一种实用的火箭尾焰粒子辐射参数计算方法

为了高效计算固体火箭尾焰中粒子的红外辐射规律,基于MIE散射理论建立了辐射特性计算模型,并研究了Al2O3粒子复折射率的计算方法和尾焰中固体粒子尺寸分布律计算模型。并利用上述模型,仿真分析了典型条件下Al2O3粒子的辐射参数。结果表明在仿真条件下尾焰中固体粒子辐射特性主要取决于散射特性,并随粒径增大散射相函数方向性明显增强。最后,利用建立的模型计算了典型条件下某型固体火箭尾焰的红外辐射特性,并通过与权威文献结果对比验证了模型合理性。     

固液混合火箭发动机尾焰的红外特性研究

针对固液混合火箭发动机中Al2O3颗粒运动的影响,对喷管的内流场和外流场进行了一体化数值仿真,得到了温度、压力、组分浓度以及粒子浓度等参数的分布。利用以最新的分子光谱数据库HITRAN和HITEMP为基础编写的逐线积分法计算了气体光谱吸收系数,采用米氏散射模型计算了固体粒子的辐射特性参数。利用基于有限体积法离散辐射传输方程的模型计算出了尾焰的红外辐射亮度。通过进一步求解,得到了特定波段的光谱辐射强度。在8—14岬波段,利用红外热像仪进行了试验,并将试验结果与数值计算结果进行了比较。结果表明,该计算模型和方法能较好地模拟固液混合火箭发动机尾焰的红外辐射特性。     

固体火箭发动机尾焰红外辐射特性预估研究

本文借助于离散颖粒模型对固体火箭发动机尾焰两相流进行了一体化仿真计算与分析,经过系统分析与计算得出了各燃气组分与Al2O3颗粒流场参数分布的相关性规律。仿真结果分析得知：①在光谱波长1.7um~5.0un范围内,固体火箭发动机尾焰气相辐射最大值出现在2.7um以及4.3um波长下,颗粒辐射仍然是固体火箭发动机尾焰总红外辐射中的主导性因素;②固体火箭发动机尾焰红外辐射性能会在一定程度上受到内燃面颗粒尺寸、颗粒速度分布情况的影响。颗粒速度越大,颗粒尺寸越大,则颗粒红外辐射越弱且辐射降低速度越快。     

卫星观测火箭尾喷焰红外动态场景生成研究

建立了一种星载吸收波段红外传感器连续观测助推段火箭飞行的场景生成模型。提出了一种基于神经网络生成MODIS数据中第22、23波段高分辨率地表发射率图像的方法,生成了分辨率达到百米量级的地表发射率图像,并利用谱段关联计算了4.18~4.5 μm的地表光谱发射率;同时采用Runge-Kutta法生成火箭助推段的飞行轨迹,利用LOS方法计算尾喷焰气体的辐射传输,生成火箭尾喷焰图像。建立了尾喷焰、地表点和传感器的几何关系,对尾喷焰和背景投影成像,合成了卫星观测火箭尾喷焰的动态场景。对辐亮度图像序列进行分析发现,地面背景的辐亮度得到了压制,同时结合轨迹数据对不同时刻的目标辐亮度对比度和所占像元数进行了分析。此外,分析了不同场景下尾喷焰总辐射强度曲线的差异。结果表明,场景生成方法准确可靠,可为基于卫星图像序列的目标检测跟踪等研究提供数据基础和目标特性支撑。     

导弹尾喷焰目标红外特性的数值仿真

综合考虑计算精度和计算效率,基于传统热流法,提出了求解导弹尾喷焰目标红外辐射特性的源项六流法(SSF)模型.以圆柱形介质方向辐射强度的求解为例,通过与反向蒙特卡洛法(BMC)和二流法(TFM)计算结果的比较,证实了SSF模型的可行性和精确性.在给定温度场和粒子、气体等组分辐射物性参数的条件下,分别采用SSF、TFM和BMC法对不同高度导弹喷焰的红外光谱辐射强度进行了求解,结果表明:在2～5 μm波段内,导弹喷焰在2.7、4.3μm(相应波数分别为3 704和2 326 cm-1)谱带上具有明显的强度峰值,同时,SSF与BMC结果吻合较好,进一步证实了SSF模型的合理性.     

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。     

一种新的三维实时红外尾焰仿真方法

红外尾焰仿真是红外场景仿真的难点之一.采用粒子方法仿真红外尾焰存在二个问题,一是粒子数量庞大,二是很难通过控制粒子实现尾焰的温度场分布.利用尾焰的对称性,提出了一种基于粒子系统的改进算法,将尾焰拆分成横切面与底面二个几何平面,仅在平面内进行粒子填充.同时提出了双层布告板旋转算法,分别旋转粒子与尾焰的切面,使得尾焰能适应不同的观察角度.实验证明,本文算法能大幅度降低粒子数量,提高仿真速度.同时,对粒子的精确控制使得尾焰的温度场分布变得可控,解决了以往基于粒子系统的尾焰仿真温度随机不可控的不足.     

关于固体火箭尾焰对测控系统干扰的原因分析

随着固体火箭应用范围的日益扩大,固体火箭尾焰对测控系统干扰问题引起了愈来愈多的关注。在本文中,笔者对固体火箭尾焰进行了介绍,而后结合实际案例对固体火箭尾焰对测控系统干扰的现象进行了分析,最好固体火箭尾焰对测控系统干扰的原因进行了深刻阐释。这对于未来的研究工作有一定的指导意义。     

固体火箭发动机尾喷焰红外特性数值模拟

在给定浓度场、温度场、粒子和气体组份辐射物性参数的条件下,将贴体坐标系下有限体积法用于主动段尾喷焰红外光谱特性计算,考虑了粒子的各向异性散射,计算结果与贴体坐标系下的离散坐标法进行了比较．分析了2.7μm、2.95μm表观光谱辐射强度及2．7～2．95μm的表观谱带辐射强度,考察了若不考虑散射或用各向同性散射假设,来近似非线性各向异性散射所带来的计算误差．     

F22尾焰红外辐射特性及探测仿真研究

针对隐身飞机F22尾焰红外辐射特性,研究了临近空间平台对其进行红外探测的可行性。通过对F22尾喷管及其尾焰气体进行建模和仿真,采用谱带模型C-G近似法将非均匀气体化分成390个小气柱以近似成均匀气体进行处理,计算F22尾焰在不同探测视角下的红外辐射强度。在此基础上,考虑大气透过率和遮挡因素的影响,计算出了临近空间平台对F-22尾焰的理论可探测距离能达到100 km以上。该研究为利用临近空间探测平台对F22的探测提供了参考。     

发动机尾喷焰复燃化学反应模型评价与重构

复燃效应的准确预估对于精细描述尾喷焰反应流场参数和提高尾喷焰红外辐射计算精度至关重要。文中以固体火箭发动机为研究对象,建立尾喷焰复燃有限速率化学反应模型,结合流体计算动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法和尾喷焰红外辐射计算模型,评估不同化学反应动力模型在尾喷焰流场参数和红外光谱辐射计算方面的精度,基于各化学反应速率曲线与试验数据重构适用于尾喷焰CO/H₂反应体系的10步气相化学反应动力模型,并验证和校核复燃化学反应模型可靠性。结果表明：不同化学反应模型计算所得的尾喷焰流场结构差异微弱,轴向温度峰值最高相差200 K左右,差异主要发生在复燃区域;化学反应动力模型对不稳定产物CO影响最为显著,CO₂分布差异主要发生在高含量区域,最大差异达到近50%,且低含量组分的差异高达两三个量级;在2.7 μm和4.3 μm典型波段内,不同化学反应工况下的尾喷焰光谱辐射峰值强度差异达到近40%;基于反应速率试验数据构建的9组分10步反应的CO/H₂反应体系的尾喷焰辐射计算值与BEM-II试验数据的差异低于6%。该研究可为准确预测火箭发动机尾喷焰反应流场的红外辐射特性提供高保真化学反应动力模型。     

复燃反应速率对尾焰红外辐射不确定度量化分析

高保真复燃化学反应模型是准确预估火箭发动机尾焰红外辐射特性的关键,其中复燃化学反应模型参数的偏差,会影响尾焰红外辐射特性模拟结果的可信度。因此,对复燃化学反应模型参数展开了不确定度量化分析,定量评估了化学反应速率的不确定性对流场参数及红外辐射特性数值模拟的影响。以复燃化学反应速率为不确定性变量,尾焰反应流场和红外辐射为系统响应值,基于非嵌入多项式混沌方法,采用随机响应面法求解多项式系数,结合Sobol指数算法量化由化学反应模型参数不确定性引起的红外辐射信号的不确定度。结果表明,化学反应速率对流场温度的影响较小,均体现在复燃高温区域,不确定度约为7.63%;燃气组分H₂O的摩尔分数的不确定度相较CO₂高出8.2%,且对低含量区域的不确定度较大;红外辐射强度的不确定度在（2.7±0.3） μm波段较高,约为20.4%,较（4.3±0.3） μm波段高出7.8%;化学反应速率对红外辐射强度的灵敏程度均表现为三个链式反应为主要贡献。基于反应速率试验数据重构关键链式反应的化学反应动力学速率模型,该研究可为准确预测火箭发动机尾焰的红外辐射特性提供支撑。     

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、2.8~3.0 μm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4.35~4.65 μm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。     

舰船排气羽流红外辐射特性计算研究

舰船动力系统的高温排气羽流是舰船红外辐射的重要来源之一,通过建立基于CFD数值方法的排气羽流流场分布模型和基于窄带模型C-G近似方法的高温排气红外辐射模型,重点研究了合成风速对排气羽流流场和红外辐射的影响。仿真结果表明：合成风速的大小对排气羽流的形状及辐射分布区域影响显著,合成风速增加一倍的情况下,排气羽流在中波红外谱段平均辐射强度降低了48.1%。也对计算模型可能产生偏差的物理因素进行了初步分析,如不完全燃烧产生的碳粒子对羽流红外辐射传输有显著影响。     

基于窄谱带模型的尾焰红外辐射计算

尾焰红外辐射的计算是飞行器红外辐射计算的重要环节.在尾焰流场工程计算模型的基础上,从燃烧的化学反应出发,解决了尾喷口处气体组分参数的计算问题,利用基于Malkmus窄谱带模型的C-G近似法得到了尾焰红外辐射的快速计算方法.仿真结果表明,该方法能够快速准确地计算出尾焰的辐射,能为红外制导导弹仿真中飞机目标红外辐射的计算提供有效途径.     

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。     

基于PRISM的隐身飞机红外辐射特性研究

作为现代战争中首屈一指的制空武器,隐身飞机具备优异的气动性能和极高的战场隐蔽能力,其探测识别技术是现代光电领域的重要研究内容。尽管隐身设计能够显著抑制目标电磁特征信号,但由于高速飞行时蒙皮气动热效应、羽流未遮挡部分仍具有可观的红外辐射水平,这为隐身飞机的红外探测提供了关键依据。本文面向现代复杂电磁环境中光电对抗技术需求,开展隐身飞机红外辐射特性计算及仿真研究,基于自主化的物理可信光电场景仿真系统PRISM,对典型隐身飞机进行几何建模、蒙皮温度场计算、羽流物理场计算,获得目标零视距红外辐射特性;结合大气辐射传输效应分析,计算得到探测距离为20km处的目标红外辐射特性。计算结果表明:1)在不同红外探测波段下,目标前向、后向辐射强度极小值分别位于0°、180°探测幅角方向;2)在目标非加力飞行状态下,采用长波8～12μm探测获得的目标辐射强度高于中波探测的结果;在0°探测幅角方向,长波红外辐射强度高于中波约140W/Sr;3)在目标加力飞行状态下,尾向探测时,采用中波3～5μm探测获得的目标辐射强度显著高于长波探测的结果;在0°探测幅角方向,长波红外辐射强度高于中波约400W/Sr;4)加力飞行状态下的蒙皮气动热效应更为显著,在0°探测幅角方向,长波红外辐射强度较非加力状态提升约330W/Sr。仿真结果表明,采用中波3～5μm、长波8～12μm探测波段,PRISM系统对于不同飞行状态下的隐身飞机目标均具有良好的红外成像仿真能力,可支撑第五代隐身飞机的红外探测及光电对抗研究。     

飞行器尾焰红外辐射及其被动测距

旨在研究利用飞行器的尾焰辐射对飞行器进行被动测距。导弹和飞机发动机的排气系统是飞机在3~5 m波段的主要红外辐射源。建模计算了矩形喷管尾焰红外辐射特性,计算结果表明,不管观察方向如何,尾焰红外辐射强度色比是相同的。当辐射强度色比在大气中传输时,因为吸收和散射而被衰减,不同波长上红外辐射衰减幅度不同,辐射强度色比随着传输距离的改变而发生变化,色比包含了目标的距离信息。推导了目标尾焰色比与尾焰温度、辐射传输距离、大气消光系数之间的关系。计算了尾焰色比与尾焰温度的关系,推导出了红外三色比距离方程组,选取4.5、4.6、4.7 m三个波长对三色被动测距进行了研究。利用测距方程组画出了测距图。结果表明,利用该方法可对尾焰进行三色测距。