火箭发动机尾焰红外辐射特性研究综述

聂万胜， 蔡红华

(1. 装备学院 航天装备系, 北京 101416； 2. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416)

火箭发动机尾焰红外辐射特性研究综述

聂万胜1， 蔡红华2

(1. 装备学院 航天装备系, 北京 101416； 2. 装备学院 研究生管理大队, 北京 101416)

在导弹/火箭从起飞到整个飞行过程中，其后的尾焰由于具有非常显著的红外辐射特性，进而成为红外设备主要探测目标源。对火箭发动机尾焰红外辐射特性数值计算研究和实验测量研究进行了综述，重点介绍了火箭发动机尾焰红外辐射特性数值计算的步骤方法，并对各步骤的计算方法及其适用性进行了总结归纳。对国内外火箭发动机尾焰红外辐射特性研究进展情况进行了分析讨论，并为今后火箭发动机尾焰红外辐射特性研究提出了意见建议。

导弹；火箭；发动机；尾焰；红外辐射;数值计算研究；实验测量研究

火箭发动机工作时尾焰产生的红外辐射，在火箭底部加热、发动机性能诊断方面有着重要的研究价值[1]；导弹/火箭从起飞到整个飞行过程中，发动机尾焰与背景形成强烈的对比，在导弹的早期预警、探测、识别和跟踪中起到重要作用[2]。因此，开展尾焰红外辐射研究对提高发动机技术水平和探测预警能力尤为重要。从20世纪五六十年代开始，火箭发动机尾焰的辐射问题一直备受关注，研究人员对火箭发动机尾焰辐射特性的研究已经持续了半个多世纪[3-5]，主要研究手段包括数值计算和实验测量2种。

1 数值计算研究

国外从20世纪50年代就开始致力于尾焰红外辐射特性研究，先后取得了很大技术进展。国内对火箭发动机尾焰红外辐射计算工作开展较晚，直到90年代中后期才有文献报道[6]19。火箭尾焰红外辐射特性计算方法有很多，但一般都遵循如下步骤和思路进行(以含有固体颗粒尾焰红外辐射计算为例)：(1) 尾焰流场计算，得到温度、压力、气体组分和固体粒子等详细流场参数分布；(2) 辐射参数计算，基于光谱数据库和合适的计算模型，计算得到气体辐射参数和粒子辐射参数；(3) 基于以上计算结果，选择合适的方法离散求解辐射传输方程，数值计算得到尾焰流场内各点发射的辐射强度/辐射亮度，以及尾焰整体辐射强度/辐射亮度；(4) 通过计算大气透过率，计算尾焰红外辐射经过大气传输之后的特性。

目前，国内外有关火箭发动机尾焰红外辐射特性数值计算模型归结起来可以分成2大类：一类是不考虑固体粒子吸收、发射和散射的准气体模型[7]，准气体模型使尾焰辐射的计算大为简化；另一类不仅考虑气体及固体粒子的吸收、发射，还考虑固体粒子散射的模型[8-10]，考虑固体粒子的散射使辐射计算变得非常复杂。

1.1 火箭发动机尾焰流场计算

作为火箭发动机尾焰红外辐射特性研究的基础，发动机尾焰流场计算可以分为纯气相尾焰流场计算[11-13]和气固两相尾焰流场计算[14-15]。发动机尾焰流场计算归纳起来主要有2类方法：一是采用理想模型、半经验公式计算[16]，计算公式简单，能很快得到尾焰流场参数；二是利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)软件计算[17]，可以获得尾焰中气相和颗粒相的详细流场参数分布，国内外使用较多的CFD软件是SPF[18](Standard Plume Flowfield)、GASP[19](General Aerodynamic Simulation Program)和FLUENT等。

目前研究者普遍采用的尾焰流场计算方法是利用计算流体动力学CFD软件进行计算，具体方法为：(1) 采用CEA(Chemical Equilibrium with Applications)程序进行0维计算，将获得的喷管喉部/出口截面参数作为入口边界条件，进行尾焰流场计算，该方法的不足是忽略了发动机内部燃烧状态对尾焰流场特性影响[20]；(2)确采用发动机内部——尾焰流场一体化计算方法，该方法克服了方法一的不足，但在计算多喷管发动机尾焰流场时存在大量重复计算的缺点[21]；(3) 基于前2种方法的缺点和局限，聂万胜等[22]提出了第三种方法，即先计算发动机内部燃烧流场，以获得喷管喉部/出口截面参数作为入口边界条件，然后计算发动机尾焰流场。

1.2 气体辐射参数计算

光谱参数数据库是进行气体辐射参数计算的基础，美国、法国和俄罗斯先后建立了自己的光谱数据库HITRAN和HITEMP数据库、GEISA数据库[23]和CDSD数据库[24]。美国的HITRAN和HITEMP由于不断更新而成为目前应用最为广泛的数据库，最新版是HITRAN 2012[25]和HITEMP 2010[26]。

纯气相尾焰红外辐射计算时只需计算气态燃烧产物辐射参数，主要计算方法有逐线计算法、谱带模型法(包括窄谱带模型法、宽谱带模型法)和总体模型法，不同辐射参数计算方法对比如表1所示。

表1 不同辐射参数计算方法对比

1.3 固体颗粒辐射参数计算

固体火箭发动机或者碳氢燃料发动机尾焰中会有许多固体颗粒，颗粒的成分和尺寸会很大地影响尾焰的红外辐射特性，其特殊性表现在对能量的散射。由于尾焰中固体颗粒的尺寸与红外光的波长相近，所以这些固体颗粒的红外辐射更接近于米粒子辐射[29]。虽然实际当中遇到的颗粒既不是球形也不是匀质，但是由于颗粒所处方位的随机性，使颗粒呈现球形颗粒的某些特性，因此球形假设是可行的[30],目前对于球形粒子广泛使用的颗粒辐射特性计算方法都是基于Gustav Mie解Maxwell方程得到的Mie理论[31]；而现实当中也有一些问题不能用基于均匀的球形颗粒进行求解的问题，如云层中的水滴粒子和冰晶粒子，这时非球形粒子的散射计算最有效的方法就是T矩阵方法，理论上T矩阵方法可以用于计算任意不规则形状粒子[32]。

1.4 辐射传输方程求解

尾焰红外辐射计算是基于已知尾焰流场参数分布和气体、固体颗粒辐射参数基础上进行辐射传输方程求解，主要求解方法有离散坐标法、有限体积法、蒙特卡罗法、射线跟踪法、离散传递法和热流法，不同求解方法对比见文献[33]。

粒子辐射参数计算目前广泛应用的是Mie理论，采用的3种典型计算方法有热流法、有限体积法和反向蒙特卡罗法。其中，有限体积法由于计算工作量小，计算精度高，而且对非规则计算域的适应性强，所以得到愈来愈多的重视和研究。

1.5 大气传输计算

有研究表明：当传输路径大于等于2 m时就要考虑大气传输的衰减影响[34]，关于大气红外特性的模拟，最重要的是计算大气的红外传输透过率和大气自身的红外辐射。由于针对大气辐射特征进行精确计算非常困难，目前，普遍采用大气辐射传输计算软件进行红外计算，应用较为广泛有LOWTRAIN、MODTRAN、FASCOD2和DISTORT等，上述几种大气辐射传输计算模型和另外几个简化计算模型的具体描述和对比分析见文献[35-36]。国内有关大气传输的计算大多采用国外软件，但也有学者结合实际应用需求进行了基于MODTRAN的再开发[37]。

随着大气环境参数(如大气温度、湿度、气压、霾浓度等)的不断变化，红外辐射经过大气传输后的特性差异很大[38-40]。由于我国地域辽阔，国外开发的大气辐射传输计算软件中使用的计算模型与我国的实际大气参数具有相当大的出入，实时实地的大气参数探测在计算红外辐射大气传输特性时起着重要的作用，在实际应用时，可以采用相应气象台站的高空气候资料数据[41-43]。

火箭发动机尾焰红外辐射计算可以分为：(1) 纯气相尾焰红外辐射计算，如氢氧发动机尾焰红外辐射计算[44]等；(2) 气固两相尾焰红外辐射计算，如含有碳烟颗粒的液氧煤油发动机[15,45]和含有Al2O3颗粒的固体火箭发动机[14]尾焰红外辐射计算等，与纯气相尾焰红外辐射计算相比，需要考虑固体颗粒对辐射的散射作用，甚至很小质量浓度的碳烟颗粒就会严重改变发动机尾焰的红外辐射特性[46]。

美国自20世纪70年代以来，先后建立了基于谱带模型计算尾焰气体辐射的GASRAD程序[47]，计算大型航天器发射段尾焰辐射的计算软件ARC(Aerodyne Radiation Code)[48]，以及基于双热流及六热流法建立的低空(0～60 km)标准红外辐射计算模型(Standard Infrared Radiation Model，SIRRM)[49-50]，在单波条件下求解气固耦合辐射传输方程，使用六热流方法处理粒子多次散射问题[51]。1973年NASA出版的燃烧气体产物辐射手册[52]，不仅对当时气体红外辐射特性计算方法与研究进展进行了阶段性总结，还给出了尾焰中常见组分气体的光谱数据和典型粒子的吸收系数。

俄罗斯中央机械制造设计局(Central Research Institute of Machine-Building，TSNIMASH)的Plastinin等[53-58]针对液氧煤油发动机尾焰流场及其辐射特性研究开展了大量工作，主要针对美国AtlasⅡ和AtlasⅢ火箭(采用的是俄罗斯研制的液氧煤油发动机RD-180)尾焰的流场与红外辐射特性进行计算和实验对比研究。计算过程中气体组分吸收系数和谱线密度等分子谱线参数和碳烟颗粒吸收系数分别由文献[59-62]和文献[63]获得；通过对飞行过程中的火箭尾焰进行红外辐射测量，获得尾焰光谱辐射特性和红外成像特性；对比分析了火箭尾焰中碳烟颗粒分布特性及其对红外辐射特性的影响。

国内的学者从20世纪90年代开始采用多种方法对火箭、导弹和飞机等发动机尾焰的红外辐射特性进行了计算研究，虽然起步较晚但已有一些成果，主要集中在飞机发动机尾焰红外辐射特性研究。近十几年来，国内学者针对火箭和导弹发动机尾焰辐射特性研究也在不断进行，纯气相尾焰红外辐射计算主要采用辐射传输方程有限增量形式求解方法[64]、传输方程积分法[65]、有限体积法[66-67]和反向蒙特卡罗法[68]。开展含有固体颗粒尾焰红外辐射特性研究，采用的主要方法有:(1) 引入Al2O3颗粒相辐射的独立传播过程，然后与气相辐射的有限增量模型计算结果进行叠加计算[69]；(2) 采用有限元法与分区法相结合方法[70]和源项六流法[71]模拟红外辐射特性，采用Mie散射理论考虑固体Al2O3粒子的散射影响；(3) 采用窄谱带模型和Mie散射理论建立红外辐射传输模型，使用热流法[72]、有限体积法[73-76]、离散坐标法[77-78]和反向蒙特卡罗法[75,79]计算研究。

2 实验测量研究

尾焰红外辐射特性测试任务主要有3种[6]20，如表2所示。

对发动机尾焰红外辐射特性进行实验测量是早期进行尾焰辐射研究的主要研究手段[80]，Harwell等[81]采用红外辐射计与红外干涉光谱仪对气氧/煤油模型发动机尾焰红外辐射特性进行了研究，并分析了环境空气流速和推进剂混合比对辐射特性的影响规律。Snaza等[82]采用红外光谱辐射计(Spectroradiometer，既能测总能量，又能测各个波长分光量值)和红外成像相机对固体火箭发动机尾焰红外辐射特性进行了研究，并分析了推进剂组分、固体颗粒尺寸分布对辐射特性的影响。

表2 尾焰红外辐射测试任务对比

随着辐射计算模型和计算机水平的不断发展，现主要采用计算程序进行发动机尾焰红外辐射特性研究；并且由于火箭发动机结构、飞行参数、推进剂种类及其混合比、固体发动机尾焰中颗粒直径等的变化都会对尾焰红外辐射产生显著影响[83-84]，而开展红外辐射特性实验测量研究难度和代价都非常大，因此目前实验测量主要被作为预估理论和计算程序准确性验证的手段。Devir等[85]采用红外成像相机对模型发动机尾焰进行成像测量，并以此验证计算红外辐射计算模型的准确性。Moran等[86]采用在缩比固体火箭测试台周围布设多台红外相机的方法，对固体火箭点火起飞时的尾焰红外辐射特性进行成像测量，并研究向火箭尾焰喷水对尾焰冲击及其红外辐射特性的影响。

图1 红外电视系统拍摄到长征七号火箭尾焰

国外在远距离高空羽流红外探测方面较为先进，美国在国防支援计划(Defense Support Program， DSP)卫星上安装大规模红外传感器阵列来获取远程弹道导弹和落点[87]。俄罗斯和平号空间站上曾搭载多种红外和紫外探测设备，用来捕捉飞行器高空尾焰的辐射特征[88]。

2016年6月25日，国内发射长征七号运载火箭时，利用红外电视系统对整个火箭发射飞行过程进行了测量跟踪，如图1所示。但国内对尾焰红外辐射特性测试工作仍显得不够充分，受搭载条件及测试技术限制，利用卫星平台对高空羽流红外特性的测试工作鲜有开展。

3 结 束 语

随着我国航天活动日益频繁，结合红外预警系统建设的迫切需要，对火箭发动机尾焰红外辐射特性研究应进一步大力开展，重点优先开展研究的内容包括：

1) 火箭发动机尾焰红外辐射特性通用计算软件，适用于不同火箭/导弹发动机尾焰流场参数已知情况下的尾焰红外辐射特性计算，包括纯气相的尾焰流场和含有固体颗粒的尾焰流场；

2) 红外辐射特性数据库，针对国内外现役主流火箭/导弹建立尾焰红外辐射特性数据库，为红外设备探测和识别目标提供数据支撑；

3) 发动机尾焰红外辐射特性实验研究，包括模型发动机尾焰红外辐射特性实验研究，用以验证红外辐射计算模型准确性，同时还要进行天基、地基和箭上红外系统的尾焰红外辐射特性测量实验研究工作。

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(编辑：李江涛)

Overview of Infrared Characteristics Study of Rocket Engine Plume

NIE Wansheng1， CAI Honghua2

(1. Department of Space Equipment, Equipment Academy, Beijing 101416, China；2. Department of Graduate Management, Equipment Academy, Beijing 101416, China)

During the whole process of missile /rocket launching, the engine plume with significant infrared characteristics is the main target of infrared detection equipment. The paper summarizes the numerical calculation and experimental measurement study of the rocket engine plume , especially introduces the numerical computation process of the infrared characteristics and concludes the computational method of each step and its applicability. The paper also analyzes and discusses research progress of the infrared radiation characteristics of the engine plume at home and abroad and gives some advices on future study in this respect.

missile; rocket; engine; plume; infrared radiation; numerical calculation study; experiment measurement study

2016-09-20

国家自然科学基金资助项目(91441123)

聂万胜(1969—)，男，教授，博士生导师，主要研究方向为航天推进与流动控制。nws1969@126.com

V43

2095-3828(2017)01-0047-07

A DOI 10.3783/j.issn.2095-3828.2017.01.011