國外高超聲速飛行器紅外輻射特性研究現狀分析

鄭昊鶯, 劉 健, 孟夏瑩, 韓小妹

(1.上海無線電設備研究所,上海201109;2.北京新雷能科技股份有限公司上海分公司,上海200120)

0 引言

高超聲速飛行器是指在高度在(10～100)km的臨近空間空域內,利用稀薄大氣特點以馬赫數(Ma)大于5的速度進行高超聲速機動飛行的飛行器。高超聲速飛行器按照功能可以分為高超聲速導彈和高超聲速飛機兩大類,其中高超聲速導彈按照動力類型或飛行彈道又可以分為吸氣巡航式和助推滑翔式[1]。高超聲速飛行器飛行速度快、機動能力強,是用于突破下一代一體化防空系統的革命性裝備,成為各軍事大國爭奪的戰略制高點。近年來,美國、俄羅斯等國均集中優勢資源大力發展高超聲速飛行器,對我國國防安全造成了巨大威脅。高超聲速飛行器的紅外輻射特性,尤其是目標本體材料的光譜特性和外部繞流的紅外輻射特性作為一種指紋譜特征,可以用于高超聲速飛行器的探測預警和識別跟蹤。然而,現階段國內高超聲速飛行器紅外輻射特性研究還存在多個技術瓶頸,研究成果尚不能為工程設計服務。因此,關注國外高超聲速飛行器紅外輻射特性研究動態具有重要意義。

1 國外高超聲速飛行器發展概況

美國和俄羅斯是臨近空間高超聲速飛行器發展的領軍者。近年來,兩國集中優勢資源大力發展高超聲速飛行器,實現了高超聲速飛行器實戰化發展。

在高超聲速導彈研制方面,美國的研究始于1995年啟動的高超聲速技術 (hypersonic technology,Hy Tech)計劃,該計劃旨在研制采用液體燃料且工作巡航馬赫數為4～8的一次性超燃沖壓發動機,并在X-43飛機上開展飛行驗證。隨后,美國海軍和美國國防部高級研究計劃局(defense advanced research projects agency,DARPA)于2002年合作啟動了高超聲速飛行(hypersonic flight,Hy Fly)計劃,旨在研制沖壓發動機作為高超聲速導彈的動力裝置,證實超燃沖壓發動機用于高超聲速導彈的可行性。在前期高超聲速飛行器動力研究的基礎上,美國于2003年啟動了著名的X-51A計劃和兵力運用與從本土發射(force application and launch from the continental,FALCON)計劃。其中,X-51A計劃發展以超燃沖壓發動機為動力、巡航飛行馬赫數大于5、射程超1 300 km的高超聲速巡航導彈,如圖1所示。在2010年至2013年期間,X-51A共進行了四次飛行試驗,其中2010年和2013年的兩次飛行試驗取得成功,為美國空軍開展吸氣巡航式高超聲速導彈研制提供了信心和技術儲備。FALCON計劃由美國空軍和DARPA合作開展,計劃研制助推滑翔式高超聲速導彈的驗證型號HTV-2,如圖2所示。HTV-2于2010年和2011年共進行了兩次飛行試驗,均以失敗告終,但兩次飛行試驗均實現了助推分離,獲得了大量的氣動熱測試數據。

圖1 X-51A高超聲速巡航導彈

圖2 HTV-2高超聲速滑翔飛行器

在X-51A和FALCON計劃的基礎上,美國空軍、美國海軍、DARPA合作啟動了高速打擊武器(high speed strike weapons,HSSW)計劃。該計劃包括高超聲速吸氣(hypersonic air breathing,HAWC)武器和戰術助推滑翔(tactical boost gliding,TBG)武器兩個飛行演示驗證項目。HAWC項目是在X-51A導彈的基礎上,開展射程930 km、飛行馬赫數5～6的戰術空射型高超聲速巡航導彈研究,方案概念圖如圖3所示。TBG項目是在HTV-2導彈的基礎上開發空射型助推滑翔式高超聲速導彈,并兼容海軍的垂直發射系統,方案概念圖如圖4所示。

圖3 HAWC方案概念圖

圖4 TBG方案概念圖

美國航空航天局(national aeronautics and space administration,NASA)早在1985年就開展了國家空天飛機計劃(national space shuttle program,NASP),旨在研制試驗性單級入軌飛行器X-30,這標志著美國高超聲速飛機研制的開始。隨后,美國空軍于1996年啟動了Hyper-X計劃,重點研究可重復使用的高超聲速飛行器,并推出了X-43系列飛行器。該項計劃的另一大成果是驗證了渦輪基組合循環(turbine based combine cycle,TBCC)發動機作為高超聲速飛行器動力裝置的可行性。基于驗證結果,美國現階段在研的兩大高超聲速飛機——SR-72和Manta,均采用TBCC發動機作為動力裝置。SR-72高超聲速飛機由美國洛克希德-馬丁公司的臭鼬工廠承研,該飛機的巡航馬赫數可達6,可在1 h內到達全球任意空域執行偵查和打擊任務,計劃2022年實現首飛。波音公司于2018年公布了其研制的高超聲速飛機Manta,該型高超聲速飛機巡航馬赫數可達5以上,巡航高度30 km,計劃2025年前后實現首飛。

俄羅斯在高超聲速技術領域的研究始于上個世紀50年代的超燃沖壓發動機基礎研究,后期啟動了一系列超燃沖壓發動機研究項目,建立了高超聲速飛行試驗系統 (hypersonic flying laboratory,HFL)。但由于經濟影響,在2000年后俄羅斯的高超聲速飛行器研制一度陷入低迷。在2010年以后,受到美國開展X-51A、HTV-2等飛行試驗的刺激,俄羅斯加快了高超聲速飛行器的研制步伐,接連公布了“匕首”、“先鋒”和“鋯石”三型高超聲速導彈和PAK-DA高超聲速飛機。

“匕首”高超聲速導彈是在空射型導彈Iskander的基礎上改進研制的,最高飛行馬赫數達10,射程超2 000 km,可掛載于米格-31戰斗機上實施空射,如圖5所示。自2017年開始飛行試驗以來,“匕首”高超聲速導彈已完成多次機載發射試驗,最近一次于2019年11月在北極完成飛行試驗,射程達2 000 km。

圖5 掛載于米格-31戰斗機上的“匕首”高超聲速導彈

“先鋒”高超聲速導彈研制始于上個世紀80年代開始的4202項目。該項目研制的滑翔式高超聲速飛行器被稱為Yu-70。Yu-70經過一系列改進升級,發展了Yu-71、Yu-74等改進型滑翔式高超聲速飛行器,其中Yu-71就是“先鋒”高超聲速導彈的前身。“先鋒”高超聲速導彈采用陸基發射,最大飛行馬赫數達20,目前已開始戰斗值班。最近一次的“先鋒”高超聲速導彈試射試驗于2017年10月完成。Yu-71滑翔彈頭由火箭助推,飛行馬赫數達9～10時,與助推火箭分離,在80 km以下的大氣層內飛行,飛行距離超過5 500 km,飛行時間16 min。

“鋯石”高超聲速反艦導彈(代號3M-22)為助推滑翔式高超聲速導彈,飛行馬赫數達9,射程超過1 000 km,采用海基方式垂直發射。該導彈2016年陸基試驗成功,2017年4月海基試驗成功,2018年12月完成艦載飛行試驗,擊中海上靶標,預計于2022年裝備在重型核潛艇上。此外,俄羅斯于2016年7月公布了高超聲速轟炸機PAK-DA,該飛機能夠從外層空間在2 h內到達全球任意空域開展核打擊。該飛機采用組合動力系統,具有航空飛行和航天飛行兩種模式,在航天飛行模式下,采用攜帶的甲烷和氧氣作為燃料。

2 高超聲速飛行器紅外輻射特性研究中的關鍵技術

高超聲速飛行器的紅外輻射特性,尤其是目標本體材料的光譜特性和外部繞流的紅外輻射特性作為一種指紋譜特征,可以用于高超聲速飛行器的探測預警和識別跟蹤。美國空軍太空與導彈系統中心(air force space and missile systems center,SMC)和陸軍研究實驗室(army research laboratory,ARL)聯合開發的用于高超聲速飛行器天基預警的新一代過頂持續紅外(overhead persistent infrared,OPIR)星座系統就搭載了寬視場紅外探測器,通過探測目標的紅外輻射特性實現對高超聲速飛行器的預警、識別和跟蹤。高超聲速飛行器的紅外輻射主要由目標本體輻射、發動機輻射和外部繞流輻射三部分組成。目標本體輻射與目標本體溫度分布及表面發射特性有關;發動機輻射與發動機類型、燃料、工況參數等因素有關;外部繞流輻射與飛行工況及繞流中的組分有關。現階段,高超聲速飛行器紅外輻射特性研究存在高超聲速流動仿真和外部繞流輻射特性計算兩大難點。

(1)高超聲速流動仿真技術

高超聲速飛行器飛行高度大于10 km、飛行馬赫數大于5,其高超聲速流場流動具有典型的跨流域特征,即臨近空間高超聲速流場存在連續介質流動(連續流)和自由分子流動(稀薄流)兩種流動類型。區分這兩種不同流動類型的無量綱參數為克努森(Knudsen)數Kn,定義為流體分子平均自由程與飛行器特征長度之比。圖6給出了不同流動類型對應的Kn取值范圍。當Kn＜0.2時,流動為連續介質流動,N-S(Navier-Stokes)方程成立;當Kn＞1時,自由分子流動的作用開始凸顯,連續介質假設失效,此時需要用玻爾茲曼(Boltzmann)方程描述流動。針對這兩種高超聲速流動類型,高超聲速流動數值模擬方法分為兩大類:一類是基于流體力學理論求解N-S方程的方法,適用于連續流場仿真;另一類是基于分子運動學理論求解Boltzmann方程的方法,適用于稀薄流場仿真。基于連續介質假設的N-S方程的數值求解方法發展較為成熟,目前主要有雷諾平均(Reynold average Navier-Stokes,RANS)方法、大渦模擬(large eddy simulation,LES)方法和直接數值模擬(direct numerical simulation,DNS)方法三種[2]。基于離散粒子假設的Boltzmann方程的數值求解方法主要有直接模擬蒙特卡羅(direct simulation Monte Carlo,DSMC)方法、細胞自動化模型、離散速率模型、格子波爾茲曼算法和分子動力學模型等,其中DSMC方法是唯一在高超聲速流場稀薄區仿真取得成功的數值方法[3]。然而,在使用DSMC方法模擬高超聲速稀薄流動時,計算網格尺寸和時間步長受到流體分子平均自由程和平均碰撞時間的限制,計算量隨Kn的減小而急劇增加。尤其是在過渡區域,DSMC方法的計算效率難以接受。

圖6 不同流動類型中克努森數的取值范圍

(2)外部繞流輻射特征計算技術

高超聲速飛行器外部繞流輻射特性計算面臨著非平衡效應的難題。非平衡效應表現在外流參與性組分的熱力學非平衡和輻射非平衡兩個方面。由于高超聲速飛行器所在的臨近空間氣體密度低,原子、分子碰撞不充分,而飛行器的高速運動又會縮短各組分的運動時間,使得外部繞流中原子和分子的平動、轉動、振動、電子激發等熱力學能量來不及通過碰撞交換達到平衡,表現出熱力學非平衡效應。此外,由于各組分的原子、分子處于熱力學非平衡態,其多種能量模式的松弛過程使得各組分在各能態的數密度不符合平衡態下的波爾茲曼分布規律和薩哈方程,表現出輻射非平衡效應。

3 高超聲速飛行器紅外特性國外研究現狀及趨勢

高超聲速稀薄流動和非平衡態效應使得高超聲速飛行器紅外輻射機理及特性表征不同于傳統低速飛行器目標,給目標紅外輻射特性研究帶來了新的挑戰。由于高超聲速流場輻射理論涉及流體力學、傳熱學、量子力學、光譜學、輻射度量學等多個學科,現有研究大都通過風洞測試開展高超激波層輻射特性研究。國際上著名的高超聲速風洞試驗設施有NASA Ames研究中心(Ames research center,ARC)的多個高超聲速電弧風洞、意大利的Scirocco試驗設施、德國航天中心的等離子風洞、日本宇航研究開發機構(Japan aerospace exploration agency,JAXA)的膨脹管風洞、澳大利亞昆士蘭州立大學的X2風洞等。

近三年,針對高超聲速飛行器紅外輻射特性研究中的難點,美國、日本、歐洲的多家研究機構基于風洞測試結果開展了大量基礎研究。美國從事高超聲速輻射特性基礎研究的機構主要為NASA ARC。NASA ARC擁有電弧激波風洞(electric arc shock tube,EAST)[4]、IHF(interaction heating facility)arc jet[5]、Unitary Plan風洞[6]等試驗設施。2018年,NASA ARC采用分光測量技術測量了高超聲速自由來流中的激波輻射。研究結果表明:在可見到近紅波段N2輻射占主要貢獻,在紫外波段NO輻射占主要貢獻;測得的N2光譜輻射線形與NEQAIR軟件仿真的結果相差很大,其主要原因是仿真僅考慮了N2的熱激發;為了提高仿真精度,建議分別對每個振動態的電子-振動模態轉換線型進行計算,再進行縮放。2020年,NASA ARC在電弧激波管中測量了來流速度在(7～9)km/s范圍內激波的熱力學非平衡態輻射,測得輻射貢獻主要來自NO、N2、N2+、N原子和 O原子。測試結果與NEQAIR軟件采用Park90、Park93和Johnston14輻射模型的仿真結果對比,存在較大誤差。經分析,誤差原因包括準穩態假設導致NO和N2輻射仿真結果偏小,雙溫度模型導致低壓狀態下N2+輻射仿真結果偏大,雙溫度模型導致原子輻射仿真結果誤差較大,軟件中的組分激發速率取值不合適等。NASA ARC的大量測試結果雖然與軟件仿真結果相比存在較大誤差,但基于測試結果可以進一步優化高超聲速流動輻射模型中的多種假設,提高軟件仿真精度。NEQAIR仿真模型的改進工作一直在持續進行中。美國空軍研究實驗室開發了高超聲速流動仿真的DSMC方法和輻射仿真模型,對比高超聲速流動中的紅外和紫外輻射,驗證了高速流動中NO和N2+O反應的輻射[7]。此外,美國加州理工學院[8]、德克薩斯大學[9]等高校在高超聲速風洞中開展輻射測試試驗,測試結果用于驗證改進高超聲速相關的計算程序。除美國外,近年來JAXA[10]和東海大學(Tokai University)[11]也開展了高超聲速流動非平衡態輻射基礎研究;法國的EM2C實驗室[12-13]、德國慕尼黑國防大學[14]、澳大利亞昆士蘭州立大學[15]均開展了相關研究。

總結近兩年國外在高超聲速飛行器目標紅外輻射特性領域開展的研究工作,可以發現其發展趨勢。

目標紅外輻射特性的研究聚焦于高超聲速流動中不同組分的多譜段輻射特性。從近兩年公開發表的文獻可以發現,所有研究內容均為高超聲速流動中不同組分的輻射特性,這是高超聲速飛行器輻射特性仿真的理論基礎。研究的流場組分包括 NO、N2、CO2、CO、N2+、N 原子和 O 原子等。關注的譜段包含紫外、可見、近紅和紅外波段。此外,由于高超聲速流場輻射理論的復雜性,研究大都采用風洞測試手段,基于測試結果分析高超聲速流動輻射機理,改進現有的計算模型。

高超聲速流動輻射領域的研究表現出國際合作的趨勢。近兩年公開發表的多篇文獻由多個國家的研究機構共同署名。例如,文獻[16]中美國NASA的DC-8機載實驗室測量了日本的Hayabusa返回艙再入工況下的激波輻射;文獻[17]中日本的JAXA在其激波風洞中對高超聲速激波后的CO2和CO氣體輻射開展了測量試驗,法國的EM2C實驗室對試驗工況下的輻射特性進行了仿真,兩者結果對比發表了共同署名文章;文獻[18]介紹了美國空軍與澳大利亞聯合開展的高超聲速國際飛行研究試驗(hypersonic international flight research experimentation,HIFiRE)計劃的第五次飛行試驗。此外,多篇文獻還表明美國開發的著名高溫氣體非平衡輻射計算軟件NEQAIR在日本、澳大利亞、德國、法國等多個國家的研究機構中得到應用。但國際合作僅僅是小范圍內的合作,僅僅發生在美國、日本、澳大利亞和歐洲少數幾個國家之間。對我國而言,美國NASA ARC仍保持封鎖狀態,NEQAIR軟件也一直被禁止引進。

4 結束語

高超聲速飛行器技術作為未來戰爭的顛覆性技術,得到了美國、俄羅斯等軍事大國的大力發展。為了應對美俄等國家高超聲速武器的威脅,需要開展高超聲速紅外輻射特性基礎研究。考慮到高超聲速技術領域面臨的挑戰,可以預見探索高超聲速流動和輻射理論,借鑒國外測試數據提升高超聲速目標特性仿真精度,將成為高超聲速飛行器紅外特性研究領域的一個熱點。