临近空间高超音速飞行器气动与电磁散射控制设计协同技术研究

The research on hypersonic flying vehicle in nera space has being highly focused. During the hypersonic flying of the flying vehicle in near space, the plasma layer will appear around the the flying vehicle. The appeared plasma layer will influence on the stealth performance of the flying vehicle. In the item, the hypersonic flying vehicle design method in near space is researched to coordinate the aerodynatics performance and the stealth performance, mainly including the two aspects: the electromagnetism scattering mechanism, and the aerodynatics and stealth coordinated design method. When the flying vehicle is flying at hypersonic, the plasma will form around the vehicle in near space, so the electromagnetism scattering mechanism of the flying vehicle needs to be researched. Firstly, the influence of the flying states on the formed plasma is analysed. Secondly, the radar cross section (RCS) of the flying vehicle in the plasma surroundings is computed. Finally, the influence rule of the hypersonic state on the RCS is researched and summarized. In addition, acordinary to the requirement of the hypersonic flying vehicle design in near space, the influence mechanism of the shape design on the RCS performance is computed and analysed. Based on the above research result, the coordinated design method between stealth and aerodynatics is researched to improve the stealth performance and be suited to the hypersonic flying requirement. The research fruit will provide the theory support for the aerodynatics and stealth coordinate design of the hypersonic flying vehicle in near space.

临近空间高超音速飞行器是目前各国研究的热点，高超音速飞行器在临近空间飞行过程中会产生等离子体鞘套，对飞行器隐身会产生影响。本项目从飞行器气动与隐身性能的优化设计的角度出发，重点研究临近空间高超音速飞行器的电磁散射特性机理和气动隐身协同设计方法。研究飞行器在临近空间高超音速飞行时的电磁散射特性，分析高超音速飞行条件对等离子体的影响，以及对等离子体环境中飞行器RCS特性的影响规律。以高超音速飞行器气动外形作为研究对象，研究气动外形设计对等离子体介质环境中飞行器的雷达隐身性能影响机理，并通过飞行器气动外形优化设计，开展气动与隐身协同设计方法研究，在保证飞行器良好的气动性能的条件下，提高飞行器的隐身性能。本项研究可为临近空间高超音速飞行器的气动隐身协同设计提供理论支撑。

本项目以临近空间高超音速飞行器气动与隐身协同设计需求为背景，开展了带有等离子体包覆层的高超音速飞行器电磁散射机理、高超音速飞行器在临近空间飞行的气动与隐身协同设计方法研究，建立了飞行器本体与等离子体鞘套电磁散射仿真模型、尾迹电磁散射模型、高超音速流场化学反应动力学模型与数值仿真方法，完成了飞行器本体与流场隐身特性计算仿真模型研究，并以典型的高超音速飞行器外形为例，完成了高超音速流场影响电磁散射机理研究、外形设计影响高超音速流场特征和隐身性能特征机理研究、飞行器的气动与隐身协同设计研究。通过研究等离子体鞘套产生的机理及条件，获得了典型外形飞行器等离子体鞘套的稳态分布特性、电子数密度分布、温度分布等主要的参数和特征，并与经典文献结果和实验数据进行对比，验证了物理模型和计算方法的正确性。本项目研究成果可为我国临近空间高超音速飞行器研制提供技术基础和研究手段。.研究表明：1）针对40km~70km的高空大气环境，基于NS方程和七组元空气化学反应模型，能够模拟升力体高超音速流场的大气组分电离和离解；针对RAM-C-II，激波后高温区域出现明显的分子离解与电离反应，但随着飞行高度升高，导致分子离解与电离程度明显减弱，平动-振动非平衡效应随飞行高度显著增强，稀薄气体效应对化学反应非平衡与热力学非平衡影响存在差异。2）利用时域有限差分方法对本体与绕流进行电磁散射研究，由于模型的复杂性和计算量大的特点，采用单进程模拟将花费大量计算时间，本项目采用MPI技术对流场模拟进行并行化处理；利用FDTD分析等离子体绕流RCS特性时，需要对等离子体进行特殊处理，根据高超音速流场等离子体分布研究结果，本项目分析等离子体鞘套电磁散射特性时采用了直接积分法，通过对比球形等离子体目标的Mie级数理论解，验证了该模型计算目标等离子体电磁散射特性的正确性，这说明本报告发展的临近空间高超音速飞行器本体及其绕流RCS特性计算方法是可靠的，并提高了电大目标电磁模拟能力。3）针对大后掠翼身融合升力体外形的高超音速飞行器，开展了在稀薄大气高超音速流场中的流场气动特征分布与雷达散射特性研究。仿真表明：对于X波段，飞行器水平极化RCS具有更剧烈的闪烁特性，散射峰值高达20dBm2；对于P波段雷达，飞行器垂直极化RCS具有宽角度强散射特征；对于宽带雷达成像，水平极化的散射峰数量要多于垂直极化。