飞行器以高超声速在大气层中飞行时, 由于黏性和激波的作用, 使得飞行器周围的空气产生离解和电离, 在飞行器的头身部形成包含等离子体鞘套的高温激波层, 在飞行器尾部形成等离子体尾迹。其中等离子体鞘套会严重影响飞行器和地面之间的通讯联系, 引起通信中断问题[1-2]。
通信中断(“黑障”) 是航空与航天技术发展中继“声障”和“热障”之后的又一技术难题。从20世纪60年代初开始, 国外导弹与宇航部门投入大量人力物力, 在理论和实验方面同时开展研究, 实施了诸如美国的Fire计划、Asset计划、Ram计划、MA-6、GT-3计划和Trailblazer计划等一系列大规模飞行实验[3-4]。到20世纪70年代中期, 这项研究得到了长足进展, 基本上弄清了等离子体鞘套的形成机理, 掌握了多种缓和或减轻通讯中断的措施, 发展了相应的鞘套诊断技术。20世纪80年代后期美国空军宇航和导弹局在制定再入系统计划时, 仍旧将通信中断问题的进一步研究作为一项重要课题[5]。
20世纪70年代以来, 我国虽然在通讯中断问题研究上取得了一些进展, 但是距离彻底克服通讯中断、实现实时通信还有相当的距离。随着我国载人航天工程的启动、重复使用天地往返运载器、临近空间飞行器的研究、行星探测器的研制, 以及各种新型战术战略导弹的研制工作开展, 研究“黑障”带来的通讯中断问题就显得极为迫切[6-7]。
同时，在飞行器头部形成的高温等离子体流作用下，其表面会产生烧蚀，且烧蚀表面形貌也会产生变化[8]。此外，高温下材料的介电常数与常温下的介电常数有所不同[9]，这些变化会影响雷达波在材料中的传输[10]。因此针对某型飞行器，了解其在飞行条件下天线窗材料的烧蚀及透波特性对于研究“黑障”问题及通信信号传输至关重要。
在地面开展天线窗透波特性研究主要有辐射加热考核，高频等离子体风洞考核和电弧风洞考核等几种方式[11-13]。采用辐射加热时，只能开展静态加热条件下的透波特性研究；在高频等离子体风洞上，由于设备功率限制，只能开展小尺寸窗口部件的透波特性研究；在电弧风洞上，可对较大尺寸天线窗口开展透波特性研究，同时还能对窗口四周连接部位开展热结构及烧蚀特性研究。比较来看，在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核是地面试验考核的最佳选择。但是，在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核存在若干技术难题[14-15]，在国内一直未能开展该类试验。为此在中国空气动力研究与发展中心电弧风洞上开展了热/透波联合试验技术研究。
1 研究内容 1.1 技术难点在电弧风洞内开展热/透波联合试验考核存在以下难点：1) 电弧风洞流场中所含铜离子对透波测试的干扰问题；2) 微波在电弧风洞试验段内的反射问题；3) 试验件振动引起信号波动问题；4) 长时间加热的热防护问题。
1.2 解决方法针对上述难题，采取了以下措施：1) 通过改进电弧加热器结构，改变进气方式，加大进气孔，使用半椭圆喷管提升能量利用效率，加长电弧加热器长度，减小电流，减少了电极烧损导致铜离子增多的问题；2) 分析微波发射特点，确定反射部位，在关键部位粘接吸波材料，同时设计定向天线，解决微波试验段内反射问题；3) 将天线置于试验段内部，解决了风洞启动时天线抖动导致的信号波动；4) 设计水冷箱体解决了天线热防护问题。
2 验证试验为验证该试验技术研究内容的可行性，在气动中心20MW电弧风洞上开展了验证试验。
2.1 试验状态与试验原理本试验采用1个微波测试状态，1个热流状态，具体试验状态见表 1所示。
试验时，先采用校测模型对流场参数进行测试，调试出所需试验状态后，再安装真实模型进行长时间试验。试验模型为天线窗模拟件，其结构如图 1所示。
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| 图 1 试验模型 Fig. 1 Test model |
根据试验状态及试验模型，确定采用平板试验技术进行试验，如图 2所示，其试验原理为：由电弧加热器喷出的高温气流，经转接段后进入半椭圆喷管，在半椭圆喷管直边密接平齐地以一定攻角放置试验模型，通过在模型前缘产生的斜激波造成的逆压梯度，提高模型表面的压力及热流。
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| 图 2 试验原理图 Fig. 2 Test schematic diagram |
2.2 试验设备及装置
设备配置为片式电弧加热器和半椭圆喷管，电弧风洞照片如图 3所示。
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| 图 3 20MW电弧风洞 Fig. 3 The 20MW arc-heated wind tunnel |
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| 图 4 水冷模型支架结构图 Fig. 4 The water-cooling model plank |
根据试验需要设计了水冷试验支架和Ka频段天线。试验支架包括水冷箱和水冷支架，均采用夹层强制水冷进行冷却，其中水冷箱为中空结构，前部嵌校测模型或试验模型，后端安装测试用天线。
定向天线如图 5所示，Ka频段天线的主要技术指标如下：带宽为23GHz~33GHz，驻波比VSWR≤2，增益为26dB。
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| 图 5 Ka频段天线示意图 Fig. 5 Antenna of Ka wave band |
为保证试验过程中天线安全，将发射天线置于水冷箱内，天线距离试验模型一定距离，防止模型受热升温后对天线造成损坏，同时将接收天线放置于试验段窗口旁(图 6)，为防止天线在试验段内受热损坏，在外面包裹防热材料，经测试，包裹防热材料后天线接收功率略有下降，但不影响试验。
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| 图 6 安装在试验段中的天线 Fig. 6 Antenna in test section |
2.3 测试参数及方法
总焓测量：在已知喉道面积，测得气体流量和弧室的总压的条件下，可以利用高温气体热力学函数表，利用等熵关系计算，近似关系为[11]：
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(1) |
式中：H0为气流总焓，J/g；P0为弧室压力，MPa；A*eff为喷管喉道有效面积，mm2；G为气流流量，g/s。
冷壁热流测量：设计并加工了与模型外形一致的校测模型，冷壁热流采用塞式量热计进行测量，热流可以用以下公式计算得出[11]：
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(2) |
式中：q为热流密度，W/m2；ρ为金属密度，kg/m3；δ为金属厚度，m；Cp为金属比热，J/(kg·K)；
表面压力测量：在模型表面打直径为2mm的小孔并焊接的铜管引出，外接量程为35kPa的CYG微型绝压传感器进行测量。
表面温度测量：采用双色高温计对模型表面特定点温度进行测量。
模型内部温度测量：在模型背面天线窗、天线等重点部位粘贴或焊接K型镍镉-镍硅热电偶，对模型内部温度测量。
图 7为微波测量系统工作图。
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| 图 7 微波测试系统工作原理图 Fig. 7 Schematic diagram of microwave measurement system |
该测量系统包括矢量网络分析仪、收发天线、功率放大器、计算机、无线路由器等。计算机通过LAN网线、无线路由器与矢量网络分析仪联接，远程控制矢量网络分析仪进行点频测量、扫频测量。矢量网络分析仪的射频端口1产生的激励微波被分为2路：一路作为参考信号，另外一路作为激励源。激励信号通过功率放大器被放大，经发射天线照射到试件，产生反射、透射现象。反射波到达端口1，通过定向耦合器把入射波和反射波分离出来。透射波穿过试件，到达射频端口2。由于在高频段要直接对两路信号的矢量运算比较困难，因此，在保持被测信号的幅度和相位信息的条件下，2个接收通道将反射波和透射波分别下变频至适当的中频上，通过对2路信号进行比值运算从而得出微波信号的反射参数S11和传输参数S21。为了在近场测量条件下模拟平面波照射试件和试件区域外微波辐射能量小的要求，研制了透镜天线分别作为发射天线、接收天线。在典型工作频点上天线口面电场能量分布的实测图如图 8所示。图中红线和黑线分别代表E面和H面的分布情况，由图可见，电磁波能量绝大部分被约束在天线口面区域，边缘区域的能量很少，透镜天线的电性能满足了试验要求。
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| 图 8 Ka波段(28GHz) 天线口面电场分布图 Fig. 8 Antenna aperture electric field distribution in Ka wave band |
透波性能的测试主要通过功率传输系数|T1|2来说明。在给定天线的工作状态下，接收天线在不同温度状态下所接收的功率分别用P0、P1来表示，定义：
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(3) |
根据以上公式可知，将微波信号在不同温度状态下的接收功率进行比较，就能得到试件的功率传输系数。将接收功率进行归一化处理，功率传输系数可以表示为：
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(4) |
采用点频方式测量试件在加热过程中以及降温过程中Ka波段的透波特性，Ka波段测试频段：28.5GHz~29GHz，共6个频点，频率间隔0.1GHz。
试验前对微波测量系统进行直通校准、归零。然后在电弧风洞开车时加热试件过程中以及电弧风洞停车后试件降温过程中进行试件透波特性测量。
2.4 试验结果分析在Ka波段下开展了1件模型试验，完成了1000s长时间烧蚀试验。试验的过程中同时开展天线窗Ka波段透波试验。
试验过程中各模型高温计对应点表面温度变化如图 9所示。可以看出：模型表面温度Tw1、Tw2在420s左右出现一个拐点，然后温度上升趋势加大，在600s后出现基本平衡，平衡后温度基本保持不变。平衡温度基本在1000℃~1050℃之间。
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| 图 9 试验过程中模型表面温度变化 Fig. 9 Surface elevated temperature on the model |
模型背面温度变化如图 10所示，模型停车时刻最高温度12℃，总体来说模型背面温度在停车时刻均较低，模型隔热效果较好。
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| 图 10 试验过程中模型背面温度变化 Fig. 10 Rear elevated temperature of model |
试验过程中将Ka波段透镜天线安装在试件后发射微波信号，对面用Ku波段透镜天线接收。图 11为试验过程中及试验后在各频点透波特性变化情况，可以看出：试验过程中气流中等离子体的存在导致各频点透波特性波动增大，同时随着天线窗温度增加，天线的介电常数发生变化，其透波特性也跟着发生变化，试验开始后模型大部分频点基本上处于平衡并略有上升，总体来说，在试验过程中绝大部分频点透波性能增强，个别频点透波特性变差。
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| 图 11 模型在Ka波段下的透波特性测量结果 Fig. 11 Performance of wave transmissivity of model in Ka wave band |
在模型冷却后，模型的透波特性降低。
3 结论本文针对在电弧风洞中开展天线窗热/透波联合试验的技术难点进行了分析研究，采用改进电弧加热器结构、合理布设吸波材料、设计水冷箱体等措施解决了关键问题，并对该研究内容进行了试验验证。试验结果显示测试数据干扰很小，数据真实可靠，表明该项试验技术研究成功解决了技术难点，研究内容是有效的、成熟的、可行的。
目前，该技术已成功应用于在电弧风洞上开展的其他天线窗透波试验，并取得了较好效果。
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