再入体碳基防热材料烧蚀流场红外辐射模拟

烧蚀效应是高超声速飞行器目标特性分析评估中的重要问题之一。基于高温反应气体动力学方程与辐射输运方程，建立了飞行器表面防热材料热化学烧蚀流场及其红外辐射特性的计算模型和方法。以钝锥体弹头外形及其表面防热材料碳-碳为对象，研究了材料烧蚀效应对再入目标流场红外辐射特性的影响，分析了再入体烧蚀流场及尾流在不同波段红外辐射的分布特征和变化规律。研究发现：典型状态计算结果与试验测量及文献预测结果一致，表明烧蚀流场及红外辐射模型和方法的可行性；材料热化学烧蚀现象对再入流场红外辐射特性产生严重影响，使3～8μm波段尾流积分辐射强度增加一个量级以上，并随着尾流长度增加而增大；烧蚀流场红外辐射主要来自CO、NO和CO₂等化学组分，烧蚀对1～3μm波段流场红外辐射影响相对较弱；再入速度不变情况下，烧蚀流场在3～8μm波段红外辐射强度随再入高度降低而增强；再入高度不变情况下，烧蚀流场在同样波段红外辐射强度随着再入速度减小而减弱。     

攻角对临近空间飞行器侧喷射流红外辐射特性影响数值模拟

临近空间飞行器侧喷射流干扰效应对目标红外辐射特性规律影响受到广泛关注。文中以典型锥柱裙飞行器为研究对象,预测飞行器典型飞行工况(20 km@5 Ma)不同攻角下的绕流场、侧喷流和壁面温度,结合窄谱带模型处理高温气体辐射物性参数,采用视在光线法求解辐射传输方程,分析攻角对侧喷流的复燃及目标在不同谱带和不同观测角度下红外辐射特性的影响。结果表明：随着攻角由负转正射流复燃程度降低,α=10°较α=-10°偏低176%;侧喷流在2.7μm和4.3μm两个特征峰值波段辐射显著,其他波段内目标辐射主要来源于本体;目标辐射强度在俯视观测角度下随攻角由负转正而减小,在侧视观测角度下攻角出现引起辐射强度降低,α=±10°较α=0°偏低6.8%。该研究可为临近空间飞行器侧喷射流相关的目标特性识别提供理论参考。     

三种典型流动状态下的喷流红外辐射特性

计算了欠膨胀状态、设计状态和过膨胀状态三种典型流动状态下的轴对称收扩喷管在3~5 m波段的喷流红外辐射传输特性,并对三种状态的计算结果进行了分析比较。流场采用有限体积法和重整化群（RNG）k-湍流模型求解N-S方程得到,喷流的红外辐射强度采用有限体积法结合窄带模型求解吸收发射性介质辐射传输方程得到。计算结果显示:欠膨胀状态的喷流红外辐射强度最大,设计状态与过膨胀状态的喷流红外辐射依次降低,随天顶角的增大差距增大,这与喷流的流动特点有关,说明喷流流动特点的改变影响红外辐射的大小,通过控制喷流的流动可以控制喷流红外辐射强度。     

发动机排气系统红外辐射特性数值模拟

建立了发动机排气系统的内外流一体化流场计算模型,经过流体分析CFD软件计算得整个流场的温度场、压力场和浓度场分布。燃气介质考虑了水蒸气、二氧化碳和一氧化碳的红外光谱吸收与发射,然后采用辐射传递方程(RTE)积分法计算了发动机排气系统的红外辐射特征。结果表明,发动机排气系统红外辐射强度沿天顶角的分布图不再是"梨"形,而是"超椭圆"形。     

高速飞行目标尾焰红外辐射特性的建模仿真计算

飞行器目标的尾焰红外辐射特性对目标的红外探测、识别和跟踪具有极其重要的作用。为了分析尾焰的红外辐射特性,首先根据经验公式计算出尾焰的流场分布,然后使用窄带模型计算出谱带的光谱吸收系数和透过率;对于非均匀热气体,考虑到碰撞展宽效应和多普勒展宽效应,使用C-G谱带传输模型得到飞行器尾焰2~5 μm的红外辐射分布。最后, 计算了不同组分的尾焰红外辐射特性,分析了组分分布和大气传输对尾焰红外辐射特性的影响,为探测波段的选择提供了参考依据。     

上升段气动加热对飞行中段高速飞行器红外辐射特性影响分析EI北大核心CSCD

飞行中段高速飞行器红外辐射特性是对其进行红外探测、识别及跟踪的基础。飞行中段高速飞行器红外辐射与表面温度密切相关,而飞行器表面温度又与上升段气动加热、空间环境热辐射、防热材料结构等有关,特别是上升段气动加热对飞行中段飞行器红外辐射的影响不容忽视。为获得复杂环境背景下高速飞行器在飞行中段的红外辐射,综合考虑上升段气动加热、环境辐射加热、表面辐射散热和结构热传导等主要因素影响,采用气动热工程计算模型、空间辐射加热、一维多层热传导计算方法,建立了高速飞行器红外辐射分析技术,实现了气动加热、环境辐射加热、自身辐射散热、结构热传导等多种主要因素影响下的高速飞行器飞行中段温度场和红外辐射分析。结果表明:上升段的气动加热会对飞行中段的高速飞行器红外辐射产生较大影响;在飞行中段,飞行器在长波8~12μm波段的红外辐射强度明显大于在中波3~5μm波段的红外辐射强度,选择8~12μm波段更有利于对飞行中段高速飞行器的探测。     

火箭发动机喷焰红外辐射数值计算方法研究（特邀）

火箭发动机高温尾喷焰因具有显著的红外辐射特征成为天基红外系统探测、跟踪、分类和识别任务重点关注的对象。火箭发动机喷焰辐射信号产生、传递机制的物理建模和数值计算一直是目标探测领域重点关注的问题,也正朝着高精度、高效率的方向发展。针对火箭发动机喷焰红外辐射数值计算研究,围绕喷焰红外辐射计算链路所涉及的各环节,从喷焰反应流场模拟、高温燃气辐射物性参数计算、辐射传输计算和数理模型校验试验等方面的研究情况展开综述。     

红外高光谱探测CO2柱总量的敏感性分析

利用辐射传输模型MODTRAN5模拟计算了红外高光谱仪在光谱分辨率、光谱定标精度、地面反射率、大气廓线以及辐射分辨率对CO₂气体含量探测敏感性的影响,同时定义探测辐亮度随气体含量改变的变化量指标S值,并对探测灵敏度、光谱分辨率和信噪比SNR的关系进行了综合分析。为我国红外高光谱大气探测仪的设计以及高光谱大气成分反演研究的开展提供重要的科学依据。对CO₂柱总量反演通道的选择和实现CO₂气体探测敏感参数分析具有重要的参考价值。     

类B-2型飞行器红外辐射特性数值模拟EI北大核心CSCD

类B-2型飞行器因其独特的气动布局和较强的隐身能力,成为攻防对抗和预警探测识别工作中重点关注的目标之一。通过构建类B-2型飞行器的气动外形,基于真实可压缩气体模型和辐射平衡壁面边界条件预测典型飞行工况(12 km@0.8 Ma)下的绕流场、尾喷焰和壁面温度,结合窄谱带高温气体辐射物性数据库,采用视在光线法求解辐射传输方程,获得不同观测角度、不同波段条件下目标本体和尾喷焰的红外辐射特性。结果表明:类B-2型飞行器在俯视观测角度下辐射强度最强,本体在长波波段内的辐射强度较中波波段高出近两个量级。中波波段内目标辐射强度主要来自尾喷焰,长波波段内主要来自本体。研究可为类B-2型飞行器的目标特性识别提供理论参考。     

硅基材料烧蚀产物对高温气体流场辐射影响

高温气体流场辐射特性在高超声速飞行器目标探测、识别和气动热环境预测等方面具有重要应用。基于带辐射模型,考虑硅基防热材料热化学烧蚀产物的可见光和红外辐射机制,建立了烧蚀产物光谱参数的计算方法,发展了高温气体烧蚀流场辐射特性计算软件。高温气体烧蚀流场的数值模拟结果,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了自由飞弹道靶实验模型及高超声速钝头体流场的辐射特性,重点研究了各种烧蚀产物的影响。研究表明:烧蚀产物对流场红外辐射特性具有重要影响。     

高温激波层CO2辐射与传输特性数值计算研究

CO₂是中、短波红外探测的主要辐射噪声源,目前针对高温CO₂辐射和传输特性的研究尚不明晰。重点研究了激波层中CO₂的吸收作用,并对CO₂热辐射及光敏面各辐射分量占比进行了计算与分析。采用改进的切线平板法求解辐射传输方程,并考虑了目标与窗口辐射对激波层内辐射场分布的影响,据此推导了激波层红外辐射和传输特性计算模型,最后给出了探测器光敏面各辐射分量及占比计算模型。对某型超声速红外制导导弹飞行高度h=1 km、飞行速度Ma=3~5时激波层特性进行仿真计算,结果表明:中波波段激波层透过率低于短波波段,但总体来说可忽略激波层吸收作用;飞行速度增加导致CO₂辐射噪声区间向长波方向拓宽,Ma≥4、h=1 km时,4.4 μm以上波段有严重的CO₂辐射噪声淹没目标信号,截止波长为4.4 μm的滤波器无法适用。     

固体火箭发动机喷焰复燃及其对红外辐射的影响

火箭发动机喷焰涉及复杂的流动、复燃和辐射效应,并对喷焰辐射的光学探测跟踪有着重要的影响。以固体火箭发动机为研究对象,建立喷焰化学反应复燃数值模拟方法和视线光辐射传输数值计算方法,对不同飞行条件下的喷焰流动、辐射特性进行计算分析,重点考察复燃效应对不同高度喷焰辐射特性的影响。研究结果表明:复燃效应引起喷焰温升可达到1 000 K,并使得喷焰谱带辐射强度有10倍以上的增强;对于不同谱带辐射强度会随高度先升后降,最大的高度在20~30 km,短波2.7 m波段有约17倍的辐射增强,中波4.3 m波段约有16倍增强,可见复燃引起辐射增强作用H2O分子的贡献大于CO2分子的贡献。研究结果可为进一步的理论研究和工程应用提供参考。     

宽带k分布模型计算液体火箭尾焰辐射信号

快速计算火箭尾焰辐射信号对导弹的识别和跟踪具有重要意义。先利用工程经验公式计算得到尾焰的流场,采用宽带k分布模型计算液体火箭尾焰的辐射信号,并与逐线计算基准解比较,发现宽带k分布模型在探测器工作光谱区域内的相对计算误差基本都小于10 %。利用该模型研究飞行参数对尾焰辐射信号的影响,计算结果表明:喷管出口温度、马赫数、非计算度增大,液体火箭尾焰的辐射强度增大;海拔高度升高,不同探测器工作光谱区域尾焰辐射强度变化趋势有所不同。     

反舰导弹喷管流场及红外辐射特征研究

为了评估反舰导弹喷管和尾流在超音速飞行状态下的流场特性和红外辐射特性,以"雄风3"反舰弹的尾喷管为研究对象,建立了相应的二维仿真计算模型.流场计算结果表明,凝相颗粒对尾喷流的流场特性有显著影响.相比于纯气相,加入凝相颗粒后喷流轴向高温区长度明显增加,马赫数下降更快.红外辐射特征计算结果表明,喷管及尾流的红外辐射特征表现...     

New CO2 laser lines in the 11-μm wavelength region:new hot bands

Nineteen new laser lines in the 11-μm wavelength region have been observed in CW oscillation from a CO₂ laser with a high-Q, high-resolution cavity at a higher than usual current density. The frequency of each line has been measured using heterodyne frequency measurement techniques. Analysis of the frequencies shows that 15 lines are rotation-vibration transitions of the 01¹2-[11¹1,03¹1]_I band (the first sequence hot band) of the CO₂ molecule and four lines belong to the rotation-vibration transitions of the 02²1-[12 ²0, 04²0]_I band of CO₂     

来流导致的火箭发动机喷焰红外辐射强度不确定度量化分析

在火箭发动机喷焰红外辐射预测过程中,由于弹道参数的不确定性因素存在,会影响喷焰红外辐射信号计算结果的置信度。文中以Atlas-IIA低空喷焰为研究对象,以来流速度、来流温度、来流压力和飞行攻角为不确定性输入变量,采用拉丁超立方试验设计样本,开展喷焰反应流场与红外辐射特性计算,获得各样本点对应的喷焰红外辐射响应值,利用非嵌入混沌多项式(No-intrusive Polynomial Chaos, NIPC)方法构建代理模型,采用响应面法求解NIPC多项式系数,基于统计参量研究各参量对红外辐射信号的不确定度和敏感性。结果表明来流特性引起的辐射强度不确定度与波段的选取有较高的关联度。来流速度对光谱辐射强度的灵敏程度最高,来流压力和攻角次之,来流温度的影响可忽略不计;来流速度对2.5～3.2、2.8～3.0μm谱带内的辐射强度敏感,主Sobol指数占比均在80%左右,来流压力对4.35～4.65μm波段辐射强度的影响占比为70%;各参数间的耦合作用对喷焰红外辐射的影响不高于4%。该研究可为火箭发动机尾喷焰红外辐射准确预估和置信度评估提供理论支撑。     

Optical gain and saturation intensity in a transverse-flow CW CO2 laser

Simple expressions for the small-signal gain and the saturation intensity in a transverse-flow CW CO₂ laser have been derived considering the effect of gas flow and the finite time required for N ₂ molecule to transfer its energy to CO₂ molecules. These expressions provide estimates of these parameters fairly close to the experimentally measured values in high-power transverse-flow CW CO₂ lasers     

高超声速拦截弹绕流红外辐射特性数值模拟

研究拦截弹绕流红外辐射特性对红外导引头设计具有重要意义。基于求解化学非平衡Navier-Stokes方程的方法,对高超声速拦截弹化学反应绕流进行数值模拟。在此基础上,基于谱带辐射模型,对拦截弹侧面的光学窗口附近流场在0.8~20 m波段的光谱辐射特性进行数值计算,分析窗口附近流场红外光谱辐射随飞行参数的变化特征和规律。研究表明:拦截弹窗口流场光谱辐射主要来源于CO2和NO分子的振动-转动谱带;飞行马赫数一定,窗口流场光谱辐射沿飞行高度的变化规律主要由流场中气体分子的数密度分布主导;飞行高度一定,窗口流场光谱辐射随飞行马赫数的变化规律主要由流场温度控制,随着飞行马赫数增大,流场中NO分子的光谱辐射效应增强。     

印度烈火-Ⅱ导弹助推段和再入段红外辐射特性计算研究

弹道导弹发射阶段发动机尾焰中的H₂O、CO₂等大量高温气体组分和弹头再入段高温气体流场以及受气动加热的本体均产生强烈的红外辐射,是红外预警、跟踪、制导的重要信号。针对印度烈火-Ⅱ导弹,开展其助推段和再入段的辐射特性计算分析。从窄带辐射模型出发,考虑流场中重要气体组分的红外辐射机制,建立高温气体组分光谱参数的计算方法,发展了目标红外辐射特性计算软件。根据助推段火箭发动机尾焰流场和再入段流场的数值模拟的物理化学参数,利用所发展的辐射计算软件,计算分析了烈火-Ⅱ导弹助推段和再入段典型状态的红外辐射特性,可以为针对烈火导弹的预警、反导提供参考。     

三种典型化学物质释放变态电离层的数值模拟研究

电离层人工变态会影响短波通信及卫星通信,对空间物理研究具有重要意义.基于中性气体扩散方程、离子化学反应方程及等离子体扩散方程,模拟了三种典型化学物质（氢气H₂、二氧化碳CO₂和三氟溴甲烷CF₃Br）经点源和多源释放后导致的电离层三维扰动变化,并利用自适应变步长的三维数字射线追踪技术讨论了化学释放变态电离层对不同频率短波传播的影响.结果表明:点源释放时产生的"空洞"在水平面上沿磁场线方向的轴长略大于其垂直方向;在释放量及释放高度相同的前提下,H₂扩散最快,CF₃Br扩散最慢,但就t=100 s时电子密度最大相对变化率而言,CF₃Br最大,CO₂次之,H₂最小;CF₃Br释放形成的"空洞"垂直范围最小,开始发生穿透现象所需的短波频率最高;H₂扰动下"空洞"边界的电子密度梯度最小,射线聚焦点明显偏高,聚焦效应最弱;多源释放产生类抛物线管状的电离层"空洞"结构,射线的传播路径更加多样,此时仍有聚焦效应出现,且聚焦点随射线频率增加而升高,聚焦效应减弱.