直升機目標紅外輻射特性分析

劉關(guān)心, 陽再清

(解放軍92419部隊, 遼寧 興城　125106)

直升機作為重要的飛行器,一直是防空武器的主要防御目標之一。直升機的懸停狀態(tài)、低空低速飛行、旋翼特性等,形成了與固定翼飛機不同之處,甚至有效降低了雷達探測、跟蹤的能力,紅外探測與跟蹤成為更有效的手段。研究分析直升機目標的紅外輻射特性成為防空武器的重點之一,更是空中靶標研究的關(guān)鍵。本文從目標模擬的角度,分析了直升機目標紅外特性的形成與特點,為直升機目標紅外特性的研究做一些前沿的探討。

1　紅外特性基礎(chǔ)分析

自然界中溫度高于絕對零度的一切物體每時每刻都在進行紅外輻射,紅外輻射本質(zhì)上是電磁輻射,其輻射的能量大小與物體溫度、輻射的波長等有關(guān),公式(1)描述了黑體的光譜輸出度Mλ與輻射波長λ、絕對溫度T的關(guān)系:

(1)

式中:c1、c2為第一和第二輻射常數(shù)。

實際物體并不能全部吸收任何波長的輻射,當其反射率不變時為灰體,當其發(fā)射率變化時為選擇性輻射體。物體的紅外輻射一般由面壁和參與性介質(zhì)形成。直升機目標的機體表面和熱腔體會形成面壁輻射,發(fā)動機尾焰會形成參與性介質(zhì)輻射,在飛行過程中因為環(huán)境輻射加熱、內(nèi)部熱源等因素導(dǎo)致其不同位置溫度發(fā)生變化,使得向外輻射也在時刻發(fā)生變化。其不同點受到不同因素影響的程度不同,其溫度分布也十分復(fù)雜,形成眾多的熱源點。在此過程中參與性介質(zhì)的狀態(tài)也在不斷變化,使得其與外界熱交換也發(fā)生著復(fù)雜的變化。理論分析這一過程的紅外輻射特性是一個相當復(fù)雜的系統(tǒng)工程,理想的方法是用理論和試驗相結(jié)合的方法,探索在一定條件下的規(guī)律。理論分析上,首先計算溫度場分布;再利用流場計算方程、對流輻射耦合方程、燃燒產(chǎn)物濃度方程,建立基本模型和算法,進行求解;最后用工程試驗來校正,可以得到較為接近的特性分布。

從紅外探測的角度看,大氣對紅外輻射特性的影響也是至關(guān)重要的。直升機系統(tǒng)輻射的紅外能量必須通過大氣的傳播才能被探測器探測到,大氣的吸收和散射將使得紅外輻射衰減。大氣99%的組成成分O2和N2并不對15μm以下的紅外輻射產(chǎn)生吸收作用,但H2O、CO2、CO、N2O、CH4、N2等成分都將對紅外輻射的吸收產(chǎn)生明顯的作用。大氣是一個不均勻的介質(zhì),必然會導(dǎo)致散射,一般地,散射比分子吸收弱,隨著波長增加散射也會減弱,但對于處于大氣窗口的紅外探測而言,散射卻是輻射衰減的主要原因。不同的地域、不同的時間、不同的高度,大氣的分布都不相同,其對紅外輻射的吸收與散射也不相同,需要利用大氣透過率和大氣輻射特性來提高探測器的性能。

2　直升機目標紅外特性分析

2.1　紅外輻射強度分析

描述紅外輻射特性的物理量較多,一般用能夠通過觀測得到輻射強度(I)來表述,其是指輻射源在單位立體角內(nèi)的輻射功率。從這一定義看,紅外輻射強度是從探測跟蹤的角度來度量的,它不僅與物體自身的輻射相關(guān),也與探測的距離、角度,傳播介質(zhì)等相關(guān),是一個綜合性的物理量。輻射強度是描述點源目標的,一般的物體都不是嚴格的點源目標,工程上將探測距離大于物體尺寸10倍以上的物體視為點源。

在均勻背景下紅外探測器的探測距離R可以用公式(2)來表達:

(2)

式中:τ0為光學(xué)系統(tǒng)透過率;τ(R,h)為大氣透過率;D為光學(xué)系統(tǒng)孔徑;I為目標紅外輻射強度;D*為探測器比探測率;S/N為系統(tǒng)信噪比;F為噪聲系數(shù);a,b為探測器面源尺寸;Δf為電子系統(tǒng)帶寬。

公式(2)全面反映了紅外探測的制約因素,從探測的角度看,探測距離與輻射強度的平方根成正比,如果目標輻射強度下降10dB(90%),則探測距離將下降68%,顯然,影響是十分明顯的。從輻射源的角度看,輻射強度I與探測距離的平方成正比,對同一輻射源,在不同位置探測目標,其紅外輻射強度明顯不同,對探測能力的影響也十分明顯。

目標在探測器所在方向上的輻射強度理論計算如公式(3):

(3)

式中:S⊥為目標的投影面積,ελ為材料的發(fā)射率,Mλ見公式(1)。

可見,紅外輻射強度由S⊥、ελ和目標表面溫度T三個參數(shù)決定。對某一目標而言S⊥和ελ是固有的特性,相對穩(wěn)定,不同目標而輻射強度不同,I會隨著它們的降低而減少。物體的表面溫度是一個變化的量,I會隨著其降低而減小,其曲線峰值會隨溫度降低而逐步向長波方向移動,如圖1示。

從上述分析可知,用紅外輻射強度表征目標的紅外輻射特性存在著一定的局限性,特別是對于目標特性模擬來說,是難以用簡單的紅外輻射強度研制出合適的靶標的,需要更深入的研究,將紅外輻射強度反映出的目標本身特性用恰當?shù)膮?shù)表現(xiàn)出來。從式(3)來看,主要是目標的面積、材質(zhì)與表面溫度,只有這些參數(shù)才與目標的結(jié)構(gòu)特性、材料特性、運動特性、發(fā)動機特性等自身特性聯(lián)系起來。紅外輻射強度與投影面積、發(fā)射率(材質(zhì)決定)與溫度的關(guān)系是隨著它們的降低而減少,但這些參數(shù)與目標自身特性的定量關(guān)系卻是十分復(fù)雜,需要通過大量的試驗和理論估算才能探索出一定條件下的規(guī)律來,對于靶標,可以用典型目標的相關(guān)特性來對比分析得出相關(guān)要求。

2.2　直升機主要紅外特性分析

直升機的紅外特性主要由表面輻射、尾焰和發(fā)動機熱腔體形成,它不同于固定翼飛機的是:它飛行速度較低,不存在氣動加熱;它不依靠排氣速度來推進,尾焰流較小。

2.2.1機體表面紅外輻射

直升機的蒙皮等表面溫度會高于背景溫度,是重要的紅外輻射源。一般在300K左右,其紅外輻射峰值處于8μm～14μm波段的大氣窗口,能透過大氣傳遞大部分有效能量,形成有效的紅外輻射。表面輻射是固體面壁輻射,沒有參與性介質(zhì),是連續(xù)的光譜。表面的紅外輻射包括自身輻射和環(huán)境輻射,而環(huán)境輻射與太陽照射、環(huán)境大氣特性等相關(guān),存在許多不確定性,需要紅外探測專業(yè)專門研究,對目標研究來說研究其自身特性是首要的問題。對于特定目標而言,其發(fā)射率是相對穩(wěn)定的,獲得其紅外輻射特性的關(guān)鍵是獲得溫度分布。直升機工作后,在熱傳導(dǎo)作用下,表面的溫度會發(fā)生變化,可以通過工程軟件來估算表面的溫度分布。再將表面沿軸向和徑向分成n×m各小面元,根據(jù)普朗克定律計算出各面元的光譜輻射度Mij(Tij),然后積分求得任意波段的輻射強度Is,見公式(4)。顯然,輻射強度不僅與表面溫度有關(guān),還與觀察點位置、飛行姿態(tài)等有關(guān)。

(4)

式中,ΔAij為面元面積;θij為視線與面元法線夾角;i=1…n;j=1…m。

2.2.2發(fā)動機引起的紅外輻射

由發(fā)動機工作相關(guān)的熱腔體和尾焰是直升機的主要紅外輻射源,其典型的光譜輻射強度如圖2示。從圖2可以看出,其紅外輻射主要在3～5μm波段內(nèi),而且分為兩部分,一部分是3.0μm～4.15μm和4.6μm～5.0μm,主要由熱腔體產(chǎn)生,由于H2O吸收與散射作用而出現(xiàn)波動;另一部分是4.15μm～4.6μm,由尾焰產(chǎn)生,由于CO2的吸收與散射作用而出現(xiàn)波動。

尾焰輻射是由發(fā)動機排出的高溫CO2、H2O、CO等氣體形成的分子輻射,其輻射強度取決于尾焰成分和溫度,他們之間的關(guān)系十分復(fù)雜,工程上可以用正反光線跟蹤法、輻射傳輸方程等方法來估算。首先根據(jù)發(fā)動機特性計算尾焰的溫度分布,再根據(jù)普朗克定律求得尾焰溫度場中各點的輻射度Mλ,b,從而得到各點光譜輻射亮度Lλ,b,根據(jù)氣體介質(zhì)亮度定義對Lλ,b積分求得觀測點的輻照度Hs,λ,即可求得輻射強度Ip=Hs,λR2/τa(R為探測距離,τa為透過率)。不同形制的發(fā)動機尾焰的成分與溫度是不相同的,直升機一般采用活塞式發(fā)動機或渦輪軸發(fā)動機,一般的渦軸發(fā)動機渦輪進口溫度在1000℃,出口溫度500℃～700℃,活塞發(fā)動機排氣溫度略高,如Rotax914發(fā)動機排氣溫度為900℃。

由發(fā)動機尾噴管等構(gòu)成的熱腔體是典型的灰體輻射,其發(fā)射率ε=0.8～0.9,其輻射強度It與絕度溫度T的4次方成正比,可用公式(5)計算。直升機的熱腔體大多安裝在尾部,這時的輻射只在排氣管的后半球才能探測到,但它與其他表面的溫度會有明顯差別,一般相差100℃左右,其紅外輻射明顯。

(5)

2.2.3不同探測方向上的紅外輻射強度分布

紅外探測器對直升機進行探測時,探測距離與直升機紅外輻射強度的平方根成正比。從不同角度進行探測,其探測距離遠近與直升機紅外輻射強度分布相一致。圖3和圖4為典型直升機(單旋翼+尾槳,發(fā)動機噴口在機身后側(cè)朝外)懸停時在不同波段下的紅外輻射強度分布圖。從圖3和圖4中可以看出,在垂直探測方向上,3μm～5μm波段和8μm～14μm波段紅外輻射強度分布呈“8”字型,紅外輻射強度在0°～180°和180°～360°探測方向上呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,這是由于機身照射面積變化影響所致;8μm～14μm波段紅外輻射強度明顯高于3μm～5μm波段,說明了機身蒙皮是8～14μm波段主要輻射源。在水平探測方向上,3μm～5μm波段和8μm～14μm波段紅外輻射強度沿機身左右基本對稱;在發(fā)動機尾噴口方向區(qū)域,3μm～5μm波段紅外輻射強度有非常明顯的突變,而整個水平方向上8μm～14μm波段變化平緩。由此可見,尾焰輻射是3μm～5μm波段主要輻射源。圖3和圖4反映了直升機紅外輻射強度分布的基本規(guī)律,要精確測量直升機紅外分布特性,還需要考慮旋翼下洗氣流、飛行環(huán)境(太陽照射、大氣溫度、風(fēng)速風(fēng)向)等對直升機紅外特性的影響。從探測的角度看,從直升機機身正上方、機身側(cè)向或者發(fā)動機噴口方向進行探測,直升機紅外輻射強度大,可提高探測距離;直升機機頭和機尾方向紅外輻射強度最小,探測距離也相應(yīng)最小,應(yīng)盡量避免。

2.2.4紅外抑制與運動特性的影響

為有效降低紅外輻射,武裝直升機一般加裝紅外抑制器,通過引進外界冷空氣對熱腔體和尾焰降溫,并改變尾焰流的成分,有效降低紅外輻射。如AH-64直升機,發(fā)動機排出口溫度570℃,加裝紅外抑制器后,金屬外壁的溫度只有94℃,排出的尾焰溫度只有300℃,用2%的功率損耗降低紅外輻射94%。

直升機的紅外輻射特性會隨著其運動狀態(tài)的變化而改變,在不同高度、不同速度下會呈現(xiàn)不同的規(guī)律。當高度增加,自然溫度會越來越低,空氣對各紅外源的降溫作用明顯,會導(dǎo)致輻射強度的降低,但由于背景溫度的降低,自身的輻射也會增強。當速度增加時,運動形成的空氣流會對各紅外源產(chǎn)生降溫作用,使得紅外輻射強度有變小的趨勢,同時運動會導(dǎo)致傳動機構(gòu)的部件發(fā)熱,增強輻射。直升機運動過程中,紅外輻射強度隨狀態(tài)變化是一個較為復(fù)雜的過程,應(yīng)通過試驗測試、建模估算來探尋規(guī)律。

2.3　分析結(jié)論

通過上述分析,可以看出直升機目標的紅外特性呈現(xiàn)以下特點:

1)直升機目標紅外特性中壁面輻射是主要的輻射源,主要來源于機體表面和發(fā)動機熱腔體。機體表面輻射是一個選擇性輻射體,它既發(fā)射自身的能量,又會反射太陽輻射等產(chǎn)生的能量,但其溫度與背景溫度相差不大,輻射主要集中在長波波段內(nèi)。發(fā)動機熱腔體輻射是典型的灰體輻射源,其溫度與背景溫度相差較大,輻射強度較高,輻射集中在中波波段,但由于其安裝位置的關(guān)系,一般從頭部觀測難以顯現(xiàn)。

2)尾焰是典型的參與性介質(zhì)輻射,是中波波段的主要輻射源。直升機發(fā)動機出口的尾焰溫度一般在500℃～900℃,采用紅外抑制器的目標溫度會明顯降低,輻射的能量會明顯減小,但在抑制器工作的過程中通過熱傳遞會導(dǎo)致機體表面溫度的升高,增加長波段輻射能量,不過這種增加是十分有限的。

3)直升機目標紅外特性模擬主要取決于表面面積和發(fā)動機的性能。用無人直升機模擬武裝直升機存在的主要問題是:無人機會小許多,表面的輻射能量會明顯不足;武裝直升機采用渦輪軸式發(fā)動機,無人直升機主要是活塞式發(fā)動機,形成的熱腔體和尾焰輻射差別較大,其總體性能是偏小的。因此,用無人直升機模擬直升機目標時,無論是中波波段還是長波波段的紅外輻射特性都需要增加。

4)準確描述直升機目標紅外特性既要有長波波段的特性,又要有中波波段的特性;既要有面壁輻射源,又要有參與性介質(zhì)輻射源。直升機目標的紅外輻射定量分析,受到影響紅外輻射特性諸多因素的影響,在工程上可采用試驗與理論分析結(jié)合的方法,得到一定條件下的規(guī)律或數(shù)據(jù),但反映全部狀態(tài)下的特性較難。對于直升機目標模擬,目前能夠要求逼近到一個數(shù)量級。

3　結(jié)束語

直升機目標的紅外特性影響因素眾多,各因素的影響方式、程度、效果等又十分復(fù)雜,使得研究十分棘手。從工程實踐的角度,提出一些觀點和看法只是起步,需要理論和試驗并重,廣泛開展基礎(chǔ)性、實踐性研究,才能在某些條件下有所突破,望本文對此有所啟示和促進。

參考文獻: