高超声速锥模型及其尾迹电磁散射实验研究

介绍了利用X、Ka波段雷达系统在中国空气动力研究与发展中心超高速所弹道靶上开展了金属锥模型和开槽锥模型及其尾迹的电磁散射截面积（RCS）实验研究,模型底部直径12mm、半锥角和头部半径分别为12.5°和1.0金属锥模型速度大于6km/s,飞行环境压力为6.8kPa;开槽锥模型速度5.4km/s,飞行环境压力7.5kPa,雷达测量方式为X波段单站,Ka波段单站。实验结果表明：在等离子体绕流场包覆模型时,获得的锥模型单站X波段RCS、单站Ka波段RCS的实验结果与数值计算结果较为吻合;锥模型的单站后向电磁散射主要集中在模型头身部区域,尾迹散射相对较小。     

弹道靶红外辐射测量

为深入认识再入物理现象，在弹道靶上做了模型头部和近尾流红外辐射测量，发射器为14．5mm口径的二级轻气炮，模型为φ10mm的球，材料为聚碳酸酯和铝，模型发射速度4－6km/s，使用红外InSb探测器测量波长3－5.4μm的红外辐射，靶室压力5.32kPa，实验中使用光电法测量模型速度，两站阴影照相进行模型姿态监测和速度核实，实验结果表明：球模型的红外辐射强度强烈依赖于模型材料和模型飞行速度，对不同材料模型头部和尾部辐射强度的定性比较说明由于低温材料烧蚀产物的存在，极大地增强了头部和近尾流区的辐射强度，而且延长了尾流辐射长度。     

片光反射遮挡式超高速亚毫米粒子探测技术

为满足在超高速碰撞靶上开展航天器抗空间碎片防护性能试验,需要准确测量速度3～10km／s,以及更高速度的毫米级或亚毫米级粒子的飞行速度,在可以实现毫米级粒子探测的片光遮挡式粒子探测技术基础上发展了片光反射遮挡式粒子探测技术,通过采用提高粒子直径与激光光束宽度的比值,解决了探测粒子直径小于1mm时探测信号弱不能识别等关键技术,研制了试验装置并开展了验证试验,研究结果表明该技术在0．2～10km／s速度范围内可实现直径为0．1mm量级粒子的有效探测。     

模型表面温度对光电特性影响的实验研究

对在JF-10氢氧爆轰驱动高焓激波风洞中开展烧蚀材料模型表面温度对光电特性影响的实验方法进行了探索。风洞实验状态的驻室总压约为20MPa,驻室总温约为6000K,自由流速度约为4km／s。实验以锑化铟多单元红外成像系统与电离列阵测试装置为测量手段,用以烧蚀材料为头部的球头钝锥体模型,实验测量激波层中红外辐射的横向剖面分布和壁面附近电离密度的剖面分布,并在烧蚀材料加热和不加热两种情况下进行了对比实验。实验结果表明：烧蚀材料的加热加强了模型头部激波层中的红外辐射,同时也增大了模型表面的电子密度。     

200m自由飞弹道靶升级改造

200m自由飞弹道靶是国内唯一一座具备开展气动力、气动物理、材料抗粒子云侵蚀及超高速碰撞等地面试验研究的综合性弹道靶设备。为满足高超声速飞行器发展的进一步需求,2009年起气动中心对200m 自由飞弹道靶进行了升级改造,升级设备包括发射器系统、靶室/真空系统、测控系统、模型姿态测量系统等。改造后的发射器系统将新增203mm和120mm口径二级轻气炮,具备0．5～30kg模型发射速度0．3～5km/s 的发射能力;靶室由原来的Ф1．5m洞体升级至Ф3m洞体,同时配备新的真空设备,实现0～80km高度模拟;测控系统将扩大测试视场以满足大模型测控需要;模型姿态测量系统除阴/纹影照相系统外,还将新增双目前光成像定位系统、脉冲X射线成像测量系统等测试设备。改造后的200m自由飞弹道靶将成为大中小口径发射器配套齐全,兼具气动力特性、材料抗粒子云侵蚀、高速/超高速碰撞等试验能力的综合性弹道靶设备。     

甲烷气体的冲击状态方程数值计算

为了研究甲烷气体的冲击状态方程，用一维无粘流体反应动力学方程组。分别以7组元17步反应和13组元加步反应模型计算了常温下压力为0．12MPa时受高速飞片撞击的甲烷气体的Hugoniot数据，给出了飞片速度为3km／s-9km／s范围内9种条件下的数值结果。在相同的初始条件下，当飞片速度较低(如3km／s)时两种反应模型给出相同的结果。通过较高飞片速度下的计算结果与实验结果比较，13组元40步反应模型给出的数值结果与实验结果基本一致。     

用活性碳毡制备电路模拟吸波材料的研究

研究了以粘胶基活性碳纤维为导电材料制备单层电路模拟吸波材料的微波吸收特性。结果表明：感性电路屏在毡条宽为5mm、α／b为2时吸波性能最好，在8GHz～18GHz内达到-10dB以下的反射衰减，最大衰减峰达一30dB以上；容性电路屏在毡块间距为5mm、α／b为1．4时吸波性能最好，在8GHz～18GHz内达到-10dB以下的反射衰减，最大衰减峰值-30dB以上。可用粘胶基活性碳毡制备质轻价廉的雷达吸波材料。     

高超声速锥柱裙模型边界层转捩的弹道靶实验

为研究高超声速边界层转捩现象、给边界层计算提供可靠的对比数据,在中国空气动力研究与发展中心趟高速弹道靶上开展了锥柱裙模型高超声速边界层转捩的自由飞实验。所采用的锥柱裙模型全长105mm,飞行速度1．94km／s（Ma=5．65）,单位雷诺数4．32×10^7～1．20×10^8m-1。使用激光阴影成像技术,获得了锥柱裙模型边界层转捩和湍流边界层发展的图像,测得的湍流边界层厚度在0．6～2．2mm之间,湍流涡的流向尺寸与边界层厚度的比值介于0．3～0．8之间且沿流向呈下降趋势。实验结果表明：弹道靶实验能够获得给定飞行环境下的高超声速边界层转捩图像,从图像中可以清晰判断转捩位置或区域、测量边界层厚度和分析湍流涡的尺寸。     

合成射流速度特性的实验研究

利用热线风速仪，测量了某受激扬声器产生的合成射流的速度大小。详细测量了频率、功率、波形、空间距离等对合成射流平均速度、最大速度的影响。测量结果表明，所研究的合成射流激励器能够产生很大的射流速度：平均速度与最大速度分别达到42．5m／s和117m／s。合成射流速度强烈依赖于激励频率，测得3个共振频率分别为750Hz，1600Hz和2700Hz，在偏离共振频率时合成射流速度迅速减弱。     

非烧蚀型防热材料烧蚀性能初步试验研究

介绍了在CARDC等离子体风洞中开展的非烧蚀型防热材料超高温陶瓷（UHTC）的试验研究结果。对Ф20mm平头圆柱体试验模型,采用亚声速驻点试验技术,在驻点热流478W／cm2,气流焓值27．9MJ／kg,环境压力18kPa条件下,分别对代号C（15、10）型、Y型、S（30、15、10）型3种材料模型进行了试验研究,并对模型试验前后的长度变化、质量变化以及模型表面温度进行了测量,初步分析了模型的表观变化、抗氧化特性和表面辐射特性。结果表明：Y型模型试验前后表观变化不大,表面温度达到1930℃;S型模型表面生成一层薄氧化层,稳定情形下模型表面温度达到1964℃;C型模型表面烧蚀严重,模型表面温度达到2462℃,防热性能最差。     

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。     

热平衡等离子体的二维复合流动数值计算

采用中性气体流动欧拉方程的近似因子分解法，耦合等离子体的热平衡模型方程，对用微波产生的等离子体在喷管内二维轴对称复合流动进行了数值计算。计算结果表明：微波等离子体电子数密度不超出临界值，1kW以下功率微波产生的是弱电离等离子体；气流的马赫数分布不受微波加热功率、喷管入口压强的影响，喷管内等离子体中电子数密度随微波功率的加大而增加，随入口压强的增加而减小。     

N型防护结构的试验与仿真研究

在不增加空间碎片防护结构整体尺寸和质量的情况下,基于防护结构在斜撞击条件下弹道极限高于正撞击条件下弹道极限的特性,研究了一种将3层平行铝板结构的中间层进行倾斜的N 型防护结构,采用超高速碰撞试验和三维SP H 数值仿真方法,定量对比了N型防护结构与相同面密度3层平行铝板结构的防护性能。研究结果初步证实,在正撞击情况下,倾斜的中间层具有提升结构防护性能的作用。     

钢球对肥皂靶的撞击试验

为研究投射物对生物体的致伤效应,采用肥皂作为生物体模拟物,开展了Φ3．0mm 的钢球高速（0．96和1．88km/s）及超高速（3．52和4．98km/s）撞击肥皂靶的试验,获得了肥皂靶在钢球撞击下的损伤特征及其破坏规律。结果表明：高速试验条件下,钢球对肥皂靶的损伤主要表现为贯穿效果;超高速试验条件下,钢球撞击肥皂靶形成大尺寸半球形弹坑,其对肥皂靶的损伤表现为2个方面：一是大尺寸弹坑导致的“体积移除”,二是受超高速撞击的强烈冲击波影响,肥皂靶的破坏区域大于弹坑区域。     

航空发动机在高空台上模拟标准大气条件试验的性能研究

通过两种型号航空发动机在高空台上的H=0、M=0试验，研究了不同环境压力对发动机地面试验性能的影响。试验结果表明，对研究的发动机地面试验而言，当发动机风扇换算转速在93％-96％时，环境压力在70～90kPa之间得到的地面换算性能基本一致。即对研究的两种型号发动机H=0、M=0试验来说，可以通过70kPa环境压力下的地面试验来确定发动机在标准大气海平面静止条件下的性能。     

基于超燃冲压发动机的HIFiRE项目飞行试验研究进展

飞行器在临近空间内的气动特性及发动机性能一直是各国高超声速项目研究的重点,为探索边界层转捩、激波边界层相互作用以及气动加热效应,美澳牵头于2006年联合启动了HIFiRE项目,采用探空火箭发射进行重点技术验证的模式开展了系列创新性研究。项目重点关注20~38km空域,4~8速域飞行马赫数,试验方案通过单项验证、系统集成的思路逐步深入,将一体化设计的乘波体从无动力滑翔推进到有动力巡航,最终完成带超燃冲压发动机高升阻比飞行器的总体性能测试。研究结果表明:①试验飞行器的边界层转捩高度在35~25km;②乘波体飞行器在飞行马赫数为7时最大升阻比为5.6;③超燃冲压发动机的飞行试验中,在86.2kPa的恒定动压下,飞行马赫数从5.5加速到8.5,试验中发动机实现了从亚燃到超燃的模态转换。      

模型烧蚀对尾迹电子特性影响的计算和实验研究

 基于气动物理研究的需要,针对高焓风洞的来流特点,采用计算和实验相结合的方法研究聚丙烯烧蚀对尾迹电子密度的影响。结果表明：计算结果可以有效模拟实验状态,电子密度的模拟精度有很大提高,误差在一个量级内;聚丙烯烧蚀可以降低尾迹的电子密度,但幅度不大,在2倍左右,其与选择模型材料的催化特性降低幅度相当;对电弧风洞的成功改进和非稀薄流静电探针诊断技术的应用,是尾迹电子密度测试的前提保障。     

Absolute Electron Density Measurement Techniques in Hypersonic Wakes

New techniques have been evolved for the application of Langmuir probes to the measurement of electron densities in the wakes of hypersonic projectiles flown in ballistic ranges. These techniques concern probe cleanliness, minimization of flow disturbance, minimization of reflected shocks, and the effect of plasma potential. Electron density level estimates obtained with the probes in sphere wakes were in good agreement with electron density estimates derived from simultaneous measurements with a microwave interferometer.     

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。