航空發(fā)動機臺架紅外輻射特性測試技術研究

丁 旭,王 浩,宋江濤,金利強,高非凡

(中國航空工業(yè)集團公司中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

1 引 言

隨著紅外以及雷達探測技術發(fā)展,航空飛行器正受著越來越多的紅外制導以及光電制導導彈威脅,因此,減少飛行器對外的紅外輻射,提升其隱身性能,可以大大提高軍用飛行器生存能力,對未來戰(zhàn)機的影響具有重要意義[1-2]。一般來說,航空飛行器主要包含雷達以及紅外隱身,其中紅外隱身在國內(nèi)外相關研究中是一個重要的方面[3-4]。作為航空飛行器的關鍵高溫部件(如圖1所示),對航空發(fā)動機整機紅外輻射特性進行了測試鑒定,從而改善其紅外隱身設計,對于航空裝備研制鑒定以及性能提升具有深遠意義。

圖1 紅外輻射主要來源

目前,國內(nèi)外均已開展了相關的研究工作。西方軍事強國早在上個世紀八十年代已經(jīng)系統(tǒng)性地開展了相關研究性工作,國外相關技術成果也均由歐美各大研究所掌握,McGlynn[5]等,通過一系列的模擬計算軟件,如NTCS,NIRATAM等,完善航空發(fā)動機紅外輻射計算模型以及算法,使航空發(fā)動機紅外輻射強度模擬計算精度得以提高。北約組織NATO[6],多國進行合作,提出了一種用于能夠用于固定翼飛行器反導武器的計算方法[7-10],從輻射理論研究,擴展到外場測試技術,實現(xiàn)了紅外輻射特性方法計算實施。近些年,越來越多的西方國家投入人力、物力參與到航空發(fā)動機紅外輻射特性測試研究中去,瑞典國家防護中心[11]以及法國航空研究中心(ONERA)[12],甚至印度技術研究所[13],都開發(fā)了相關的計算軟件,提出了相關測試計算方法,從而達到對航空發(fā)動機紅外輻射特性的考核。

國內(nèi)也開展了一系列的相關研究,李建勛[4]等,利用移動試車平臺,初步實現(xiàn)了某臺發(fā)動機紅外輻射的測定;陳世國[14]等,通過紅外熱像儀的不失真技術,提出了一種組合積分形式的測試方法;王超哲[3]等,根據(jù)溫度場分布影響紅外輻射的有關原理,獲取了飛機全機紅外輻射計算模型。

目前國內(nèi)還未有公開文獻資料,對航空發(fā)動機整機紅外輻射特性測試技術進行詳細設計,本文通過試驗點方位規(guī)劃、試驗臺架選擇、測試系統(tǒng)以及誤差控制等方面提出了一種試驗鑒定方法,進行了相關驗證試驗,驗證試驗方法可行性。

2 試驗要求

一般來說,進行航空發(fā)動機的臺架整機紅外試驗,同時基于型號鑒定需求,將發(fā)動機進行狀態(tài)鑒定,或者將不同改型的發(fā)動機進行狀態(tài)對比,需要將紅外輻射特性測試試驗放在同一標準條件下進行,所以采用標準的露天試車臺作為測試平臺,能夠最大程度控制試驗條件,評估發(fā)動機紅外輻射特性。其中,GJB241A[15]中對航空發(fā)動機紅外輻射特性測量相關條件以及指標進行了明確要求,為了便于試驗實施,需要對GJB中的指標進行裁剪,測試的一般要求如下:

(1)發(fā)動機紅外輻射源主要來源于發(fā)動機尾噴口、尾焰以及發(fā)動機自身高溫部分,定義發(fā)動機后部中心延長線為發(fā)動機0°方位角。發(fā)動機輻射強度與方位角直接相關,在0°方位角條件下,主要由發(fā)動機尾噴口貢獻紅外輻射強度,此時發(fā)輻射強度值最大,隨著方位角增加發(fā)動機紅外輻射強度由發(fā)動機尾焰貢獻,強度逐漸降低,所以,按照GJB-241A要求,需要進行各方位角下的不同紅外輻射特性測試;

(2)在測試前后,紅外測量設備的頻譜響應需要用標準的紅外輻射源進行校準,一般使用點源或面源黑體作為標準的紅外輻射源,來進行測試設備基準校準;

(3)試驗時,應避免在白天有陽光的天氣,防止陽光輻射對試驗結果造成影響,測試期間,并對氣象參數(shù)進行記錄,一般包含風速、風向、溫度、氣壓以及濕度等;

(4)在測試過程中,對發(fā)動機和試車平臺遮擋,以減少背景輻射帶來的誤差,使發(fā)動機達到“模擬裝機”狀態(tài);

(5)測試時,應使發(fā)動機狀態(tài)穩(wěn)定后,開展測量。

3 測試方案

3.1 試驗平臺

紅外測試試驗時,需要同時綜合考慮發(fā)動機結構尺寸、尾噴口大小以及開車時尾焰長度,且發(fā)動機在不同工作狀態(tài),其尾焰長度不同,為保證試驗設備以及試驗人員的安全,需要留足夠的安全距離,儀器視角選擇時,應選擇與目標大小相匹配的測試儀器。測試儀器隨著方位角的增大,需測量的尾焰長度增加,其視角應當增大,測試方位角與視角關系如圖2所示。

圖2 方位角與視角示意圖

根據(jù)測試發(fā)動機的紅外目標特性(尾噴口大小以及尾焰核心區(qū)長度),需要選擇合適的儀器鏡頭,場地規(guī)劃需考慮0°以及90°方位角下的測量,在0°方位角條件下,測點布置時,需留有足夠的距離,防止發(fā)動機尾流對人和測試設備造成傷害,在90°方位角條件下,尾焰核心區(qū)長度最大,需選擇較大視場的儀器設備。所以在測試平臺選擇時,選擇空曠的露天試車臺,并保證測試視場內(nèi)水泥地面、草地等干擾背景小,能夠滿足測試需求。

3.2 試驗設備

3.2.1 紅外測試設備

紅外測試設備主要包括中/長波熱像設備、光譜輻射計設備、點/面源黑體校準設備等。通過光譜輻射計試驗設備,可以測得航空發(fā)動機在1.4～14 μm波段的紅外輻射特性光譜曲線,通過積分獲得不同波段的紅外輻射強度值用以衡量發(fā)動機輻射的強度;通過熱像設備,可以獲得相應波段的發(fā)動機紅外輻射強度以及熱像圖,同時用于實時觀測發(fā)動機尾流熱像特性;由于空氣中含有的H2O以及CO2等分子的吸收作用,紅外輻射能量在傳播時存在一定減弱,這樣使得目標處的紅外輻射強度不能完全傳遞到測試設備處,為了消除該影響造成的測量誤差,在測試紅外線測試儀器均采用黑體設備進行現(xiàn)場標校。試驗過程中,同時,可以通過氣象參數(shù)分析或者采用大氣通過率測量系統(tǒng)進行大氣透過率的分析計算或測量工作。一般常用的光譜輻射計以及紅外熱像儀設備指標如表1和表2所示。

表1 光譜輻射計主要性能

表2 紅外熱像儀性能

3.2.2 臺架配套試驗設備

在發(fā)動機整機臺架紅外測試中,對測試平臺和發(fā)動機本身都進行必須的遮擋,僅將發(fā)動機尾噴口露在外面,模擬“裝機狀態(tài)”,可以降低環(huán)境因素影響,提高測量精度。遮擋裝置內(nèi)側(靠近發(fā)動機一側)由防止外部鋁板受熱而溫度升高的巖棉板構成;將漫反射涂層涂刷在擋板外側的鋁板表面,形成一個漫反射的表層,經(jīng)測量,遮擋板表面發(fā)射率為0.937。發(fā)動機遮擋裝置由發(fā)動機試車臺架遮擋板和尾噴口遮擋板組成,圖3所示為試車臺架及被測發(fā)動機遮擋前后示意圖,圖4為遮擋裝置現(xiàn)場安裝圖。

圖3 試車臺架及被測發(fā)動機遮擋前示意圖

圖4 試車臺架及被測發(fā)動機遮擋前后示意圖

紅外測試平臺主要用于安裝和移動紅外測量設備,可以將紅外測試設備的俯仰角調(diào)整至(0±0.5)°內(nèi)。該平臺可移動,并配置支撐調(diào)平機構。操作平臺分兩層,安裝有專用光學板,用于固定測試用紅外測量設備。

3.3 試驗方法

3.3.1 紅外測試核心區(qū)域確定

紅外輻射特性測試過程中,主要測試的是發(fā)動機尾流區(qū)以及發(fā)動機機尾噴口區(qū)域的紅外輻射特性強度。當測試方位角為0°時,測試設備視野中為發(fā)動機尾噴口,而方位角變大時,尾流在測試儀器中所占視場比重變大,方位角為90°時達到最大。所以,正式測試試驗前,需要首先確定發(fā)動機尾流核心區(qū)的長度以及,發(fā)動機尾噴口紅外輻射直徑。

在90°方位角下,采用熱像儀對尾焰輻射溫度進行標定,確定尾焰核心區(qū)尾流長度。同樣,在0°方位角下,以發(fā)動機在測試狀態(tài)下的尾噴口輻射尺寸,作為尾噴口的紅外輻射直徑。

3.3.2 試驗安全距離確定

由于紅外測試試驗處于發(fā)動機尾氣流區(qū)域內(nèi),為了保證紅外測量設備和測試人員安全,采用全站儀和手持式風速儀,通過調(diào)試試驗確定小角度方位角(0～15°)下人員和設備可接受的安全測試距離。

3.3.3 測點布置

按照確定的尾焰核心區(qū)長度和尾噴口直徑,統(tǒng)籌考慮測試場地、測試設備視場、現(xiàn)場測試人員和儀器安全等,確定各方位角下紅外輻射測試距離和儀器視場,如圖5所示。如果被試發(fā)動機為軸對稱噴口,不同方位角可以繞0°角對稱選擇。

圖5 不同方位角測點布置示意

3.3.4 試驗程序

試驗過程中,為了避免環(huán)境輻射以及太陽光對測試結果造成較大的影響,選擇晴朗夜間進行測試試驗,能更好的提高測試精度。試驗前,首先進行發(fā)動機檢查試車,對發(fā)動機工作狀態(tài)進行確認,防止發(fā)動機狀態(tài)不穩(wěn)定影響測試結果。中國飛行試驗研究院目前具備試驗需要的所有測試設備,并根據(jù)相關測試經(jīng)驗,進行正式實驗前,先進行相摸底測試試驗,對測試對象的輻射特性有一定的了解后,再進行正式測試,以便選擇合適的積分時間。

正式測試時,按照正常程序對發(fā)動機進行啟動、暖機,之后在發(fā)動機測試狀態(tài)穩(wěn)定3 min后,進行紅外測試,完成測試任務后,發(fā)動機按照正常程序停車,典型試車曲線如圖6所示。

圖6 發(fā)動機紅外測試典型試車程序

4 數(shù)據(jù)分析及驗證

4.1 光譜輻射計數(shù)據(jù)分析方法

發(fā)動機紅外輻射特性測量采用紅外光譜輻射計時,獲取的測量結果信號是目標與背景的輻射之和,需扣除背景輻射得到目標輻射強度。由于尾焰呈鋸齒形式的結構,針對于尾焰的測試,集中在尾焰核心區(qū),同時因為尾焰變動,傅里葉測試結果不準確,根據(jù)測試經(jīng)驗采用色散型光譜儀。在實際測試過程中根據(jù)發(fā)動機的狀態(tài)利用紅外熱像儀的圖像合理選擇核心區(qū)的長度進行背景輻射的扣除。其中目標輻射亮度Lt由下式計算得到:

Lt=Ltb-k·Lbg

(1)

式中,Lt為計算出的目標輻射亮度,單位W·m-2·Sr-1;Ltb為測量的背景與目標輻射亮度之和,W·m-2·Sr-1;k為背景占視場的比例系數(shù);Lbg為針對背景標定獲得的輻射亮度,W·m-2·Sr-1。

其中,k值可由式(2)得到:

(2)

式中,At為所測量的目標輻射面積(m2);A0為在測量距離s處(目標處)的視場面積(m2)。

A0值可由下式得到:

(3)

式中,s為測量距離,m;θ為儀器視場角(°)。

最終由式(1)中目標輻射亮度Lt,以及下式進一步計算目標輻射強度It:

It=Ao·Lt

(4)

4.2 熱像儀數(shù)據(jù)分析方法

紅外熱像接受到的信號為被測目標的紅外輻射能量分布,其原理是向紅外線探測器的光敏元件發(fā)射一定能量,從而形成熱像圖,同時還可以得到目標的輻射亮度。目標紅外熱像圖中單個像素點對應的目標面積可以使用熱像儀的瞬時視場和測點距離得到,并結合輻射亮度計算得到被測目標的紅外輻射強度,公式為:

(5)

其中,s為距離,單位為m;θ為熱像儀器的視角,單位為rad;Lij為單元點(i,j)出的輻射亮度值;ε為計算修正系數(shù),由氣象參數(shù)以及黑體校準結果綜合評定給出。

4.3 不確定度分析

在發(fā)動機紅外隱身測試過程中的不確度影響因素主要包括:紅外測量設備自身的系統(tǒng)誤差、背景輻射影響、大氣透過率誤差等,在實際測試過程中,將根據(jù)測量現(xiàn)場的實際條件,綜合評估,給出測試結果的誤差分析。

4.4 試驗驗證

根據(jù)以上制定的方法,開展了某軸對稱尾噴管形式的發(fā)動機整機臺架紅外測試試驗,采用SR-5000系統(tǒng)的光譜輻射計對發(fā)動機不同狀態(tài)進行紅外測試,根據(jù)前期標定的發(fā)動機尾噴口尺寸,以及尾流核心區(qū)長度,選擇7 mrad視場的測試儀器,試驗前高溫黑體進行標定,發(fā)動機0°方位角某典型狀態(tài)條件下不同波段光譜強度曲線如圖7所示。可以看出發(fā)動機的光譜強度主要集中在3～5 μm的中波段、8～14 μm的長波段,而2.5 μm、4.5 μm波段附件的光譜輻射強度較低,所有測試儀器測得的試驗結果類似,這是因為該波段的紅外強度被大氣中的水氣以及二氧化碳吸收了。

圖7 典型狀態(tài)下光譜強度隨波段的變化

對光譜輻射數(shù)據(jù)處理,分別對中波段以及長波段的紅外輻射強度進行積分,獲得了該方位角條件下中波輻射強度以及長波輻射強度。使用該方法可以獲得不同方位角條件下的中波紅外輻射強度、長波紅外輻射強度。同時使用MR170系統(tǒng)光譜輻射計對發(fā)動機不同狀態(tài)進行紅外測試,兩型設備在典型工況條件下,不同方位角條件下不同波段測試結果見圖8。

圖8 典型狀態(tài)下光譜強度隨波段的變化

可以看出通過兩型不同的光譜輻射計,測得某發(fā)動機同一工況下的中波輻射強度以及長波輻射強度,其變化規(guī)律具有一致性,兩者測量結果絕對值相差<5 %,說明該測試方法測得的結果具有較高的一致性和可信性。同時可以看出,同一型設備中波紅外輻射強度值遠大于長波下的紅外輻射強度值,針對這一現(xiàn)象,在設計發(fā)動機紅外隱身性能特性時,著重考慮中波條件下的隱身性能特性,能夠更好的提高航空武器裝備的紅外隱身特性。分析不同方位角條件下發(fā)動機紅外輻射強度的變化規(guī)律可以看出,隨著測試方位角的增大,測得的發(fā)動機紅外輻射值迅速下降,這是由于小角度測點下,測試設備測得的主要是發(fā)動機尾噴口內(nèi)部高溫核心件渦輪以及噴口的紅外輻射強度,隨著測試方位角的增大,測試設備主要測量的是發(fā)動機高溫尾流的紅外輻射。可以看出,雖然發(fā)動機尾流占據(jù)較大的面積,其紅外輻射只是占據(jù)比較小的比例,所以在后續(xù)設計中采用二元式、S彎等異形噴管,可以有效遮擋發(fā)動機尾噴口內(nèi)的高溫區(qū)域,從而達到高效的隱身作用。

5 結 論

(1)提出了航空發(fā)動機整機臺架紅外輻射特性測試的一種測試技術方法,采用空曠的標準露天試車臺,滿足不同方位角的測試,試驗時,考慮環(huán)境、氣象、測試設備的影響,能夠到達較高精度的測量;

(2)發(fā)動機設計過程中,考慮發(fā)動機紅外隱身特性,應著重于中波條件下的隱身性能特性設計,能夠更好的提高航空武器裝備的紅外隱身特性;

(3)采用二元式、S彎等異形噴管,可以有效遮擋發(fā)動機尾噴口內(nèi)的高溫區(qū)域,從而達到高效的隱身措施。