艦空導彈典型作戰(zhàn)目標紅外輻射特性計算方法研究?

梁彥 王鐸

（92941部隊 葫蘆島 125001）

1 引言

紅外輻射特性是艦空導彈典型作戰(zhàn)目標重要特性之一，由于影響紅外輻射特性的因素較多，除了自身的發(fā)動機工況外，還受環(huán)境溫度、濕度、運動速度、氣動加熱、觀察距離等多個因素的影響，且其中的一些因素又很難進行量化處理，使得目標紅外輻射特性的數(shù)值計算變得比較困難［1～2］。因此對艦空導彈典型作戰(zhàn)目標紅外輻射特性的研究及模擬，對于構建逼真戰(zhàn)場環(huán)境，充分考核艦空導彈的戰(zhàn)術技術指標和作戰(zhàn)使用性能具有十分重要的意義。

2 模型建立

空中目標的紅外輻射主要包括蒙皮、散射環(huán)境、發(fā)動機尾噴管、尾焰等［3］。這些輻射源對空中目標整體紅外輻射的貢獻取決于發(fā)動機運行狀態(tài)、目標外形、溫度、蒙皮表面材料的光學特性、飛行條件和環(huán)境條件等因素［4］。視點處傳感器接收到的輻射除了與目標本身的輻射有關之外，還與大氣沿路徑的傳輸與輻射密切相關。視點處探測到的空中目標紅外輻射特性可以表示如下［5］。

視點處總輻射=［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］×大氣透過率+大氣輻射。

艦空導彈典型目標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、相互關聯(lián)，最終計算出典型目標的整機紅外輻射特性。

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）分模塊單獨建模。紅外輻射特性計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)動機內流場模型、尾焰輻射模型等。

2）引入經過校驗的經驗或半經驗模型。蒙皮輻射采用常用的蒙皮恢復溫度的工程計算方法；發(fā)動機內流場特性計算采用共同工作點模型進行反演，并結合測量數(shù)據建立半經驗模型；主要輸入的參數(shù)包括蒙皮輻射和散射特性參數(shù)等都是在測量數(shù)據基礎上反演模擬建立的半經驗模型。

3）設計軟件與國外成熟的專業(yè)軟件結合。在計算大氣傳輸特性和大氣背景輻射特性時運用了MODTRAN軟件。

2.1 蒙皮紅外輻射

當飛行速度處于亞音速狀態(tài)時，在蒙皮溫度分布的計算中，通常采用的飛機蒙皮恢復溫度的工程計算方法。典型目標蒙皮由于氣動加熱而溫度升高，從而產生相應的紅外輻射，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，根據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的黑體的光譜輻射亮度。

波長范圍在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：太陽輻射、地面輻射和天空輻射［7］。對這三部分的散射輻射分別進行計算，即可得到蒙皮對環(huán)境輻射的散射。處于地球大氣層內的飛機目標散射輻射計算相當復雜，目標除了受到太陽的直接輻射還受到來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）的濃度及其光學特性有著密切的關系，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光譜計算具決定性作用［9］。

MODTRAN大氣傳輸模型能適用于從紫外、可見、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率及背景輻射，大氣透過率、大氣背景輻射、單次散射的陽光和月光輻射亮度、太陽直射輻照度等多個計算功能，還增加了多次散射的計算、臭氧和氧氣在紫外的吸收參數(shù)?？罩心繕松⑸漭椛溆嬎闶腔贛ODTRAN軟件的功能上來完成的。

2.3 發(fā)動機內流場計算

在發(fā)動機內流場計算中，將利用部件特性來計算發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)性能［10］，這是目前應用最為廣泛的發(fā)動機穩(wěn)態(tài)性能數(shù)學模型，如圖2所示。其特點是已有各部件特性，選定發(fā)動機控制方案，給定飛行高度、飛行速度、發(fā)動機工作狀態(tài)，按照各部件共同工作條件確定共同工作點，即確定滿足共同工作條件的壓氣機增壓比、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，然后再計算發(fā)動機推力、耗油率、燃油流量、噴管氣體參數(shù)。

圖2 發(fā)動機性能模型示意圖

2.4 尾焰紅外輻射特性計算

發(fā)動機尾焰是燃燒產物射流與大氣相互作用的結果，并在紅外光譜范圍產生大的輻射［11］。計算尾焰紅外輻射特性（光譜輻射強度、光譜輻射）的最后一步是積分輻射傳輸方程，沿著一個非均勻路徑穿過包含燃燒產物的幾何體一直積分到輻射傳感器。參考標準尾焰紅外輻射模型（The Standard In-frared Radiation Model，SIRRM），尾焰紅外輻射計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算

環(huán)境輻射與傳輸特性計算通過集成美國大氣輻射傳輸特性專用計算軟件MODTRAN，考慮標準大氣、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算模塊并嵌入到飛機、導彈整機紅外特性模型軟件中［12～13］。

環(huán)境輻射與傳輸特性計算模塊中集成MODTRAN，主要是根據需求，對MODTRAN作相應的改造，集成后的環(huán)境輻射和傳輸特性模型的計算分三步來完成：計算并構造符合MODTRAN要求格式的輸入數(shù)據并完成MODTRAN輸入卡片；調用MODTRAN主計算程序PcModWin的“exe”文件完成計算；計算完畢后讀取MODTRAN的輸出結果，獲得所需數(shù)據并進行處理；最后根據接口要求輸出文件。

3 仿真計算結果

3.1 飛機類目標仿真計算

選定飛機類仿真模型，在飛機高度10km，速度0.8Ma巡航，標準大氣狀態(tài)下，紅外特性計算結果見圖4，不同波段的輻射強度見表1～3。

表1 1μm～3μm波段，輻射強度W∕sr

圖4 飛機類目標仿真模型紅外特性計算結果

該條件下的3μm～5μm波段的亮度圖見圖5。

表2 3μm～5μm波段，輻射強度W∕sr

表3 8μm～12μm波段，輻射強度W∕sr

圖5 3μm～5μm波段迎頭尾追亮度圖

仿真計算結果與已有的紅外特性測量結果進行了模型初步校驗，模型計算結果與相近條件下的測量值一致。

模型計算對比：

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

計算結果：2725.04W∕sr。

表4 紅外測量結果

對比結果可以看出，與測量數(shù)據相比，計算結果高于測量結果18%，引起計算和測量偏差的原因較多。由于計算時理論模型計算了全加力條件，而實際測量條件下的飛機可能沒有完全加力，因此尾焰輻射理論值可能高于實際值，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)進行模型校驗。

3.2 導彈類目標仿真計算

反艦導彈紅外輻射特性分析主要來自理論建模計算，建立計算幾何模型如圖6，紅外特性分布圖如圖7，計算條件為飛行高度300m，飛行速度0.9Ma，標準大氣。

圖6 計算幾何模型圖

圖7 紅外特性仿真分布圖

從理論計算結果可知：該模型在中波波段前側向輻射強度小于90W∕sr，長波波段輻射強度小于5W∕sr，計算結果見表5。

表5 反艦導彈模型紅外特性計算結果

從表5的中、長波輻射強度的結果可見，計算結果在量級上反映模型的輻射強度。

4 結語

本文采用較為簡便且可靠的紅外輻射特性模型建立方法，將艦空導彈典型作戰(zhàn)目標輻射按來源分為蒙皮、散射環(huán)境、發(fā)動機尾噴管、尾焰等，分別對各部分紅外輻射特性進行建模，綜合運用熱輻射理論，采用分模塊單獨建模與經驗模型相結合的方法，構建了典型目標的紅外輻射仿真計算模型，并將仿真計算結果與實測數(shù)據進行比較，能夠反映模型的輻射強度等級，提高了艦空導彈典型作戰(zhàn)目標紅外輻射特性計算的準確性。