國(guó)外高超聲速飛行器紅外輻射特性研究現(xiàn)狀分析

鄭昊鶯, 劉 健, 孟夏瑩, 韓小妹

(1.上海無線電設(shè)備研究所,上海201109;2.北京新雷能科技股份有限公司上海分公司,上海200120)

0 引言

高超聲速飛行器是指在高度在(10～100)km的臨近空間空域內(nèi),利用稀薄大氣特點(diǎn)以馬赫數(shù)(Ma)大于5的速度進(jìn)行高超聲速機(jī)動(dòng)飛行的飛行器。高超聲速飛行器按照功能可以分為高超聲速導(dǎo)彈和高超聲速飛機(jī)兩大類,其中高超聲速導(dǎo)彈按照動(dòng)力類型或飛行彈道又可以分為吸氣巡航式和助推滑翔式[1]。高超聲速飛行器飛行速度快、機(jī)動(dòng)能力強(qiáng),是用于突破下一代一體化防空系統(tǒng)的革命性裝備,成為各軍事大國(guó)爭(zhēng)奪的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。近年來,美國(guó)、俄羅斯等國(guó)均集中優(yōu)勢(shì)資源大力發(fā)展高超聲速飛行器,對(duì)我國(guó)國(guó)防安全造成了巨大威脅。高超聲速飛行器的紅外輻射特性,尤其是目標(biāo)本體材料的光譜特性和外部繞流的紅外輻射特性作為一種指紋譜特征,可以用于高超聲速飛行器的探測(cè)預(yù)警和識(shí)別跟蹤。然而,現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)高超聲速飛行器紅外輻射特性研究還存在多個(gè)技術(shù)瓶頸,研究成果尚不能為工程設(shè)計(jì)服務(wù)。因此,關(guān)注國(guó)外高超聲速飛行器紅外輻射特性研究動(dòng)態(tài)具有重要意義。

1 國(guó)外高超聲速飛行器發(fā)展概況

美國(guó)和俄羅斯是臨近空間高超聲速飛行器發(fā)展的領(lǐng)軍者。近年來,兩國(guó)集中優(yōu)勢(shì)資源大力發(fā)展高超聲速飛行器,實(shí)現(xiàn)了高超聲速飛行器實(shí)戰(zhàn)化發(fā)展。

在高超聲速導(dǎo)彈研制方面,美國(guó)的研究始于1995年啟動(dòng)的高超聲速技術(shù) (hypersonic technology,Hy Tech)計(jì)劃,該計(jì)劃旨在研制采用液體燃料且工作巡航馬赫數(shù)為4～8的一次性超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī),并在X-43飛機(jī)上開展飛行驗(yàn)證。隨后,美國(guó)海軍和美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)于2002年合作啟動(dòng)了高超聲速飛行(hypersonic flight,Hy Fly)計(jì)劃,旨在研制沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速導(dǎo)彈的動(dòng)力裝置,證實(shí)超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)用于高超聲速導(dǎo)彈的可行性。在前期高超聲速飛行器動(dòng)力研究的基礎(chǔ)上,美國(guó)于2003年啟動(dòng)了著名的X-51A計(jì)劃和兵力運(yùn)用與從本土發(fā)射(force application and launch from the continental,FALCON)計(jì)劃。其中,X-51A計(jì)劃發(fā)展以超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、巡航飛行馬赫數(shù)大于5、射程超1 300 km的高超聲速巡航導(dǎo)彈,如圖1所示。在2010年至2013年期間,X-51A共進(jìn)行了四次飛行試驗(yàn),其中2010年和2013年的兩次飛行試驗(yàn)取得成功,為美國(guó)空軍開展吸氣巡航式高超聲速導(dǎo)彈研制提供了信心和技術(shù)儲(chǔ)備。FALCON計(jì)劃由美國(guó)空軍和DARPA合作開展,計(jì)劃研制助推滑翔式高超聲速導(dǎo)彈的驗(yàn)證型號(hào)HTV-2,如圖2所示。HTV-2于2010年和2011年共進(jìn)行了兩次飛行試驗(yàn),均以失敗告終,但兩次飛行試驗(yàn)均實(shí)現(xiàn)了助推分離,獲得了大量的氣動(dòng)熱測(cè)試數(shù)據(jù)。

圖1 X-51A高超聲速巡航導(dǎo)彈

圖2 HTV-2高超聲速滑翔飛行器

在X-51A和FALCON計(jì)劃的基礎(chǔ)上,美國(guó)空軍、美國(guó)海軍、DARPA合作啟動(dòng)了高速打擊武器(high speed strike weapons,HSSW)計(jì)劃。該計(jì)劃包括高超聲速吸氣(hypersonic air breathing,HAWC)武器和戰(zhàn)術(shù)助推滑翔(tactical boost gliding,TBG)武器兩個(gè)飛行演示驗(yàn)證項(xiàng)目。HAWC項(xiàng)目是在X-51A導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上,開展射程930 km、飛行馬赫數(shù)5～6的戰(zhàn)術(shù)空射型高超聲速巡航導(dǎo)彈研究,方案概念圖如圖3所示。TBG項(xiàng)目是在HTV-2導(dǎo)彈的基礎(chǔ)上開發(fā)空射型助推滑翔式高超聲速導(dǎo)彈,并兼容海軍的垂直發(fā)射系統(tǒng),方案概念圖如圖4所示。

圖3 HAWC方案概念圖

圖4 TBG方案概念圖

美國(guó)航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)早在1985年就開展了國(guó)家空天飛機(jī)計(jì)劃(national space shuttle program,NASP),旨在研制試驗(yàn)性單級(jí)入軌飛行器X-30,這標(biāo)志著美國(guó)高超聲速飛機(jī)研制的開始。隨后,美國(guó)空軍于1996年啟動(dòng)了Hyper-X計(jì)劃,重點(diǎn)研究可重復(fù)使用的高超聲速飛行器,并推出了X-43系列飛行器。該項(xiàng)計(jì)劃的另一大成果是驗(yàn)證了渦輪基組合循環(huán)(turbine based combine cycle,TBCC)發(fā)動(dòng)機(jī)作為高超聲速飛行器動(dòng)力裝置的可行性?；隍?yàn)證結(jié)果,美國(guó)現(xiàn)階段在研的兩大高超聲速飛機(jī)——SR-72和Manta,均采用TBCC發(fā)動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力裝置。SR-72高超聲速飛機(jī)由美國(guó)洛克希德-馬丁公司的臭鼬工廠承研,該飛機(jī)的巡航馬赫數(shù)可達(dá)6,可在1 h內(nèi)到達(dá)全球任意空域執(zhí)行偵查和打擊任務(wù),計(jì)劃2022年實(shí)現(xiàn)首飛。波音公司于2018年公布了其研制的高超聲速飛機(jī)Manta,該型高超聲速飛機(jī)巡航馬赫數(shù)可達(dá)5以上,巡航高度30 km,計(jì)劃2025年前后實(shí)現(xiàn)首飛。

俄羅斯在高超聲速技術(shù)領(lǐng)域的研究始于上個(gè)世紀(jì)50年代的超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)研究,后期啟動(dòng)了一系列超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)研究項(xiàng)目,建立了高超聲速飛行試驗(yàn)系統(tǒng) (hypersonic flying laboratory,HFL)。但由于經(jīng)濟(jì)影響,在2000年后俄羅斯的高超聲速飛行器研制一度陷入低迷。在2010年以后,受到美國(guó)開展X-51A、HTV-2等飛行試驗(yàn)的刺激,俄羅斯加快了高超聲速飛行器的研制步伐,接連公布了“匕首”、“先鋒”和“鋯石”三型高超聲速導(dǎo)彈和PAK-DA高超聲速飛機(jī)。

“匕首”高超聲速導(dǎo)彈是在空射型導(dǎo)彈Iskander的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的,最高飛行馬赫數(shù)達(dá)10,射程超2 000 km,可掛載于米格-31戰(zhàn)斗機(jī)上實(shí)施空射,如圖5所示。自2017年開始飛行試驗(yàn)以來,“匕首”高超聲速導(dǎo)彈已完成多次機(jī)載發(fā)射試驗(yàn),最近一次于2019年11月在北極完成飛行試驗(yàn),射程達(dá)2 000 km。

圖5 掛載于米格-31戰(zhàn)斗機(jī)上的“匕首”高超聲速導(dǎo)彈

“先鋒”高超聲速導(dǎo)彈研制始于上個(gè)世紀(jì)80年代開始的4202項(xiàng)目。該項(xiàng)目研制的滑翔式高超聲速飛行器被稱為Yu-70。Yu-70經(jīng)過一系列改進(jìn)升級(jí),發(fā)展了Yu-71、Yu-74等改進(jìn)型滑翔式高超聲速飛行器,其中Yu-71就是“先鋒”高超聲速導(dǎo)彈的前身?！跋蠕h”高超聲速導(dǎo)彈采用陸基發(fā)射,最大飛行馬赫數(shù)達(dá)20,目前已開始戰(zhàn)斗值班。最近一次的“先鋒”高超聲速導(dǎo)彈試射試驗(yàn)于2017年10月完成。Yu-71滑翔彈頭由火箭助推,飛行馬赫數(shù)達(dá)9～10時(shí),與助推火箭分離,在80 km以下的大氣層內(nèi)飛行,飛行距離超過5 500 km,飛行時(shí)間16 min。

“鋯石”高超聲速反艦導(dǎo)彈(代號(hào)3M-22)為助推滑翔式高超聲速導(dǎo)彈,飛行馬赫數(shù)達(dá)9,射程超過1 000 km,采用?；绞酱怪卑l(fā)射。該導(dǎo)彈2016年陸基試驗(yàn)成功,2017年4月海基試驗(yàn)成功,2018年12月完成艦載飛行試驗(yàn),擊中海上靶標(biāo),預(yù)計(jì)于2022年裝備在重型核潛艇上。此外,俄羅斯于2016年7月公布了高超聲速轟炸機(jī)PAK-DA,該飛機(jī)能夠從外層空間在2 h內(nèi)到達(dá)全球任意空域開展核打擊。該飛機(jī)采用組合動(dòng)力系統(tǒng),具有航空飛行和航天飛行兩種模式,在航天飛行模式下,采用攜帶的甲烷和氧氣作為燃料。

2 高超聲速飛行器紅外輻射特性研究中的關(guān)鍵技術(shù)

高超聲速飛行器的紅外輻射特性,尤其是目標(biāo)本體材料的光譜特性和外部繞流的紅外輻射特性作為一種指紋譜特征,可以用于高超聲速飛行器的探測(cè)預(yù)警和識(shí)別跟蹤。美國(guó)空軍太空與導(dǎo)彈系統(tǒng)中心(air force space and missile systems center,SMC)和陸軍研究實(shí)驗(yàn)室(army research laboratory,ARL)聯(lián)合開發(fā)的用于高超聲速飛行器天基預(yù)警的新一代過頂持續(xù)紅外(overhead persistent infrared,OPIR)星座系統(tǒng)就搭載了寬視場(chǎng)紅外探測(cè)器,通過探測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性實(shí)現(xiàn)對(duì)高超聲速飛行器的預(yù)警、識(shí)別和跟蹤。高超聲速飛行器的紅外輻射主要由目標(biāo)本體輻射、發(fā)動(dòng)機(jī)輻射和外部繞流輻射三部分組成。目標(biāo)本體輻射與目標(biāo)本體溫度分布及表面發(fā)射特性有關(guān);發(fā)動(dòng)機(jī)輻射與發(fā)動(dòng)機(jī)類型、燃料、工況參數(shù)等因素有關(guān);外部繞流輻射與飛行工況及繞流中的組分有關(guān)?，F(xiàn)階段,高超聲速飛行器紅外輻射特性研究存在高超聲速流動(dòng)仿真和外部繞流輻射特性計(jì)算兩大難點(diǎn)。

(1)高超聲速流動(dòng)仿真技術(shù)

高超聲速飛行器飛行高度大于10 km、飛行馬赫數(shù)大于5,其高超聲速流場(chǎng)流動(dòng)具有典型的跨流域特征,即臨近空間高超聲速流場(chǎng)存在連續(xù)介質(zhì)流動(dòng)(連續(xù)流)和自由分子流動(dòng)(稀薄流)兩種流動(dòng)類型。區(qū)分這兩種不同流動(dòng)類型的無量綱參數(shù)為克努森(Knudsen)數(shù)Kn,定義為流體分子平均自由程與飛行器特征長(zhǎng)度之比。圖6給出了不同流動(dòng)類型對(duì)應(yīng)的Kn取值范圍。當(dāng)Kn＜0.2時(shí),流動(dòng)為連續(xù)介質(zhì)流動(dòng),N-S(Navier-Stokes)方程成立;當(dāng)Kn＞1時(shí),自由分子流動(dòng)的作用開始凸顯,連續(xù)介質(zhì)假設(shè)失效,此時(shí)需要用玻爾茲曼(Boltzmann)方程描述流動(dòng)。針對(duì)這兩種高超聲速流動(dòng)類型,高超聲速流動(dòng)數(shù)值模擬方法分為兩大類:一類是基于流體力學(xué)理論求解N-S方程的方法,適用于連續(xù)流場(chǎng)仿真;另一類是基于分子運(yùn)動(dòng)學(xué)理論求解Boltzmann方程的方法,適用于稀薄流場(chǎng)仿真?；谶B續(xù)介質(zhì)假設(shè)的N-S方程的數(shù)值求解方法發(fā)展較為成熟,目前主要有雷諾平均(Reynold average Navier-Stokes,RANS)方法、大渦模擬(large eddy simulation,LES)方法和直接數(shù)值模擬(direct numerical simulation,DNS)方法三種[2]。基于離散粒子假設(shè)的Boltzmann方程的數(shù)值求解方法主要有直接模擬蒙特卡羅(direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法、細(xì)胞自動(dòng)化模型、離散速率模型、格子波爾茲曼算法和分子動(dòng)力學(xué)模型等,其中DSMC方法是唯一在高超聲速流場(chǎng)稀薄區(qū)仿真取得成功的數(shù)值方法[3]。然而,在使用DSMC方法模擬高超聲速稀薄流動(dòng)時(shí),計(jì)算網(wǎng)格尺寸和時(shí)間步長(zhǎng)受到流體分子平均自由程和平均碰撞時(shí)間的限制,計(jì)算量隨Kn的減小而急劇增加。尤其是在過渡區(qū)域,DSMC方法的計(jì)算效率難以接受。

圖6 不同流動(dòng)類型中克努森數(shù)的取值范圍

(2)外部繞流輻射特征計(jì)算技術(shù)

高超聲速飛行器外部繞流輻射特性計(jì)算面臨著非平衡效應(yīng)的難題。非平衡效應(yīng)表現(xiàn)在外流參與性組分的熱力學(xué)非平衡和輻射非平衡兩個(gè)方面。由于高超聲速飛行器所在的臨近空間氣體密度低,原子、分子碰撞不充分,而飛行器的高速運(yùn)動(dòng)又會(huì)縮短各組分的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,使得外部繞流中原子和分子的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、振動(dòng)、電子激發(fā)等熱力學(xué)能量來不及通過碰撞交換達(dá)到平衡,表現(xiàn)出熱力學(xué)非平衡效應(yīng)。此外,由于各組分的原子、分子處于熱力學(xué)非平衡態(tài),其多種能量模式的松弛過程使得各組分在各能態(tài)的數(shù)密度不符合平衡態(tài)下的波爾茲曼分布規(guī)律和薩哈方程,表現(xiàn)出輻射非平衡效應(yīng)。

3 高超聲速飛行器紅外特性國(guó)外研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)

高超聲速稀薄流動(dòng)和非平衡態(tài)效應(yīng)使得高超聲速飛行器紅外輻射機(jī)理及特性表征不同于傳統(tǒng)低速飛行器目標(biāo),給目標(biāo)紅外輻射特性研究帶來了新的挑戰(zhàn)。由于高超聲速流場(chǎng)輻射理論涉及流體力學(xué)、傳熱學(xué)、量子力學(xué)、光譜學(xué)、輻射度量學(xué)等多個(gè)學(xué)科,現(xiàn)有研究大都通過風(fēng)洞測(cè)試開展高超激波層輻射特性研究。國(guó)際上著名的高超聲速風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)施有NASA Ames研究中心(Ames research center,ARC)的多個(gè)高超聲速電弧風(fēng)洞、意大利的Scirocco試驗(yàn)設(shè)施、德國(guó)航天中心的等離子風(fēng)洞、日本宇航研究開發(fā)機(jī)構(gòu)(Japan aerospace exploration agency,JAXA)的膨脹管風(fēng)洞、澳大利亞昆士蘭州立大學(xué)的X2風(fēng)洞等。

近三年,針對(duì)高超聲速飛行器紅外輻射特性研究中的難點(diǎn),美國(guó)、日本、歐洲的多家研究機(jī)構(gòu)基于風(fēng)洞測(cè)試結(jié)果開展了大量基礎(chǔ)研究。美國(guó)從事高超聲速輻射特性基礎(chǔ)研究的機(jī)構(gòu)主要為NASA ARC。NASA ARC擁有電弧激波風(fēng)洞(electric arc shock tube,EAST)[4]、IHF(interaction heating facility)arc jet[5]、Unitary Plan風(fēng)洞[6]等試驗(yàn)設(shè)施。2018年,NASA ARC采用分光測(cè)量技術(shù)測(cè)量了高超聲速自由來流中的激波輻射。研究結(jié)果表明:在可見到近紅波段N2輻射占主要貢獻(xiàn),在紫外波段NO輻射占主要貢獻(xiàn);測(cè)得的N2光譜輻射線形與NEQAIR軟件仿真的結(jié)果相差很大,其主要原因是仿真僅考慮了N2的熱激發(fā);為了提高仿真精度,建議分別對(duì)每個(gè)振動(dòng)態(tài)的電子-振動(dòng)模態(tài)轉(zhuǎn)換線型進(jìn)行計(jì)算,再進(jìn)行縮放。2020年,NASA ARC在電弧激波管中測(cè)量了來流速度在(7～9)km/s范圍內(nèi)激波的熱力學(xué)非平衡態(tài)輻射,測(cè)得輻射貢獻(xiàn)主要來自NO、N2、N2+、N原子和 O原子。測(cè)試結(jié)果與NEQAIR軟件采用Park90、Park93和Johnston14輻射模型的仿真結(jié)果對(duì)比,存在較大誤差。經(jīng)分析,誤差原因包括準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)假設(shè)導(dǎo)致NO和N2輻射仿真結(jié)果偏小,雙溫度模型導(dǎo)致低壓狀態(tài)下N2+輻射仿真結(jié)果偏大,雙溫度模型導(dǎo)致原子輻射仿真結(jié)果誤差較大,軟件中的組分激發(fā)速率取值不合適等。NASA ARC的大量測(cè)試結(jié)果雖然與軟件仿真結(jié)果相比存在較大誤差,但基于測(cè)試結(jié)果可以進(jìn)一步優(yōu)化高超聲速流動(dòng)輻射模型中的多種假設(shè),提高軟件仿真精度。NEQAIR仿真模型的改進(jìn)工作一直在持續(xù)進(jìn)行中。美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了高超聲速流動(dòng)仿真的DSMC方法和輻射仿真模型,對(duì)比高超聲速流動(dòng)中的紅外和紫外輻射,驗(yàn)證了高速流動(dòng)中NO和N2+O反應(yīng)的輻射[7]。此外,美國(guó)加州理工學(xué)院[8]、德克薩斯大學(xué)[9]等高校在高超聲速風(fēng)洞中開展輻射測(cè)試試驗(yàn),測(cè)試結(jié)果用于驗(yàn)證改進(jìn)高超聲速相關(guān)的計(jì)算程序。除美國(guó)外,近年來JAXA[10]和東海大學(xué)(Tokai University)[11]也開展了高超聲速流動(dòng)非平衡態(tài)輻射基礎(chǔ)研究;法國(guó)的EM2C實(shí)驗(yàn)室[12-13]、德國(guó)慕尼黑國(guó)防大學(xué)[14]、澳大利亞昆士蘭州立大學(xué)[15]均開展了相關(guān)研究。

總結(jié)近兩年國(guó)外在高超聲速飛行器目標(biāo)紅外輻射特性領(lǐng)域開展的研究工作,可以發(fā)現(xiàn)其發(fā)展趨勢(shì)。

目標(biāo)紅外輻射特性的研究聚焦于高超聲速流動(dòng)中不同組分的多譜段輻射特性。從近兩年公開發(fā)表的文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn),所有研究?jī)?nèi)容均為高超聲速流動(dòng)中不同組分的輻射特性,這是高超聲速飛行器輻射特性仿真的理論基礎(chǔ)。研究的流場(chǎng)組分包括 NO、N2、CO2、CO、N2+、N 原子和 O 原子等。關(guān)注的譜段包含紫外、可見、近紅和紅外波段。此外,由于高超聲速流場(chǎng)輻射理論的復(fù)雜性,研究大都采用風(fēng)洞測(cè)試手段,基于測(cè)試結(jié)果分析高超聲速流動(dòng)輻射機(jī)理,改進(jìn)現(xiàn)有的計(jì)算模型。

高超聲速流動(dòng)輻射領(lǐng)域的研究表現(xiàn)出國(guó)際合作的趨勢(shì)。近兩年公開發(fā)表的多篇文獻(xiàn)由多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)共同署名。例如,文獻(xiàn)[16]中美國(guó)NASA的DC-8機(jī)載實(shí)驗(yàn)室測(cè)量了日本的Hayabusa返回艙再入工況下的激波輻射;文獻(xiàn)[17]中日本的JAXA在其激波風(fēng)洞中對(duì)高超聲速激波后的CO2和CO氣體輻射開展了測(cè)量試驗(yàn),法國(guó)的EM2C實(shí)驗(yàn)室對(duì)試驗(yàn)工況下的輻射特性進(jìn)行了仿真,兩者結(jié)果對(duì)比發(fā)表了共同署名文章;文獻(xiàn)[18]介紹了美國(guó)空軍與澳大利亞聯(lián)合開展的高超聲速國(guó)際飛行研究試驗(yàn)(hypersonic international flight research experimentation,HIFiRE)計(jì)劃的第五次飛行試驗(yàn)。此外,多篇文獻(xiàn)還表明美國(guó)開發(fā)的著名高溫氣體非平衡輻射計(jì)算軟件NEQAIR在日本、澳大利亞、德國(guó)、法國(guó)等多個(gè)國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)中得到應(yīng)用。但國(guó)際合作僅僅是小范圍內(nèi)的合作,僅僅發(fā)生在美國(guó)、日本、澳大利亞和歐洲少數(shù)幾個(gè)國(guó)家之間。對(duì)我國(guó)而言,美國(guó)NASA ARC仍保持封鎖狀態(tài),NEQAIR軟件也一直被禁止引進(jìn)。

4 結(jié)束語

高超聲速飛行器技術(shù)作為未來戰(zhàn)爭(zhēng)的顛覆性技術(shù),得到了美國(guó)、俄羅斯等軍事大國(guó)的大力發(fā)展。為了應(yīng)對(duì)美俄等國(guó)家高超聲速武器的威脅,需要開展高超聲速紅外輻射特性基礎(chǔ)研究?？紤]到高超聲速技術(shù)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn),可以預(yù)見探索高超聲速流動(dòng)和輻射理論,借鑒國(guó)外測(cè)試數(shù)據(jù)提升高超聲速目標(biāo)特性仿真精度,將成為高超聲速飛行器紅外特性研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)。