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。     

气动加热下高温陶瓷材料的红外辐射机理与特性

从分析材料内部热辐射与导热耦合传热温度场、表面反射及折射之间的内在关系出发,建立了气动加热下高温陶瓷材料的红外辐射模型.采用控制容积法结合蒙特卡罗法和谱带模型,数值模拟了红外辐射能在材料内部的传递及出射过程.引入介质影响因子,分析了材料的红外辐射机理和外部气动热流对材料红外辐射特性的影响.结果表明,高温陶瓷材料内部热辐射的光谱选择性与温度场的耦合,导致高温陶瓷材料的红外发射率随气动热流变化而变化.由于陶瓷材料在紫外和中远红外谱带范围对辐射的吸收非常强,而在近红外和可见光谱带范围对辐射吸收较弱,随气动热流密度增大,对陶瓷材料表面红外辐射产生贡献的内部热辐射区域增大,但材料的红外发射率降低.     

整流罩气动加热对红外成像系统像质的影响

导弹高速飞行时,整流罩的气动加热会导致整流罩具有较高的温度,并且承受较大的气动载荷。利用ANSYS软件计算在500℃高温和4个大气压气动载荷下热压硫化锌红外平板窗口和同心球形整流罩的变形情况,并采用ZEMAX光学设计软件分析了变形对红外成像系统像质的影响。针对视场角13、焦距70 mm、F数为1的红外长波成像系统进行了气动加热影响下的像质分析,结果表明:红外平板窗口的变形对成像系统所有视场的调制传递函数（16 lp/mm）几乎没有影响;同心球形整流罩的变形导致成像系统的调制传递函数最大下降了2.56%。     

空中飞机红外成像仿真模型研究

从红外辐射和热传导基本定律出发，综合考虑目标实际结构、太阳辐射、天空长波辐射、气动加热及周围环境辐射等因素的影响，依据空中快速目标热辐射特性,分析气动加热对飞机蒙皮辐射的作用，运用等效热阻对内热源部分进行估算，突出发动机传热部分对飞机整体辐射产生的影响,并建立一种可靠实用的空中飞机红外成像仿真模型，仿真过程中结合对空实拍红外图像进行动态调整，目标模拟结果真实感较强。     

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。     

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。     

飞机的红外图像仿真

飞机在高空高速的条件下飞行时,红外图像的获取通常较为困难。为解决这一问题,将整机辐射分解为机体辐射与排气系统辐射两大部分,以经典红外辐射理论为基础,结合传热学及射流动力学工程模型,建立了一种实时性较好的飞机红外图像生成模型。在求解蒙皮表面温度场时,采用求解热平衡方程法,综合考虑气动加热、内热源加热、环境辐射热量与蒙皮向外辐射热量对蒙皮温度的作用。计算排气系统红外辐射时,采用基于包络面的红外辐射计算方法,将尾焰流场计算的工程模型、包络面模型及非均匀气体计算模型相结合。最后利用VC++平台与OpenGL图形库编程生成了飞机的红外图像。仿真图像为成像制导武器的仿真提供了目标源,在成像制导武器系统的评估测试中有一定参考价值。     

红外窗口整流罩气动加热对红外热图像测量影响试验研究

红外窗口整流罩物理特性直接影响红外制导导弹的跟踪性能和目标红外特性测量精度,本文介绍了红外窗口整流罩的气动加热对红外热图像测量影响试验及试验结果。     

高速红外空空导弹整流罩气动加热及应力分析

建立了高速飞行条件下,湍流流场计算和有限元分析的物理模型,利用计算流体力学方法(CFD)和有限元方法对高速飞行的红外整流罩头部流场、头罩温度分布及头罩应力、应变进行了数值计算.分析了典型条件下头罩的温度和应力分布,在此基础上提出了由气动加热所产生不利因素的解决方案,并提出了今后的研究建议.     

红外成像导弹气动加热仿真建模方法

为了评估气动加热效应对红外成像型导弹产生的影响,通过理论分析导弹飞行过程中受到的气动加热变化规律,并研究实验室和大型试验测试数据,首次引入气动热效应建模流程并采用正态分布等方法建立了虚拟样机仿真模型,模拟导弹飞行过程中整流罩受到的气动热辐射与红外图像的变化过程,经过数字仿真、半实物仿真和大型试验验证,证明该方法建立的模型与实际情况相吻合,可以用来评估气动加热效应对产品性能造成的影响,进行信息处理算法改进。     

利用红外热图开展通用航空飞行器气动热特性试验

为了对通用航空飞行器（CAV）从近连续流到稀薄过渡流气动热特性进行研究,用红外热图技术在地面试验中测量了在典型轨道参数状态下CAV表面的热流分布。首先介绍了气动热试验研究所用的高超声速低密度风洞、红外热像仪等主要仪器设备的性能参数以及高超声速通用航空飞行器模型。其次介绍了高超声速低密度风洞气动热试验采用的3种模拟准则即粘性干扰参数、总焓与壁面焓差参数和克努曾数。最后,在马赫数M=7、12,攻角=0、12、24试验条件下,获得了CAV模型迎风面、背风面、侧面典型的流场结构图、红外热图和热流分布,并对CAV模型在不同状态下迎风中心线与翼前缘热流的试验结果、迎风中心线试验结果与工程计算结果进行了比较。研究表明:翼边缘热流大小呈现马鞍形分布,攻角变化对气动加热影响比较明显。     

高超声速再入目标动态红外辐射特性修正计算

针对高超声速目标的红外辐射特性计算困难的问题,提出一种修正的工程计算方法。在传统气动加热工程计算方法基础上,考虑高超声速大气环境的动态影响,采用大气高度作为修正因子,构建高超声速再入飞行器目标表面气动加热的温度动态变化算法,并对典型飞行条件下的高超声速目标红外光谱辐射特性进行了计算分析。     

类HTV-2高超声速滑翔飞行器的本体光辐射特性分析

第二代"猎鹰"高超声速技术飞行器(Falcon Hypersonic Technology Vehicle 2,HTV-2)长时间在大气层中飞行时,气动热是导致本体光辐射特性的主要原因。气动热预测和复杂结构传热温度求解是本体光辐射特性研究的关键。基于类HTV-2高超声速滑翔飞行器的结构以及飞行弹道特点,建立了适用于高超声速滑翔飞行器的气动热、三维有限元传热和本体光辐射耦合计算方法。在算法验证的基础上,通过计算获得了类HTV-2高超声速滑翔飞行器沿假定弹道飞行的本体光辐射特性。结果表明,红外探测器从地面70°方向观测的辐射强度大于从天上-70°方向观测的辐射强度;中波3~5μm光辐射强度明显大于长波8~12μm和短波0.4~0.7μm,因此选择3~5μm波段更有利于对类HTV-2高超声速滑翔飞行器进行探测。     

红外气动光学效应研究进展与思考（特邀）

红外成像探测技术是精确制导的重要手段,随着导弹武器向超音速、高超音速方向发展,红外成像探测装置的工作环境更为恶劣。高速飞行条件下恶劣的气动力热环境使红外窗口的结构安全面临极大挑战,激波、窗口等高温辐射源的辐射干扰严重影响红外探测能力,流场和窗口的传输效应降低了探测制导精度。气动光学效应是高速红外探测与传统红外探测的本质的区别,也是决定红外探测应用于高速导弹可行性的关键因素。文中主要介绍了高速红外成像探测的气动力热效应、热辐射效应和传输效应及其影响,阐述了气动光学效应在机理研究、试验研究、数值模拟和抑制校正技术方面的进展,最后给出了高速红外探测气动光学效应研究的思考与建议。     

高超声速飞行器气动热辐射特性

飞行器在大气层内高速飞行时,高速气体来流在飞行器顶端形成高温高压气体绕流,并对顶端光学探测窗口形成强烈气动加热,光学窗口温度急剧上升,高温气体和光学窗口的红外辐射对探测系统形成严重的气动热辐射效应,探测信噪比下降。针对非灰混合气体和光学窗口材料的辐射特点,采用介质辐射传输方法,模拟了钝锥球头外形头部且顶端安装探测窗口飞行器的气动热辐射,研究了气体和窗口热辐射随时间的发展及其与窗口材料的关系。结果表明,高温气体的热辐射与飞行器的运动状态关系密切,而光学窗口的热辐射随飞行时间增加而迅速增强,逐渐成为气动热辐射的主要因素,因此抑制光学窗口的温度上升速度和幅度是减弱气动热辐射的关键。     

旋翼气动加热对直升机红外特征分布的影响

文中采用数值模拟的方法较为系统地研究了旋翼表面温度分布及其对直升机红外辐射特征分布的影响。结果表明:（1）旋翼桨叶上自旋翼转轴到翼尖温度分布呈依次递增的趋势,最高温度值为316K,高出环境温度29 K;遮挡罩表面最高温度值为317 K,高出环境温度30 K;（2） 探测角度一定时,旋翼红外辐射强度随时间上下波动, 旋翼在3～5 m 和8~14 m 波段红外辐射强度随时间的变化趋势基本一致;（3） 旋翼气动加热后3～5 m 波段和8~14 m 波段红外辐射强度值的增量占整机固体对应波段总的红外辐射强度的比重分别为15%～16%、5%～6%;（4）同一发射率下,气动加热的旋翼8~14 m 波段红外辐射强度远大于3～5 m 波段,约为3～5 m 波段辐射强度的30 倍,其8~14 m 波段红外辐射强度约占整机固体8~14 m 波段红外辐射强度的30%~40%, 但降低旋翼表面发射率能有效降低旋翼8~14 m 波段红外辐射强度,同时也能降低旋翼辐射占整机辐射的比重。     

高超声速飞行器红外探测窗口辐射透射特性研究

高超声速飞行器在飞行过程中受到强烈的气动加热,位于头部的红外探测窗口温度上升显著,辐射透过率下降的同时自身发射辐射大幅增强,致使内部的红外探测器信噪比下降,严重情况下可能失效。对超声速弹头弹道末端蓝宝石红外探测窗口的气动加热-非稳态温升过程及其3.7-4.8μm波段红外辐射透射特性进行数值模拟,结果表明:平均温度已经不能准确反映蓝宝石窗口的红外透射特性及其对红外探测器灵敏度的影响;存在一个最优的红外探测窗口厚度,该厚度下红外探测器在弹道末端的灵敏度达到最佳。     

尖晶石整流罩气动效应的试验研究

超音速导引头整流罩的气动光学效应对红外光电成像系统的跟踪、识别产生很大的影响。结合工程实际,主要开展了在6 km高空、飞行速度达到2.4 Ma的尖晶石整流罩的气动力学、气动光学效应的研究。首先,对设计的尖晶石整流罩进行了流场气动效应的仿真计算分析,并采用电弧风洞模拟试验进行了研究。接着根据试验结果,设计了尖晶石的热冲击试验,通过在尖晶石外表面镀制金刚石保护膜,实现了整流罩的消热设计。采用静态保温加热试验,研究了整流罩的气动加热对导引头跟踪成像的影响。最后,采用火箭橇模拟试验,研究了约2 Ma音速飞行的导引头的跟踪成像。初步分析了气动效应对尖晶石整流罩物理性能以及中波红外成像的影响。