低温条件下飞机蒙皮红外辐射特性建模与仿真实验研究

发布时间：2020-08-02 04:42

【摘要】：近年来,随着红外制导武器精度的提升,战机的隐形化性能变得愈发重要。为使飞机不被红外仪器探测到,从而避开红外制导武器的攻击,亟需研究出能准确快速地反映飞机蒙皮表面红外辐射的特征参数的测量方法,针对飞机蒙皮的红外辐射特性进行计算和分析,进而评估和改善飞机的红外隐身性能。当前,通过外场测试获得飞机红外辐射特性数据时间较长、成本较高、难度较大,因此通过数值模拟的方法获得飞机的红外辐射特性数据具有重要的应用价值。首先,本文对飞机蒙皮的红外辐射特性进行了仿真研究。通过CATIA软件建立了典型飞机的几何模型,采用GID软件进行网格划分处理,然后对红外辐射特性进行理论建模。利用反向蒙特卡罗法获得太阳辐射热流,建立三维温度场模型和红外出射度场模型,并利用有限元法将飞机的整体模型离散为若干个小单元,将复杂的反射问题转化为离散的有限单元问题进行求解。依据推导出的理论模型,用Fortran语言编写飞机红外辐射特性计算的程序。其次,本文对低温环境下飞机表面蒙皮涂层材料的发射率测量方法进行了研究,基于能量法搭建了以傅里叶红外光谱仪为核心的发射率测量系统。为避免受到周围环境辐射的影响,搭建了真空环境,并对光谱仪的背景函数进行了修正,提高了测量结果的可靠性。该系统使发射率测量环境和飞机实际飞行环境保持一致,从而提高了飞机蒙皮红外辐射特性仿真的实际应用价值。最后,本文利用搭建的发射率测量系统对典型样件进行了实验研究,得到了不同温度下3～5μm和8～14μm波段飞机蒙皮材料的发射率数据,并对不确定度进行了分析。同时,还采用控制变量的方法对飞机的三维温度场和3～5μm、8～14μm波段的红外出射度场进行了仿真研究。仿真结果表明:(1)太阳辐射对飞机蒙皮向阳面加热效果明显,使蒙皮温度升高近30℃;飞机处于运动状态时由于空气动力作用,飞机头部、两翼尾翼稍处温度较高;由于环境温度下降,飞机表面温度场下降;(2)3～5μm波段的红外辐射出射度场和三维温度场的变化规律大致相同,蒙皮的红外辐射能量主要集中在8～14μm的远红外波段;(3)飞机的飞行高度越高,蒙皮材料的发射率越高,红外辐射性能越强。飞行速度的提高,导致飞机表面温度场下降,红外出射度场上升。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V218;V271.4;TN21
【图文】：

Worthing 首次提出稳态量热法，也叫灯丝加热法[7]，测量装置如图1-3 所示。该方法的测量装置较为简单，只需正负电极、热电偶测温装置和水循环，其温度测试范围很宽，可达-50~1000°C，覆盖了高中低温测量，且对发射率的测量精度较高，但是该方法仅适用于对导体材料的全波长半球发射率进行测量，且试样制备工艺比较复杂，实验所需时间较长[43]。图 1-3 稳态量热法测量装置[43]瞬态量热法的测量原理是采用电流或激光等瞬态加热技术对试样进行快速加热，通过对试样的温度、加热功率等参数进行测量，从而计算出被加热试样的发射率值。1960 年，Richmond、 Howl 等人采用该方法测量了铜、铝、银等金属材料的发射率[44-45]。之后，美国国家标准技术研究所的 Cezairliyan 等人先后搭建了基于积分球反射法和基于偏振光反射计的瞬态量热装置，从而使瞬态量热法趋近于完善[46-47]。2000 年，国内也展开了对瞬态量热法的研究，以哈尔滨工业大学戴景民教授最具代表性，他建立了基于积分球反射法的通过脉冲进行加热的瞬态量热装置，该装置可用于对材料的多项参数进行测量，而且测温上限高[7]。（2）反射法反射法是一种将辐射能投射到不透明样件上

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文腔之间的温度差，但是该方法不适合在高温状态下对物体的发1982 年，许勤堂等人参照 Dunkle 的方法研制了发射率测量装同温度下进行了发射率测量实验，这个装置的分辨率能够达到]。 年，美国国家标准技术研究所的Nordince等人提出了利用激光率，该方法通过测量垂直和平行试样表面的偏振光强，获得了试状试样的发射率进行求解[50]。这种测量方法只能对光滑的试样应用范围有限。激光偏振发射率测量装置如图 1-4 所示：

图 1-5 积分球结构和实物图[53]10 年，日本的 Makino 等人研制了新型反射计对金属镍的反射率和量，并记录了金属氧化过程中发射率测量结果的变化[54]，测量μm 范围内，测量装置如图 1-6 所示。图 1-6 Makino 等人研制的球形反射计[54]13 年，哈尔滨工业大学的张宇峰等人针对太阳能真空集热管涂层层表面温度的测量，提出了不需要参考反射标准的光谱发射率量型，基于积分球反射法研制了光谱发射率的高真空测量系统，该系

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本文编号：2778176