艦空導(dǎo)彈典型作戰(zhàn)目標(biāo)紅外輻射特性計(jì)算方法研究?

梁彥 王鐸

（92941部隊(duì) 葫蘆島 125001）

1 引言

紅外輻射特性是艦空導(dǎo)彈典型作戰(zhàn)目標(biāo)重要特性之一，由于影響紅外輻射特性的因素較多，除了自身的發(fā)動(dòng)機(jī)工況外，還受環(huán)境溫度、濕度、運(yùn)動(dòng)速度、氣動(dòng)加熱、觀察距離等多個(gè)因素的影響，且其中的一些因素又很難進(jìn)行量化處理，使得目標(biāo)紅外輻射特性的數(shù)值計(jì)算變得比較困難［1～2］。因此對(duì)艦空導(dǎo)彈典型作戰(zhàn)目標(biāo)紅外輻射特性的研究及模擬，對(duì)于構(gòu)建逼真戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，充分考核艦空導(dǎo)彈的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)和作戰(zhàn)使用性能具有十分重要的意義。

2 模型建立

空中目標(biāo)的紅外輻射主要包括蒙皮、散射環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、尾焰等［3］。這些輻射源對(duì)空中目標(biāo)整體紅外輻射的貢獻(xiàn)取決于發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)、目標(biāo)外形、溫度、蒙皮表面材料的光學(xué)特性、飛行條件和環(huán)境條件等因素［4］。視點(diǎn)處傳感器接收到的輻射除了與目標(biāo)本身的輻射有關(guān)之外，還與大氣沿路徑的傳輸與輻射密切相關(guān)。視點(diǎn)處探測(cè)到的空中目標(biāo)紅外輻射特性可以表示如下［5］。

視點(diǎn)處總輻射=［蒙皮熱輻射（自身輻射+散射環(huán)境輻射）+尾噴管熱輻射+尾焰熱輻射］×大氣透過(guò)率+大氣輻射。

艦空導(dǎo)彈典型目標(biāo)紅外輻射特性建模的組織流程如圖1所示，主要輻射源之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)，最終計(jì)算出典型目標(biāo)的整機(jī)紅外輻射特性。

圖1 紅外輻射特性建模的組織流程圖

在建模過(guò)程中為了提高模型精度和適用性，采取了多種措施。

1）分模塊單獨(dú)建模。紅外輻射特性計(jì)算模型按照輻射源分別建立了蒙皮輻射模型、蒙皮散射環(huán)境輻射模型、發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)模型、尾焰輻射模型等。

2）引入經(jīng)過(guò)校驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀Ｃ善ぽ椛洳捎贸Ｓ玫拿善せ謴?fù)溫度的工程計(jì)算方法；發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)特性計(jì)算采用共同工作點(diǎn)模型進(jìn)行反演，并結(jié)合測(cè)量數(shù)據(jù)建立半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停恢饕斎氲膮?shù)包括蒙皮輻射和散射特性參數(shù)等都是在測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上反演模擬建立的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

3）設(shè)計(jì)軟件與國(guó)外成熟的專業(yè)軟件結(jié)合。在計(jì)算大氣傳輸特性和大氣背景輻射特性時(shí)運(yùn)用了MODTRAN軟件。

2.1 蒙皮紅外輻射

當(dāng)飛行速度處于亞音速狀態(tài)時(shí)，在蒙皮溫度分布的計(jì)算中，通常采用的飛機(jī)蒙皮恢復(fù)溫度的工程計(jì)算方法。典型目標(biāo)蒙皮由于氣動(dòng)加熱而溫度升高，從而產(chǎn)生相應(yīng)的紅外輻射，蒙皮自身的紅外輻射與蒙皮表面的發(fā)射率和溫度分布有關(guān)，根據(jù)Plank輻射定律，蒙皮表面的光譜輻射亮度可表示為［6］

其中ε(λ)為表面的光譜發(fā)射率，N0(λ,T)是表面溫度為T(mén)的黑體的光譜輻射亮度。

波長(zhǎng)范圍在λ1～λ2間的波段輻射亮度為

2.2 散射環(huán)境輻射

環(huán)境輻射主要包括三部分：太陽(yáng)輻射、地面輻射和天空輻射［7］。對(duì)這三部分的散射輻射分別進(jìn)行計(jì)算，即可得到蒙皮對(duì)環(huán)境輻射的散射。處于地球大氣層內(nèi)的飛機(jī)目標(biāo)散射輻射計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，目標(biāo)除了受到太陽(yáng)的直接輻射還受到來(lái)自大氣和云的天空背景輻射和地面背景或海面背景的散射輻射，同時(shí)還要受到大氣的衰減［8］。由于大氣的輻射特征與氣象條件和大氣中的各種分子、懸浮物（氣溶膠）的濃度及其光學(xué)特性有著密切的關(guān)系，因此建立具代表性的特定地理位置和氣象條件的大氣輻射傳輸模型對(duì)光譜計(jì)算具決定性作用［9］。

MODTRAN大氣傳輸模型能適用于從紫外、可見(jiàn)、紅外到微波乃至更寬的電磁波譜范圍，不僅包括云、霧、雨等多種大氣狀況的大氣透過(guò)率及背景輻射，大氣透過(guò)率、大氣背景輻射、單次散射的陽(yáng)光和月光輻射亮度、太陽(yáng)直射輻照度等多個(gè)計(jì)算功能，還增加了多次散射的計(jì)算、臭氧和氧氣在紫外的吸收參數(shù)。空中目標(biāo)散射輻射計(jì)算是基于MODTRAN軟件的功能上來(lái)完成的。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算

在發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流場(chǎng)計(jì)算中，將利用部件特性來(lái)計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能［10］，這是目前應(yīng)用最為廣泛的發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)性能數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。其特點(diǎn)是已有各部件特性，選定發(fā)動(dòng)機(jī)控制方案，給定飛行高度、飛行速度、發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)，按照各部件共同工作條件確定共同工作點(diǎn)，即確定滿足共同工作條件的壓氣機(jī)增壓比、渦前總溫、空氣流量、渦輪膨脹比、油氣比、排氣速度和排氣壓力等，然后再計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)推力、耗油率、燃油流量、噴管氣體參數(shù)。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能模型示意圖

2.4 尾焰紅外輻射特性計(jì)算

發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰是燃燒產(chǎn)物射流與大氣相互作用的結(jié)果，并在紅外光譜范圍產(chǎn)生大的輻射［11］。計(jì)算尾焰紅外輻射特性（光譜輻射強(qiáng)度、光譜輻射）的最后一步是積分輻射傳輸方程，沿著一個(gè)非均勻路徑穿過(guò)包含燃燒產(chǎn)物的幾何體一直積分到輻射傳感器。參考標(biāo)準(zhǔn)尾焰紅外輻射模型（The Standard In-frared Radiation Model，SIRRM），尾焰紅外輻射計(jì)算模塊的流程圖如圖3所示。

圖3 尾焰紅外輻射模塊的流程圖

2.5 環(huán)境輻射與傳輸特性計(jì)算

環(huán)境輻射與傳輸特性計(jì)算通過(guò)集成美國(guó)大氣輻射傳輸特性專用計(jì)算軟件MODTRAN，考慮標(biāo)準(zhǔn)大氣、中緯度夏季、中緯度冬季和熱帶共四種大氣模式以及晴空、典型云（均勻的）等典型環(huán)境背景條件，形成輻射與傳輸特性計(jì)算模塊并嵌入到飛機(jī)、導(dǎo)彈整機(jī)紅外特性模型軟件中［12～13］。

環(huán)境輻射與傳輸特性計(jì)算模塊中集成MODTRAN，主要是根據(jù)需求，對(duì)MODTRAN作相應(yīng)的改造，集成后的環(huán)境輻射和傳輸特性模型的計(jì)算分三步來(lái)完成：計(jì)算并構(gòu)造符合MODTRAN要求格式的輸入數(shù)據(jù)并完成MODTRAN輸入卡片；調(diào)用MODTRAN主計(jì)算程序PcModWin的“exe”文件完成計(jì)算；計(jì)算完畢后讀取MODTRAN的輸出結(jié)果，獲得所需數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理；最后根據(jù)接口要求輸出文件。

3 仿真計(jì)算結(jié)果

3.1 飛機(jī)類(lèi)目標(biāo)仿真計(jì)算

選定飛機(jī)類(lèi)仿真模型，在飛機(jī)高度10km，速度0.8Ma巡航，標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下，紅外特性計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖4，不同波段的輻射強(qiáng)度見(jiàn)表1～3。

表1 1μm～3μm波段，輻射強(qiáng)度W∕sr

圖4 飛機(jī)類(lèi)目標(biāo)仿真模型紅外特性計(jì)算結(jié)果

該條件下的3μm～5μm波段的亮度圖見(jiàn)圖5。

表2 3μm～5μm波段，輻射強(qiáng)度W∕sr

表3 8μm～12μm波段，輻射強(qiáng)度W∕sr

圖5 3μm～5μm波段迎頭尾追亮度圖

仿真計(jì)算結(jié)果與已有的紅外特性測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了模型初步校驗(yàn)，模型計(jì)算結(jié)果與相近條件下的測(cè)量值一致。

模型計(jì)算對(duì)比：

計(jì)算條件：飛行高度350m、速度0.8Ma、距離1500m、視線仰角10°、方位180°、標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)、晴空、波段3μm～5μm、加力狀態(tài)。

計(jì)算結(jié)果：2725.04W∕sr。

表4 紅外測(cè)量結(jié)果

對(duì)比結(jié)果可以看出，與測(cè)量數(shù)據(jù)相比，計(jì)算結(jié)果高于測(cè)量結(jié)果18%，引起計(jì)算和測(cè)量偏差的原因較多。由于計(jì)算時(shí)理論模型計(jì)算了全加力條件，而實(shí)際測(cè)量條件下的飛機(jī)可能沒(méi)有完全加力，因此尾焰輻射理論值可能高于實(shí)際值，這可能是引起偏差的主要原因，在以后的工作中需要繼續(xù)進(jìn)行模型校驗(yàn)。

3.2 導(dǎo)彈類(lèi)目標(biāo)仿真計(jì)算

反艦導(dǎo)彈紅外輻射特性分析主要來(lái)自理論建模計(jì)算，建立計(jì)算幾何模型如圖6，紅外特性分布圖如圖7，計(jì)算條件為飛行高度300m，飛行速度0.9Ma，標(biāo)準(zhǔn)大氣。

圖6 計(jì)算幾何模型圖

圖7 紅外特性仿真分布圖

從理論計(jì)算結(jié)果可知：該模型在中波波段前側(cè)向輻射強(qiáng)度小于90W∕sr，長(zhǎng)波波段輻射強(qiáng)度小于5W∕sr，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 反艦導(dǎo)彈模型紅外特性計(jì)算結(jié)果

從表5的中、長(zhǎng)波輻射強(qiáng)度的結(jié)果可見(jiàn)，計(jì)算結(jié)果在量級(jí)上反映模型的輻射強(qiáng)度。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用較為簡(jiǎn)便且可靠的紅外輻射特性模型建立方法，將艦空導(dǎo)彈典型作戰(zhàn)目標(biāo)輻射按來(lái)源分為蒙皮、散射環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管、尾焰等，分別對(duì)各部分紅外輻射特性進(jìn)行建模，綜合運(yùn)用熱輻射理論，采用分模塊單獨(dú)建模與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嘟Y(jié)合的方法，構(gòu)建了典型目標(biāo)的紅外輻射仿真計(jì)算模型，并將仿真計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，能夠反映模型的輻射強(qiáng)度等級(jí)，提高了艦空導(dǎo)彈典型作戰(zhàn)目標(biāo)紅外輻射特性計(jì)算的準(zhǔn)確性。