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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

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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]. , 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]. , 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

doi:10.37188/CO.2021-0232
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 −9W/m 2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 −6W/m 2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.CO2mass 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 72.65~3.00 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 83.70~4.95 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 98.00~13.5 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/μm Location 1 Location 2
    No wind Wind 90° Wind 135° 5000 m/s 6000 m/s No wind Wind 90° Wind 135° 5000 m/s 6000 m/s
    2.65~3 5.07×10−14 1.82×10−11 3.94×10−11 2.40×10−11 2.77×10−11 1.25×10−17 6.13×10−15 1.33×10−14 7.84×10−15 8.81×10−15
    3.7~4.95 7.00×10−13 7.84×10−11 1.32×10−10 1.13×10−10 1.13×10−10 5.42×10−18 1.37×10−14 2.51×10−14 2.11×10−14 2.14×10−14
    8~13.5 1.79×10−14 4.37×10−12 7.22×10−12 6.40×10−12 6.32×10−12 6.60×10−17 2.24×10−14 3.74×10−14 3.31×10−14 3.25×10−14
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出版历程
  • 收稿日期:2021-12-28
  • 录用日期:2022-01-22
  • 修回日期:2022-01-04
  • 网络出版日期:2022-01-26
  • 刊出日期:2022-03-21

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