高超声速球模型尾迹电子密度试验研究

在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上利用电子密度测量系统进行了高超声速钢球模型、铜球模型尾迹电子密度测量。电子密度测量系统由8mm微波干涉仪系统、开式微波谐振腔测量系统和闭式微波谐振腔测量系统组成。钢球模型直径φ10mm,速度分别为5．8、5．5、5．6和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为2．79、5．32、5．85和10．91kPa。铜球模型直径φ10mm,速度分别为5．6、5．6、5．7和5．5km／s,对应的飞行环境压力分别为1．33、4．79、5．89和10．91kPa。结果表明：（1）在压力5．3～11kPa范围内、速度约5．5km／s试验条件下,压力越高,钢球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较快;（2）在压力1．3～6kPa范围内、速度约5．6km／s试验条件下,压力越高,铜球模型的尾迹电子密度相应增大,电子密度的衰减速度较慢;（3）在压力约10．7kPa、速度5．5km／s试验条件下,铜球模型的尾迹电子密度衰减速度比钢球模型慢得多。     

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。     

基于部件分解法的运载火箭RCS仿真计算方法

为估算运载火箭的RCS（Radar Cross Section,雷达散射截面积）,采用部件分解法对运载火箭进行电磁散射几何建模,根据飞行过程中运载火箭和雷达的几何关系建立雷达照射目标视线角的计算模型,并运用高频散射理论提出运载火箭RCS的仿真计算方法;最后,对运载火箭的静态RCS和动态RCS进行仿真计算与分析.结果表明：对运载火箭电磁散射几何建模合理可行,提出的火箭RCS计算方法可以满足工程应用需要.采用该方法仅修改几何建模中的模型结构和部分尺寸参数即可方便计算不同型号运载火箭的RCS特性,可以为航天测控雷达系统设计和布站优化提供依据.     

高超声速半球绕流流场电磁散射特性分析

分析再入流场对飞行器再入通信及空间散射特性的影响,研究电磁波与再入等离子体作用机理.采用分段线性电流密度递归卷积时域有限差分方法计算导电金属半球高超声速绕流流场电磁散射特性,分析半球等离子体包覆绕流流场雷达散射截面(RCS)随入射电磁波频率、双站角、飞行马赫数和高度变化特性.计算表明,前向是全方位散射中RCS取得最大值的方向.马赫数Ma≤10时,马赫数及高度变化对半球高超声速绕流流场L,S波段后向RCS和双站RCS影响很小;在L,S波段,绕流流场及半球本体的后向和前向RCS差距较小.马赫数Ma=14,16时,过密等离子体鞘套的形成增大了本体投影面积,在L,S波段,绕流流场前向RCS比本体前向RCS大;绕流流场存在对半球本体双站散射特性影响很大.      

带中心锥航空发动机腔体电磁散射特性数值研究

为了研究中心锥顶角和电磁波入射方位改变对航空发动机腔体的电磁散射特性的影响,采用物理光学(PO)法和等效棱边电磁流(EEC)法,对带中心锥发动机腔体在C波段入射频率f=6 GHz下进行电磁散射计算。计算结果表明:在水平极化下入射角为4°~28°范围内,中心锥顶角30°的发动机腔体的雷达散射截面(RCS)值较小;由等效电流图上得到特定角度下发动机腔体散射强弱分布,为发动机腔体关键散射区域采取隐身措施以提高隐身性能提供参考。     

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。     

开槽钝锥体及等离子体鞘套的RCS特性研究

采用时域有限差分（FDTD）方法研究了等离子体鞘套包覆目标的电磁散射特性,发展了超高速飞行器及其等离子体鞘套RCS特性并行计算软件。采用发展的软件完成了超高速开槽钝锥后向远区时域特性和0°入射角附近的电磁散射截面积（RCS）的计算分析,并在中国空气动力研究与发展中心的气动物理靶上进行了超高速开槽钝锥体的RCS验证试验。研究表明：在钝锥体表面开环槽并填充透波性能良好的介质材料相当于在钝锥体表面人为地增加了一个散射中心;在低频区和谐振区,开槽后钝锥体的RCS在原值周围变化,而在高频区,钝锥体的RCS在0°入射角附近很宽的范围内均显著增大。     

反射面天线的双站雷达截面

 本文导出了任意旋转反射器天线在任意双站角的散射场和雷达截面(RCS),其中反射场由几何光学法(GO)求得,绕射场则利用基于物理绕射理论(PTD)与等效线电流辐射积分公式导出的等效电磁流法求得。分别计算了轴向入射和偏轴向入射时在任意散射方向上水平极化与垂直极化两种情况下的双站RCS,并给出了这些结果的立体图形式。方法简化为单站情况时的计算结果与实验值大致相符。     

飞行器表面缝隙电磁散射特性研究

 在常规飞行器的各类电磁散射源中,缝隙属于弱散射源,但对于隐身飞行器,缝隙电磁散射不可忽略。为研究飞行器缝隙电磁散射特性,在不同极化下,将缝隙置于金属平板的对角线,削弱金属边缘电磁散射影响。通过系列雷达散射截面(RCS)测试分析,得到了缝隙电磁散射随缝隙宽度、（多缝隙）缝隙间距的变化规律,以及其极化特性。不同宽度单缝测试结果表明:对于水平极化,缝隙宽度小于波长的1/4时,缝隙的宽度增加将导致缝隙引起的表面波散射快速增长,反之,呈下降趋势;对于垂直极化,缝隙宽度较小时试件的电磁散射与无缝金属平板接近,当缝隙宽度大于波长的1/2时,宽度增加时,其散射增强。多缝隙测试结果表明缝隙间距会影响散射的空间分布、波峰位置,可以理解为对各单缝隙散射叠加效果的影响。垂直极化影响强于水平极化。     

螺钉/铆钉目标电磁散射特性的试验研究

通过系列化雷达散射截面（RCS）测试,研究了单列、多列螺钉/铆钉板在单站多方位、双站的散射特性,分析了不同极化方式、不同排列、不同方位角以及不同双站角对螺钉/铆钉散射的影响及关系。试验结果表明,圆头钉板水平极化明显强于垂直极化;沉头钉板水平极化仅略强于垂直极化。列距不同,由于相位叠加的不同,会导致叠加波峰的位置发生偏移,在设计时可平行间距布置,将散射方向集中。对双站散射,较小双站角时曲线与单站时有一定相似性,但波峰幅度和位置均发生较大变化;较大双站角时,电磁散射表现出耦合效应;双站角使测试曲线偏转,幅度为双站角的1/2;RCS均值随双站角增大而减小。     

高焓风洞中带翼钝锥体尾流电子密度的测量与分析

报道了在爆轰驱动高焓激波风洞中开展带尾翼钝锥体电子密度测试的相关研究工作进展。试验气流为4km/s,密度为0.001kg/m3。诊断尾翼对尾流的影响时,为不影响流场并获得足够的空间分辨率采用针状静电探针;实验结果给出带尾翼模型对尾流电子密度影响的定量结果及受影响的空间区域。     

表面不连续特征双站散射特性的试验研究

 采用一种新颖的不连续特征双站雷达散射截面（RCS）测试方法,通过系列化测试,研究了单直缝隙板、单直台阶板的双站散射特性,提出了不连续特征双站散射具有相似性、对称性和平移性的特点,分析了不同不连续特征具有的异同点。试验结果表明：对不连续特征,不同双站下的RCS散射曲线均具有和对应入射频率下的单站散射曲线分布形式相似的特点,同时不同的不连续特征对幅值的影响不同;如果测试方式和试验件对称,则双站和单站散射曲线均具有关于峰值所在方位角对称的特点,单直缝隙板由于试验件本身的对称性表现为较好的曲线对称性,而单直台阶板则表现为稍弱的对称性;散射曲线随双站角的增大,具有明显的平移特性,平移的幅度为双站角的1/2,平移方向为从发射天线指向接收天线,平移后的曲线峰值处于发射天线和接收天线夹角平分线上。     

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。     

雷达俯视角对轴对称喷管测试RCS影响研究

为了研究雷达位置以及雷达波段对于轴对称排气系统电磁散射特性的影响，采用步进频率测试系统在暗室中测试了轴对称排气系统的后向雷达散射截面积(RCS)；分析了俯视角对轴对称排气系统后向电磁散射特性的影响。试验结果表明:随着俯视角的增大，轴对称喷管的后向RCS会随之减小，在15°俯视角下排气系统的RCS是0°角下的30%；在不同频段下轴对称喷管的电磁散射特性基本相似。     

介质涂覆位置对球面收敛喷管电磁散射特性影响

外形设计和隐身材料使用是缩减目标雷达散射截面积(RCS)的两种常用方法。为了研究雷达吸波材料(RAM)对于球面收敛矢量喷管(SCFN)的RCS减缩效果,采用引入阻抗边界条件后的迭代物理光学(IPO)法,研究了球面收敛二元喷管及8种吸波材料涂覆方案的电磁散射特性,并获得了X波段下9种模型的后向RCS随探测角度的变化规律。研究结果表明:吸波材料涂覆可以有效地缩减球面收敛喷管的RCS;合理的涂覆方案可以在保证RCS缩减效果的基础上,降低吸波材料的使用量;相比全涂覆方案,仅在喷管出口和球面段进行涂覆,可以在吸波材料减少30%使用量的情况下,达到全涂覆方案80%的缩减效果。     

再入弹头非平衡尾迹的回波特性分析

本文利用文[1]方法计算了纯空气非平衡再入弹头尾迹流场,分析了尾迹等离子体场对雷达波的频响效应,并进一步估算了几种高程条件下的雷达散射截面,说明影响截面大小和分布的几个重要因素。分析和计算表明,以物体底部直径和环境参数表征的雷诺数达到转捩值以后,在完全湍流尾迹中可能出现散射截面的突增现象。     

Geometric Optimization Design System Incorporating Hybrid GRECO-WM Scheme and Genetic Algorithm

This article seeks to outline an integrated and practical geometric optimization design system (GODS) incorporating hybrid graphical electromagnetic computing-wedge modeling (GRECO-WM) scheme and the genetic algorithm (GA) for calculating the radar cross section (RCS) and optimizing the geometric parameters of a large and complex target respectively. A new wedge modeling (WM) scheme is presented for calculating the high-frequency RCS of wedge with only one visible facet based on the method of equivalent currents (MEC). The applications of GODS to 2D cross-section and 3D surface are respectively implemented by choosing an average of monostatic RCS values corresponding to a series of incident angles over a frequency band as the optimum objective function. And the results demonstrate that the RCS can be effectively and conveniently reduced by the GODS presented in this article.