涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性数值研究

红外隐身技术对提高未来战机战场生存力具有重要意义,发动机排气系统是飞机后半球的主要红外辐射源。为了研究涡扇发动机引射喷管的红外辐射特性,结合引射喷管的CFD计算,采用离散传递法计算红外辐射强度,研究了普通引射喷管以及带5°下倾角的引射喷管后半球3～5μm以及8～14μm波段的红外辐射强度空间分布规律,并与相似尺寸的涡扇/涡喷发动机收缩喷管进行比较。结果表明：在探测角度较大时,涡扇发动机引射喷管的红外辐射强度较收缩喷管小20%左右;引射喷管结构上的非对称性导致红外辐射强度角向分布也呈现非对称性特征;8～14μm波段与3～5μm波段的红外辐射空间分布规律基本相同,但辐射能量小40%左右。     

红外焦平面列阵成像技术在靶场测量中的应用

本文在分析靶场目前使用的红外系统局限性和焦平面列阵成像技术的优势基础上,研究了战略导弹红外辐射测量、实况记录、外弹道测量对红外焦平面列阵成像技术的需求以及主要战术技术指标。笔者认为:靶场测量需要红外焦平面列阵成像技术的支持;需用1～3μm、3～5μm、8～14μm三个波段;焦平面的像元素达到512×512、1024×1024能满足测量任务的要求,但某些场合下256×256元的器件也能使用。     

直升机发动机舱通风、遮挡和隔热对红外辐射特性的影响

为了降低直升机发动机舱蒙皮的温度,减弱直升机红外辐射能量,采用数值仿真的方法研究其处于悬停状态、考虑了旋翼下洗作用的发动机舱蒙皮温度场和直升机红外辐射特性.针对基准发动机舱结构提出了在舱内加设辐射遮挡套、增开通风百叶窗、排气管尾缘修型和蒙皮内侧敷设隔热层等改进方案,研究了上述改进方案对直升机发动机舱蒙皮温度场和红外辐射特性的影响,得到了如下结论:①在发动机舱内加设辐射遮挡套后,整机侧向探测方位角内3~5μm红外辐射强度出现了约25%的增幅,8~14μm波段红外辐射与原始结构相当.②在发动机舱顶部增开通风百叶窗,直升机3~5μm红外辐射低于原始结构约12%,8~14μm波段红外辐射与原始结构相当.③在发动机舱顶部增开通风百叶窗的基础上,对排气管尾缘采取延伸遮挡以及在发动机舱蒙皮内侧敷设隔热层,整机3~5μm波段红外辐射的最大值下降约70%,8~14μm波段红外辐射的最大值下降约10%.      

激波管高温空气绝对辐射功率实验测量

利用激波管加热技术,得到1000K～3000K温度范围内的高温空气,利用宽波段能量计、光电探测器以及滤波片等设备,测量出高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内绝对辐射功率,以及中心波长在4.26μm、5.23μm、8.32μm处、单位波长的绝对辐射功率;实验结果表明,在1000K～2000K温度范围内,高温空气宽波段的辐射功率约为60 W/cm~3·MP,且辐射主要集中在21μm～8μm波段范围内;当温度高于2000K以上,辐射功率随着温度的升高增大较快,且辐射向紫外、可见方向移动;在3000K时,高温空气在0.3μm～9μm宽波段范围内的辐射功率约为150W/(cm~3·MP).     

航空发动机排气系统红外辐射特性数值研究

为深入了解航空发动机排气系统各部件对其红外辐射特征的影响,利用CFD/IR数值模拟方法研究了各部件发射率和内锥体温降对排气系统红外辐射特性的影响。结果表明:中心锥、低压涡轮和喷管扩张段是影响排气系统3～5μm波段红外辐射强度的关键部件,喷管扩张段和喷管外罩是影响排气系统8～14μm波段红外辐射强度的关键部件;喷管收敛段发射率的改变对排气系统红外辐射强度几乎无影响。所得结论具有较高的工程应用价值,可为发动机红外隐身设计提供参考。     

低发射率材料涂敷方案对排气系统红外特性的影响

为了研究低发射率材料涂覆方案对排气系统红外特性的影响,建立了航空发动机排气系统模型,制定4种低发射率材 料涂敷方案,将涂敷部位的发射率分别设置为0.3和0.1,针对低发射率材料对航空发动机排气系统3～5 μm和8～14 μm波段的红 外辐射特性的影响进行数值仿真。结果表明：涂敷低发射率材料对排气系统3～5 μm和8～14 μm波段的红外辐射均有明显抑制 作用;在3～5 μm和8～14 μm波段,最优的涂覆方案对红外辐射强度最大值的抑制效果可达56%与37%。对排气系统中的加力 筒体、喷管等部位涂敷低发射率材料,在3～5 μm波段会增大其有效红外辐射强度,在8～14 μm波段会减小喷管的有效红外辐射 强度,增大加力筒体的有效红外辐射强度。     

发动机背负式安装无人机的排气系统红外特征的计算研究

用数值模拟的方法研究了对发动机背负式安装的无人机排气系统的红外辐射特征.排气系统的流场采用商业软件计算,红外辐射特征采用根据离散传递法自行发展的程序进行计算,研究了排气系统在3～5μm波段红外辐射强度的空间分布.在红外辐射计算过程中,考虑了喷管内壁的发射和反射、燃气组分CO₂、H₂O和CO的吸收-发射、后机身结构的遮挡以及大气吸收等影响.结果表明:通过发动机的背负式安装、尾喷口的下遮挡设计及其相对机身的内缩可使排气系统在下半球的红外辐射强度明显降低,但由此也造成了上半球的辐射强度有所增强;大气对该无人机排气系统前半球红外辐射的吸收明显强于后半球.      

固液混合火箭发动机喷焰红外辐射特性分析

为了研究固液混合火箭发动机喷焰在不同飞行状态的红外辐射特性,建立了固液两相状态下喷焰的红外辐射计算模型,获得了喷焰在2~12μm波段的红外辐射.将喷焰的温度、压力、摩尔组分等作为输入条件,米氏散射(Mie)模型计算颗粒相的散射,采用有限体积法(FVM)离散辐射传递方程,利用中分辨率大气辐射传输(MODTRAN)模型计算不同观测距离的大气透过率,编程计算得到不同飞行高度,不同观测方向下喷焰的红外辐射.结果表明喷焰红外辐射亮度与温度分布类似,在2.7~3.0μm和4.2~4.5μm波段范围内的辐射较强,高温粒子在近红外比远红外对总辐射的贡献大,太空与地面观测不同飞行高度的发动机喷焰辐射率因大气衰减的不同而有所差异,可为目标跟踪与发动机设计提供参考.      

导弹蒙皮红外辐射特性的数值计算与分析

采用逆向蒙特卡罗(RMC)计算方法,在给定的飞行状态下分别计算出亚声速与超声速导弹蒙皮辐射源在不同方位角的2～μm、8～14 μm波段红外光谱辐射强度及强度场分布.结果表明:对亚声速导弹,相对于8～14 μm,其2～μm的辐射可忽略不计;对超声速导弹,相对于2～μm,其8～14 μm的辐射只有0%左右,但其绝对值较大而不可忽略不计.导弹的红外辐射在0°～90°探测位置内增加,在90°～180°内减小.大气对低空亚声速导弹辐射衰减作用强,对高空超声速导弹辐射衰减作用弱.超声速导弹的最大辐射强度是亚声速的18倍.      

混合管出口掺混距离对气流温度的影响

就弯曲混合管出口与模型出口之间相对距离的改变,对一体化红外抑制器模型出口混合气流温度的影响进行了数值模拟和分析.并通过实验,对出口间距变化时模型壁面的红外辐射场进行了测量.结果表明,延长混合管出口与模型出口之间相对距离,可以增加混合管热排气与冷却气流的掺混距离,使模型出口混合气流温度峰值下降约42%;但同时会使模型壁面在3～5μm波段和8～14μm波段的红外辐射强度有所增加.      

热化学非平衡流动红外辐射计算分析

首先通过求解热化学非平衡N-S方程的数值模拟方法,获得高焓风洞钝锥体模型的绕流及近尾的高温流场参数.然后从辐射传输方程出发,采用带辐射模型,并利用所获得的流场参数,计算分析了高温流场在λ=3μm-6μm红外波段的辐射,计算和测量结果具有较好的一致性.该项研究为今后进一步研究高温非平衡气体辐射特性奠定了基础.     

对流辐射板抑制涡扇发动机热喷流红外辐射的实验

用对流辐射换热板来降低混合排气涡扇发动机热喷流的红外辐射,并在涡扇发动机热喷流模拟实验台上进行了实验研究.测量了安装对流辐射换热板前后,轴对称喷管的热喷流的温度分布,轴对称喷管和二元喷管的热喷流在3～5 μm波段的红外辐射强度.结果表明:对流辐射换热板可以降低热喷流高温核心区的温度约10%,降低涡扇发动机热喷流的红外辐射强度约20%～30%.      

辐射板强化喷管换热与红外抑制效果试验研究

试验研究了在发动机喷管中加装金属辐射板前后,喷管壁面温度、热喷流温度与喷管红外辐射特征的变化.结果表明,加装金属辐射板后,热喷流与喷管壁面之间的热量传递显著增强,热喷流中心温度降低,壁面温度明显升高,在90°方向上,热喷流3 ～ 5μm波段的红外辐射强度降低了38.5％.文中从热喷流、喷管壁面以及金属辐射板等相关部件的温度变化情况对红外辐射强度的变化原因进行了解释.     

弹道靶红外辐射测量

为深入认识再入物理现象，在弹道靶上做了模型头部和近尾流红外辐射测量，发射器为14．5mm口径的二级轻气炮，模型为φ10mm的球，材料为聚碳酸酯和铝，模型发射速度4－6km/s，使用红外InSb探测器测量波长3－5.4μm的红外辐射，靶室压力5.32kPa，实验中使用光电法测量模型速度，两站阴影照相进行模型姿态监测和速度核实，实验结果表明：球模型的红外辐射强度强烈依赖于模型材料和模型飞行速度，对不同材料模型头部和尾部辐射强度的定性比较说明由于低温材料烧蚀产物的存在，极大地增强了头部和近尾流区的辐射强度，而且延长了尾流辐射长度。     

两种涡扇发动机排气系统红外辐射特性的比较

针对弹用涡扇发动机，计算和比较了3μm-5μm波段轴对称分开排气喷管和轴对称混合排气喷管的红外辐射特性，并与模型实验的结果进行了比较。结果表明，两种类型的排气喷管在红外辐射的空间分布和光谱分布特性方面具有相似的特征，但是红外辐射强度的数值有较大差别；内、外涵混合排气，可以显著降低喷管空腔、尾喷流和整个排气系统的红外辐射。     

涡扇发动机二元喷管的红外光谱辐射特性实验

为了获得涡扇发动机二元喷管的红外光谱辐射特性,分别测量了喷口面积相等而宽高比分别为1,4,8,12和16的二元喷管在3~5μm波段的红外光谱辐射特性,并与轴对称喷管进行了对比。喷管中的气流由主流燃气和次流空气组成,用以模拟涡扇发动机的喷管。结果表明,采用宽高比大于或等于4的二元喷管在绝大部分探测方向能够有效降低喷管的红外光谱辐射强度,但是在宽高比大于8以后二元喷管的红外光谱辐射强度不再随宽高比的增加而明显降低。     

机载红外辐射计与红外辐射数据采集记录系统设计

本文简要地介绍了飞行试验研究院引进的机载型双波段红外辐射计的基本工作原理，在此基础上重要论述了机载红外辐射数据采集与记录系统的设计。     

某型航空发动机喷管红外辐射特征数值模拟和试验研究

基于N-S方程建立了某型发动机喷管及其喷流流场的数值计算模型,利用辐射传输方程(RTE)积分法编制了红外辐射特征计算程序,得到了此喷管在非加力状态下工作时的红外辐射特征分布,同时利用模型试验测量得到该喷管的红外辐射特征分布。给出了在3.0～5.0μm光谱范围内的红外辐射特征数值模拟结果和试验测量结果,经比较表明:数值模拟结果和试验测量结果吻合良好。     

球面收敛二元矢量喷管气动及红外特性研究:模拟地面状态

采用数值模拟方法对涡扇发动机排气系统球面收敛二元矢量喷管的气动和红外辐射特性进行了研究,研究仅针对地面状态和俯仰偏转.结果表明:俯仰偏转角在小于20°范围内,俯仰偏转对排气系统推力系数和总压恢复系数的影响微弱,气动推力矢量角与俯仰偏转角几乎相等;由于气体的容积性热辐射特征,喷管俯仰偏转角的变化引起高温喷流红外辐射的方向性变化明显,喷管俯仰偏转时的热喷流在3~5μm波段红外辐射呈现一定幅度的增加;排气系统在3~5μm波段的红外辐射峰值随俯仰偏转角的增加而趋于减小,其出现位置小于俯仰偏转角;在大的俯仰偏转角下,排气系统在垂直探测平面上方的红外辐射较无矢量偏转情形有所降低,但在探测面下方却有明显的增强,导致另一个峰值的出现.      

二元引射喷管几何特征参数对推力及红外特性的影响

采用数值模拟的方法研究了二元引射喷管间距比变化和面积比变化对推力特性和3～5μm波段红外辐射特性的影响.排气系统的流场采用了商用软件计算,红外辐射特征采用了自主开发的软件(NU-AA-IR)进行计算.结果表明:间距比变化和面积比变化对二元引射喷管的推力系数和引射流量比有不同程度的影响.在小方向角范围内,间距比和面积比的...