陳 俊，吉洪湖，劉常春

(1.中國(guó)航發(fā)商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司，上海201108；2.南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，南京210016)

1 引言

隨著紅外制導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈對(duì)飛機(jī)的威脅日益凸顯，抑制飛機(jī)的紅外輻射特征能夠提高其戰(zhàn)場(chǎng)生存率[1-2]。飛機(jī)的紅外特征主要由飛機(jī)蒙皮的輻射(8～14 μm波段)和發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)的輻射(3～5 μm波段)組成，且以排氣系統(tǒng)的輻射為主。因此，降低排氣系統(tǒng)的輻射特征是提升飛機(jī)紅外隱身性能的一個(gè)重要途徑[3-4]。為抑制排氣系統(tǒng)的紅外輻射特征，國(guó)內(nèi)外發(fā)展了多種抑制技術(shù)，主要有遮擋技術(shù)、冷卻技術(shù)、強(qiáng)迫摻混技術(shù)等，但這些技術(shù)存在抑制效果有限、性能損失與結(jié)構(gòu)質(zhì)量較大等問題。

塞式噴管特別是二元塞式噴管作為一種較特殊的噴管類型，在氣動(dòng)性能和紅外隱身方面具有獨(dú)特的應(yīng)用。如美國(guó)海軍的XFV-12垂直/短距起飛戰(zhàn)斗機(jī)上所安裝的F401發(fā)動(dòng)機(jī)就采用了軸對(duì)稱塞式噴管，F(xiàn)15戰(zhàn)斗機(jī)研制過程中也驗(yàn)證了雙喉道二元塞式噴管能夠顯著降低排氣系統(tǒng)紅外輻射特征(相比于軸對(duì)稱噴管降低約90%)。國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)其開展了大量的研究工作。國(guó)外，Kawecki等[5]對(duì)塞錐可移動(dòng)的二元塞式噴管的氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。Miyamoto等[6-7]通過數(shù)值模擬方法研究了側(cè)壁對(duì)二元塞式噴管氣動(dòng)性能的影響，以及真實(shí)工況下噴管的流動(dòng)特性，結(jié)果表明二元塞式噴管在跨聲速條件下的推力損失較大，但通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化能有效提升噴管的推力水平。Verma等[8]試驗(yàn)研究了塞式噴管底部壓力、側(cè)壁以及外部流場(chǎng)對(duì)噴管性能的影響規(guī)律。Cler等[9]采用試驗(yàn)的方法研究了二元塞式矢量/反推噴管的氣動(dòng)性能。國(guó)內(nèi)，李軍偉等[10]數(shù)值模擬了塞式噴管的再生冷卻換熱。王長(zhǎng)輝等[11]計(jì)算了不同外流條件下塞式噴管的氣動(dòng)性能。鄭孟偉等[12]對(duì)塞式噴管的流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬并探討了塞式噴管的設(shè)計(jì)參數(shù)。陳俊等[13]數(shù)值研究了二元塞式噴管的紅外輻射特征及塞錐壁面降溫對(duì)噴管紅外輻射特征的影響規(guī)律。張靖周[14]等采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)比分析了塞錐后體氣膜孔幾何形狀和排布方式對(duì)軸對(duì)稱塞式噴管紅外輻射和氣動(dòng)性能的影響。王旭等[15]計(jì)算研究了矢量偏轉(zhuǎn)角和塞錐長(zhǎng)度對(duì)軸對(duì)稱塞式矢量噴管紅外輻射特性。周兵等[16]試驗(yàn)研究了二元塞式噴管塞錐壁面多斜孔氣膜冷卻對(duì)噴管紅外特征的影響。不過，國(guó)內(nèi)外研究大部分集中在塞式噴管的氣動(dòng)性能及紅外輻射特性計(jì)算方面，對(duì)塞式噴管紅外輻射特性的試驗(yàn)研究較少。

本文利用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征模擬試驗(yàn)臺(tái)，對(duì)二元塞式噴管紅外輻射特性及塞錐冷卻的紅外抑制效果進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并與軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 試驗(yàn)臺(tái)

渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)排氣系統(tǒng)紅外輻射特征模擬試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，主要由內(nèi)涵氣流系統(tǒng)、外涵氣流系統(tǒng)和試驗(yàn)段三部分組成。內(nèi)涵氣流系統(tǒng)主要包括內(nèi)涵氣流風(fēng)機(jī)、燃燒室、點(diǎn)火和供油控制臺(tái)等；外涵氣流系統(tǒng)由外涵氣流風(fēng)機(jī)、導(dǎo)氣軟管(4根)、外涵氣流混合收斂段等組成；試驗(yàn)段主要有中心錐、支板和試驗(yàn)噴管。內(nèi)、外涵氣流風(fēng)機(jī)均可提供1.0 kg/s以上流量，且流量大小可調(diào)。燃燒室為單管燃燒室，其出口氣流溫度通過供油控制臺(tái)調(diào)節(jié)燃油流量控制，可達(dá)800～900 K。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)示意圖Fig.1 The diagram of test facility

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

2.2.1 軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管

為評(píng)價(jià)二元塞式噴管的紅外抑制效果，以軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管為基準(zhǔn)噴管，通過試驗(yàn)對(duì)比分析二元塞式噴管的紅外輻射特性。軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管的幾何結(jié)構(gòu)見圖2，主要由支板、中心錐、內(nèi)外涵分界面、火焰穩(wěn)定器、加力燃燒室壁面和噴管壁面等組成，圖3為模型實(shí)物照片。與真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)有所區(qū)別的是，本試驗(yàn)未模擬渦輪結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)測(cè)量的內(nèi)涵進(jìn)口截面的輻射為單管燃燒室出口的高溫燃?xì)廨椛洹?/p>

圖2 軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 The geometry model of axisymmetric C-D nozzle

圖3 軸對(duì)稱收擴(kuò)噴管試驗(yàn)臺(tái)模型照片F(xiàn)ig.3 The photo of axisymmetric C-D nozzle model

2.2.2 二元塞式噴管

二元塞式噴管試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示，主要由支板、中心錐、內(nèi)外涵分界面、火焰穩(wěn)定器、加力燃燒室壁面、噴管壁面以及塞錐等組成。除噴管壁面與塞錐外，其他部件結(jié)構(gòu)與基準(zhǔn)噴管的通用。二元塞式噴管的喉道和出口面積分別與基準(zhǔn)噴管的相同。塞錐高度約為內(nèi)外涵分界面直徑的60%，可在噴管尾向有效遮擋中心錐、內(nèi)涵(燃燒室燃?xì)廨椛?、火焰穩(wěn)定器等部件的輻射，圖5為模型實(shí)物照片。

圖4 二元塞式噴管試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.4 The experimental model of 2D plug nozzle

圖5 二元塞式噴管試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 The photo of 2D plug nozzle

圖6給出了二元塞式噴管塞錐的冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻氣分別從塞錐上壁面和下壁面的狹縫中流過，狹縫通道高5 mm，以對(duì)流換熱方式對(duì)塞錐壁面進(jìn)行冷卻。為強(qiáng)化對(duì)流換熱效果，在塞錐上、下壁的冷卻通道中各安裝73個(gè)高度3 mm的菱形擾流柱。

圖6 二元塞式噴管塞錐冷卻結(jié)構(gòu)Fig.6 The cooling structure of 2D plug nozzle

3 試驗(yàn)方法

3.1 溫度測(cè)量

投影面積和壁面溫度是影響二元塞式噴管輻射強(qiáng)度的重要因素。為此，在壁面溫度較高且存在投影面積的區(qū)域，主要集中在中心錐、內(nèi)外涵分界面、支板、加力燃燒室壁面、噴管壁面和塞錐后部，共計(jì)布置了42個(gè)熱電偶測(cè)點(diǎn)，如圖7所示。此外，由于火焰穩(wěn)定器壁面較薄，測(cè)點(diǎn)布置和走線難度較大，且經(jīng)過計(jì)算分析在各個(gè)探測(cè)角度火焰穩(wěn)定器輻射貢獻(xiàn)均不超過12%，因此未布置溫度測(cè)點(diǎn)。

圖7 熱電偶布置位置示意圖Fig.7 The thermocouple location on the plug

3.2 流量和壓力測(cè)量

試驗(yàn)中，內(nèi)、外涵氣流分別由兩臺(tái)高壓離心風(fēng)機(jī)提供，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速用電源變頻器控制，通過改變風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量。二元塞式噴管冷卻試驗(yàn)中，采用SLU-M1140型壓電/電容式渦街流量計(jì)測(cè)量冷卻氣流量，并利用SR-LK801型智能流量積算控制儀進(jìn)行溫度和壓力補(bǔ)償。在噴管內(nèi)、外涵進(jìn)口截面上沿周向每隔120°布置一組總壓管(每組總壓管內(nèi)、外涵各3根)，每組總壓管分別測(cè)量3個(gè)不同徑向位置上的內(nèi)、外涵進(jìn)口總壓，共計(jì)18個(gè)總壓測(cè)點(diǎn)。

3.3 紅外輻射特性測(cè)量

采用紅外光譜輻射計(jì)對(duì)3～5 μm波段的中紅外輻射信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。為減少外界環(huán)境對(duì)紅外輻射測(cè)量的影響，試驗(yàn)一般選擇在天氣晴朗、無風(fēng)的晚上進(jìn)行。測(cè)量前分別使用一個(gè)低溫黑體爐(50°C)和一個(gè)高溫黑體爐(300°C)對(duì)光譜輻射計(jì)進(jìn)行標(biāo)定，具體標(biāo)定方法參見文獻(xiàn)[17]。

為得到二元塞式噴管紅外輻射特性的空間分布規(guī)律，分別對(duì)噴管窄邊探測(cè)面和寬邊探測(cè)面的輻射進(jìn)行了測(cè)量。如圖8所示，探測(cè)點(diǎn)的探測(cè)角α定義為探測(cè)器與發(fā)動(dòng)機(jī)噴管出口的連線與發(fā)動(dòng)機(jī)軸線的夾角；每個(gè)探測(cè)平面內(nèi)布置10個(gè)探測(cè)點(diǎn)，分別是α=0°、5°、10°、15°、20°、30°、45°、60°、75°、90°，且測(cè)點(diǎn)到噴管出口中心的距離為34.5 m。

圖8 探測(cè)點(diǎn)的設(shè)置Fig.8 The setting of probe points

3.4 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)主要工況參數(shù)如表1所示，內(nèi)涵進(jìn)口流量1.0 kg/s、溫度 830 K，外涵進(jìn)口流量 0.3 kg/s、溫度330 K。環(huán)境壓力101 325 Pa，溫度287 K。冷卻氣由空氣壓縮機(jī)提供，溫度約為25°C，流量分別為0.018 4 kg/s(2.8%噴管總流量(大冷卻))和0.006 7 kg/s(1.0%噴管總流量(小冷卻))。

表1 試驗(yàn)工況Table 1 The test conditions

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 溫度

圖9給出了不同冷卻工況下二元塞式噴管各測(cè)點(diǎn)的溫度。由圖可看出：無冷卻工況，中心錐溫度最高，范圍為763～790 K；由于外涵低溫氣流的沖刷，支板處于外涵部分的溫度比其處于內(nèi)涵部分的溫度低270 K；加力燃燒室壁面及噴管壁面溫度沿氣流方向不斷升高；塞錐溫度沿氣流方向不斷降低，且塞錐中部溫度高于兩側(cè)。相比于無冷卻工況，小冷卻工況下中心錐、支板及內(nèi)外涵分界面等的測(cè)點(diǎn)溫度基本不變，加力燃燒室壁面、噴管壁面的測(cè)點(diǎn)溫度則分別降低了約30 K和50 K，這主要是塞錐冷卻后輻射到加力燃燒室壁面、噴管壁面的能量減少。塞錐各測(cè)點(diǎn)溫度分布趨勢(shì)與無冷卻工況時(shí)的相同，但平均溫度降低了約100 K。大冷卻工況時(shí)，相比于無冷卻和小冷卻工況，中心錐、支板及內(nèi)外涵分界面等溫度變化不大，加力燃燒室壁面和噴管壁面溫度更低(略低于小冷卻工況)，塞錐壁溫分布趨勢(shì)相同(平均溫度比無冷卻工況降低了約180 K)。

圖9 不同冷卻工況下各測(cè)點(diǎn)的溫度Fig.9 The temperature values of each probe point under different cooling conditions

4.2 光譜輻射強(qiáng)度

圖10、圖11分別給出了不同工況下窄邊探測(cè)面和寬邊探測(cè)面內(nèi)不同探測(cè)角度上二元塞式噴管紅外光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果，并與基準(zhǔn)噴管進(jìn)行了對(duì)比?？梢?，基準(zhǔn)噴管和二元塞式噴管在無冷卻、小冷卻、大冷卻工況下的光譜輻射強(qiáng)度Iλ隨波長(zhǎng)λ的變化規(guī)律類似，噴管的紅外光譜輻射由3.00～4.15 μm和4.60～5.00 μm波段的固體輻射，以及4.15～4.60 μm波段的燃?xì)廨椛鋬刹糠纸M成。第一部分，由于H2O的吸收-發(fā)射性作用，3.00～3.40 μm和4.70～5.00 μm波段光譜分布產(chǎn)生了一些波動(dòng)。第二部分的燃?xì)廨椛渲饕蒀O2的吸收-發(fā)射性作用產(chǎn)生。α=75°之前均存在較大的固體輻射，但隨著探測(cè)角度的增加，固體輻射先增加后減小，燃?xì)廨椛渲饾u增加。α=90°時(shí)，隨著探測(cè)角度的增加，CO2的吸收發(fā)射帶的寬度逐漸變窄，這主要是因?yàn)閲姽芮惑w內(nèi)的溫度高于出口外的溫度，隨著探測(cè)角度的增大可探測(cè)的高溫氣體份額逐漸減少所致。

由圖10和圖11給出的各探測(cè)角度上光譜輻射強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果可以看出：對(duì)于二元塞式噴管，隨著冷氣流量的增加噴管的固體輻射強(qiáng)度不斷降低。在窄邊探測(cè)面內(nèi)，無冷卻工況的輻射在大部分探測(cè)角范圍均高于基準(zhǔn)噴管，主要是由于在這些探測(cè)角度上，相比于基準(zhǔn)噴管，塞錐在未冷卻的情況下增加了整個(gè)噴管的高溫壁面投影面積，從而顯著增加了噴管3.00～4.15 μm和4.60～5.00 μm波段的固體輻射。與無冷卻工況類似，小冷卻工況的輻射在大部分探測(cè)角度(除了α=20°)上小于基準(zhǔn)噴管。而大冷卻工況，由于塞錐冷卻后輻射能量大幅降低，同時(shí)塞錐遮擋了噴管腔體內(nèi)其他高溫部件，因此在α=0°～90°范圍內(nèi)其輻射均小于基準(zhǔn)噴管。在寬邊探測(cè)面內(nèi)，無冷卻工況的輻射在α＞10°范圍內(nèi)均大于基準(zhǔn)噴管；小冷卻工況和大冷卻工況的輻射分別在α=20°～45°和α=20°～30°范圍內(nèi)高于基準(zhǔn)噴管，而在其他探測(cè)角度上冷卻工況的輻射均低于基準(zhǔn)噴管。

圖10 不同工況窄邊探測(cè)面紅外光譜輻射強(qiáng)度對(duì)比Fig.10 The comparison of infrared radiation spectra intensity with different cooling airflow in narrow detecting planes

4.3 積分輻射強(qiáng)度分布

圖12給出了窄邊探測(cè)面和寬邊探測(cè)面內(nèi)二元塞式噴管無冷卻、小冷卻和大冷卻工況下的紅外積分輻射強(qiáng)度分布，并與基準(zhǔn)噴管進(jìn)行了對(duì)比。由圖可見：冷卻工況和無冷卻工況下，二元塞式噴管紅外積分輻射的空間分布趨勢(shì)基本相同，隨著冷氣流量的增加噴管的紅外積分輻射強(qiáng)度不斷降低。在α=0°方向上，相比基準(zhǔn)噴管，二元塞式噴管無冷卻工況的輻射強(qiáng)度降低了12.1%，小冷卻工況的輻射強(qiáng)度降低了40.8%，大冷卻工況的輻射強(qiáng)度降低了51.2%。這主要是由于塞錐遮擋了中心錐、內(nèi)涵、火焰穩(wěn)定器等高溫部件，且通過冷卻降溫后塞錐本身輻射也顯著降低。隨著探測(cè)角度的增加，氣體輻射對(duì)噴管總輻射的貢獻(xiàn)逐漸增加，塞錐冷卻對(duì)噴管紅外輻射的抑制效果逐漸減弱。窄邊探測(cè)面內(nèi)，除了在α=15°～22°小范圍外小冷卻工況的輻射強(qiáng)度均低于基準(zhǔn)噴管，大冷卻工況的輻射在α=0°～90°范圍內(nèi)均明顯比基準(zhǔn)噴管的小。寬邊探測(cè)面內(nèi)，相比于基準(zhǔn)噴管，小冷卻工況在 0°≤α＜20°和 40°＜α≤90°方向上均具有紅外抑制效果，大冷卻工況的輻射在α=0°～90°范圍內(nèi)均明顯較小。

圖11 不同工況寬邊探測(cè)面紅外光譜輻射強(qiáng)度Fig.11 The infrared radiation spectra intensity in wide detecting planes under different operation conditions

5 結(jié)論

通過對(duì)二元塞式噴管有、無冷卻結(jié)構(gòu)紅外抑制特性的試驗(yàn)研究，得出如下主要結(jié)論：

(1) 不采取冷卻措施，相比于基準(zhǔn)噴管，在探測(cè)角小于10°范圍，二元塞式噴管具有紅外抑制效果，且探測(cè)角0°方向上輻射強(qiáng)度降低了12.1%。

圖12 各工況紅外積分輻射強(qiáng)度Fig.12 The infrared radiation integral intensity under different operation conditions

(2) 冷氣流量為1.0%總流量時(shí)，相比于無冷卻工況塞錐溫度降低了約100 K，窄邊探測(cè)面內(nèi)大部分探測(cè)角范圍(0°≤α≤15°和 22°＜α≤90°)，二元塞式噴管的紅外抑制作用明顯，寬邊探測(cè)面0°≤α＜20°和 40°＜α≤90°探測(cè)范圍均具有紅外抑制效果。在α=0°方向上，相比于基準(zhǔn)噴管，輻射強(qiáng)度降低了40.8%。

(3) 冷氣流量為2.8%總流量時(shí)，相比于無冷卻工況塞錐溫度降低了約180 K，所有探測(cè)角度上二元塞式噴管的紅外抑制效果顯著。在探測(cè)角0°方向上，相比于基準(zhǔn)噴管，輻射強(qiáng)度降低了51.2%。