金 亮，張昊春，李 森，馬 壯

(哈爾濱工業(yè)大學 能源科學與工程學院，黑龍江 哈爾濱，150001)

引言

在過去的很長時間里，對飛行器目標的探測主要依靠于雷達探測。但是由于目前飛行器采用更多的隱形材料，對雷達具有屏蔽性，探測有效性大大降低。隨著紅外探測技術(shù)的發(fā)展，由于機動性高、被動探測、探測精度高、不受無線電干擾等優(yōu)勢，使得紅外探測能顯著彌補雷達對飛行器目標探測能力的不足[1]。由于飛行器機身在高速飛行中會與空氣相摩擦從而產(chǎn)生大量的熱，并且受到來自太陽、地表和大氣背景的輻射，所以機身會產(chǎn)生強烈的紅外輻射。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中飛行器紅外輻射強度的強弱直接影響其生存，所以飛行器目標隱身技術(shù)研究的重要方向之一是開展飛行器目標紅外輻射特性抑制技術(shù)的研究[2]。

飛機蒙皮紅外輻射特性領域的相關研究成果由于保密需要，關鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)并未公開。西方國家很早開展了飛行器紅外輻射研究，目前較為成熟的紅外輻射特性計算軟件有NIRATAM、SIRUS、NTCS等[3]。Mahulikar分析了飛機輻射源的主要分布[4]。Sidonie Lefebvre等人根據(jù)飛機具體的飛行環(huán)境，忽略了部分影響較小的因素并結(jié)合蒙特卡羅法分析了典型環(huán)境對飛機紅外輻射的影響[5]。Reinov等人開展了商用飛機的紅外輻射特性計算，通過半經(jīng)驗辦法提取了排氣管、尾焰和熱部件的實驗數(shù)據(jù)[6]。Willers結(jié)合開源軟件OSMOSIS系統(tǒng)研究了不同大氣背景輻射在近紅外、中紅外、遠紅外波段等波段對飛機輻射特征造成的影響[7]。哈爾濱工業(yè)大學的夏新林等人采用熱網(wǎng)格法分析蒙皮熱量傳遞，利用FLUENT軟件計算氣動對流換熱，得到較為精細的飛機蒙皮溫度分布[8]。北京航空航天大學的劉娟采用工程算法和半經(jīng)驗模型計算了多種條件下飛機的紅外輻射[9]?？哲姽こ檀髮W的李慎波等人在綜合考慮氣動對流作用、環(huán)境輻射、蒙皮傳導等因素的基礎上建立了熱網(wǎng)格方程，導出熱流密度函數(shù)作為浮動的熱邊界條件計算出機體總輻射[10]。

目前在飛機紅外輻射領域，對運輸機紅外輻射特性的研究十分有限，相對于其他戰(zhàn)斗飛機，運輸機翼展更大，機身更長，機體更寬，所以在運輸機整體紅外輻射特性計算中，飛機蒙皮產(chǎn)生的紅外輻射能量所占比重更大。本文以某型號運輸機為模型，分析了蒙皮在紅外(8 μm～12 μm)波段正前方和正側(cè)方的紅外輻射強度分布。

1 運輸機紅外輻射特性模型

氣動加熱主要是因為運輸機在高速運動中，氣流的一部分動能將不可逆地轉(zhuǎn)變成熱能，在蒙皮表面形成一種所謂的熱層，與其進行換熱[11]。目前對于飛機紅外輻射計算主要有兩種方法[12-13]。第一種是基于經(jīng)驗公式計算：

(1)

這種方法只求出恢復溫度Tr作為蒙皮的溫度，對飛行器內(nèi)外部熱環(huán)境的耦合作用沒有深入了解。第二種方法是建立飛機機體的三維模型，基于流場計算軟件計算。此類方法計算精度高，能獲得飛機在各個狀態(tài)下的光譜輻射特性。

1.1 三維建模及流場計算

本文參照C-17戰(zhàn)略運輸機相關數(shù)據(jù)進行幾何模型建立。C-17采用了大型運輸機的常規(guī)布局，其中機翼為懸臂上單翼，前緣后掠角為25度，懸臂為T行尾翼[14]。具體參數(shù)見表1。

表1 模型幾何參數(shù)

實際的運輸機結(jié)構(gòu)非常復雜，這會導致仿真計算和數(shù)值模擬的難度，并且使工作量變得繁重。在后續(xù)的紅外仿真中并不需要運輸機的一些精細結(jié)構(gòu)。所以在建立運輸機幾何模型時，進行了適當?shù)暮喕幚?。首先通過SolidWorks建立某型號運輸機的三維幾何模型，如圖1所示。并對機體和外流場進行網(wǎng)格劃分。飛機機體表面采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格進行劃分，并在外流場與機體耦合處進行網(wǎng)格加密處理，如圖2所示。

圖1 運輸機幾何模型Fig.1 Geometry model of transport plane

圖2 流場仿真區(qū)域網(wǎng)格Fig.2 Mesh of flow field simulation area

設置以下邊界條件：

1) 飛機外流場為壓力遠場，無反射特性；機身蒙皮為固體壁；氣體流動沿X軸正方向流動，飛機機頭指向X軸負方向。

2) 將氣體看成理想狀態(tài)，忽略重力和輻射作用的影響，遵守理想氣體方程和能量守恒方程。

(2)

式中：右邊前兩項為湍流黏性的生成項和解體項；btrip是自定義的原項；d為壁面的距離；dT表示從轉(zhuǎn)捩點算起的距離；右邊最后的一項是耗散項，其中σ和Cb2分別表示湍流普朗特數(shù)和校正常數(shù)。S-A模型的詳細內(nèi)容及其他符號定義參見文獻[15]。

4) 方程采用二階迎風差分格式進行離散，耦合求解，方程組的解收斂的判別標準取殘差小于1E-4。

5) 運輸機飛行高度為10 km，環(huán)境大氣壓為25 000 Pa，環(huán)境溫度為210 K。流場計算得到了0.5、0.8和1馬赫數(shù)下運輸機蒙皮溫度分布，如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 0.5馬赫時飛機蒙皮溫度分布/KFig.3 Temperature field of skin at 0.5 Mach

圖4 0.8馬赫時飛機蒙皮溫度分布/KFig.4 Temperature field of skin at 0.8 Mach

圖5 1馬赫時飛機蒙皮溫度分布/KFig.5 Temperature field of skin at 1 Mach

從圖3、圖4和圖5可以看出，同樣的大氣環(huán)境下，運輸機蒙皮溫度隨著飛行速度的增加而顯著提高。原因在于隨著運輸機飛行速度的增加，空氣與運輸機蒙皮的摩擦越來越劇烈，氣動加熱效果越來越顯著。針對于蒙皮的溫度分布特點我們可以看出，機頭前端、機翼前緣、發(fā)動機罩的溫度明顯高于運輸機其他部位，這是因為這些部位劇烈壓縮空氣導致，機身溫度提升是因為與空氣摩擦所導致。

2 蒙皮輻射強度計算

2.1 紅外輻射計算理論模型

根據(jù)普朗克定律，蒙皮單個面元的光譜輻射出射度為

(3)

式中：λ為波長；T為絕對溫度；c1為第一輻射常數(shù)；c2為第二輻射常數(shù)。

為了準確獲得運輸機蒙皮的紅外輻射強度，應先確立視線方向。在t時刻把沿視線方向可以觀察到的所有面元的輻射強度進行積分，即可得到總蒙皮的輻射強度：

(4)

式中：ε為面元發(fā)射率，本文均取0.98；Ai為面元i的面積；Mi為面元i的光譜輻射出射度；ωi為面元i外法線與視線的夾角。

2.2 面源遮擋判斷

運輸機機體蒙皮比較復雜，不同視線方向上部分面元之間會造成相互遮擋。其中遮擋判斷主要分為兩種情況：1) 面元與觀測點分布于機體兩側(cè)；2) 面元與觀測點位于同一側(cè),但是其他面元對目標面元造成遮擋。計算流程圖如圖6所示。

圖6 面元遮擋判斷計算流程Fig.6 Calculation process of judging surface occlusion

首先計算面元i的外法線方向向量與視線方向向量的夾角，視線方向為觀察點到面元的方向：

(5)

如果sign>0，說明面元與觀察點不在同一側(cè)，面元不可見。其次針對目標面元i，再判斷其余面元是否為遮擋面元。觀察點到目標面元i中心點的射線可以設為：

L(t)=L0+t·u

(6)

式中：L0為觀察點坐標；u為視線方向單位向量，t∈[0,∞]。

先計算射線與目標面元i的交點t1。再計算射線與疑似遮擋面元n是否存在交點，若存在交點，求出交點t2。判斷交點是否在目標面元i與觀察點之間。若t2>t1說明射線先經(jīng)過目標面元后經(jīng)過疑似遮擋面元，所以不存在遮擋。相反，則要判斷交點是否在疑似遮擋面元內(nèi)。將交點t2與疑似遮擋面元的各個頂點連接建立向量，順時針相鄰兩個向量求叉積，如果各個叉積符號相同說明交點t2在疑似遮擋面元內(nèi)，對目標面元造成遮擋，反之不遮擋。

3 計算結(jié)果

根據(jù)上述模型，本文編寫了紅外輻射特性計算程序。獲得了運輸機蒙皮分別在方位角0°、60°、90°、180°，天頂角0°至180°范圍內(nèi)3種馬赫數(shù)下運輸機蒙皮總的紅外輻射強度，探測示意圖見圖7，計算結(jié)果如圖8所示。

從圖8可得以下結(jié)論：在運輸機正前方和正后方探測時紅外輻射強度隨天頂角先增大后減小，均在天頂角90°時取得最小值，這是因為在這個角度下，可探測到的部分只有機頭和機翼與尾翼的前緣或后緣部分。這幾部分面積占飛機蒙皮總面積的比例很小，所以探測器接收到的能量很小。蒙皮溫度對機體紅外輻射強度值影響很大，因此降低蒙皮溫度或者蒙皮發(fā)射率對抑制蒙皮紅外輻射強度有顯著效果。

圖7 前向和正側(cè)方觀測角度分布Fig.7 Distribution at forward and side observation angle

圖8 方位角為0°、60、90°和180°時3種馬赫數(shù)下紅外輻射強度Fig.8 IR radiation intensity with 3 Mach at φ=0°, φ=60°, φ=90° and φ=90°

4 結(jié)論

本文通過建立運輸機的實體模型、紅外輻射模型，應用數(shù)值模擬的方法計算了飛機在不同馬赫數(shù)飛行的流場，獲得機體表面溫度場，計算得到飛行狀態(tài)下飛機蒙皮零距離紅外輻射強度。主要得到以下結(jié)論：

1) 馬赫數(shù)對紅外輻射強度影響非常大，方位角0°時，相對于0.5馬赫，1馬赫飛行狀態(tài)時，紅外輻射強度增加32%，氣動加熱為其輻射強度的主要貢獻源；

2) 當正前方或正后方探測時，紅外輻射強度峰值隨天頂角接近對稱分布；側(cè)方探測時，天頂角對紅外輻射強度影響較小，紅外輻射強度分布較為平均；

3) 針對運輸機幾何模型進行了全尺寸的外流場計算和紅外輻射強度計算，該方法和結(jié)果可為未來運輸機紅外隱身設計提供理論依據(jù)。