CN106055751A - 一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，其步骤如下：(1)基于高超声速飞行器三维几何模型，提取蒙皮几何信息，完成蒙皮网格划分；(2)利用气动热工程计算方法得到飞行器蒙皮温度分布；(3)基于红外辐射的基本原理，结合飞行器蒙皮温度信息，进行红外辐射强度的计算，得到飞行器蒙皮红外辐射强度随着观察角度的变化分布情况；(4)考虑到材料和环境中存在的不确定性，引入区间顶点法，实现了蒙皮红外辐射强度分散性评估。本发明旨在通过该不确定分析方法，对高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性进行准确的预测、评估，为飞行器红外隐身，躲避敌方探测奠定一定的工程理论基础。

Description

一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法

技术领域

本发明涉及高超声速飞行器红外辐射领域，特别涉及一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法。

背景技术

高超声速飞行器一般是指飞行速度超过5倍马赫数、巡航可到达临近空间的飞行器的总称。因其具有超高速、高效突防和侦察能力的优点，目前已成为航空航天领域发展的一个重要方向。但同样高超声速飞行器在大气中飞行时会因为摩擦产生的热量在300℃到1500℃之间，会使飞行器结构遭到熔化破坏，因此必须在飞行器上使用热防护结构加以保护；热防护结构另一个巨大作用是在降低飞行器表面温度的同时实现其红外隐身性能，避免过早的被敌方雷达探测到，增加其突防能力，实现战略目标。

热防护结构是通过隔热和散热措施，来保持高超声速飞行器内壁温度在使用的可承受范围内。热防护系统的好坏可以通过红外辐射特性指标来衡量，红外辐射特性指标有辐射热流量、辐射出射度、辐射强度、辐射亮度、发射率等指标，此处通过红外辐射强度指标对热防护结构的性能进行评估。

辐射强度指的是点辐射源在某方向上单位立体角内所发射的辐射功率，在对飞行器前舱辐射强度进行评估时，热防护结构系统中存在多种材料，各类材料参数具有一定不确定性，同样大气的光谱透过率也在不停的变化，在进行辐射强度计算时就会发生不确定性耦合问题，可能导致计算出的强度不准确。因此，在计算辐射强度时考虑到材料发射率、温度以及大气传输透过率的不确定性，来准确预测高超声速飞行器前舱的红外辐射强度具有重要的工程实际意义。

不确定性分析方法有随机分析法、模糊理论法和区间数学法，区间分析方法将参数的不确定性局限在一个区间的范围内，只通过区间的上下界就可以确定参数的不确定，是一种简单有效的不确定性分析方法。在进行温度和发射率不确定参数的信息定量化后，通过顶点法不确定性传播分析方法求解辐射强度，得到红外辐射强度的区间范围。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供了一种高超声速飞行器红外辐射强度的分散性评估方法，在考虑材料分散性，以蒙皮温度和材料发射率为不确定输入参数，基于区间顶点分析方法，完成了高超声速飞行器辐射强度的不确定性分析，为飞行器红外隐身和躲避敌方探测奠定一定的工程理论基础。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种高超声速飞行器红外辐射强度的分散性评估方法，实现步骤如下：

步骤(1)、根据高超声速飞行器三维几何模型，提取蒙皮几何信息，完成蒙皮网格划分；

步骤(2)、基于蒙皮网格信息，利用气动热工程计算方法计算得到飞行器蒙皮温度分布；

步骤(3)、基于蒙皮网格信息，将每个网格当作是一个红外辐射面源，数量为N，对于第k个面源，k为面源编号，利用红外辐射基本理论，计算得到各面源的红外辐射亮度，记为L_k；

步骤(4)、根据得到的各面源红外辐射亮度，并考虑大气传输对红外辐射强度带来的影响，探测系统探测到的波段[λ₁,λ₂]内实际红外辐射强度，记为可以通过下式得到，从而得到飞行器红外辐射强度随着观察角度的变化分布情况；

$I_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}={\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}\×\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_k{A}_k{\mathrm{cos\θ}}_k$

其中，A_k是第k个面源的面积，θ_k是第k个面源与红外探测系统之间的夹角，为波段[λ₁,λ₂]上的平均大气透过率，N为面源的总块数；

步骤(5)、考虑到材料及环境中的不确定性因素，分别选取ε，T为不确定参数，通过非概率集合理论实现不确定参数的定量化，并用标准区间的形式表示为：

其中分别是材料发射率和温度等不确定参数的区间上界，ε，T分别是材料发射率和温度的区间下界；

步骤(6)、引入不确定传播分析方法区间定点法进行求解，得到飞行器红外辐射亮度的分散性区间表达式：

其中L为飞行器红外辐射亮度，是飞行器红外辐射亮度的区间上界，L _k 是飞行器红外辐射亮度的区间下界；

步骤(7)、根据红外辐射亮度与强度之间的关系，进一步求得波段[λ₁,λ₂]内红外辐射强度的区间表达式：

式中是红外辐射强度的区间上界，是红外辐射强度的区间下界；

步骤(8)、针对探测到的红外辐射强度随不同探测角度变化这一事实，分别在YOZ、XOY、XOZ三个探测平面进行360°全方位红外辐射强度的探测，得到红外辐射强度在不同探测平面和不同探测角度下的分散性，即，红外辐射强度的区间上界，区间下界和区间中心值；

步骤(9)、为检验该工程方法结果的可信性，采用蒙特卡洛数值模拟方法对所得红外辐射强度的分散性结果进行验证。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明提供了高超声速飞行器红外辐射强度及隐身性能评判的新思路，丰富完善了红外辐射强度理论。所构建的红外辐射强度分散性评估方法考虑了材料和环境中存在的不确定性因素，提升了红外辐射强度的准确性计算，为红外隐身性能的评判、提升奠定了工程理论基础。

附图说明

图1是本发明针对拟建的高超声速飞行器前舱红外辐射强度的分散性评估流程图；

图2是本发明针对拟建的高超声速飞行器前舱三维几何模型示意图；

图3是本发明针对拟建的前舱YOZ平面红外辐射强度的分散性示意图，其中，图3(a)为YOZ平面中3-5μm波段红外辐射强度的分散性示意图，图3(b)为YOZ平面中8-14μm波段红外辐射强度的分散性示意图；

图4是本发明针对拟建的前舱XOY平面红外辐射强度的分散性示意图，其中，图4(a)为XOY平面中3-5μm波段红外辐射强度的分散性示意图，图4(b)为XOY平面中8-14μm波段红外辐射强度的分散性示意图；

图5是本发明针对拟建的前舱XOZ平面红外辐射强度的分散性示意图，其中，图5(a)为XOZ平面中3-5μm波段红外辐射强度的分散性示意图，图5(b)为XOZ平面中8-14μm波段红外辐射强度的分散性示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，本发明提出了一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，包括以下步骤：

步骤(1)根据高超声速飞行器的外形特征，通过CATIA三维建模软件中创成式曲面设计模块建立高超声速飞行器三维几何模型，在此基础上，提取蒙皮几何信息，完成飞行器蒙皮网格划分；

步骤(2)基于蒙皮网格信息，根据飞行工况数据，利用气动热工程计算方法得到飞行器蒙皮温度分布，获取各网格处温度值；

步骤(3)基于蒙皮网格信息，将每个网格当作是一个红外辐射面源，数量为N，对于第k个面源，k为面源编号，利用红外辐射基本理论，红外辐射亮度，记为L_k，可表示为：

$L_k={\∫}_{{\mathrm{\λ}}_1}^{{\mathrm{\λ}}_2}\frac{{\mathrm{\ϵC}}_1}{{\mathrm{\π\λ}}^5}\left(\frac{1}{e^{(C_2/\mathrm{\λ}T)}-1}\right)d\mathrm{\λ},k=1,...,N$

式中T是指辐射源温度；λ为红外辐射波的波长，λ₁和λ₂是指所选取红外波段的端点值，且满足λ₂≥λ₁；ε为材料发射率；C₁和C₂分别指的是第一辐射常数和第二辐射常数，分别为3.743×10^-16W·m²和1.4387×10^-2m·K，K为开尔文温度；

步骤(4)根据得到的各面源红外辐射亮度，并考虑大气传输对红外辐射强度带来的影响，探测系统探测到的波段[λ₁,λ₂]内实际红外辐射强度，记为可以通过下式得到，从而得到飞行器红外辐射强度随着观察角度的变化分布情况；

$I_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}={\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}\×\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_k{A}_k{\mathrm{cos\θ}}_k$

其中，A_k是第k个面源的面积，θ_k是第k个面源与红外探测系统之间的夹角，为波段[λ₁,λ₂]上的平均大气透过率，可通过下式得到：

${\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}={\mathrm{\τ}}_1\×{\mathrm{\τ}}_2\×{\mathrm{\τ}}_3$

其中τ₁是受大气吸收制约的光谱透过率，τ₂是受大气散射制约的光谱透过率，τ₃是受气象衰减制约的光谱透过率；

步骤(5)考虑到材料及环境中的不确定性因素，分别选取ε，T为不确定参数，通过非概率集合理论实现不确定参数的定量化，并用标准区间的形式表示为：

其中分别是材料发射率和温度等不确定参数的区间上界，ε，T分别是材料发射率和温度的区间下界；ε_c，T_c分别是材料发射率，大气透过率和温度的区间中心值，Δε，ΔT分别是材料发射率，大气透过率和温度的区间半径，各参数之间的关系如下式所示：

步骤(6)考虑到辐射亮度L_k是材料发射率ε和温度T的单调递增函数，因此引入不确定传播分析方法中的区间顶点法进行求解，得到飞行器红外辐射亮度的分散性区间表达式：

其中是飞行器红外辐射亮度的区间上界，L _k 是飞行器红外辐射亮度的区间下界；

步骤(7)根据红外辐射亮度与强度之间的关系，进一步求得波段[λ₁,λ₂]内红外辐射强度的区间表达式：

式中是红外辐射强度的区间上界，是红外辐射强度的区间下界；

步骤(8)针对探测到的前舱红外辐射强度随不同探测角度变化这一事实，分别在YOZ、XOY、XOZ三个探测平面进行360°全方位红外辐射强度的分散性探测，每隔5°进行一次强度的探测，考虑到在红外辐射波段3-5μm和8-14μm两个波段内强度分散性最大，因此，针对这两个主要红外辐射波段进行辐射强度的探测；

步骤(9)为检验该工程方法结果的可信性，采用蒙特卡洛数值模拟方法抽取10⁵个样本点分别在三个观测平面上进行红外辐射强度的数值模拟，选择3-5μm和8-14μm两个波段内的红外辐射强度作为验证对象进行结果准确性验证。

实施例

为了更充分地了解该发明的特点及其对工程实际的适用性，本发明针对如图2所示高超声速飞行器前舱进行红外辐射强度的分散性评估。本实施例以类似于X-37B的典型前舱结构为研究对象，基于红外辐射强度理论，利用本发明中公开的方法，实现了前舱红外辐射强度的区间预计，本实施例中每隔5°进行一次强度的探测。图3给出了观测角位于YOZ平面上时，红外辐射强度区间预计结果，图4给出了观测角位于XOY平面上时，红外辐射强度区间预计结果，图5给出了观测角位于XOZ平面上时，红外辐射强度区间预计结果；表1给出了观测角位于YOZ平面上，观测角度范围为90°到280°时，通过蒙特卡洛方法和本发明提出方法得到的红外辐射强度分散性结果的对比，同理表2给出了观测角位于XOY平面上，观测角度范围为0°到190°时得到的红外辐射强度分散性结果的对比，表3给出了观测角位于XOZ平面上，观测角度范围为170°到360°时得到的红外辐射强度分散性结果的对比，由表中误差数据可充分验证本发明所公开方法的可行性和有效性，为了对比简便，表中数据只列出了每隔10°的红外辐射结果。

表1

表2

表3

综上所述，本发明提出了一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，该方法结合红外辐射基本理论和大气传输影响因素，完成了高超声速飞行器红外辐射强度的计算；同时，该方法充分考虑了各材料参数分散性，对不确定参数进行区间量化分析，引入区间顶点分析方法，实现了高超声速飞行器红外辐射强度的不确定分析，为红外隐身性能的提升奠定了基础。

以上仅是本发明的具体步骤，对本发明的保护范围不构成任何限制；其可扩展应用于高超声速飞行器红外辐射强度评估领域，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，其特征在于实现步骤如下：

步骤(1)、根据高超声速飞行器三维几何模型，提取蒙皮几何信息，完成蒙皮网格划分；

步骤(2)、基于蒙皮网格信息，利用气动热工程计算方法计算得到飞行器蒙皮温度分布；

步骤(3)、基于蒙皮网格信息，将每个网格当作是一个红外辐射面源，数量为N，对于第k个面源，k为面源编号，利用红外辐射基本理论，计算得到各面源的红外辐射亮度，记为L_k；

步骤(4)、根据得到的各面源红外辐射亮度，并考虑大气传输对红外辐射强度带来的影响，探测系统探测到的波段[λ₁,λ₂]内实际红外辐射强度，记为可以通过下式得到，从而得到飞行器红外辐射强度随着观察角度的变化分布情况；

$I_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}={\mathrm{\τ}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}\×\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{L}_k{A}_k{\mathrm{cos\θ}}_k$

其中，A_k是第k个面源的面积，θ_k是第k个面源与红外探测系统之间的夹角，为波段[λ₁,λ₂]上的平均大气透过率，N为面源的总块数；

步骤(5)、考虑到材料及环境中的不确定性因素，分别选取ε，T为不确定参数，通过非概率集合理论实现不确定参数的定量化，并用标准区间的形式表示为：

$\begin{array}{cc}\mathrm{\ϵ}\∈\[\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}},\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}\]& T\∈\[\underset{\‾}{T},\stackrel{\‾}{T}\]\end{array}$

其中分别是材料发射率和温度等不确定参数的区间上界，ε，T分别是材料发射率和温度的区间下界；

步骤(6)、引入不确定传播分析方法区间定点法进行求解，得到飞行器红外辐射亮度的分散性区间表达式：

$\left\{\begin{array}{c}\stackrel{\‾}{L_k}=L(\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}},\stackrel{\‾}{T})\\ \underset{\‾}{L_k}=L(\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}},\underset{\‾}{T})\end{array}\right.$

其中L为飞行器红外辐射亮度，是飞行器红外辐射亮度的区间上界，L _k 是飞行器红外辐射亮度的区间下界；

步骤(7)、根据红外辐射亮度与强度之间的关系，进一步求得波段[λ₁,λ₂]内红外辐射强度的区间表达式：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\‾}{I}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}=I_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}\left({\stackrel{\‾}{L}}_k\right(\mathrm{\λ}\left)\right)\\ {\underset{\‾}{I}}_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}=I_{{\mathrm{\λ}}_1\→{\mathrm{\λ}}_2}\left({\underset{\‾}{L}}_k\right(\mathrm{\λ}\left)\right)\end{array}\right.$

式中是红外辐射强度的区间上界，是红外辐射强度的区间下界；

步骤(8)、针对探测到的红外辐射强度随不同探测角度变化这一事实，分别在YOZ、XOY、XOZ三个探测平面进行360°全方位红外辐射强度的探测，得到红外辐射强度在不同探测平面和不同探测角度下的分散性，即，红外辐射强度的区间上界，区间下界和区间中心值；

步骤(9)、为检验该工程方法结果的可信性，采用蒙特卡洛数值模拟方法对所得红外辐射强度的分散性结果进行验证。

2.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，其特征在于：所述步骤(4)中大气透过率其中τ₁是受大气吸收制约的光谱透过率，τ₂是受大气散射制约的光谱透过率，τ₃是受气象衰减制约的光谱透过率。

3.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器红外辐射强度的分散性评估方法，其特征在于：所述步骤(5)中各变量存在如下关系；

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_c=\frac{\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}+\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}{2},\mathrm{\Δ}\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{\stackrel{\‾}{\mathrm{\ϵ}}-\underset{\‾}{\mathrm{\ϵ}}}{2}\\ T_c=\frac{\underset{\‾}{T}+\stackrel{\‾}{T}}{2},\mathrm{\Δ}T=\frac{\stackrel{\‾}{T}-\underset{\‾}{T}}{2}\end{array}\right.$

其中，ε_c，T_c分别是材料发射率和温度的区间中心值，Δε，ΔT分别是材料发射率和温度的区间半径，ε_c取为0.6，T_c为步骤(2)中求得的温度，Δε取为5％×ε_c，ΔT取为2％×T_c。

4.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，其特征在于：所述步骤(6)中为实现360°全方位红外辐射强度的探测，分别在三个探测平面进行每隔5°进行一次红外辐射强度计算，每个探测平面需进行73次计算。

5.根据权利要求1所述的一种高超声速飞行器蒙皮红外辐射强度分散性评估方法，其特征在于：所述步骤(9)中采用蒙特卡洛数值模拟方法时样本点数为10⁵。