一种高焓激波风洞流场电子密度测量系统的制作方法

本发明涉及一种高焓激波风洞流场电子密度测量系统，属于风洞试验。

背景技术：

1、高超声速飞行器在大气层中飞行时，飞行器周围流场由于激波压缩和黏性阻滞减速而产生高温，导致空气分子的振动激发、离解甚至电离,飞行器周围覆盖着发生复杂物理化学过程的等离子体鞘层，而飞行器光辐射和电磁散射特性及其电波输运特性强烈的依赖于流场中的电子密度分布。因此飞行器周围流场和尾迹的电子密度的研究对目标特性和空间通讯非常重要，这也是高温气体效应试验研究的重要课题之一。

2、高焓激波风洞的喷管驻室中，高温高压的试验气体发生了很强的振动激发、离解或电离。气流在喷管膨胀过程中，流动来不及达到当地温度压力下的热化学平衡，喷管出口自由流具有一定程度的热化学非平衡。同时，高温高速的自由流流过试验模型，经过激波和黏性阻滞作用，模型周围空气会产生等离子鞘套。等离子鞘套中电子密度和电子与其他粒子的碰撞频率是描述高超声速飞行器周围等离子流场电磁性质的重要参数。然而，自由活塞高焓激波风洞面临试验段空间有限，风洞运行时间较短，风洞运行过程中振动强烈，诊断电子密度难度大。

3、高焓激波风洞结合模型自由飞技术，能够提供大模型无尾支撑不受支架干扰的自由飞行条件，能够模拟真实飞行环境的空气密度和飞行速度。有必要开展大尺寸模型无尾支撑干扰条件下电子数密度地面模拟及试验技术的研究，为数值模型提供基础数据，验证和改进高超声速武器目标光电特性数值模型和方法，发展目标特性高精度预测技术，将全面支撑高超声速飞行器助推段和再入段目标识别和通讯能力进一步提升。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题：克服现有技术的不足，提出一种高焓激波风洞流场电子密度测量系统，采用接触式(探针)和非接触式(微波干涉仪)静电测量装置，诊断流场的电子密度。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、本发明公开了一种高焓激波风洞流场电子密度测量系统，包括：高频高压传感器、激波管、第一静电探针系统、嵌入式采集系统、第二静电探针系统、第三静电探针系统、压力数据处理系统、微波数据处理系统、试验段、微波干涉仪和试验模型；其中，

4、高频高压传感器，安装在激波管上,风洞启动后，高频高压传感器将采集到的电压信号传递给压力数据处理系统和微波数据处理系统；

5、第一静电探针系统，安装在激波管靠近喷管的一端，测量激波管内的电子密度，发送给压力数据处理系统；

6、试验模型为腔体结构；试验模型通过挂线悬挂在试验段腔体中部；

7、第三静电探针系统，安装在试验模型内表面上，采集试验模型内表面的电子密度存储在嵌入式采集系统中；

8、第二静电探针系统，安装在模型尾迹区域；获取尾迹的电子密度，发送给压力数据处理系统；

9、压力数据处理系统，根据所述尾迹的电子密度和激波管内的电子密度，计算试验模型表面的电子密度；

10、微波干涉仪，包括微波发射天线和微波接收天线，微波发射天线安装在试验段的一侧，发送微波信号从试验段一侧入射到试验模型的表面，微波接收天线设置在试验段的另一侧，微波干涉仪将接收微波信号和发送微波信号发送给微波数据处理系统；

11、微波数据处理系统，根据接收微波信号和发送微波信号，得到试验模型表面的电子密度。

12、进一步地，在上述系统中，所述第一静电探针系统、第二静电探针系统和第三静电探针系统均包括静电探针和探针电源线；静电探针为中空结构，探针电源线从中空结构中通过；静电探针包括探头、探针杆、铜管和陶瓷基座，探针杆为棒状结构；探针杆与铜管连接，铜管与陶瓷基座连接；第一静电探针系统中静电探针的陶瓷基座通过紫铜垫片与激波管连接；第三静电探针系统中静电探针的陶瓷基座通过不锈钢外套与试验模型表面连接，起到保护和固定陶瓷基座的作用。

13、进一步地，在上述系统中，所述静电探针的头部直径小于0.2mm；静电探针的材料为功函数大于4ev的金属。

14、进一步地，在上述系统中，第一静电探针系统和第二静电探针系统分别包括5根静电探针，5根静电探针中3根静电探针组成三探针，另外2根静电探针组成双探针；每根探针之间有固定的相对位置；分别测量激波管末端径向和轴向电子密度的分布；第三静电探针系统包括垂直于试验模型表面设置的探针和平行于试验模型表面设置的探针，实现试验模型内表面二维电子密度分布测量。

15、进一步地，在上述系统中，包括：

16、当r/λ≤2，流场为分子自由流区域，利用无碰撞探针理论计算电子密度ne；其中，r为探针前缘直径，λ为流场带电离子的平均自由程；

17、当2＜r/λ≤20，流场为分子转折区域，计算电子密度ne，公式为式中，i为电流，e为电子电量，ne为电子密度，se为探针表面积，te为电子温度，me为电子质量，k为波尔兹曼常数。

18、进一步地，在上述系统中，测量试验模型表面电子密度的计算方法为：

19、如果静态探针长度大于流场厚度，则电子密度和饱和离子密度之间的关系为：

20、

21、

22、

23、如果静态探针长度小于流场厚度，则电子密度和饱和离子密度之间的关系为：

24、ji,sat＝keneu(rex)-0.5

25、其中，ji,sat为饱和离子密度，ne为电子密度，l为特征长度；rex为雷诺数；η为边界层自相似参数；ρ为密度；μ为黏性系数；ke为待定常数，其值为0.5～2；u为来流速度；下标0、δ分别为峰值电子密度处和边界层边缘处。

26、进一步地，在上述系统中，所述嵌入式采集系统在试验模型中通过柔性耐烧蚀材料与模型内壁面接触，用螺丝通过橡胶垫圈与试验模型固定。

27、进一步地，在上述系统中，试验气流流过悬挂模型的挂线时，挂线烧断时间小于0.1ms。

28、进一步地，在上述系统中，还包括模型回收装置，模型回收装置置于试验模型下方，试验模型下落后，回收装置能对模型进行无损回收。

29、进一步地，在上述系统中，第一静电探针系统、第二静电探针系统和第三探针系统的扫描频率不小于5khz，扫描波形为正弦波。

30、本发明相对现有技术带来的有益效果为：

31、(1)本发明采用的测量系统能够开展大尺寸模型周围流场和无干扰尾迹的电子密度的测量；

32、(2)本发明采用的测量系统能够测量模型尾迹径向和轴向电子密度分布，实现流场二维电子密度分布测量；

33、(3)本发明采用的测量系统采用接触测量和非接触测量两种方式进行电子密度测量，提高测量精度。

34、(4)本发明利用大尺寸自由活塞驱动的高焓激波风洞，结合嵌入式采集系统、自由飞试验技术、接触式(探针)和非接触式(微波干涉仪)静电测量装置，诊断流场的电子密度。不仅仅能诊断风洞自由流的电子密度，还能精确诊断试验模型周围流场以及尾迹的电子密度、温度等信息，支撑飞行器目标识别和探测能力进一步提升。