OpenGL在红外辐射计算中的应用

提出一种将OpenGL应用在目标红外辐射特性计算中,从而实现目标红外辐射特性可视化计算的方法.由于OpenGL可用于构造三维模型,进行三维图形交互软件的开发;因而将其引入红外辐射特性计算中可解决复杂目标计算问题,而且图形硬件的消隐能力避免了遮挡计算并使计算以所见即所得的方式实现可视化.针对目标红外辐射特性中的自身辐射和目标对太阳光的反射部分,分别运用光照模型中发射光和漫反射的特性,以像素的颜色获取温度参数和法矢从而实现可视化计算.用一个简单标准体模型进行验证,计算结果表明了该方法的有效性和可行性.     

某类跨大气层飞行器全航程红外辐射特性分析

针对某类跨大气层飞行器飞行过程中需要进出大气层,且飞行速度跨度大等特点,建立了不同空域、不同飞行速度下的机体头部受热模型。当在大气层内飞行时分别使用经验公式和Lees公式计算马赫数小于5和大于5时头部受热情况,当在大气层外飞行时建立了考虑太阳直射、地球反照和地球红外加热情况下的受热模型。利用普朗克定律得到了相同温度下不同波段的红外辐射能量占比情况。最后利用本文方法对某类跨大气层飞行器进行了温度和红外辐射计算,得到的计算结果能够大致反映全航程头部温度和红外辐射变化情况。     

太阳同步轨道卫星光学特性

为了分析太阳同步轨道卫星的光学特性,对FY-1卫星的可见光和红外波段光学信号进行了仿真计算和模拟试验验证.通过对外部辐射及内部热源的分析,计算了卫星的温度场,采用随机起伏表面算法模拟表面覆盖材料外表面,通过阴影遮挡判断及双向反射分布函数(BRDF, Bi-directional Reflectance Distribution Function)模型计算卫星对外部辐射的反射特性,编程计算得到在可见光0.4~1.0μm和红外8~14 μm,14~16 μm波段下卫星的光学特性.结果表明红外辐射亮度与表面温度相关,8~14 μm最大约90 W/(m²·sr)、14~16 μm最大约20 W/(m²·sr).空间可见光辐射强度具有明显的镜面反射效应,卫星主体峰值2 200 W/sr.通过地面模拟测量空间目标的温度和红外辐射验证了温度及红外辐射仿真计算模型,可见光辐射强度仿真计算结果与地面模型卫星测量结果误差在20%以内.     

飞行弹丸红外特性的地面模拟试验

设计并建立了用于飞行弹丸中段飞行状态实验室模拟的试验系统,测量获得了飞行弹丸的红外辐射特性.基于传热与辐射理论,分析了相关参数对实验结果的影响,获得飞行弹丸在一定飞行状态下的辐射特性变化规律.目标的初始温度和辐照条件是影响目标辐射特性的主要因素,自旋状态影响辐射特性的空间分布.试验测量与数值仿真和理论分析结果均具有很好的一致性,证明在实验室开展飞行弹丸的红外辐射特性模拟试验具有可行性.     

武装直升机红外辐射计算中多重遮挡处理

针对武装直升机红外辐射计算中任意方向上可视净面积求取问题,提出了一种基于随机模拟的遮挡处理方法.该方法利用曲面造型方法建立直升机的三维模型,并将其离散为四边形面元,采用翼边拓扑结构描述直升机外形的数学模型.在此基础上,基于可见性测试、深度测试和遮挡测试原理对空间多边形面元进行遮挡判断,求出其遮挡面元集,再利用随机变量的统计方法对该多边形进行遮挡计算,求得净面积.对某型武装直升机和简单形体的计算表明,通过合理划分面元数和选取随机点数, 简单目标计算误差可以控制在5%以内,复杂目标可以控制在工程精度要求内.该方法已应用于武装直升机红外辐射特性计算软件中,应用表明该方法稳定、可靠,适于工程分析.      

冕洞网络的大气模型

本文采用非径向磁流管位形的假设,计算了太阳冕洞网络部分的色球-日冕过渡区的能量平衡模型。所考虑的能量流包括辐射、传导、对流和机械波加热（如阿尔芬波）,计算结果表明在冕洞网络部分的过渡区中,电子温度T和密度N分别比宁静太阳中的值低60%和2倍,而其过渡区的厚度比宁静太阳中的大4倍。这种大气模型可满意地解释T≥105K范围的远紫外观测发射量度的分布。另外我们也发现在冕洞大气的过渡区中,阿尔芬波加热似乎不能忽略,尤其是在冕洞的过渡区底部,它的加热作用可能会超过热传导。在冕洞大气中,由于波动量的淀积而产生的对流能损耗也是重要的,在过渡区底部650km以上,对流能损耗逐渐超过辐射损耗。      

一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

基于某型导引头对目标体红外辐射特性和运动特性的仿真需求,研制了基于面源黑体的红外动态模拟靶标,用于模拟无穷远处的设定目标与背景温差,以及目标体在视场中的动态变化。介绍了该红外动态模拟靶标的基本原理、主要组成以及硬件系统设计和软件实现情况,并对其红外成像辐射特性以及动态性能指标进行了实验验证。     

一种基于面源黑体的某型红外动态模拟靶标研制

基于某型导引头对目标体红外辐射特性和运动特性的仿真需求,研制了基于面源黑体的红外动态模拟靶标,用于模拟无穷远处的设定目标与背景温差,以及目标体在视场中的动态变化。介绍了该红外动态模拟靶标的基本原理、主要组成以及硬件系统设计和软件实现情况,并对其红外成像辐射特性以及动态性能指标进行了实验验证。     

巡航导弹红外辐射及大气衰减计算模型

对巡航导弹3个主要辐射源:蒙皮、尾喷管及羽流进行了深入分析,建立了巡航导弹红外辐射计算模型.此外,在红外辐射的大气传输理论基础上,综合考虑高度、倾斜及气象条件等各种因素,分析了大气衰减对红外辐射的影响,建立了大气透过率的理论模型与计算方法.最后,以某型号巡航导弹为例,利用此模型计算了3~5μm和8~12μm两个波段的红外辐射强度、大气光谱透过率和平均透过率,以及经过大气衰减后的红外辐射强度,并对计算结果进行了分析.结果表明,这是一种计算巡航导弹红外辐射的简单方法.      

空间材料科学实验中的X光三维成像仿真

用于空间材料科学研究的X射线观察设备已列入空间站材料科学实验规划,仿真实现X光三维成像的流程可为X射线观察设备的研制提供设计依据.仿真流程主要包括三个步骤:使用锥束X光照射被扫描对象并旋转对象,获取多角度下的投影影像;根据投影影像和几何信息重建扫描对象,获取对象空间点数据;将扫描对象三维显示出来.使用线衰减系数不同且相互重叠的多个椭球组成的三维Shepp-Logan模型对算法进行了仿真测试,仿真结果能很好地将模型重建并显示出来.      

First-order feasibility analysis of a space suit radiator concept based on estimation of water mass sublimation using Apollo mission data

Thermal control of a space suit during extravehicular activity (EVA) is typically accomplished by sublimating water to provide system cooling. Spacecraft, on the other hand, primarily rely on radiators to dissipate heat. Integrating a radiator into a space suit has been proposed as an alternative design that does not require mass consumption for heat transfer. While providing cooling without water loss offers potential benefits for EVA application, it is not currently practical to rely on a directional, fixed-emissivity radiator to maintain thermal equilibrium of a spacesuit where the radiator orientation, environmental temperature, and crew member metabolic heat load fluctuate unpredictably. One approach that might make this feasible, however, is the use of electrochromic devices that are capable of infrared emissivity modulation and can be actively controlled across the entire suit surface to regulate net heat flux for the system. Integrating these devices onto the irregular, compliant space suit material requires that they be fabricated on a flexible substrate, such as Kapton film. An initial assessment of whether or not this candidate technology presents a feasible design option was conducted by first characterizing the mass of water loss from sublimation that could theoretically be saved if an electrochromic suit radiator was employed for thermal control. This is particularly important for lunar surface exploration, where the expense of transporting water from Earth is excessive, but the technology is potentially beneficial for other space missions as well. In order to define a baseline for this analysis by comparison to actual data, historical documents from the Apollo missions were mined for comprehensive, detailed metabolic data from each lunar surface outing, and related data from NASA’s more recent “Advanced Lunar Walkback” tests were also analyzed. This metabolic database was then used to validate estimates for sublimator water consumption during surface EVAs, and solar elevation angles were added to predict the performance of an electrochromic space suit radiator under Apollo conditions. Then, using these actual data sets, the hypothetical water mass savings that would be expected had this technology been employed were calculated. The results indicate that electrochromic suit radiators would have reduced sublimator water consumption by 69.0% across the entire Apollo program, for a total mass savings of 68.5 kg to the lunar surface. Further analysis is needed to determine the net impact as a function of the complete system, taking into account both suit components and consumable mass, but the water mass reduction found in this study suggests a favorable system trade is likely.     

Theoretical performance analysis of electrochromic radiators for space suit thermal control

Variable emissivity electrochromics have been proposed as an enabling technology for integrating a radiator capability into a space suit in order to augment or replace the traditional means of heat rejection achieved via water sublimation. Thermal analysis was performed to establish design trade spaces and to provide operational guidelines and performance specifications for electrochromic technology development. Based on using the available surface area of an entire space suit as a radiator and the projected infrared emissivity modulation capability of state-of-the-art electrochromic material, the proposed application for space suit heat rejection suggests the potential exists to reduce or eliminate reliance on water consumption for thermal control within a defined range of metabolic and environmental boundary conditions.     

纳卫星热系统的在轨动态特性分析与建模

纳卫星热系统是在复杂空间热环境下实现纳卫星被动热控制任务的基本技术途径,对其进行在轨动态特性分析与建模对纳卫星的热控方法与效果研究及评价具有重要意义.通过详尽的机理分析建立了描述纳卫星热系统在轨飞行过程中瞬态温度变化的3维非线性动态特性模型,阐述了与之配套的外热流分析与轨道运动计算方法,并以一太阳同步轨道纳卫星为例,对其飞行过程中的外热流变化、在轨温度变化响应等动态特性进行了详细的分析和讨论,为进一步深入研究纳卫星热控制、热管理理论及技术提供了简便的分析计算模型与方法.      

地气光辐射对空间目标成像特性影响分析

为分析地气光辐射对空间目标成像特性的影响,以地球同步轨道(GEO)卫星搭载的可见光成像器为探测平台,利用卫星工具包(STK)设计高椭圆轨道(HEO)及近地轨道(LEO)目标运动场景,根据空间目标、地球、太阳、探测平台之间的位置关系,采用微元法建立空间目标与地气光背景等效星等模型,推导出空间目标信噪比(SNR)计算公式。分析了距离、角度参数变化对不同轨道空间目标、地气光背景等效星等及空间目标信噪比的影响。仿真结果表明:当探测平台距离空间目标较远时,地气光背景等效星等低于空间目标等效星等,地气光辐射比空间目标信号强。当地气光辐射进入和离开空间目标探测视场时,空间目标信噪比最大,该时间段是进行空间目标探测的最佳“观测窗口”。仿真得出的空间目标信噪比值为空间目标探测识别提供了理论计算依据。      

探测地球自然灾害的一种方法

通过探测地球整体的辐射温度变化,即在空间把地球作为一个辐射点源对待,同时又将地球分成几百个局部,视为一个面源,进行实时的比较;又分别对太阳和宇宙背景的辐射温度变化进行测量,来了解地球表面和地气的热温度状况和太阳对地球、对宇宙背景能量传输的情况。从而研究地球上大规模灾害性事件(包括火山的爆发、地震、大气环流、气候变异等…)在整个地球上所能反映的热温度效应。探测地球在宇宙空间非平衡热状况下(太阳温度6000K;地球温度300K;空间背景3K)的耗散结构,研究在这种状况下物理力学的一些自会聚和自组织现象(即地球上灾害性事件形成过程),形成一门非平衡宇宙热力学,并使之成为一门实验科学。文章着重介绍为此目的实施的探测方法和其应用前景。     

基于STK的空间目标可见光散射特性建模与仿真

为给天基光学观测系统的设计和性能研究提供数据支持, 建立了基于STK的天基 探测空间目标等效星等计算模型. 选用双向反射分布函数(BRDF)五参量计算模 型, 分析了空间目标面元的可见光散射特性; 根据目标几何结构尺寸和物性参 量等建立目标几何模型, 对该模型进行面元划分, 推导了空间目标在天基观测 系统入瞳处的等效星等计算公式; 结合卫星工具包(STK)提供的太阳、目标卫 星、观测卫星三者的关系数据, 建立了基于STK的易于求解的目标星等计算模 型, 对此模型进行实例仿真和分析, 并与漫反射计算模型进行比较. 结果表 明BRDF模型得到的辐照度曲线比漫反射模型更曲折且存在峰值现象, 更符合 目标表面材料的实际特性, 此外, 与STK的结合运用, 使其可更加方便快捷地获得目 标最佳观测时段及相应的等效星等.      

舱外航天服空间热流分析计算

进行了舱外航天服的被动热防护性设计,了解其空间辐射换热及空间热流.分析了舱外航天服空间热交换的特点及其真空屏蔽绝热层的隔热性能,确定了航天服、地球、飞船及太阳照射方向的4种典型相对位置关系,对各相对位置下航天服的空间辐射外热流进行了分析,并建立了空间热流的计算方法,对航天服表面最大得热与漏热进行了求解.最终计算结果表明:航天服被动热防护性能对空间热流的影响很大.进行被动热防护设计首先应提高隔热性能,并适当减小表面太阳辐射吸收率与表面黑度的比值.     

空间目标表面包覆材料褶皱对光散射特性的影响

空间目标表面包覆材料的不规则褶皱对其光散射特性具有显著影响.对空间目标表面褶皱进行分类并分析不规则褶皱形成的主要原因.以金聚酰亚胺薄膜样片为研究对象,搭建样片辐射亮度测量系统,获取不同褶皱程度样片的辐射亮度数据.将辐射亮度转换为星等进行分析发现,理论计算与实验测量得到的星等曲线趋势存在较大差异,主要表现为:平面材料的单一镜面反射现象消失;样片在多个角度上出现分散的较强散射点;褶皱程度越高,分散的强散射点越多.结果表明,在对空间目标的光散射特性进行数值计算时,必须充分考虑表面包覆材料褶皱的影响,根据褶皱情况修正数值计算模型,这对空间目标的探测和识别具有重要意义.