学非平衡NS方程或其简化形式(粘性激波层方程、PNS方程)出发,求解高超声速再入体的绕流和底部尾流流场。首先讨论了碳基材料烧蚀壁面条件的确定方法,计算了包含和不包含碳-碳烧蚀产物的再入体半球的化学反应绕流流场,并和文献结果进行了对比。在此基础上,计算了两个高度条件下,包含和不包含碳-酚醛烧蚀产物的再入小钝锥的绕流和尾流流场,分析了烧蚀产物对流场电子数密度、温度等流动参数的影响。     

电磁波在等离子体高温气体中传输特性实验研究

针对高超声速飞行器头身部形成的等离子体鞘套对通信的影响,在中国空气动力研究与发展中心的粉末激波管上开展了电磁波在等离子体高温气体中传输特性的实验研究。实验中获得了等离子体气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率。实验结果表明：X波段和Ka波段电磁波在高激波马赫数Mas=16.1、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=15.9、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体高温气体中能量衰减大于30dB,难以传输;X波段和Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=10.1、1区气体压力P1=80Pa的激波管实验状态下产生的高温等离子气体中平均传输损耗较小,可以进行有效传输;Ka波段电磁波在激波马赫数Mas=8.9、1区气体压力P1=1200Pa的激波管实验状态下产生的厚度80mm等离子体气体中平均传输损耗小于1dB,可以进行有效传输。实验得到的等离子体高温气体中的电磁波透射率、电子密度和碰撞频率与理论计算值基本一致。     

高超声速尾迹雷达散射湍流场研究

为给高超声速再入尾迹亚密湍流雷达散射分析提供所需的脉动背景场参数 ,本文提出计算非平衡再入湍流尾迹脉动等离子体场的理论方法。在研究高超声速尾迹流动特征的基础上 ,推导、使用包括化学组份浓度脉动强度的k ε g湍流模型 ,用以封闭高超声速尾迹雷诺平均控制方程 ,并用全隐式有限差分求解。以M∞ =2 1 .2 6、Re∞D =1 .33× 1 0 6的小钝锥体流动为例 ,得到的结果说明 :流场的流向和径向参数分布合理 ;在转捩点后较近距离内湍流脉动影响较大 ,随着向下游流动脉动影响迅速减弱 ;本文计算尾迹湍流脉动等离子体场的方法是可行的     

三维等离子体MHD气动热环境数值模拟

电磁流动控制技术是一个多学科交叉融合的重要研究方向,在高超声速飞行器气动特性优化、气动热环境减缓、边界层转捩和等离子体分布等流动控制方面显示出广阔的应用前景。考虑高超声速飞行器绕流流场中发生的离解、复合、电离和置换等化学反应,气体分子振动能激发以及化学非平衡效应,耦合电磁场作用并基于低磁雷诺数假设,通过数值模拟求解三维非平衡Navier-Stokes流场控制方程和Maxwell电磁场控制方程,建立磁场与三维等离子体流场耦合数值模拟方法及程序,采用典型算例进行考核。在此基础上,开展不同条件下磁场对再入三维等离子体流场以及气动热环境影响分析。研究表明:建立的高超声速飞行器的等离子体流场与磁场耦合计算方法及程序,其数值模拟结果与文献符合,外加磁场使飞行器头部弓形激波外推,磁场强度越强,激波面外推距离越大;不同磁场强度环境下,流场中温度峰值大小略有变化,变化幅度较小;磁场对绝大部分区域的热流有减缓作用,作用的大小与飞行高度、马赫数以及磁场的配置紧密相关;当前的计算条件下,飞行的高度越高,磁场的作用越明显。     

钝头飞行器大攻角绕流流场计算

本文用有限差分法求解Ｎ－Ｓ方程，对具有大面积底部飞行器的高超声速大攻角绕流流场进行了计算，通过积分物面压力给出了飞行器的气动力特性，并研究了攻角的影响，物面压力系数和气动力系数与实验数据进行了比较，符合较好，结果可应用到返回舱和弹头的再入气动特性研究。     

小钝头锥无粘平衡、非平衡绕流流场的数值分析

本文给出钝头细长锥无粘、平衡和非平衡高超声速绕流流场的数值分析。对存在化学反应的空气,考虑了13种气体组分和22个化学反应,包括N_2、O_2和NO的振动松弛与离介过程之间的耦合反应。头部亚-跨声速区和后身高超声速区分别用直线法和有限差分法进行计算。在来流条件M_∞=20～26,Re_∞=(p_∞u_∞α)/μ_∞=1.5×10~3～5.5×10~6(α为头部半径)的参数范围内,给出了绕流流场和等离子体鞘层诸特性,如激波形状、电子密度和电子碰撞频率等。     

不同出口形状S形喷管的RSC特性

采用超椭圆方法、面积变化规律及中心线变化规律设计了三种出口形状的S形喷管,结合等效边缘电磁流（EEC）法和迭代物理光学（IPO）法开发了计算程序;EEC法分析喷管出口边缘产生的绕射场对S形喷管的雷达散射截面（RCS）的贡献;IPO法分析S形喷管腔体产生的散射场对S形喷管RCS的贡献;通过对两种电磁场所产生的电磁波的矢量叠加计算S形喷管的总RCS;在此基础上,研究了3种不同出口形状的S形喷管的RCS特性.结果表明:出口形状对RCS影响较大;圆形出口是3种S形喷管中RCS最小的;相互错位的锯齿修型可有效减小喷管的RCS;喷管的S形结构设计使得全局探测角内总散射场的RCS不关于0°探测角对称,并使得最大RCS移向正探测角.      

面向弹道优化的高超声速再入飞行器模态稳定性分析

为研究高超声速再入飞行器沿弹道的自由扰动运动的稳定性，考虑大气密度随高度的变化和引力梯度，建立了高超声速无动力再入纵向动力学小扰动线性化方程，然后获得转移矩阵和特征方程，在此基础上进行沿弹道的纵向模态分析。利用二次曲线及基于类型函数和形状函数（CST）的方法提出升力式高超声速飞行器气动布局，并采用工程估算方法获得飞行器气动特性数据。针对最大射程、最小射程和跳跃弹道等典型再入弹道进行沿弹道的模态稳定性分析，得到高超声速再入弹道高度模态、沉浮模态和短周期模态稳定性沿弹道的变化特征。从稳定性的角度，对弹道优化提出建议：应避免所设计的弹道产生太大的跳跃，即使是牺牲一些射程上的性能，因为跳跃会使短周期模态和沉浮模态产生更多的不稳定特征根。     

再入飞行器尾迹流场及其雷达散射效应研究

对再入飞行器等离子体尾迹及其雷达散射特性进行了分析、研究和大量的计算。讨论了物形、流场各因素对尾迹雷达散射截面的影响。流场计算使用准一维粘性尾迹方程，以修正基尔方法（多值法）求解，用一阶Ｂｏｒｎ近似完成亚密雷达散射截面（ＲＣＳ）计算。计算中使用８组元混合空气、１４个非平衡化学反应模型，考虑５种不同尺度的小钝头锥形物体，沿再入轨道取６５至３４公里，共１３个高程的飞行条件。通过计算得到了再入体尾迹各流场参数、电子密度分布及湍流亚密尾迹的ＲＣＳ。结果说明再入钝锥细长体粘性尾迹的转捩特性对于等离子体的散射性质具有决定性的作用；再入弹头尾迹等离子体对地面单站雷达发射波的回波主要来源于尾迹湍流亚密的非相干散射；对确定的波长，当环境雷诺数达到临界值之后，可能出现ＲＣＳ的突增现象；不同物形及来流条件造成尾迹转捩位置的改变，从而影响ＲＣＳ的数值及其沿轨道的分布；改变尾迹颈部初值会引起ＲＣＳ值的明显变化。     

考虑禁飞圆的滑翔式机动弹道与气动特性参数耦合设计

 为获得滑翔式再入飞行器最佳气动与弹道机动性能,针对规避禁飞圆的远程滑翔式再入问题提出了一种机动弹道与气动特性参数耦合设计方法。耦合设计外环以气动特性参数为设计变量,基于抛物阻力极线模型提取最大升阻比和对应升力系数为气动特性参数;耦合设计内环以泛化升力系数和侧倾角为设计变量,获得给定升阻特性下能规避禁飞圆且满足再入走廊要求的滑翔式再入轨迹。耦合设计问题以再入驻点总热流最小为优化目标,以再入走廊、终端位置和速度为约束,求解满足弹道机动要求且目标函数最小的最佳气动特性参数。提出了一种规避禁飞圆的侧向几何制导逻辑用于内环轨迹设计。仿真算例得出禁飞圆半径越大,需要的滑翔式再入飞行器最大升阻比越大,且再入轨迹刚好能绕过禁飞圆。仿真结果验证了耦合设计方法和侧向制导逻辑的有效性,该方法可为飞行器方案设计时的气动布局选型等工作提供参考。     

Effects of Range-Doppler Coupling on Chirp Radar Tracking Accuracy

Attention is called to the phenomenon of ?range-Doppler coupling,? characteristic of linear FM (chirp) waveforms, and the strong effect this coupling may have on tracking accuracy. Numerical results are presented for simple three-state filters and for a realistic reentry vehicle tracking problem.     

超高速模型及其等离子体鞘套RCS特性研究(英文)

为了研究等离子体对超高速模型雷达散射截面的影响,利用气动物理靶测量超高速模型及其绕流的雷达散射截面(RCS),给出了雷达接收信号、信号频谱和模型雷达散射截面的一维距离像。利用时域有限差分方法(FDTD)分析了等离子体鞘套对模型电磁散射特性的影响。将数值模拟结果和试验结果进行了对比,对比结果显示二者符合得很好。数值模拟结果还表明雷达入射角小角度偏移对测量结果有较大影响。     

一种减小再入飞行器侧向气动非线性的布局优化方法

为改善升力式再入飞行器在跨声速段出现的侧向气动特性非线性问题,发展了一种基于Kriging代理模型的自适应迭代气动布局优化方法。设计了一种常规升力式再入飞行器布局,计算了该布局在跨声速段的侧向气动力,分析了可能影响侧向气动特性的机翼布局参数。根据气动布局优化流程,计算了气动布局样本气动特性,建立了布局参数到侧向力矩系数导数的代理模型,完成了以减小飞行器侧向非线性为目标的布局优化设计。优化布局的气动特性计算结果表明,所发展的方法是可行和有效的。该项研究为再入飞行器减小侧向气动非线性提供了新的布局设计途径,有利于降低控制系统设计难度,保障飞行安全。     

Graphical Interpretation of Chirp Echoes from Complex Targets

Echoes from complex targets due to chirp waveforms show different time responses for different chirp rates, because of the ambiguity of range and radial velocity information. A graphical method is described which enables the derivation of the time response for an arbitrary chirp rate when the scattering cross-section distribution in the range and radial velocity plane is known for complex targets. The graphical method can also be used to generate an approximately realistic scattering cross-section distribution when the time responses for two different chirp rates are given. An example is shown which applies to the computer simulation of the radar echo from a waking reentry space vehicle.     

亚轨道飞行器再入通道概念及应用

基于亚轨道飞行器过载、热流、动压峰值集中出现,过载约束成为飞行器返回过程中主要面临的约束这一再入特性,提出再入通道概念,建立再入通道数学模型,以满足不同约束条件下的极限再入飞行仿真轨迹描述再入通道边界。分析和仿真结果表明,可以通过再入通道是否存在来判断再入任务是否可以实现,且再入通道边界参数可作为再入轨迹设计及制导的有效参考值。     

双弹头牵连体再入动稳定性分析

双弹头牵连体再入过程的动稳定性分析是有关工程设计中的重要环节。依据六自由度弹道方程 ,建立了双弹头牵连体再入的动力学模型 ,利用弹道与气动力的耦合 ,初步分析了双弹头牵连体再入的动稳定特性。计算结果表明 ,绳索牵连减弱了弹头再入的动稳定性 ,由动稳定弹头组成的双弹头牵连体在某些条件下可能出现打转、横飞等动不稳定现象。     

高超声速飞行器时间协同再入制导

从饱和打击任务需求出发,针对多高超声速飞行器时间协同再入制导问题进行研究,提出时间可控再入制导律和协同再入制导架构,在改善现有制导律实时性、在线约束管理等性能的基础上,重点解决再入飞行时间不可知、不可控问题,最终实现时间协同再入飞行。协同再入制导结构分为两层,其中底层提出了基于神经网络的时间可控再入制导律,以实现再入飞行时间的可知性与可控性为目标;上层根据不同再入阶段特点设计相应的协调函数,生成时间协调信息。该结构适用于集中式或分布式的通讯结构,同时上层协调策略可以根据任务需要进行有针对性的设计与拓展。最后,通过仿真验证了时间可控再入制导律对时间的可控性和协同再入制导结构的有效性。