一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法，其步驟如下：(1)基于高超聲速飛行器三維幾何模型，提取蒙皮幾何信息，完成蒙皮網(wǎng)格劃分；(2)利用氣動熱工程計算方法得到飛行器蒙皮溫度分布；(3)基于紅外輻射的基本原理，結(jié)合飛行器蒙皮溫度信息，進行紅外輻射強度的計算，得到飛行器蒙皮紅外輻射強度隨著觀察角度的變化分布情況；(4)考慮到材料和環(huán)境中存在的不確定性，引入?yún)^(qū)間頂點法，實現(xiàn)了蒙皮紅外輻射強度分散性評估。本發(fā)明旨在通過該不確定分析方法，對高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性進行準確的預測、評估，為飛行器紅外隱身，躲避敵方探測奠定一定的工程理論基礎。
【專利說明】
一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及高超聲速飛行器紅外輻射領域，特別涉及一種高超聲速飛行器蒙皮紅 外輻射強度分散性評估方法。
【背景技術】
[0002] 高超聲速飛行器一般是指飛行速度超過5倍馬赫數(shù)、巡航可到達臨近空間的飛行 器的總稱。因其具有超高速、高效突防和偵察能力的優(yōu)點，目前已成為航空航天領域發(fā)展的 一個重要方向。但同樣高超聲速飛行器在大氣中飛行時會因為摩擦產(chǎn)生的熱量在300°C到 1500°C之間，會使飛行器結(jié)構(gòu)遭到熔化破壞，因此必須在飛行器上使用熱防護結(jié)構(gòu)加以保 護；熱防護結(jié)構(gòu)另一個巨大作用是在降低飛行器表面溫度的同時實現(xiàn)其紅外隱身性能，避 免過早的被敵方雷達探測到，增加其突防能力，實現(xiàn)戰(zhàn)略目標。
[0003] 熱防護結(jié)構(gòu)是通過隔熱和散熱措施，來保持高超聲速飛行器內(nèi)壁溫度在使用的可 承受范圍內(nèi)。熱防護系統(tǒng)的好壞可以通過紅外輻射特性指標來衡量，紅外輻射特性指標有 輻射熱流量、輻射出射度、輻射強度、輻射亮度、發(fā)射率等指標，此處通過紅外輻射強度指標 對熱防護結(jié)構(gòu)的性能進行評估。
[0004] 輻射強度指的是點輻射源在某方向上單位立體角內(nèi)所發(fā)射的輻射功率，在對飛行 器前艙輻射強度進行評估時，熱防護結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中存在多種材料，各類材料參數(shù)具有一定不 確定性，同樣大氣的光譜透過率也在不停的變化，在進行輻射強度計算時就會發(fā)生不確定 性耦合問題，可能導致計算出的強度不準確。因此，在計算輻射強度時考慮到材料發(fā)射率、 溫度以及大氣傳輸透過率的不確定性，來準確預測高超聲速飛行器前艙的紅外輻射強度具 有重要的工程實際意義。
[0005] 不確定性分析方法有隨機分析法、模糊理論法和區(qū)間數(shù)學法，區(qū)間分析方法將參 數(shù)的不確定性局限在一個區(qū)間的范圍內(nèi)，只通過區(qū)間的上下界就可以確定參數(shù)的不確定， 是一種簡單有效的不確定性分析方法。在進行溫度和發(fā)射率不確定參數(shù)的信息定量化后， 通過頂點法不確定性傳播分析方法求解輻射強度，得到紅外輻射強度的區(qū)間范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明要解決的技術問題為:克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種高超聲速飛行器 紅外輻射強度的分散性評估方法，在考慮材料分散性，以蒙皮溫度和材料發(fā)射率為不確定 輸入?yún)?shù)，基于區(qū)間頂點分析方法，完成了高超聲速飛行器輻射強度的不確定性分析，為飛 行器紅外隱身和躲避敵方探測奠定一定的工程理論基礎。
[0007] 本發(fā)明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種高超聲速飛行器紅外輻射強度 的分散性評估方法，實現(xiàn)步驟如下：
[0008] 步驟（1 )、根據(jù)高超聲速飛行器三維幾何模型，提取蒙皮幾何信息，完成蒙皮網(wǎng)格 劃分；
[0009] 步驟(2)、基于蒙皮網(wǎng)格信息，利用氣動熱工程計算方法計算得到飛行器蒙皮溫度 分布；
[0010] 步驟(3)、基于蒙皮網(wǎng)格信息，將每個網(wǎng)格當作是一個紅外輻射面源，數(shù)量為N，對 于第k個面源，k為面源編號，利用紅外輻射基本理論，計算得到各面源的紅外輻射亮度，記 為Lk;
[0011] 步驟(4)、根據(jù)得到的各面源紅外輻射亮度，并考慮大氣傳輸對紅外輻射強度帶來 的影響，探測系統(tǒng)探測到的波段[A1J 2]內(nèi)實際紅外輻射強度，記為，可以通過下式得 到，從而得到飛行器紅外輻射強度隨著觀察角度的變化分布情況；
[0012]
[0013] 其中，Ak是第k個面源的面積，0k是第k個面源與紅外探測系統(tǒng)之間的夾角，?%為 波段[A 1J2]上的平均大氣透過率，N為面源的總塊數(shù)；
[0014] 步驟(5)、考慮到材料及環(huán)境中的不確定性因素，分別選取ε，Τ為不確定參數(shù)，通過 非概率集合理論實現(xiàn)不確定參數(shù)的定量化，并用標準區(qū)間的形式表示為：
[0015]
[0016] 其中瓦，f分別是材料發(fā)射率和溫度等不確定參數(shù)的區(qū)間上界，U分別是材料 發(fā)射率和溫度的區(qū)間下界；
[0017] 步驟(6)、引入不確定傳播分析方法區(qū)間定點法進行求解，得到飛行器紅外輻射亮 度的分散性區(qū)間表達式：
[0018]
[0019] 其中L為飛行器紅外輻射亮度，G是飛行器紅外輻射亮度的區(qū)間上界，&是飛行器 紅外輻射亮度的區(qū)間下界；
[0020] 步驟(7)、根據(jù)紅外輻射亮度與強度之間的關系，進一步求得波段[A1J2]內(nèi)紅外輻 射強度的區(qū)間表達式：
[0021]
[0022]式中^^是紅外輻射強度的區(qū)間上界，4%是紅外輻射強度的區(qū)間下界；
[0023]步驟(8)、針對探測到的紅外輻射強度隨不同探測角度變化這一事實，分別在Υ0Ζ、 Χ0Υ、Χ0Ζ三個探測平面進行360°全方位紅外輻射強度的探測，得到紅外輻射強度在不同探 測平面和不同探測角度下的分散性，即，紅外輻射強度的區(qū)間上界，區(qū)間下界和區(qū)間中心 值；
[0024] 步驟(9)、為檢驗該工程方法結(jié)果的可信性，采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法對所得紅 外輻射強度的分散性結(jié)果進行驗證。
[0025] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于:本發(fā)明提供了高超聲速飛行器紅外輻射強度 及隱身性能評判的新思路，豐富完善了紅外輻射強度理論。所構(gòu)建的紅外輻射強度分散性 評估方法考慮了材料和環(huán)境中存在的不確定性因素，提升了紅外輻射強度的準確性計算， 為紅外隱身性能的評判、提升奠定了工程理論基礎。
【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明針對擬建的高超聲速飛行器前艙紅外輻射強度的分散性評估流程 圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明針對擬建的高超聲速飛行器前艙三維幾何模型示意圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明針對擬建的前艙YOZ平面紅外輻射強度的分散性示意圖，其中，圖3 (a)為YOZ平面中3-5μπι波段紅外輻射強度的分散性示意圖，圖3(b)為YOZ平面中8-14μπι波段 紅外輻射強度的分散性示意圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明針對擬建的前艙XOY平面紅外輻射強度的分散性示意圖，其中，圖4 (a)為XOY平面中3-5μπι波段紅外輻射強度的分散性示意圖，圖4(b)為XOY平面中8-14μπι波段 紅外輻射強度的分散性示意圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明針對擬建的前艙XOZ平面紅外輻射強度的分散性示意圖，其中，圖5 (a)為XOZ平面中3-5μπι波段紅外輻射強度的分散性示意圖，圖5(b)為XOZ平面中8-14μπι波段 紅外輻射強度的分散性示意圖。
【具體實施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖以及【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明。
[0032] 如圖1所示，本發(fā)明提出了一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方 法，包括以下步驟：
[0033]步驟(1)根據(jù)高超聲速飛行器的外形特征，通過CATIA三維建模軟件中創(chuàng)成式曲面 設計模塊建立高超聲速飛行器三維幾何模型，在此基礎上，提取蒙皮幾何信息，完成飛行器 蒙皮網(wǎng)格劃分；
[0034] 步驟(2)基于蒙皮網(wǎng)格信息，根據(jù)飛行工況數(shù)據(jù)，利用氣動熱工程計算方法得到飛 行器蒙皮溫度分布，獲取各網(wǎng)格處溫度值；
[0035] 步驟(3)基于蒙皮網(wǎng)格信息，將每個網(wǎng)格當作是一個紅外輻射面源，數(shù)量為Ν，對于 第k個面源，k為面源編號，利用紅外輻射基本理論，紅外輻射亮度，記為L k，可表示為：
[0036]
[0037]式中T是指輻射源溫度;λ為紅外輻射波的波長，λ#Ρλ2是指所選取紅外波段的端點 值，且滿足λ2$λ1;ε為材料發(fā)射率;C#PC2分別指的是第一輻射常數(shù)和第二輻射常數(shù)，分別 為3.743 X HT16W · m2和 1.4387 X 10-2m · K，K為開爾文溫度；
[0038] 步驟(4)根據(jù)得到的各面源紅外輻射亮度，并考慮大氣傳輸對紅外輻射強度帶來 的影響，探測系統(tǒng)探測到的波段[A1J 2]內(nèi)實際紅外輻射強度，記為Λ >_，可以通過下式得 到，從而得到飛行器紅外輻射強度隨著觀察角度的變化分布情況；
[0039]
[0040] 其中，Ak是第k個面源的面積，0k是第k個面源與紅外探測系統(tǒng)之間的夾角為 波段[A1J2]上的平均大氣透過率，可通過下式得到：
[0041]
[0042] 其中T1是受大氣吸收制約的光譜透過率，τ2是受大氣散射制約的光譜透過率，13是 受氣象衰減制約的光譜透過率；
[0043] 步驟(5)考慮到材料及環(huán)境中的不確定性因素，分別選取ε，Τ為不確定參數(shù)，通過 非概率集合理論實現(xiàn)不確定參數(shù)的定量化，并用標準區(qū)間的形式表示為：
[0044]
[0045] 其中S'，f分別是材料發(fā)射率和溫度等不確定參數(shù)的區(qū)間上界，分別是材料發(fā) 射率和溫度的區(qū)間下界;ε。，T。分別是材料發(fā)射率，大氣透過率和溫度的區(qū)間中心值，△ ε，Δ T分別是材料發(fā)射率，大氣透過率和溫度的區(qū)間半徑，各參數(shù)之間的關系如下式所示：
[0046]

[0047] 步驟(6)考慮到輻射亮度U是材料發(fā)射率ε和溫度T的單調(diào)遞增函數(shù)，因此引入不 確定傳播分析方法中的區(qū)間頂點法進行求解，得到飛行器紅外輻射亮度的分散性區(qū)間表達 式：
[0048]
[0049] 其中是飛行器紅外輻射亮度的區(qū)間上界，h是飛行器紅外輻射亮度的區(qū)間下 界；
[0050] 步驟(7)根據(jù)紅外輻射亮度與強度之間的關系，進一步求得波段[A1J2]內(nèi)紅外輻 射強度的區(qū)間表達式：
[0051]
[0052] 式中是紅外輻射強度的區(qū)間上界，是紅外輻射強度的區(qū)間下界；
[0053] 步驟(8)針對探測到的前艙紅外輻射強度隨不同探測角度變化這一事實，分別在 Υ0Ζ、Χ0Υ、Χ0Ζ三個探測平面進行360°全方位紅外輻射強度的分散性探測，每隔5°進行一次 強度的探測，考慮到在紅外輻射波段3-5μπι和8-14μπι兩個波段內(nèi)強度分散性最大，因此，針 對這兩個主要紅外輻射波段進行輻射強度的探測；
[0054]步驟(9)為檢驗該工程方法結(jié)果的可信性，采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法抽取IO5個 樣本點分別在三個觀測平面上進行紅外輻射強度的數(shù)值模擬，選擇3_5μπι和8-14μπι兩個波 段內(nèi)的紅外輻射強度作為驗證對象進行結(jié)果準確性驗證。
[0055] 實施例
[0056] 為了更充分地了解該發(fā)明的特點及其對工程實際的適用性，本發(fā)明針對如圖2所 示高超聲速飛行器前艙進行紅外輻射強度的分散性評估。本實施例以類似于X-37B的典型 前艙結(jié)構(gòu)為研究對象，基于紅外輻射強度理論，利用本發(fā)明中公開的方法，實現(xiàn)了前艙紅外 輻射強度的區(qū)間預計，本實施例中每隔5°進行一次強度的探測。圖3給出了觀測角位于YOZ 平面上時，紅外輻射強度區(qū)間預計結(jié)果，圖4給出了觀測角位于XOY平面上時，紅外輻射強度 區(qū)間預計結(jié)果，圖5給出了觀測角位于XOZ平面上時，紅外輻射強度區(qū)間預計結(jié)果;表1給出 了觀測角位于YOZ平面上，觀測角度范圍為90°到280°時，通過蒙特卡洛方法和本發(fā)明提出 方法得到的紅外輻射強度分散性結(jié)果的對比，同理表2給出了觀測角位于XOY平面上，觀測 角度范圍為0°到190°時得到的紅外輻射強度分散性結(jié)果的對比，表3給出了觀測角位于XOZ 平面上，觀測角度范圍為170°到360°時得到的紅外輻射強度分散性結(jié)果的對比，由表中誤 差數(shù)據(jù)可充分驗證本發(fā)明所公開方法的可行性和有效性，為了對比簡便，表中數(shù)據(jù)只列出 了每隔10°的紅外輻射結(jié)果。
[0057]表 1

[0064] 綜上所述，本發(fā)明提出了一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方 法，該方法結(jié)合紅外輻射基本理論和大氣傳輸影響因素，完成了高超聲速飛行器紅外輻射 強度的計算；同時，該方法充分考慮了各材料參數(shù)分散性，對不確定參數(shù)進行區(qū)間量化分 析，引入?yún)^(qū)間頂點分析方法，實現(xiàn)了高超聲速飛行器紅外輻射強度的不確定分析，為紅外隱 身性能的提升奠定了基礎。
[0065] 以上僅是本發(fā)明的具體步驟，對本發(fā)明的保護范圍不構(gòu)成任何限制；其可擴展應 用于高超聲速飛行器紅外輻射強度評估領域，凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術 方案，均落在本發(fā)明權利保護范圍之內(nèi)。
[0066] 本發(fā)明未詳細闡述部分屬于本領域技術人員的公知技術。
【主權項】
1. 一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法，其特征在于實現(xiàn)步驟如 下： 步驟(1)、根據(jù)高超聲速飛行器三維幾何模型，提取蒙皮幾何信息，完成蒙皮網(wǎng)格劃分； 步驟（2)、基于蒙皮網(wǎng)格信息，利用氣動熱工程計算方法計算得到飛行器蒙皮溫度分 布； 步驟(3)、基于蒙皮網(wǎng)格信息，將每個網(wǎng)格當作是一個紅外輻射面源，數(shù)量為N，對于第k 個面源，k為面源編號，利用紅外輻射基本理論，計算得到各面源的紅外輻射亮度，記為Lk; 步驟(4)、根據(jù)得到的各面源紅外輻射亮度，并考慮大氣傳輸對紅外輻射強度帶來的影 響，探測系統(tǒng)探測到的波段[h，A2]內(nèi)實際紅外輻射強度，記為，可以通過下式得到，從 而得到飛行器紅外輻射強度隨著觀察角度的變化分布情況；其中，Ak是第k個面源的面積，0k是第k個面源與紅外探測系統(tǒng)之間的夾角，為波段 [入i，A2]上的平均大氣透過率，N為面源的總塊數(shù)； 步驟(5)、考慮到材料及環(huán)境中的不確定性因素，分別選取e，T為不確定參數(shù)，通過非概 率集合理論實現(xiàn)不確定參數(shù)的定量化，并用標準區(qū)間的形式表示為： 其中歹，f分別是材料發(fā)射率和溫度等不確定參數(shù)的區(qū)間上界，￡，1分別是材料發(fā)射率 和溫度的區(qū)間下界； 步驟(6)、引入不確定傳播分析方法區(qū)間定點法進行求解，得到飛行器紅外輻射亮度的 分散性區(qū)間表達式：其中L為飛行器紅外輻射亮度，巧是飛行器紅外輻射亮度的區(qū)間上界，匕是飛行器紅外 輻射亮度的區(qū)間下界； 步驟(7)、根據(jù)紅外輻射亮度與強度之間的關系，進一步求得波段[h，A2]內(nèi)紅外輻射強 度的區(qū)間表達式：式中&^^是紅外輻射強度的區(qū)間上界，^^+是紅外輻射強度的區(qū)間下界； 步驟(8)、針對探測到的紅外輻射強度隨不同探測角度變化這一事實，分別在YOZ、XOY、 XOZ三個探測平面進行360°全方位紅外輻射強度的探測，得到紅外輻射強度在不同探測平 面和不同探測角度下的分散性，即，紅外輻射強度的區(qū)間上界，區(qū)間下界和區(qū)間中心值； 步驟(9)、為檢驗該工程方法結(jié)果的可信性，采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法對所得紅外輻 射強度的分散性結(jié)果進行驗證。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法，其 特征在于:所述步驟(4)中大氣透過率= 其中^是受大氣吸收制約的光譜透 過率，T2是受大氣散射制約的光譜透過率，T3是受氣象衰減制約的光譜透過率。3. 根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器紅外輻射強度的分散性評估方法，其特 征在于:所述步驟(5)中各變量存在如下關系；其中，ec，Tc分別是材料發(fā)射率和溫度的區(qū)間中心值，A e，A T分別是材料發(fā)射率和溫度 的區(qū)間半徑，￡。取為〇.6，T。為步驟(2)中求得的溫度，A e取為5% Xe。，AT取為2% XT。。4. 根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法，其 特征在于:所述步驟(6)中為實現(xiàn)360°全方位紅外輻射強度的探測，分別在三個探測平面進 行每隔5°進行一次紅外輻射強度計算，每個探測平面需進行73次計算。5. 根據(jù)權利要求1所述的一種高超聲速飛行器蒙皮紅外輻射強度分散性評估方法，其 特征在于:所述步驟(9)中采用蒙特卡洛數(shù)值模擬方法時樣本點數(shù)為10 5。
【文檔編號】G06F17/50GK106055751SQ201610344255
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月23日
【發(fā)明人】王曉軍, 樊維超, 王睿星, 王磊, 劉鑫, 蔡逸如
【申請人】北京航空航天大學