一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法与流程

1.本发明涉及飞行器设计技术领域，尤其涉及一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法。


背景技术：

2.高超声速飞行器在临近空间以高马赫数飞行时，在气动加热的作用下高超声速飞行器壁面温度一般可达到500k至3000k，其辐射出的能量大部分以红外波段电磁波的形式传播，降低高超声速飞行器的红外辐射强度可以显著减少其被探测到的可能性，有效增强其隐身突防能力。
3.目前，降低飞行器壁面红外辐射强度主要有减小飞行器壁面材料的辐射发射率和降低飞行器壁面温度两条技术途径。降低飞行器壁面材料辐射发射率对高超声速飞行器防热材料性能及设计要求较高，现阶段难以实现，可降低高超声速飞行器壁面温度的流动控制技术主要是针对驻点附近高温区，但是，降温面积非常小，无法据此达到降低飞行器的整体红外辐射强度的目的。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法，以解决现有技术中飞行时高超声速飞行器的整体红外辐射强度无法降低的问题。
5.本发明提供了一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法，包括：
6.s1在流向长度为3-10m的高超声速飞行器距前缘2m至中部的位置，加一个带有后向喷气口的台阶高度为10-30mm的台阶；
7.s2在所述高超声速飞行器气动加热达到温度阈值且需要红外隐身的飞行时段，由所述后向喷气口向所述高超声速飞行器的壁面边界层内喷气，以降低所述高超声速飞行器红外辐射强度。
8.进一步地，所述s1中所述台阶所在的位置，由所述高超声速飞行器外形和尺寸而决定。
9.进一步地，所述高超声速飞行器，包括：高超声速无人机、高超声速滑翔机、高超声速导弹和空间飞机构型elac。
10.进一步地，所述空间飞机构型elac，流向长度为3.6m，所述台阶高度为10mm，各种喷气参数分别为：喷气马赫数为2、喷气压强为来流压强、喷气温度为300k。
11.进一步地，所述s2中所述降低所述高超声速飞行器红外辐射强度，是通过降低所述高超声速飞行器的壁面温度的平均幅度达到范围阈值时实现的。
12.进一步地，所述范围阈值为10％。
13.进一步地，所述s2中向所述高超声速飞行器的壁面边界层内喷气的成分是所述高超声速飞行器携带的常温空气。
14.本发明与现有技术相比存在的有益效果是：
15.通过基于高超声速飞行器类型，选择相应的台阶高度和喷气参数，并设置台阶的位置，当所述高超声速飞行器飞行时选择相应时机向壁面边界层内喷气，有效降低所述高超声速飞行器红外辐射强度，达到隐身的目的；在台阶下游喷气作用范围内，壁面的摩擦阻力降低，对高超声速飞行器整体起到一定的减阻作用；采用台阶喷气技术，降低台阶下游壁面平衡温度，作用面积较大；有效降低飞行器整体红外辐射强度；喷气温度采用常温，取材方便廉价，携带重量轻，经济实用。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
17.图1是本发明提供的一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法的流程图；
18.图2是本发明提供的头部主动冷却结构示意图；
19.图3是本发明提供的空间飞机构型elac台阶位置设置示意图；
20.图4是本发明提供的壁面温度云图；
21.图5是本发明提供的台阶位于迎风面时壁面光谱定向辐射强度的示意图；
22.图6是本发明提供的台阶位于背风面时壁面光谱定向辐射强度的示意图。
具体实施方式
23.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。
24.下面将结合附图详细说明根据本发明的一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法。
25.图1是本发明公开提供的一种降低高超声速飞行器红外辐射信号强度的方法的流程图。如图1所示，该方法包括：
26.s1，在流向长度为3-10m的高超声速飞行器距前缘2m至中部的位置，加一个带有后向喷气口的台阶高度为10-30mm的台阶。
27.s1中后向喷气口所在台阶的位置，由高超声速飞行器外形和尺寸而决定。
28.针对外形及尺寸不同的飞行器，台阶尺寸及喷气口具体位置需要根据高超声速飞行器具体情况而定。例如，流向长度为3.6m的空间飞机构型elac的台阶高度为10mm、台阶位置位于高超声速飞行器距前缘2m的位置。
29.高超声速飞行器喷气时还应该选取合适的喷气参数，例如，空间飞机构型elac所选择的各喷气参数分别为：喷气马赫数为2、喷气压强为来流压强、喷气温度为300k。
30.图2是本发明提供的头部主动冷却结构示意图。
31.如图2所示，目前相关技术中可降低高超声速飞行器壁面温度的流动控制技术是
针对驻点附近最高温区，降温面积较小，无法降低飞行器的整体红外辐射强度。
32.s2，在后向喷气口高超声速飞行器气动加热达到温度阈值且需要红外隐身的飞行时段，由后向喷气口向后向喷气口高超声速飞行器的壁面边界层内喷气，以降低后向喷气口高超声速飞行器红外辐射强度。s2中后向喷气口降低高超声速飞行器红外辐射强度，是通过降低高超声速飞行器的壁面温度的平均幅度达到范围阈值实现的，其中，范围阈值为10％。
33.不同的高超声速飞行器外形不同，基于具体高超声速飞行器的外形，设置台阶的具体位置，高超声速飞行器的台阶位置设置原则为：使得台阶后向喷气口喷出的气体作用范围达到预先设定的范围阈值。
34.图3是本发明提供的空间飞机构型elac台阶位置设置示意图。具体地，预先设定一个范围阈值，当高超声速飞行器的台阶后面的喷气口位置使得台阶后向喷气口喷出的气体作用范围最大化时，即达到该范围阈值时，便可将上述位置设置为台阶的位置。例如，对于本发明选用的典型高超声速升力体即空间飞机构型elac，流向长度为3.6m、台阶设置在了距前缘距离ls＝2m的位置，如图3所示，其中，ls为距前缘距离。但有的高超声速飞行器，台阶位置设置在其他类型高超声速飞行器的中部才能使台阶后向喷气口喷出的气体作用范围最大化，高超声速飞行器壁面平均降温幅度的范围阈值为10％。
35.图4是本发明提供的壁面温度云图。
36.如图4所示，本发明采用台阶喷气的方式大面积降低飞行器在高超声速飞行时的壁面温度。(a)台阶位于迎风面时喷气，(b)台阶位于迎风面时未喷气；(a)台阶位于背风面时喷气，(b)台阶位于背风面时未喷气。另外，喷气过程并非持续在高超声速飞行器的整个飞行过程中，当高超声速飞行器飞行时，需要选择一个恰当的喷气时段，选择在后向喷气口高超声速飞行器气动加热达到温度阈值且需要红外隐身的飞行时段来进行喷气。
37.在高超声速飞行器执行某项秘密任务时，在气动加热达到温度阈值时进行红外隐身，能减少被探测到的风险几率。在上述的飞行时段，事先设定一个面积阈值，控制飞行器携带的常温空气通过台阶后的喷气口向壁面边界层内喷气，当降温的面积达到面积阈值时，达到降低高超声速飞行器红外辐射强度，达到红外隐身的效果。
38.根据飞机的类型，将喷气口以后向台阶的方式布置在高超声速飞行器壁面的相应位置，当高超声速飞行器在高空飞行时，开启台阶后喷口以适合的参数喷气，低温的气流进入到边界层后可降低壁面附近的温度梯度，进而降低气动加热，使台阶下游较大面积壁面的平衡温度降低，从而降低飞行器整体红外辐射强度。由于台阶高度小，对飞行器外形影响不大，因此对飞行器整体飞行性能几乎没有影响，且在台阶下游还具有一定降低摩擦阻力的效果。
39.本发明通过基于高超声速飞行器类型，选择相应的喷气参数，通过具体台阶高度，并设置台阶的位置，通过高超声速飞行器飞行时选择相应时机向壁面边界层内喷气，有效降低高超声速飞行器的壁面温度，有效降低高超声速飞行器红外辐射强度，达到隐身的目的；喷气温度采用常温，取材方便廉价；在台阶下游喷气作用范围内，壁面的摩擦阻力降低，对高超声速飞行器整体起到一定的减阻作用。
40.实施例1
41.本发明研究时采用的典型高超声速升力体为空间飞机构型elac，在数值模拟过程
中只考虑机身，去掉了尾翼和襟翼，流向长度为l＝3.6m，台阶布置在了距前缘距离ls＝2m的位置，来流条件取马赫数ma＝15，飞行高度h＝60km，迎角α＝5
°
。
42.喷气时台阶下游壁面平衡温度有显著下降，台阶位于迎风面时台阶下游平衡壁温下降了400k左右，台阶位于背风面时台阶下游平衡壁温下降了300k左右。
43.图5是本发明提供的台阶位于迎风面时壁面光谱定向辐射强度的示意图。
44.由图5所示，台阶下游降温壁面对应方向上的光谱定向辐射强度有显著降低，图(a)和图(c)是有台阶喷气，图(b)和图(d)是无台阶喷气。图(a)和图(b)台阶位于迎风面时中红外波段大气窗口(波长2μm～5μm)光谱定向辐射强度峰值降低了38％，图(c)和图(d)远红外波段大气窗口(波长8μm～14μm)光谱定向辐射强度峰值降低了35％。
45.图6是本发明提供的台阶位于背风面时壁面光谱定向辐射强度示意图。由图6所示，图(a)和图(c)是有台阶喷气，图(b)和图(d)是无台阶喷气。图(a)和图(b)为中红外波段大气窗口(波长2μm～5μm)光谱定向辐射强度，其峰值降低了27％，图(c)和图(d)远红外波段大气窗口(波长8μm～14μm)光谱定向辐射强度峰值降低了34％。以上结果表明，本发明提出的台阶喷气流动控制技术方案，显著降低了高超声速飞行器的红外辐射强度。
46.本发明实施例提出的方案，降低飞行器大面积的壁面平衡温度，从而显著降低飞行器红外辐射强度；台阶下游喷气作用范围内，壁面的摩擦阻力降低，对飞行器整体起到一定的减阻作用；台阶喷气取材方便廉价，经济性优。
47.上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本技术的可选实施例，在此不再一一赘述。
48.应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
49.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。