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固体火箭发动机尾焰非球形颗粒辐射效应研究

固体火箭发动机尾焰非球形颗粒辐射效应研究

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作者：李可哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

目前,空中目标检测技术快速发展,研究火箭的隐身技术是大势所趋。尾焰产生的红外辐射是目标探测主要的辐射来源,而尾焰中的主要辐射源是AlO粒子辐射,研究AlO粒子的辐射特性是精准计算固体火箭发动机尾焰辐射中至关重要的一步。目前大部... 详细信息

目前,空中目标检测技术快速发展,研究火箭的隐身技术是大势所趋。尾焰产生的红外辐射是目标探测主要的辐射来源,而尾焰中的主要辐射源是AlO粒子辐射,研究AlO粒子的辐射特性是精准计算固体火箭发动机尾焰辐射中至关重要的一步。目前大部分数值研究工作是将尾焰中凝相颗粒全都视作球形来计算,最终计算得到的辐射信号会产生偏差。因此,探究非球形凝相颗粒对固体火箭发动机辐射信号的影响对喷焰辐射模型完善、特性规律认识,提高目标探测的精确度具有重要意义。本文针对固体火箭发动机尾焰中凝相颗粒(主要为AlO粒子)非球形状态对尾焰辐射产生影响的问题,应用Mie理论、T矩阵法、广义多球Mie理论(GMM)和蒙特卡洛法,量化分析不同工况下球形、非球形处理方法带来光谱辐射特性差异。本文进行了尾焰中AlO粒子和碳黑粒子形态参数化,根据粒子形态选择合适的辐射特性计算方法;对比了可以计算团簇粒子辐射特性的方法的计算效率,结果表明:GMM的计算效率和精度都较高,最终选择GMM计算团簇粒子辐射特性。进行不同形态AlO粒子辐射特性参数计算分析。计算分析粒子粒径或等效粒径、入射光波长、粒子形态和粒子形变程度对粒子的辐射特性的影响规律。结果表明,不同形态粒子的衰减、散射和吸收因子随粒径、波长和形变程度的变化规律相同,只在数值大小上有不同,散射相函数均满足前向散射大于后向散射的规律。进行碳黑团簇粒子辐射特性参数计算分析。运用有限扩散凝聚模型生成碳黑团簇粒子,分析基元粒子个数、分形维数、前向分形因子对碳黑粒子形态的影响;探究了团聚粒子中基元粒子个数、入射光波长、分形维数和前向分形因子对碳黑团簇粒子辐射特性的影响。结果表明:随着基元粒子个数、分形维数的增大,碳黑团簇粒子的衰减、散射和吸收因子增大,且前向散射大于后向散射。进行典型固体火箭发动机尾焰辐射效应分析。在已知单粒子辐射特性参数的情况下,结合粒子数密度得到AlO粒子系得辐射特性参数;进行基于蒙特卡洛法的喷焰光谱辐射特性仿真,得到尾焰的光谱辐射强度,量化不同探测角度和波长下球形、非球形处理方法带来光谱辐射特性差异。结果表明:波长为1.55μm和8μm时,可忽略尾焰中粒子形态对辐射的影响;在2.7μm波段,球和非球粒子掺混比例为1:1和3:1时,可以忽略非球AlO粒子的影响;在探测天顶角为0°、22.5°和45°时,均可忽略尾焰和尾迹中粒子形态对太阳光反射的影响。

关键词：固体火箭发动机尾焰流场非球形粒子辐射团簇粒子辐射

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