沈飛 丁亮 康戈文 李滾 王進(jìn)達(dá)

摘 要： 針對隱身飛機(jī)F22尾焰紅外輻射特性，研究了臨近空間平臺對其進(jìn)行紅外探測的可行性。通過對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個小氣柱以近似成均勻氣體進(jìn)行處理，計算F22尾焰在不同探測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，計算出了臨近空間平臺對F?22尾焰的理論可探測距離能達(dá)到100 km以上。該研究為利用臨近空間探測平臺對F22的探測提供了參考。

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

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

對于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_已經(jīng)無法充分滿足未來戰(zhàn)爭防御手段的需求[1]。這就迫切需要尋求新的探測手段和新的探測平臺來彌補(bǔ)雷達(dá)系統(tǒng)對隱身飛機(jī)探測的不足。根據(jù)F22發(fā)動機(jī)尾焰和氣動加熱使得在高速飛行時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，在臨近空間平臺采用紅外探測技術(shù)實現(xiàn)隱身飛行器的探測與預(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技術(shù)的研究工作對于未來實現(xiàn)臨近空間探測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F22尾焰的紅外輻射特性進(jìn)行建模和仿真，計算臨近空間平臺不同探測視角對F22尾焰的理論可探測距離。

1 F22尾焰流場分析

1.1 尾焰流場建模

根據(jù)F22發(fā)動機(jī)矩形噴管建立尾焰流場模型。由于噴管沿中心軸面對稱，為了減小計算的復(fù)雜度，將噴管模型沿中心面取一半作為計算模型。設(shè)置尾焰流場計算域為長5 000 mm、寬1 350 mm、高1 350 mm的矩形長方體，為了更好地對噴管的出口流場進(jìn)行網(wǎng)格劃分和壓力賦值，將噴管模型置入流場計算域中。利用Gambit進(jìn)行網(wǎng)格劃分，計算中采用四面體結(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)狻姽苋肟跒閴毫θ肟?，壓力大小?88 000 Pa，噴口溫度[3]為875 K，入口流動角為0°；外場出口設(shè)置成壓力出口，壓力為71 000 Pa，溫度為280 K，出口流動方向垂直于外場邊界。壁面邊界采用無滑移固壁邊界條件。

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

5 結(jié) 語

本文利用仿真和計算得到F22尾焰不同探測視角下的紅外輻射強(qiáng)度。計算出了臨近空間30 km探測平臺對5 km高度飛行的F22尾焰的理論可探測距離在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，即對尾焰的探測距離可以看成是對F22的理論可探測距離。所以本文的計算方法和結(jié)果可為臨近空間平臺對F22的紅外探測提供理論依據(jù)。但由于本文在計算紅外輻射強(qiáng)度時并未考慮太陽和周圍環(huán)境對F22尾焰紅外輻射的影響，這必將造成一定的計算誤差，因此本文數(shù)值計算的結(jié)果精確度有待進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈海軍，程凱，楊莉，等.近空間飛行器[M].北京：航空工業(yè)出版社，2012：32?100.

[2] 宮健，王春陽，李為民，等.臨近空間雙基雷達(dá)對隱身目標(biāo)的最大探測距離[J].制導(dǎo)與引信，2008，29（3）：53?56.

[3] 杜勝華，龔加明，夏新林.某飛行器紅外輻射特性研究[J].紅外與激光工程，2008，37（z1）：432?436.

[4] 張建奇，方小平.紅外物理[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2004：165?166.

[5] 史際剛.飛機(jī)尾焰紅外輻射特性研究[D].西安：西北工業(yè)大學(xué)，2005：40?45.

[6] 范仁鈺，張靖周，單勇.遮擋板結(jié)構(gòu)對二元噴管紅外輻射特性的影響[J].航空動力學(xué)報，2011，26（2）：343?348.

[7] 宗靖國，張建奇，劉德連.隱身飛機(jī)尾焰的紅外輻射特性[J].光子學(xué)報，2011，40（2）：289?294.

[8] YOUNOSSI O， ARENA M V， MOORE R M， et al. Military jet engine acquisition [R]. Pittsburgh： United Stated Air Force， 2002.

[9] 吳晗平.紅外搜索系統(tǒng)[M].北京：國防工業(yè)出版社，2013：33?156.