F22尾焰紅外輻射特性及探測仿真研究

沈飛 丁亮 康戈文 李滾 王進達

摘 要： 針對隱身飛機F22尾焰紅外輻射特性，研究了臨近空間平臺對其進行紅外探測的可行性。通過對F22尾噴管及其尾焰氣體進行建模和仿真，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行處理，計算F22尾焰在不同探測視角下的紅外輻射強度。在此基礎上，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。

關鍵詞： F22尾焰； 紅外輻射強度； 探測距離； 臨近空間

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

對于F22這樣的先進戰斗機來說，無論是從外形、吸波材料還是主動隱身方面，其雷達隱身能力十分出色，以目前普通的地基、海基和部分空基防御平臺已經無法充分滿足未來戰爭防御手段的需求[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雷達系統對隱身飛機探測的不足。根據F22發動機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實現隱身飛行器的探測與預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中的重要戰略地位[2]，開展臨近空間紅外探測技術的研究工作對于未來實現臨近空間探測手段有十分重要的意義。由于隱身飛機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F22發動機矩形噴管建立尾焰流場模型。由于噴管沿中心軸面對稱，為了減小計算的復雜度，將噴管模型沿中心面取一半作為計算模型。設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行網格劃分和壓力賦值，將噴管模型置入流場計算域中。利用Gambit進行網格劃分，計算中采用四面體結構化網格，劃分后的網格模型如圖1所示。

1.2 尾焰流場仿真

設置飛機飛行高度為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氣。噴管入口為壓力入口，壓力大小為188 000 Pa，噴口溫度[3]為875 K，入口流動角為0°；外場出口設置成壓力出口，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 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，F22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果可為臨近空間平臺對F22的紅外探測提供理論依據。但由于本文在計算紅外輻射強度時并未考慮太陽和周圍環境對F22尾焰紅外輻射的影響，這必將造成一定的計算誤差，因此本文數值計算的結果精確度有待進一步提高。

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