Analysis on Infrared Radiation Characteristics of Helicopter

LIU Guan-xin; YANG Zai-qing

doi:10.3969/j.issn.1673-3819.2018.03.009

Command Control and Simulation ›› 2018, Vol. 40 ›› Issue (3) : 36-40. DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2018.03.009

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Analysis on Infrared Radiation Characteristics of Helicopter

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Infrared radiation characteristics is important target characteristics of helicopter,it's key function of air defense weapon detection and tracking. Based on analyzed the formation of helicopter infrared radiation characteristics, the feature is researched. This would be available for engineering technical personnel in the field.

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helicopter; target characteristics; infrared characteristics; infrared radiation intensity

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LIU Guan-xin , YANG Zai-qing. Analysis on Infrared Radiation Characteristics of Helicopter. Command Control and Simulation. 2018, 40(3): 36-40 https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2018.03.009

直升机作为重要的飞行器,一直是防空武器的主要防御目标之一。直升机的悬停状态、低空低速飞行、旋翼特性等,形成了与固定翼飞机不同之处,甚至有效降低了雷达探测、跟踪的能力,红外探测与跟踪成为更有效的手段。研究分析直升机目标的红外辐射特性成为防空武器的重点之一,更是空中靶标研究的关键。本文从目标模拟的角度,分析了直升机目标红外特性的形成与特点,为直升机目标红外特性的研究做一些前沿的探讨。

1 红外特性基础分析

自然界中温度高于绝对零度的一切物体每时每刻都在进行红外辐射,红外辐射本质上是电磁辐射,其辐射的能量大小与物体温度、辐射的波长等有关,公式(1)描述了黑体的光谱输出度M_λ与辐射波长λ、绝对温度T的关系:

M_λ=

\frac{c_{1}}{λ^{5}}

\frac{1}{e^{c_{2} / λ T} - 1}

(1)

式中:c₁、c₂为第一和第二辐射常数。

实际物体并不能全部吸收任何波长的辐射,当其反射率不变时为灰体,当其发射率变化时为选择性辐射体。物体的红外辐射一般由面壁和参与性介质形成。直升机目标的机体表面和热腔体会形成面壁辐射,发动机尾焰会形成参与性介质辐射,在飞行过程中因为环境辐射加热、内部热源等因素导致其不同位置温度发生变化,使得向外辐射也在时刻发生变化。其不同点受到不同因素影响的程度不同,其温度分布也十分复杂,形成众多的热源点。在此过程中参与性介质的状态也在不断变化,使得其与外界热交换也发生着复杂的变化。理论分析这一过程的红外辐射特性是一个相当复杂的系统工程,理想的方法是用理论和试验相结合的方法,探索在一定条件下的规律。理论分析上,首先计算温度场分布;再利用流场计算方程、对流辐射耦合方程、燃烧产物浓度方程,建立基本模型和算法,进行求解;最后用工程试验来校正,可以得到较为接近的特性分布。

从红外探测的角度看,大气对红外辐射特性的影响也是至关重要的。直升机系统辐射的红外能量必须通过大气的传播才能被探测器探测到,大气的吸收和散射将使得红外辐射衰减。大气99%的组成成分O₂和N₂并不对15μm以下的红外辐射产生吸收作用,但H₂O、CO₂、CO、N₂O、CH₄、N₂等成分都将对红外辐射的吸收产生明显的作用。大气是一个不均匀的介质,必然会导致散射,一般地,散射比分子吸收弱,随着波长增加散射也会减弱,但对于处于大气窗口的红外探测而言,散射却是辐射衰减的主要原因。不同的地域、不同的时间、不同的高度,大气的分布都不相同,其对红外辐射的吸收与散射也不相同,需要利用大气透过率和大气辐射特性来提高探测器的性能。

2 直升机目标红外特性分析

2.1 红外辐射强度分析

描述红外辐射特性的物理量较多,一般用能够通过观测得到辐射强度(I)来表述,其是指辐射源在单位立体角内的辐射功率。从这一定义看,红外辐射强度是从探测跟踪的角度来度量的,它不仅与物体自身的辐射相关,也与探测的距离、角度,传播介质等相关,是一个综合性的物理量。辐射强度是描述点源目标的,一般的物体都不是严格的点源目标,工程上将探测距离大于物体尺寸10倍以上的物体视为点源。

在均匀背景下红外探测器的探测距离R可以用公式(2)来表达:

\sqrt{\frac{τ_{0} \cdot τ_{(R, h)} \cdot π \cdot D^{2} \cdot I \cdot D^{*}}{4 \cdot S / N \cdot F \sqrt{a \cdot b \cdot Δ f}}}

(2)

式中:τ₀为光学系统透过率;τ₍_R_,_h₎为大气透过率;D为光学系统孔径;I为目标红外辐射强度;D^*为探测器比探测率;S/N为系统信噪比;F为噪声系数;a,b为探测器面源尺寸;Δf为电子系统带宽。

公式(2)全面反映了红外探测的制约因素,从探测的角度看,探测距离与辐射强度的平方根成正比,如果目标辐射强度下降10dB(90%),则探测距离将下降68%,显然,影响是十分明显的。从辐射源的角度看,辐射强度I与探测距离的平方成正比,对同一辐射源,在不同位置探测目标,其红外辐射强度明显不同,对探测能力的影响也十分明显。

目标在探测器所在方向上的辐射强度理论计算如公式(3):

\int_{λ_{1}}^{λ_{2}}

S_⊥·ε_λ·M_λ/πdλ

(3)

式中:S_⊥为目标的投影面积,ε_λ为材料的发射率,M_λ见公式(1)。

可见,红外辐射强度由S_⊥、ε_λ和目标表面温度T三个参数决定。对某一目标而言S_⊥和ε_λ是固有的特性,相对稳定,不同目标而辐射强度不同,I会随着它们的降低而减少。物体的表面温度是一个变化的量,I会随着其降低而减小,其曲线峰值会随温度降低而逐步向长波方向移动,如图1示。

图1 光谱输出度与温度关系图

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从上述分析可知,用红外辐射强度表征目标的红外辐射特性存在着一定的局限性,特别是对于目标特性模拟来说,是难以用简单的红外辐射强度研制出合适的靶标的,需要更深入的研究,将红外辐射强度反映出的目标本身特性用恰当的参数表现出来。从式(3)来看,主要是目标的面积、材质与表面温度,只有这些参数才与目标的结构特性、材料特性、运动特性、发动机特性等自身特性联系起来。红外辐射强度与投影面积、发射率(材质决定)与温度的关系是随着它们的降低而减少,但这些参数与目标自身特性的定量关系却是十分复杂,需要通过大量的试验和理论估算才能探索出一定条件下的规律来,对于靶标,可以用典型目标的相关特性来对比分析得出相关要求。

2.2 直升机主要红外特性分析

直升机的红外特性主要由表面辐射、尾焰和发动机热腔体形成,它不同于固定翼飞机的是:它飞行速度较低,不存在气动加热;它不依靠排气速度来推进,尾焰流较小。

2.2.1 机体表面红外辐射

直升机的蒙皮等表面温度会高于背景温度,是重要的红外辐射源。一般在300K左右,其红外辐射峰值处于8μm~14μm波段的大气窗口,能透过大气传递大部分有效能量,形成有效的红外辐射。表面辐射是固体面壁辐射,没有参与性介质,是连续的光谱。表面的红外辐射包括自身辐射和环境辐射,而环境辐射与太阳照射、环境大气特性等相关,存在许多不确定性,需要红外探测专业专门研究,对目标研究来说研究其自身特性是首要的问题。对于特定目标而言,其发射率是相对稳定的,获得其红外辐射特性的关键是获得温度分布。直升机工作后,在热传导作用下,表面的温度会发生变化,可以通过工程软件来估算表面的温度分布。再将表面沿轴向和径向分成n×m各小面元,根据普朗克定律计算出各面元的光谱辐射度M_ij(T_ij),然后积分求得任意波段的辐射强度I_s,见公式(4)。显然,辐射强度不仅与表面温度有关,还与观察点位置、飞行姿态等有关。

I_s=

\sum^{i, j} \frac{Δ A_{i j} \cdot c o s θ_{i j} \int_{λ_{1}}^{λ_{2}} M_{λ, i j} d λ}{π}

(4)

式中,ΔA_ij为面元面积;θ_ij为视线与面元法线夹角;i=1…n;j=1…m。

2.2.2 发动机引起的红外辐射

由发动机工作相关的热腔体和尾焰是直升机的主要红外辐射源,其典型的光谱辐射强度如图2示。从图2可以看出,其红外辐射主要在3~5μm波段内,而且分为两部分,一部分是3.0μm~4.15μm和4.6μm~5.0μm,主要由热腔体产生,由于H₂O吸收与散射作用而出现波动;另一部分是4.15μm~4.6μm,由尾焰产生,由于CO₂的吸收与散射作用而出现波动。

图2 动力系统红外辐射强度分布示意图

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尾焰辐射是由发动机排出的高温CO₂、H₂O、CO等气体形成的分子辐射,其辐射强度取决于尾焰成分和温度,他们之间的关系十分复杂,工程上可以用正反光线跟踪法、辐射传输方程等方法来估算。首先根据发动机特性计算尾焰的温度分布,再根据普朗克定律求得尾焰温度场中各点的辐射度M_λ_,_b,从而得到各点光谱辐射亮度L_λ_,_b,根据气体介质亮度定义对L_λ_,_b积分求得观测点的辐照度H_s_,_λ,即可求得辐射强度Ip=H_s_,_λR²/τ_a(R为探测距离,τ_a为透过率)。不同形制的发动机尾焰的成分与温度是不相同的,直升机一般采用活塞式发动机或涡轮轴发动机,一般的涡轴发动机涡轮进口温度在1000℃,出口温度500℃~700℃,活塞发动机排气温度略高,如Rotax914发动机排气温度为900℃。

由发动机尾喷管等构成的热腔体是典型的灰体辐射,其发射率ε=0.8~0.9,其辐射强度I_t与绝度温度T的4次方成正比,可用公式(5)计算。直升机的热腔体大多安装在尾部,这时的辐射只在排气管的后半球才能探测到,但它与其他表面的温度会有明显差别,一般相差100℃左右,其红外辐射明显。

I_t=

\frac{ε σ T^{4}}{π}

A_tη_λ_1-_λ₂cosθ

(5)

式中,η_λ_1-_λ₂=

\frac{\int_{λ 1}^{λ 2} M_{b} (λ, T) d λ}{\int_{0}^{\infty} M_{b} (λ, T) d λ}

;A_t为热腔体投影面积;θ为视线与腔体法线的夹角。

2.2.3 不同探测方向上的红外辐射强度分布

红外探测器对直升机进行探测时,探测距离与直升机红外辐射强度的平方根成正比。从不同角度进行探测,其探测距离远近与直升机红外辐射强度分布相一致。图3和图4为典型直升机(单旋翼+尾桨,发动机喷口在机身后侧朝外)悬停时在不同波段下的红外辐射强度分布图。从图3和图4中可以看出,在垂直探测方向上,3μm~5μm波段和8μm~14μm波段红外辐射强度分布呈“8”字型,红外辐射强度在0°~180°和180°~360°探测方向上呈现先增大后减小的趋势,这是由于机身照射面积变化影响所致;8μm~14μm波段红外辐射强度明显高于3μm~5μm波段,说明了机身蒙皮是8~14μm波段主要辐射源。在水平探测方向上,3μm~5μm波段和8μm~14μm波段红外辐射强度沿机身左右基本对称;在发动机尾喷口方向区域,3μm~5μm波段红外辐射强度有非常明显的突变,而整个水平方向上8μm~14μm波段变化平缓。由此可见,尾焰辐射是3μm~5μm波段主要辐射源。图3和图4反映了直升机红外辐射强度分布的基本规律,要精确测量直升机红外分布特性,还需要考虑旋翼下洗气流、飞行环境(太阳照射、大气温度、风速风向)等对直升机红外特性的影响。从探测的角度看,从直升机机身正上方、机身侧向或者发动机喷口方向进行探测,直升机红外辐射强度大,可提高探测距离;直升机机头和机尾方向红外辐射强度最小,探测距离也相应最小,应尽量避免。

图3 垂直面上红外辐射强度分布

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图4 水平面上红外辐射强度分布

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2.2.4 红外抑制与运动特性的影响

为有效降低红外辐射,武装直升机一般加装红外抑制器,通过引进外界冷空气对热腔体和尾焰降温,并改变尾焰流的成分,有效降低红外辐射。如AH-64直升机,发动机排出口温度570℃,加装红外抑制器后,金属外壁的温度只有94℃,排出的尾焰温度只有300℃,用2%的功率损耗降低红外辐射94%。

直升机的红外辐射特性会随着其运动状态的变化而改变,在不同高度、不同速度下会呈现不同的规律。当高度增加,自然温度会越来越低,空气对各红外源的降温作用明显,会导致辐射强度的降低,但由于背景温度的降低,自身的辐射也会增强。当速度增加时,运动形成的空气流会对各红外源产生降温作用,使得红外辐射强度有变小的趋势,同时运动会导致传动机构的部件发热,增强辐射。直升机运动过程中,红外辐射强度随状态变化是一个较为复杂的过程,应通过试验测试、建模估算来探寻规律。

2.3 分析结论

通过上述分析,可以看出直升机目标的红外特性呈现以下特点:

1)直升机目标红外特性中壁面辐射是主要的辐射源,主要来源于机体表面和发动机热腔体。机体表面辐射是一个选择性辐射体,它既发射自身的能量,又会反射太阳辐射等产生的能量,但其温度与背景温度相差不大,辐射主要集中在长波波段内。发动机热腔体辐射是典型的灰体辐射源,其温度与背景温度相差较大,辐射强度较高,辐射集中在中波波段,但由于其安装位置的关系,一般从头部观测难以显现。

2)尾焰是典型的参与性介质辐射,是中波波段的主要辐射源。直升机发动机出口的尾焰温度一般在500℃~900℃,采用红外抑制器的目标温度会明显降低,辐射的能量会明显减小,但在抑制器工作的过程中通过热传递会导致机体表面温度的升高,增加长波段辐射能量,不过这种增加是十分有限的。

3)直升机目标红外特性模拟主要取决于表面面积和发动机的性能。用无人直升机模拟武装直升机存在的主要问题是:无人机会小许多,表面的辐射能量会明显不足;武装直升机采用涡轮轴式发动机,无人直升机主要是活塞式发动机,形成的热腔体和尾焰辐射差别较大,其总体性能是偏小的。因此,用无人直升机模拟直升机目标时,无论是中波波段还是长波波段的红外辐射特性都需要增加。

4)准确描述直升机目标红外特性既要有长波波段的特性,又要有中波波段的特性;既要有面壁辐射源,又要有参与性介质辐射源。直升机目标的红外辐射定量分析,受到影响红外辐射特性诸多因素的影响,在工程上可采用试验与理论分析结合的方法,得到一定条件下的规律或数据,但反映全部状态下的特性较难。对于直升机目标模拟,目前能够要求逼近到一个数量级。

3 结束语

直升机目标的红外特性影响因素众多,各因素的影响方式、程度、效果等又十分复杂,使得研究十分棘手。从工程实践的角度,提出一些观点和看法只是起步,需要理论和试验并重,广泛开展基础性、实践性研究,才能在某些条件下有所突破,望本文对此有所启示和促进。

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1 红外特性基础分析
2 直升机目标红外特性分析
2.1 红外辐射强度分析
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2.2 直升机主要红外特性分析
2.2.1 机体表面红外辐射
2.2.2 发动机引起的红外辐射
图2 动力系统红外辐射强度分布示意图
2.2.3 不同探测方向上的红外辐射强度分布
图3 垂直面上红外辐射强度分布
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2.2.4 红外抑制与运动特性的影响
2.3 分析结论
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Received	Revised	Published
2018-01-11	2018-03-15	2018-06-10
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2022-05-19

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