飞行器伴随射流的电磁特征研究
作者单位：西安电子科技大学
学位级别：硕士
导师姓名：弓树宏
授予年度：2022年
学科分类：0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学]
摘 要：随着反隐身技术的深入,现有的手段已无法满足人们的需求,该领域逐渐形成了一个新的研究方向,即利用伴随射流区域大气折射率的变化从而探测隐身飞行器。伴随射流是飞行器在飞行时出现的显著流体力学特征,目前国内外主要针对飞行器后端的尾流特性进行分析,而本文研究的飞行器伴随射流则是基于空气动力学理论,将尾流区域以及压缩、膨胀、剪切、摩擦大气的区域当作一个电大尺寸、介电参数分布不均的弱散射体,进而研究其电磁散射特征。本文系统深入地分析了机翼的气动特性、二维机翼涡流的离散涡方法模拟、三维飞行器伴随射流场的仿真模拟以及飞行器伴随射流的电磁散射特征四个方面,具体研究内容如下:第一,研究了机翼的气动特性。基于流体特有属性及边界层原理,分析得到边界层方程、内部剪切力特性以及界面上的空气流动情况。结合飞行器涡旋相关理论,实现了对涡旋中升力分布以及环量特性的计算,同时得出尾迹数学模型及其消散特征。选用NACA2412翼型并结合空气动力学理论,采用涡面元理论、薄翼理论和有限翼理论三种方法分别计算机翼升力系数、俯仰力矩系数等参数随攻角的分布情况。研究结果表明,升力系数、俯仰力矩系数与攻角呈正相关,且基于薄翼理论计算出的升力系数受攻角影响数值变化最为明显,基于有限翼理论计算出的俯仰力矩系数受攻角影响数值变化最为明显。第二,研究了不同攻角下二维机翼涡流场的演化过程。利用飞行器伴随射流中涡流场的特性,采用离散涡方法将机翼划分成多个有限强度的涡旋微元,并根据库塔定理及开尔文涡量守恒定理,得到每个微元的环量及升力系数。通过设定合适时间步长并结合环量矩阵,计算了每个时刻下所有配置点的速度矢量等参数,从而实现了对机翼周围涡流场从产生到消散完整过程的模拟,得出不同攻角下涡流场的产生原因及演化规律。结果表明,在飞行过程中机翼近表面产生顺时针旋转的附着涡,机翼尾部则形成逆时针旋转的起动涡,两者总涡量守恒,最终分别发展为较大的前缘涡和后缘涡。结合Ansys Fluent仿真图像对比后发现,离散涡方法模拟的涡流场结果与其较为吻合。第三,研究了三维飞行器在不同飞行情况下的伴随射流场特征。基于流体力学并结合Ansys Fluent软件,计算得到飞机和导弹在飞行高度8km、12km,飞行速度为200m/s、400m/s和250m/s、500m/s条件下伴随射流场中压强参数的空间分布。结果表明,飞机前端大气压强急剧增加,机翼顶部气压低于底部气压,飞机近表面出现大量涡流现象;并且同等高度下,飞行速度400m/s时相较于200m/s时,压强起伏值更大。当导弹飞行速度为500m/s时,前端气流会被急剧压缩,气压急剧增大,出现弓形激波现象;当气流流经尾部凸折面时,气体发生膨胀,压强降低,在导弹尾部形成膨胀波。第四,研究了不同条件下飞行器伴随射流的电磁散射特征。提出了一种针对电大尺寸、介电参数分布不均的弱散射体计算方法,即根据伴随射流介电参数的空间分布,将其剖分成多个小尺寸且介电参数均匀的散射体,并应用矩量法实现了对两种飞行器伴随射流在不同情况下散射强度的计算。结果表明,飞机在高度8km速度为200m/s时伴随射流散射回波强度最低值为-190d Bsm;导弹在高度12km速度250m/s时伴随射流散射回波强度最低值为-170d Bsm,均高于气象部门实测的晴空大气散射值至少20d B以上,从一定程度上验证了探测飞行器伴随射流的可行性。本论文研究分析了飞行器在飞行过程中伴随射流整体的电磁散射特征。除了对飞行器尾流的研究外,还重点分析了飞行器头部区域及身体近表面区域流体及电磁散射特性,提出了对飞行器周围伴随射流散射特征的研究方法。其中对流体及电磁散射的研究方法与之前的论文中的方法不同,该理论方法对拓展雷达反隐身技术有着重要意义。
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