运输机蒙皮红外辐射特性建模与分析

金 亮，张昊春，李 森，马 壮

(哈尔滨工业大学 能源科学与工程学院，黑龙江 哈尔滨，150001)

引言

在过去的很长时间里，对飞行器目标的探测主要依靠于雷达探测。但是由于目前飞行器采用更多的隐形材料，对雷达具有屏蔽性，探测有效性大大降低。随着红外探测技术的发展，由于机动性高、被动探测、探测精度高、不受无线电干扰等优势，使得红外探测能显著弥补雷达对飞行器目标探测能力的不足[1]。由于飞行器机身在高速飞行中会与空气相摩擦从而产生大量的热，并且受到来自太阳、地表和大气背景的辐射，所以机身会产生强烈的红外辐射。在现代战争中飞行器红外辐射强度的强弱直接影响其生存，所以飞行器目标隐身技术研究的重要方向之一是开展飞行器目标红外辐射特性抑制技术的研究[2]。

飞机蒙皮红外辐射特性领域的相关研究成果由于保密需要，关键技术和数据并未公开。西方国家很早开展了飞行器红外辐射研究，目前较为成熟的红外辐射特性计算软件有NIRATAM、SIRUS、NTCS等[3]。Mahulikar分析了飞机辐射源的主要分布[4]。Sidonie Lefebvre等人根据飞机具体的飞行环境，忽略了部分影响较小的因素并结合蒙特卡罗法分析了典型环境对飞机红外辐射的影响[5]。Reinov等人开展了商用飞机的红外辐射特性计算，通过半经验办法提取了排气管、尾焰和热部件的实验数据[6]。Willers结合开源软件OSMOSIS系统研究了不同大气背景辐射在近红外、中红外、远红外波段等波段对飞机辐射特征造成的影响[7]。哈尔滨工业大学的夏新林等人采用热网格法分析蒙皮热量传递，利用FLUENT软件计算气动对流换热，得到较为精细的飞机蒙皮温度分布[8]。北京航空航天大学的刘娟采用工程算法和半经验模型计算了多种条件下飞机的红外辐射[9]。空军工程大学的李慎波等人在综合考虑气动对流作用、环境辐射、蒙皮传导等因素的基础上建立了热网格方程，导出热流密度函数作为浮动的热边界条件计算出机体总辐射[10]。

目前在飞机红外辐射领域，对运输机红外辐射特性的研究十分有限，相对于其他战斗飞机，运输机翼展更大，机身更长，机体更宽，所以在运输机整体红外辐射特性计算中，飞机蒙皮产生的红外辐射能量所占比重更大。本文以某型号运输机为模型，分析了蒙皮在红外(8 μm～12 μm)波段正前方和正侧方的红外辐射强度分布。

1 运输机红外辐射特性模型

气动加热主要是因为运输机在高速运动中，气流的一部分动能将不可逆地转变成热能，在蒙皮表面形成一种所谓的热层，与其进行换热[11]。目前对于飞机红外辐射计算主要有两种方法[12-13]。第一种是基于经验公式计算：

(1)

这种方法只求出恢复温度Tr作为蒙皮的温度，对飞行器内外部热环境的耦合作用没有深入了解。第二种方法是建立飞机机体的三维模型，基于流场计算软件计算。此类方法计算精度高，能获得飞机在各个状态下的光谱辐射特性。

1.1 三维建模及流场计算

本文参照C-17战略运输机相关数据进行几何模型建立。C-17采用了大型运输机的常规布局，其中机翼为悬臂上单翼，前缘后掠角为25度，悬臂为T行尾翼[14]。具体参数见表1。

表1 模型几何参数

实际的运输机结构非常复杂，这会导致仿真计算和数值模拟的难度，并且使工作量变得繁重。在后续的红外仿真中并不需要运输机的一些精细结构。所以在建立运输机几何模型时，进行了适当的简化处理。首先通过SolidWorks建立某型号运输机的三维几何模型，如图1所示。并对机体和外流场进行网格划分。飞机机体表面采用非结构化三角形网格进行划分，并在外流场与机体耦合处进行网格加密处理，如图2所示。

图1 运输机几何模型Fig.1 Geometry model of transport plane

图2 流场仿真区域网格Fig.2 Mesh of flow field simulation area

设置以下边界条件：

1) 飞机外流场为压力远场，无反射特性；机身蒙皮为固体壁；气体流动沿X轴正方向流动，飞机机头指向X轴负方向。

2) 将气体看成理想状态，忽略重力和辐射作用的影响，遵守理想气体方程和能量守恒方程。

(2)

式中：右边前两项为湍流黏性的生成项和解体项；btrip是自定义的原项；d为壁面的距离；dT表示从转捩点算起的距离；右边最后的一项是耗散项，其中σ和Cb2分别表示湍流普朗特数和校正常数。S-A模型的详细内容及其他符号定义参见文献[15]。

4) 方程采用二阶迎风差分格式进行离散，耦合求解，方程组的解收敛的判别标准取残差小于1E-4。

5) 运输机飞行高度为10 km，环境大气压为25 000 Pa，环境温度为210 K。流场计算得到了0.5、0.8和1马赫数下运输机蒙皮温度分布，如图3、图4和图5所示。

图3 0.5马赫时飞机蒙皮温度分布/KFig.3 Temperature field of skin at 0.5 Mach

图4 0.8马赫时飞机蒙皮温度分布/KFig.4 Temperature field of skin at 0.8 Mach

图5 1马赫时飞机蒙皮温度分布/KFig.5 Temperature field of skin at 1 Mach

从图3、图4和图5可以看出，同样的大气环境下，运输机蒙皮温度随着飞行速度的增加而显著提高。原因在于随着运输机飞行速度的增加，空气与运输机蒙皮的摩擦越来越剧烈，气动加热效果越来越显著。针对于蒙皮的温度分布特点我们可以看出，机头前端、机翼前缘、发动机罩的温度明显高于运输机其他部位，这是因为这些部位剧烈压缩空气导致，机身温度提升是因为与空气摩擦所导致。

2 蒙皮辐射强度计算

2.1 红外辐射计算理论模型

根据普朗克定律，蒙皮单个面元的光谱辐射出射度为

(3)

式中：λ为波长；T为绝对温度；c1为第一辐射常数；c2为第二辐射常数。

为了准确获得运输机蒙皮的红外辐射强度，应先确立视线方向。在t时刻把沿视线方向可以观察到的所有面元的辐射强度进行积分，即可得到总蒙皮的辐射强度：

(4)

式中：ε为面元发射率，本文均取0.98；Ai为面元i的面积；Mi为面元i的光谱辐射出射度；ωi为面元i外法线与视线的夹角。

2.2 面源遮挡判断

运输机机体蒙皮比较复杂，不同视线方向上部分面元之间会造成相互遮挡。其中遮挡判断主要分为两种情况：1) 面元与观测点分布于机体两侧；2) 面元与观测点位于同一侧,但是其他面元对目标面元造成遮挡。计算流程图如图6所示。

图6 面元遮挡判断计算流程Fig.6 Calculation process of judging surface occlusion

首先计算面元i的外法线方向向量与视线方向向量的夹角，视线方向为观察点到面元的方向：

(5)

如果sign>0，说明面元与观察点不在同一侧，面元不可见。其次针对目标面元i，再判断其余面元是否为遮挡面元。观察点到目标面元i中心点的射线可以设为：

L(t)=L0+t·u

(6)

式中：L0为观察点坐标；u为视线方向单位向量，t∈[0,∞]。

先计算射线与目标面元i的交点t1。再计算射线与疑似遮挡面元n是否存在交点，若存在交点，求出交点t2。判断交点是否在目标面元i与观察点之间。若t2>t1说明射线先经过目标面元后经过疑似遮挡面元，所以不存在遮挡。相反，则要判断交点是否在疑似遮挡面元内。将交点t2与疑似遮挡面元的各个顶点连接建立向量，顺时针相邻两个向量求叉积，如果各个叉积符号相同说明交点t2在疑似遮挡面元内，对目标面元造成遮挡，反之不遮挡。

3 计算结果

根据上述模型，本文编写了红外辐射特性计算程序。获得了运输机蒙皮分别在方位角0°、60°、90°、180°，天顶角0°至180°范围内3种马赫数下运输机蒙皮总的红外辐射强度，探测示意图见图7，计算结果如图8所示。

从图8可得以下结论：在运输机正前方和正后方探测时红外辐射强度随天顶角先增大后减小，均在天顶角90°时取得最小值，这是因为在这个角度下，可探测到的部分只有机头和机翼与尾翼的前缘或后缘部分。这几部分面积占飞机蒙皮总面积的比例很小，所以探测器接收到的能量很小。蒙皮温度对机体红外辐射强度值影响很大，因此降低蒙皮温度或者蒙皮发射率对抑制蒙皮红外辐射强度有显著效果。

图7 前向和正侧方观测角度分布Fig.7 Distribution at forward and side observation angle

图8 方位角为0°、60、90°和180°时3种马赫数下红外辐射强度Fig.8 IR radiation intensity with 3 Mach at φ=0°, φ=60°, φ=90° and φ=90°

4 结论

本文通过建立运输机的实体模型、红外辐射模型，应用数值模拟的方法计算了飞机在不同马赫数飞行的流场，获得机体表面温度场，计算得到飞行状态下飞机蒙皮零距离红外辐射强度。主要得到以下结论：

1) 马赫数对红外辐射强度影响非常大，方位角0°时，相对于0.5马赫，1马赫飞行状态时，红外辐射强度增加32%，气动加热为其辐射强度的主要贡献源；

2) 当正前方或正后方探测时，红外辐射强度峰值随天顶角接近对称分布；侧方探测时，天顶角对红外辐射强度影响较小，红外辐射强度分布较为平均；

3) 针对运输机几何模型进行了全尺寸的外流场计算和红外辐射强度计算，该方法和结果可为未来运输机红外隐身设计提供理论依据。