F22尾焰紅外輻射特性及探測(cè)仿真研究

沈飛 丁亮 康戈文 李滾 王進(jìn)達(dá)

摘 要： 針對(duì)隱身飛機(jī)F22尾焰紅外輻射特性，研究了臨近空間平臺(tái)對(duì)其進(jìn)行紅外探測(cè)的可行性。通過對(duì)F22尾噴管及其尾焰氣體進(jìn)行建模和仿真，采用譜帶模型C?G近似法將非均勻氣體化分成390個(gè)小氣柱以近似成均勻氣體進(jìn)行處理，計(jì)算F22尾焰在不同探測(cè)視角下的紅外輻射強(qiáng)度。在此基礎(chǔ)上，考慮大氣透過率和遮擋因素的影響，計(jì)算出了臨近空間平臺(tái)對(duì)F?22尾焰的理論可探測(cè)距離能達(dá)到100 km以上。該研究為利用臨近空間探測(cè)平臺(tái)對(duì)F22的探測(cè)提供了參考。

關(guān)鍵詞： F22尾焰； 紅外輻射強(qiáng)度； 探測(cè)距離； 臨近空間

中圖分類號(hào)： TN214?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2016）05?0005?05

對(duì)于F22這樣的先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)來說，無論是從外形、吸波材料還是主動(dòng)隱身方面，其雷達(dá)隱身能力十分出色，以目前普通的地基、?；筒糠挚栈烙脚_(tái)已經(jīng)無法充分滿足未來戰(zhàn)爭(zhēng)防御手段的需求[1]。這就迫切需要尋求新的探測(cè)手段和新的探測(cè)平臺(tái)來彌補(bǔ)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)隱身飛機(jī)探測(cè)的不足。根據(jù)F22發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰和氣動(dòng)加熱使得在高速飛行時(shí)仍具有一定的紅外輻射能量以及臨近空間環(huán)境中具有較好的大氣透過特性，在臨近空間平臺(tái)采用紅外探測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隱身飛行器的探測(cè)與預(yù)警在理論上是可行的。而且鑒于臨近空間在未來空天一體化作戰(zhàn)中的重要戰(zhàn)略地位[2]，開展臨近空間紅外探測(cè)技術(shù)的研究工作對(duì)于未來實(shí)現(xiàn)臨近空間探測(cè)手段有十分重要的意義。由于隱身飛機(jī)尾焰的紅外輻射是其主要的輻射源，所以本文主要通過對(duì)F22尾焰的紅外輻射特性進(jìn)行建模和仿真，計(jì)算臨近空間平臺(tái)不同探測(cè)視角對(duì)F22尾焰的理論可探測(cè)距離。

1 F22尾焰流場(chǎng)分析

1.1 尾焰流場(chǎng)建模

根據(jù)F22發(fā)動(dòng)機(jī)矩形噴管建立尾焰流場(chǎng)模型。由于噴管沿中心軸面對(duì)稱，為了減小計(jì)算的復(fù)雜度，將噴管模型沿中心面取一半作為計(jì)算模型。設(shè)置尾焰流場(chǎng)計(jì)算域?yàn)殚L5 000 mm、寬1 350 mm、高1 350 mm的矩形長方體，為了更好地對(duì)噴管的出口流場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分和壓力賦值，將噴管模型置入流場(chǎng)計(jì)算域中。利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計(jì)算中采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，劃分后的網(wǎng)格模型如圖1所示。

1.2 尾焰流場(chǎng)仿真

設(shè)置飛機(jī)飛行高度為5 km，飛行速度為1.5馬赫，假定噴管入口氣體為完全燃燒的燃?xì)?。噴管入口為壓力入口，壓力大小?88 000 Pa，噴口溫度[3]為875 K，入口流動(dòng)角為0°；外場(chǎng)出口設(shè)置成壓力出口，壓力為71 000 Pa，溫度為280 K，出口流動(dòng)方向垂直于外場(chǎng)邊界。壁面邊界采用無滑移固壁邊界條件。

流場(chǎng)計(jì)算使用Fluent 6.3軟件進(jìn)行，采用分離隱式求解。在相對(duì)殘差小于1×10-3，能量方程殘差小于1×10-4時(shí)迭代計(jì)算收斂，此時(shí)所得靜溫度云圖如圖2所示。

5 結(jié) 語

本文利用仿真和計(jì)算得到F22尾焰不同探測(cè)視角下的紅外輻射強(qiáng)度。計(jì)算出了臨近空間30 km探測(cè)平臺(tái)對(duì)5 km高度飛行的F22尾焰的理論可探測(cè)距離在100 km以上。由于在中短波范圍內(nèi)，F(xiàn)22的外輻射主要來自于尾焰，即對(duì)尾焰的探測(cè)距離可以看成是對(duì)F22的理論可探測(cè)距離。所以本文的計(jì)算方法和結(jié)果可為臨近空間平臺(tái)對(duì)F22的紅外探測(cè)提供理論依據(jù)。但由于本文在計(jì)算紅外輻射強(qiáng)度時(shí)并未考慮太陽和周圍環(huán)境對(duì)F22尾焰紅外輻射的影響，這必將造成一定的計(jì)算誤差，因此本文數(shù)值計(jì)算的結(jié)果精確度有待進(jìn)一步提高。

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