高超声速飞行器热喷高温燃气红外辐射特性数值模拟

喷流反作用控制系统（Reaction Control System, RCS）热喷高温燃气辐射效应对飞行器光学探测跟踪具有重要影响。基于谱带辐射模型,通过求解带化学反应源项的三维Navier-Stokes方程和辐射传输方程,对高超声速飞行器喷流反作用控制系统热喷干扰流场及其红外辐射特性进行了数值模拟,分析了二次燃烧效应、不同飞行条件以及不同观测角度对流场红外辐射特性的影响。研究表明:典型状态喷流辐射计算与实验测量结果一致,流场与红外辐射数值方法具有较好的适应性;飞行器RCS工作所形成热喷干扰流场的红外辐射,主要由喷流燃气中的CO₂和H₂O组分贡献,其中CO₂对辐射的贡献更大,流场中二次燃烧效应对流场辐射强度有显著影响,在20 km高度下可使流场辐射强度提高一倍以上;随着马赫数/高度的增加,流场辐射强度均呈现先略有减小,后增大的趋势,随着高度增加,二次燃烧效应对流场辐射强度的影响明显减弱;由飞行器RCS工作引起的辐射增量十分显著,俯视观测以及3~5 μm波段的目标辐射强度最大。文中的研究结果可为飞行器探测跟踪提供参考。     

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。     

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。     

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。     

小目标态势下旋翼飞机红外辐射特性表征及其反演方法

目标红外辐射特性的研究对红外探测距离的预测和评估具有重要的意义。分析了基于红外图像的面目标红外辐射特性反演方法用于反演点目标特性时的局限和不足。通过对红外图像上点目标的提取,结合辐射基本理论,推导了目标辐射亮度、像元数和目标整体辐射强度之间的关系,提出了一种针对小目标态势下旋翼飞机的红外辐射特性反演算法,并利用该算法对某型旋翼飞机的红外辐射强度进行了反演计算,得到了不同观测角度下3~5 μm波段红外辐射强度分布。结果表明,该方法可以实现远距离小目标红外辐射强度的反演,对于红外侦察系统的作用距离评估具有一定的意义。     

临近空间高超声速导弹红外特性研究

研究临近空间高超声速导弹的红外辐射特性,对于反临近空间武器系统侦察监视临近空间目标具有重要意义。通过对临近空间高超声速导弹X-51A试验飞行过程的研究,深入分析了高超声速导弹的红外辐射特征,并建立其红外辐射模型。以导弹蒙皮、发动机及尾喷焰作为高超声速导弹的主要红外辐射源,以X-51A试验飞行器为参考,计算临近空间高超声速导弹在3~5μm和8~14μm波段在不同方向上的红外辐射强度,并针对计算结果进行了分析。     

临近空间对地探测目标与背景红外特性研究

红外辐射特性是红外探测系统进行目标识别的主要依据。基于辐射传输原理,面向临近空间对地探测目标与背景的红外特性进行研究。利用全球大气廓线反映全球大气状况先验知识,设计了一套临近空间对地探测红外特性研究的辐射传输仿真方案。利用MODTRAN模型进行仿真,量化临近空间对地探测目标与背景的红外特性差异,分析传感器最优透过率波段以及红外辐射特性的影响因素。结果表明,大气透过率以及目标与背景的红外辐射差异随着临近空间传感器高度的增加而减小,且与大气状况密切相关;得出了传感器在3~14 μm范围内的最优透过率波段;季节、大气能见度与传感器观测角度对目标与背景的亮温差异造成的影响不可忽略。     

不同背景下高超声速飞行器红外可探测性分析

为了选择设计红外预警卫星的最优探测谱段范围,采用一种基于目标与背景对比度确定探测谱段的方法,在综合考虑目标、背景及探测方向等因素、结合探测器参量的前提下,分别对类HTV-2飞行器在不同工况、不同观测角度和不同波长范围内的辐射强度、多种地球/大气背景辐射及不同情况下的目标背景对比度进行了理论分析和仿真。结果表明,针对类HTV-2飞行器,正俯视观测时,在30km高度、马赫数Ma=7和50km高度、马赫数Ma=17两种工况下,任一背景下,目标与背景对比度在2.65μm~2.85μm谱段处都较大。该结果对探测这一类目标时的谱段选取具有重要参考价值。     

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。     

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。     

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。     

航空发动机台架红外辐射特性测试技术研究

航空发动机作为航天航空飞行器的高温核心部件,贡献了整个飞行器的红外辐射强度,其中3～5μm的中波段、以及8～14μm的长波段是主要辐射波段,基于其红外辐射强度测定分析的重要意义,同时基于GJB 241中关于红外辐射特性测试鉴定需求,考虑到环境、气象、测试设备等因素的影响,建立了一套能应用于航空发动机台架整机红外辐射特性测试试验方法,并应用于某发动机测试试验,试验结果表明,提出的测试试验方法能够满足该发动机红外辐射测试需求,获取了该发动机不同波段下典型的红外光谱曲线,获取了相关测试经验,为后续研究积累了一定基础。     

海洋环境下低特征水面飞行器中长波探测研究EI北大核心CSCD

为了能有效评估中长波复合探测识别低特征水面飞行器目标的优势,通过建立某飞行器不同探测角度红外辐射模型,采用光线追迹结合反向蒙特卡洛法计算获得了其不同探测角度下中长波红外的辐射强度。同时基于侧迎头辐射强度计算结果,对海洋环境降雨、海雾等特殊条件下中长波探测差异进行了对比分析,并且通过实际外场复杂海背景下弱小目标探测试验等手段,获取了不同距离下中长波探测数据,统计分析了目标与海背景的等效温差变化。通过上述工作统计分析了中波和长波波段在不同气候海背景条件下的优势和劣势,充分验证了中长波复合探测技术的优势。     

无人机红外辐射的数值计算

针对非加力状态下的无人机(UAV),建立了其蒙皮、尾喷口及尾焰辐射的理论计算模型,利用有限元分析方法求解了不同方位角、不同观测仰角的红外辐射计算公式。利用Fluent流场计算软件分析了尾焰的温度场、压力场及其中CO2及H2O组分的浓度场,并在尾焰红外辐射计算中利用分析数据的方法,这种计算较精确。采用工程中实际使用的中波红外和长波红外探测器的探测波段,利用LOWTRAN分析了其在不同观测仰角下的波段透射率。对于某一特定型号的无人机,实验结果证明,相对于8~10μm长波蒙皮辐射而言,中波3.7~4.8μm的蒙皮辐射可以忽略不计。中波的尾喷口及尾焰辐射随观测角度的变化规律与长波类似,在相同观测角度下,中波的尾喷口及尾焰辐射都分别大于长波,其中尾喷口辐射在方位角大于90°的前提下,要大于相同角度下的尾焰辐射。在大气衰减影响下,蒙皮辐射和尾焰红外辐射的最大值均出现在观测仰角45°、方位角90°附近。     

飞行器8~14μm波段红外特征的数值研究

在飞行器机身表面的温度场建模中综合考虑了超音速飞行气动加热、发动机舱内部流动换热,以及排气喷流对飞行器后体的传热等影响, 采用数值计算的方法对飞行器8~14m波段的蒙皮及发动机壁面红外辐射特征进行了研究,分析了飞行器机头、机身（含进气道）、机翼、发动机舱（含飞行器后体）、垂直尾翼、水平尾翼和发动机喷管腔体等部位的红外辐射。结果表明:蒙皮辐射是飞行器8~14m波段红外辐射的主要组成部分,发动机壁面红外辐射主要集中在飞行器尾向50范围内;在不同的观测平面,飞行器不同部位对整机8~14m波段的红外辐射贡献比例各有侧重,飞行器机身、机翼、发动机舱和垂直尾翼是飞行器8~14m波段红外辐射的主要部分;飞行马赫数提高将加剧机身气动加热效果,飞行机不同部位所占的红外辐射比例将有所改变。     

直升机后机身内埋式红外抑制器隐身性能分析

为了降低直升机的红外辐射特征,针对直升机后机身内埋式的红外抑制器,采用数值模拟的方法较为系统地研究了红外抑制器排气出口形状、旋翼下洗气流速度以及机身蒙皮发射率等因素对红外辐射特性的影响.研究发现:混合管波瓣出口与矩形出口相比,喷流核心区温度大幅度降低,采用波瓣出口混合管,喷流在3～5 μm波段的红外辐射强度降低了10％...     

不同形式喷管流动与红外抑制特性数值分析

本文针对涡扇发动机,设计了等进口、出口面积,等长度的轴对称、矩形与S弯收敛喷管(出口宽高比W/H=4),在相同的内、外涵进口、出口参数下,数值分析了其流动、换热与红外辐射强度分布特性。比较得出,S弯喷管在矩形喷管基础上,进一步强化了二次流流动,增强了掺混,使得热喷流温度衰减增强;S弯壁面对进口高温部件形成有效遮挡,有效降低了红外辐射强度。水平探测面上,不同喷管红外辐射强度分布相似,S喷管量值最小,而在垂直探测面上,S弯喷管最大值出现高度角为20°时,这是由于尾喷流的向上偏转导致的。相比轴对称喷管,在喷管正后方,矩形喷管红外辐射强度降低23.1%,S弯喷管降低89.7%。     

高速滑翔目标点源红外辐射特征模拟及可探测性分析

文中对天基和地基两种观测平台下高超声速滑翔飞行器的点源红外可探测性进行了分析;通过双温度模型的N-S方程和气固耦合模型获得流场参数和壁面温度,并基于逐线法获得气体的物性参数;基于视在光线法求解辐射传输方程来获得HTV-2飞行器的点源本征辐射特性,并考虑大气透过率、背景以及路径辐射参数下计算不同平台的可探测性。结果表明:目标的中长波辐射强度强烈依赖于本体辐射,气体辐射可以忽略;3~5 m谱带内的本征辐射较8~12 m高近一个量级;在固定探测器灵敏度（10-12 W/cm2）下,最大探测距离强烈依赖于波段和探测角度。3~5 m谱带内地基和天基观测的理想最大探测距离分别为450 km和1 450 km,8~12 m谱带分别为300 km和550 km。     

沙漠背景下导弹红外辐射特性分析

详细分析计算了沙漠环境中,能够对导弹红外辐射特性产生影响的太阳、云层、大气、沙漠地表以及沙尘等的辐射强度情况,重点研究了沙漠地表沙物质组成及沙尘环境对地表辐射强度的影响,并建立了导弹的蒙皮、尾喷口和尾焰的红外辐射强度计算模型,分析了在不同探测距离下,导弹在各红外波段的辐射强度随探测角度的变化情况,对计算结果进行分析并得出结论,尾焰是导弹最主要红外辐射源,且辐射主要集中在3~5?m波段,蒙皮辐射主要集中在8~12?m波段,随着探测距离的增加,到导弹的红外辐射特性衰减加剧。     

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。