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高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

郑鸿儒 马岩 范林东 任翔

郑鸿儒, 马岩, 范林东, 任翔. 高空离轨发动机流场红外辐射特性研究[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(2): 259-266. doi: 10.37188/CO.2021-0232
引用本文: 郑鸿儒, 马岩, 范林东, 任翔. 高空离轨发动机流场红外辐射特性研究[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(2): 259-266. doi: 10.37188/CO.2021-0232
ZHENG Hong-ru, MA Yan, FAN Lin-dong, REN Xiang. Infrared radiation characteristics of high-altitude off-orbit engine plume[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 259-266. doi: 10.37188/CO.2021-0232
Citation: ZHENG Hong-ru, MA Yan, FAN Lin-dong, REN Xiang. Infrared radiation characteristics of high-altitude off-orbit engine plume[J]. Chinese Optics, 2022, 15(2): 259-266. doi: 10.37188/CO.2021-0232

高空离轨发动机流场红外辐射特性研究

基金项目: 国家自然科学基金重大项目重点课题(No. 61890965)
详细信息
    作者简介:

    郑鸿儒(1992—),男,吉林长春人,博士,助理研究员,主要从事卫星姿态与轨道控制、电推进羽流效应等方面的研究。E-mail: zhenghongru@buaa.edu.cn

    马 岩(1977—),男,山东单县人,硕士,研究员,主要从事光电信息处理预分析等方面的研究。E-mail: mayan888@sina.com

    范林东(1988—),男,山西祁县人,硕士,助理研究员,主要从事卫星导航制导与控制等方面的研究。E-mail: fanlindong@buaa.edu.cn

    任 翔(1992—),男,河北沧州人,博士,助理研究员,主要从事羽流效应、数值模拟等方面的研究。E-mail: renxiang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V211.3;

Infrared radiation characteristics of high-altitude off-orbit engine plume

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61890965)
More Information
  • 摘要: 高超声速飞行器大攻角机动时,其离轨发动机产生的喷流与高速稀薄的大气来流产生强烈干扰,流场情况复杂,流场红外辐射也是天基红外系统探测的标志性事件。本文针对高超声速飞行器发动机喷流与稀薄来流的相互干扰情况,采用数值求解Navier-Stokes方程模拟干扰流场,采用逐线积分法得到气体红外辐射特性,结合反向蒙特卡洛方法计算得到飞行器在94公里飞行高度下,无来流、不同来流攻角、不同来流速度下的尾焰流场红外辐射特性,并针对低轨卫星的可观测性进行了评估。仿真结果表明,对于给定观测位置,在无风条件下,红外辐射在各个波段下的强度较低,最大值在10−9 W/m2量级。而在来流攻角影响下,流场红外信号强度显著上升,且来流攻角、来流速度越大,强度越大,最大值在10−6 W/m2量级。大气衰减效应对不同观测位置的可观测性影响较大。本文结果可为高超声速飞行器红外预警和反导提供参考。

     

  • 图 1  吸收系数对比

    Figure 1.  Comparison of absorption coefficients

    图 2  计算域及观测视角示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of computational domain and observation angle

    图 3  不同攻角下尾焰流场温度云图

    Figure 3.  Temperature fraction of exhaust plume at different attack angles

    图 4  不同来流速度下尾焰流场温度云图

    Figure 4.  Temperature nephogram of exhaust plume at different inlet velocities

    图 5  不同攻角下尾焰流场CO2质量分数云图

    Figure 5.  CO2 mass fraction nephogram of exhaust plume at different attack angles

    图 6  不同攻角下尾焰流场H2O质量分数云图

    Figure 6.  H2O mass fraction nephogram of exhaust plume at different attack angles

    图 7  2.65~3.00 μm波段辐射热流密度对比

    Figure 7.  Comparison of radiative heat flux in 2.65~3.00 μm wave band

    图 8  3.70~4.95 μm波段辐射热流密度对比

    Figure 8.  Comparison of radiative heat flux in 3.70~4.95 μm wave band

    图 9  8.00~13.5 μm波段辐射热流密度对比

    Figure 9.  Comparison of radiative heat flux in 8.00~13.5 μm wave band

    图 10  不同来流速度下各波段辐射热流密度对比

    Figure 10.  Comparison of radiative heat flux at different wave bands and different inlet velocities

    图 11  低轨卫星观测方向示意图

    Figure 11.  Detection diagram of a low orbit satellite

    表  1  不同观测位置的辐射热流密度

    Table  1.   Radiative heat fluxes at different observation positions (W/cm2)

    Waveband/μmLocation 1Location 2
    No windWind 90°Wind 135°5000 m/s6000 m/sNo windWind 90°Wind 135°5000 m/s6000 m/s
    2.65~35.07×10−141.82×10−113.94×10−112.40×10−112.77×10−111.25×10−176.13×10−151.33×10−147.84×10−158.81×10−15
    3.7~4.957.00×10−137.84×10−111.32×10−101.13×10−101.13×10−105.42×10−181.37×10−142.51×10−142.11×10−142.14×10−14
    8~13.51.79×10−144.37×10−127.22×10−126.40×10−126.32×10−126.60×10−172.24×10−143.74×10−143.31×10−143.25×10−14
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-12-28
  • 修回日期:  2022-01-04
  • 录用日期:  2022-01-22
  • 网络出版日期:  2022-01-26
  • 刊出日期:  2022-03-21

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