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。

红外窗口气动热辐射效应评估方法

气动热辐射效应导致红外探测制导系统的性能降低甚至失效，而红外窗口是气动热辐射效应评估的关键因素。通过分析红外辐射在红外窗口中的传输特性，提出一种红外窗口气动热辐射效应评估方法，基于等温状态试验，评估了某超音速飞行器红外探测系统蓝宝石红外窗口在中波3．7～4．8μm波段的气动热辐射效应。研究结果显示，红外窗口暴露于大气环境后，蓝宝石窗口导致的气动热辐射效应迅速上升，表现为红外窗口透过率下降约10％，仍然在0．9以上，而自辐射迅速增强约458倍，相当于约125℃黑体，在探测器获取总辐射中的比例大于78％。在对地探测应用中，对于厚度小于20min的蓝宝石红外窗口，窗口温度在100～350℃范围内，随着厚度增加，透过率下降，自辐射增强，总辐射也增强，自辐射在总辐射中的比例增加，易造成探测器饱和，对探测系统影响较大。

半球形整流罩厚度对气动热辐射的影响

气动加热的高温整流罩会产生强烈的红外辐射,影响导引头对目标的探测精度。为了寻求减弱整流罩气动热辐射的方法,建立了气动热辐射数学模型。利用有限元软件以及建立的气动热辐射数学模型对不同厚度的半球形整流罩气动热和气动热辐射进行了数值仿真,得到了半球形整流罩厚度对气动热和气动热辐射的影响规律。研究结果表明,在相同飞行工况下,工作10 s时,当半球形整流罩厚度由3 mm增厚到8 mm,整流罩驻点温度降低了16.23%;形变量减少了54.2%;探测器接收面上的最大辐照度减少了84.43%。因此增加整流罩的厚度可以降低整流罩的温度,有效减小整流罩的热形变和探测器上接收到的干扰辐射照度。

高超声速飞行器红外窗口热辐射特性试验

对于大气层内的高速飞行器,强烈的气动加热使红外探测系统的红外窗口温度迅速上升,成为气动热辐射效应的主要因素,导致红外探测系统的探测距离、识别概率、跟踪精度等性能下降,甚至失效。通过简化红外窗口热辐射传输模型,设计了一种红外窗口热辐射特性试验平台,并对某蓝宝石红外窗口在中波红外3.7~4.8μm波段的热辐射特性进行试验研究。研究结果表明,在100~350℃高温范围内,该红外窗口热辐射特性与温度近似呈现3次方关系,随温度升高,透过率下降约16%,而自身辐射持续增强,幅度最高在100倍以上,对红外探测系统造成的影响比透过率要大得多。

基于CFD网格的激波流场热辐射计算方法

针对高速飞行器在气动热环境下的激波热辐射问题,提出一种基于计算流体网格的激波流场热辐射计算方法。首先利用CFD模拟流场数据,结合分子光谱辐射数据库,采用窄谱带模型计算每一个网格的气体吸收系数,然后通过求解网格化的辐射传递方程得到整个激波流场的热辐射情况。根据对激波流场数据的仿真分析,得到了激波流场热辐射随飞行高度和飞行速度的变化规律。

高超声速激波辐射对红外成像系统的影响分析

带有红外成像探测系统的飞行器在大气层内高速飞行时,其光学窗口外高温激波流场的热辐射将降低成像探测的信噪比和探测距离。先根据近场辐射成像光路的几何关系推导了焦平面上单元像素接收的流场辐射功率和流场向其与窗口界面外发射的辐射亮度的函数关系,然后采用箱带模型描述流场的辐射机制,再求解辐射传递方程以计算该辐射亮度。计算了探测器上的流场辐射功率分布和目标的辐射成像结果。计算结果表明:激波流场为光学薄介质,其对目标辐射的吸收可以忽略;成像系统接收的流场辐射能量为非均匀背景噪声;当高度不变、马赫数增大时,该能量将增大,所以信噪比将减小;当马赫数不变、高度增大时,该能量将减小,所以信噪比将增大。

机载光学探测设备气动热噪声建模研究

基于物理光学原理,由衍射光学理论推导计算光学系统对光学整流罩的像平面光场能量分布,获得在探测器平面上的整流罩热辐射光场归一化分布。用普朗克公式表述光学整流罩产生的气动热噪声强度。采用物理机理建模,可得较可信的气动热探测热噪声模型。对不同速度下载机产生不同温度的气动热噪声进行分析,由此评估在气动热噪声条件下,红外探测系统的探测效能。