焦德志, 黃 潔, 平新紅, 謝愛民, 羅錦陽, 柳 森

(中國空氣動力研究與發(fā)展中心, 四川 綿陽 621000)

0 引 言

200m自由飛彈道靶是我國自行研制的彈道靶試驗設備，采用二級輕氣炮將試驗模型發(fā)射至真實飛行速度，然后讓模型在環(huán)境氣體真實、組分和壓力可調(diào)的靶室內(nèi)自由飛行的方式開展試驗，具有綜合模擬高馬赫數(shù)、高雷諾數(shù)和高焓等飛行條件的特點，是國內(nèi)唯一一座具備開展超高速范圍內(nèi)的氣動力、氣動物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等地面試驗研究的綜合性彈道靶設備。該設備1968年列入規(guī)劃，1975年設計，1986年完成主體設備和配套測量設備的安裝調(diào)試，經(jīng)過幾十年的運行，該設備完成了多項科研試驗任務。

改造前的200m自由飛彈道靶配備37/50mm口徑二級輕氣炮，靶室直徑1.5m，長188m，真空模擬范圍1×105～6×103Pa，圖1為200m自由飛彈道靶靶室及測量系統(tǒng)照片，圖2為37/50mm口徑二級輕氣炮照片。

圖1 氣動中心的200m自由飛彈道靶靶室及測量系統(tǒng)

圖2 37/50mm口徑二級輕氣炮

根據(jù)高超聲速飛行器發(fā)展需求，對比國外先進的彈道靶設備[1-4]，200m自由飛彈道靶存在著發(fā)射器口徑和靶室直徑偏小、發(fā)射過載偏大、環(huán)境模擬能力不足、速度測量精度偏低、模型姿態(tài)和流場顯示系統(tǒng)測量視場小等缺點。為滿足各類高超聲速飛行器氣動力特性、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗研究不斷發(fā)展的需求，2009年，氣動中心提出了200m自由飛彈道靶的升級改造任務。

1 改造前設備的試驗能力

改造前的200m自由飛彈道靶總長約240m，主要由發(fā)射器系統(tǒng)、靶室系統(tǒng)以及配套測量系統(tǒng)構成(圖3)，其中發(fā)射器總長約40m，靶室總長約200m。發(fā)射器系統(tǒng)配備37/50mm口徑二級輕氣炮(圖2)，彈丸質(zhì)量范圍34～680g，發(fā)射速度1～6.5km/s(實測數(shù)據(jù)見圖4)。該發(fā)射器配備有完善的勤務運行系統(tǒng)，最高運行頻率為3次/天，為目前國內(nèi)同等規(guī)模發(fā)射器中運行效率最高的彈道靶設備之一。靶室系統(tǒng)主要由洞體及配套的真空系統(tǒng)構成，洞體由膨脹室和試驗段構成，膨脹室直徑2m，試驗段直徑1.5m，原設計壓力為0.1MPa～13.3Pa，可實現(xiàn)0～60km左右高度范圍內(nèi)的模擬。真空系統(tǒng)配備3套H-600滑閥式真空泵，經(jīng)過多年使用，目前真空能力只能達到6×103Pa。

圖3 原200m自由飛彈道靶

圖4 37/50mm口徑二級輕氣炮發(fā)射能力(實測值)

配套試驗及測量系統(tǒng)主要包括陰影照相系統(tǒng)、速度測量控制系統(tǒng)、雨/雪侵蝕系統(tǒng)等。陰影照相系統(tǒng)配備有測試視場Ф300mm、Ф400mm和Ф500mm的陰影儀共計30站，可實現(xiàn)模型姿態(tài)、流場密度等的測量和顯示。速度測量控制系統(tǒng)配備有25套TC300/400模型探測器、20臺測控儀及1套數(shù)采系統(tǒng)，探測范圍可達到400mm，測速精度1%。雨雪場侵蝕系統(tǒng)包括侵蝕場生成裝置、雨雪模擬裝置和軟回收裝置等，可實現(xiàn)雨滴直徑1.2～1.7mm，雪場濃度20～60g/m3的侵蝕場模擬。

在200m自由飛彈道靶上開展過的試驗有：抗粒子云侵蝕試驗、模型自由飛試驗、轉捩試驗、超高速碰撞試驗等[5-7]。

2 改造內(nèi)容

針對200m自由飛彈道靶存在的不足，結合高超聲速飛行器發(fā)展需求，2009年，氣動中心提出了200m自由飛彈道靶升級改造的任務并正式啟動，其改造內(nèi)容主要包括：發(fā)射器系統(tǒng)、靶室/真空系統(tǒng)、測控系統(tǒng)、模型姿態(tài)測量系統(tǒng)等的升級改造。

發(fā)射器系統(tǒng)新增203mm和120mm口徑二級輕氣炮，實現(xiàn)0.5～30kg模型發(fā)射速度0.3～5km/s的發(fā)射能力；靶室由原來的Ф1.5m洞體升級至Ф3m洞體，同時配備新的真空設備，實現(xiàn)0～80km高度模擬；測控系統(tǒng)測試視場由原來的400mm擴大至1000mm，以滿足大模型測速需要；模型姿態(tài)測量系統(tǒng)除配備陰/紋影照相系統(tǒng)外，還將新增雙目前光成像定位系統(tǒng)、脈沖X射線成像測量系統(tǒng)、基準系統(tǒng)等測試設備，可實現(xiàn)超高速模型在靶室飛行過程中的模型姿態(tài)、流場的可靠測量。

3 改造后的試驗能力

改造后的200m自由飛彈道靶總長達310m，將配備37/50、120和203mm口徑二級輕氣炮，發(fā)射器最大長度105m；靶室直徑Ф3m，長度197.5m，最高真空度10Pa，最大模擬高度80km；測試系統(tǒng)配備陰影照相系統(tǒng)13站，雙目前光成像定位系統(tǒng)30站，TC400模型探測器15站，TC1000模型探測器30站，脈沖X射線測量系統(tǒng)1套等。建成后的200m自由飛彈道靶如圖5所示。發(fā)射器系統(tǒng)配備37/50、120和203mm口徑二級輕氣炮，三座二級輕氣炮可互換使用，共用同一個支撐平臺。二級輕氣炮的內(nèi)彈道計算采用氣動中心編制的內(nèi)彈道計算程序進行[8]；新增的120mm和203mm口徑二級輕氣炮發(fā)射模型質(zhì)量范圍為0.5～30kg，發(fā)射速度范圍為0.3～5km/s，將8kg模型發(fā)射到4.5km/s時發(fā)射過載低于4×104g，可實現(xiàn)復雜外形模型的超高速發(fā)射。120mm和203mm二級輕氣炮發(fā)射能力曲線見圖6，8kg模型發(fā)射至4.5km/s時的發(fā)射過載曲線見圖7。

圖5 改造后200m自由飛彈道靶

圖6 200m自由飛彈道靶發(fā)射器發(fā)射能力曲線圖(計算值)

改造后200m自由飛彈道靶靶室內(nèi)徑Ф3m，由爆震段、碰撞室和試驗段構成，總長度約200m，洞體上開設有各類測試窗口，以滿足測試設備的安裝和測試需求。真空系統(tǒng)采用3套羅茨真空機組，最大抽速為1.5×104L/s，機組極限真空為0.5Pa，靶室壓力范圍為0.1MPa～10Pa，可實現(xiàn)0～80km的高度模擬，并具備雨、雪天氣模擬能力。

圖7 彈丸發(fā)射過載曲線(模型質(zhì)量8kg，速度4.5km/s)

測控系統(tǒng)配備TC400和TC1000模型探測器，測試視場分別為400mm和1000mm，用于不同尺寸模型的速度測量，測量精度優(yōu)于3‰。模型姿態(tài)測量系統(tǒng)配備陰影照相系統(tǒng)、雙目前光成像定位系統(tǒng)、脈沖X射線成像測量系統(tǒng)、超高速攝影、TC400速度測量與控制系統(tǒng)和TC1000速度測量與控制系統(tǒng)等。陰影照相系統(tǒng)測試視場為Ф400mm和Ф500mm，共13站，雙目前光成像定位系統(tǒng)測試視場為Ф1000mm，定位精度±1mm，共30站；脈沖X射線成像測量系統(tǒng)電壓范圍為150～450kV，測量序列為三序列；超高速攝影幅頻為500萬fps/s。

截止到2013年10月，中國空氣動力研究與發(fā)展中心已完成200m自由飛彈道靶靶室及真空系統(tǒng)和37/50mm口徑二級輕氣炮的改造任務，并形成試驗能力。120mm口徑二級輕氣炮加工任務已基本完成，速度測量系統(tǒng)和雙目前光成像系統(tǒng)等測試設備及配套系統(tǒng)正在進行現(xiàn)場安裝調(diào)試。預計到2014年10月，120mm口徑二級輕氣炮將初步具備試驗能力。

改造后的200m自由飛彈道靶發(fā)射系統(tǒng)具備從質(zhì)量40g的小模型到質(zhì)量30kg大模型的發(fā)射能力，實現(xiàn)大尺寸高仿真模型的超高速發(fā)射；測試系統(tǒng)具備測試視場為Ф300～Ф1000mm大尺寸模型的速度和姿態(tài)測量。

4 應用展望

改造后的200m自由飛彈道靶將成為大中小口徑發(fā)射器配套齊全，具備氣動力、氣動物理、材料抗粒子云侵蝕、高速/超高速碰撞等試驗能力，測試手段先進的綜合性彈道靶設備。

在氣動力研究方面，可開展飛行動穩(wěn)定性，邊界層轉捩和分離尾流的轉捩、增長及其尾流特性，真實氣體效應，表面壓力測量等試驗；

在氣動物理研究方面，可開展再入目標光電特性、目標隱身特性、燒蝕對尾流流場影響、繞流和尾流的等離子特性、再入通訊中斷等試驗與研究；

在超高速碰撞研究方面，可開展材料抗粒子云侵蝕試驗、高速/超高速碰撞試驗、材料特性試驗、模型與固體及液體粒子侵蝕/燒蝕現(xiàn)象等試驗；

在氣動熱研究方面，可開展燒蝕試驗，表面熱流測量試驗，頭部發(fā)汗冷卻試驗等；

在飛行演示驗證研究方面，可開展先進航天器飛行演示驗證、超燃發(fā)動機帶動力模型飛行演示、飛行器穩(wěn)定性飛行驗證試驗等。

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作者簡介:

焦德志(1984-)，男，山東泰安人，碩士，工程師。研究方向：彈道靶設備及模型設計。通訊地址：四川省綿陽市中國空氣動力研究與發(fā)展中心(621000)。E-mail：jiaodezhi198499@163.com