高超声速飞行器红外辐射特性分析

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1、硕士论文高超声速飞行器红外辐射特性分析1绪论1．1研究的背景和意义高超声速这一物理概念是我国“两弹元勋”钱学森先生于20世纪40年代首次提出，高超声速飞行器是指飞行马赫数在5马赫以上，并且可以在20．100千米的临近空间中高速飞行且可以完成特殊作战任务的飞行器。【l】临界空间主要分为平流层、大气层和少部分的电离层三个区域，美国空军在一篇报告中指出，临近空间介于航空和航天范畴之间，但是这一区域对于情报工作、侦察、通信以及对空对地作战等方面，甚至整个军事战略格局产生着重大影响。【2J高超声速飞行器可以在临界空间中飞行，因此可以完成传统飞行器无法达到的高空中完成作战任务，而且外太空武器没有实质性

2、的发展，因此临近空间高超声速飞行器的工作环境相对安全；临近空间飞行器较普通的空天飞行器可以提供更多更准确的军事情报信息，其作战部署速度快、机动作战性强；另外临近空间高超声速飞行器可以短时间内到达全球的任何位置，以致其覆盖范围极广、飞行时间长，因此可以实现全球攻击；雷达散射截面和热反射截面都较小，传统的跟踪和拦截系统不易实现。因此临近空间高超声速器具有全球攻击、机动性强等特点，特别是在侦查、预警、通信、搜集情报等方面具有很大的发展潜力，为未来战争提供了新的作战元素【31。目前世界各个航天、军事大国、发达国家都在积极开展高超声速飞行器的研制工作，我国今年来也积极开展高超声速飞行器的研制工作。目

3、前，正在进行的高超声速飞行器的研制工作主要包括：美国海军的高超声速实验(Hype卜X)、高超声速技术(Hyper-Tech)和高超声速飞行(Hype卜FIy)计划，其中主要试飞成功的Hype卜X计划中的X．43A高超声速飞行器，其飞行速度可以达到10Ma；美国国防部的FALCON计划，它研制的HTV-2飞行器是美国航天史上飞行马赫数最高的无人机，可以在2小时内到达地球任意区域；由USAF与美国国防部预研局联合研制的X．51A高超声速飞行器成功试飞，如图1．1所示，分别为HTV2和X33。【4】图1．1高超声速色行器随着现代军事科学技术的迅速发展，不仅涌现出各种攻击性强、覆盖区域广的新型武器

4、，而且防御系统、探测系统、拦截系统以及隐身性能等也等得到较大程度的提升。1绪论硕士论文因此，未来的战争必然将是各种新型技术有机融合的信息战争。临近空间高超声速飞行器作为一种新型的战略飞行器正朝着远程化、高速度、隐身性强、高机动性的方向发展。因此，提高飞行器的雷达隐身特性和红外隐身特性是高超声速飞行器在未来高技术融合的战争环境中得到广泛应用的必然要求。随着电磁场隐身技术的发展，新型飞行器的雷达散射截面限CS，RadarCross．Section)越来越小，使得利用雷达探测等手段探测目标的困难日益增大。由于高超声速飞行器在高速飞行时会与周围的空气发生摩擦，产生高温流场，另外飞行的尾焰也会形成强

5、烈的红外热辐射，这种强烈的热辐射现象有利于红外探测系统对高速飞行目标的探测。【5】因此，随着飞行器的马赫数的增加，在各种隐身技术中，红外隐身技术已经成为了提高飞行器生存能力、攻击能力和反探测能力的关键技术。红外隐身技术关键在于降低或者改变高超声速飞行器本体和高温高焓流场的红外热辐射强度，以减小其探测性。红外探测的原理在于利用高速飞行目标与周围大气背景的红外辐射强度的对比度来获取飞行目标和背景信息，这种探测手段的优势在于探测的精确度高，抗干扰能力较强，尤其是免于电磁波干扰的影响。红外辐射是指波长在O．1—100∥聊范围内的辐射强度，对于高超声速飞行器而言，其红外辐射主要来源于喷口、尾焰、高速

6、飞行时强烈的气动热效应产生的蒙皮辐射。实验表明，当飞行速度在2．3Ma时，蒙皮辐射占所有辐射中的主要部分【引，而临近空间飞行器飞行速度在5Ma以上，蒙皮辐射所占比重大大增加。综上所述，本文以高超声速飞行器的红外隐身特性为研究背景，对高超声速飞行器的流场进行数值模拟，在流场数值模拟结果的基础上，分别对高超声速飞行器的蒙皮辐射和高温高超流场产生的混合气体的吸收系数进行数值计算。本文的研究为高超飞行目标探测、识别以及隐身性能的设计等方面提供理论基础与仿真结果。1．2国内外研究的历史和现状高超声速飞行器的量热完全气体和热化学非平衡流场的研究方法主要方法包括地面风洞实验、飞行器试飞实验和数值模拟三种

7、方法。一般在不同的设计阶段利用不同的模拟方法。随着计算流体力学和计算机计算资源的迅速发展，如今采用数值模拟方法已经成为高超声速飞行器设计和模拟的重要手段。数值模拟方法不仅可以解决风洞试验尚未解决的问题，而且容易对飞行器的外形进行修改，成本低，周期短。【lJ流体力学的数值计算主要是通过求解N．S方程及其各种物理化学模型、热力学状态方程来计算飞行器流场的数值。但是由于高超声速飞行器的流动状态非常复杂，因此数值计算不仅仅处理过