排氣系統內置全遮擋導流支板紅外隱身方案研究

摘 要：航空發動機排氣系統是飛機尾向主要紅外輻射源，對排氣系統紅外輻射的抑制是飛機紅外隱身水平提升的關鍵。為解決末級渦輪轉子紅外輻射強且難抑制的突出問題，實現直流道發動機排氣系統紅外隱身水平的突破，本文提出一種渦輪后全遮擋導流支板概念結構，并通過數值仿真分析應用主動冷卻與隱身材料措施的全遮擋導流支板紅外隱身方案對排氣系統的紅外抑制效果。研究結果表明，本文設計的全遮擋導流支板使得末級渦輪的紅外輻射貢獻降低至0；壁面冷卻是全遮擋導流支板最有效的紅外抑制措施，平均溫降300K時，最大紅外輻射降幅達40.46%；處于復雜輻射環境中的全遮擋導流支板的紅外抑制方案設計最優途徑為在壁面冷卻降溫狀態下進行表面發射率優化設計。

關鍵詞：全遮擋導流支板； 紅外輻射特征； 隱身方案； 數值仿真； 排氣系統

中圖分類號：V218 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2024.06.010

基金項目： 航空科學基金（201927001002）

近年來，紅外探測技術、紅外制導導彈的飛速發展已然對作戰飛行器的生存力與戰斗力形成了致命威脅，不完全統計[1-2]顯示，20世紀的幾次局部戰爭中由紅外制導導彈擊落的飛行器數量是雷達制導導彈擊落數量的三倍左右，直至21世紀初，世界上各國戰損的飛行器中被紅外制導導彈摧毀的接近半數。紅外隱身性能已然成為先進作戰飛行器所必備的典型特征之一。

小涵道比渦扇發動機是作戰飛行器的最主要動力裝置，其排氣系統是作戰飛行器尾向3～5μm波段的重要紅外輻射源，占飛行器尾向總紅外輻射的90%以上。直流道排氣系統相比紅外隱身能力突出的S形等異形流道排氣系統而言，在氣動性能、尺寸、重量（質量）、結構復雜程度等方面具有顯著優勢，是現役戰斗機的主要排氣系統形式。目前，國內外針對直流道排氣系統的高溫固體部件[3-7]，以及高溫噴流[8]的紅外抑制技術的研究有很多，并且已經形成了諸多行之有效的抑制措施，尤其是針對高溫固體部件的抑制措施已較為成熟，國外已完成壁面冷卻等抑制技術的工程轉化，成功應用于現役戰斗機上。然而，末級渦輪葉片作為排氣系統表面溫度最高的強紅外輻射源[9-10]，其高速旋轉的工作特征給紅外隱身設計造成了極大的困難，如壁面高效冷卻措施等常規隱身技術應用于渦輪轉子上將引起轉子結構復雜化，大幅增加設計與制造難度，因而尚未形成有效紅外抑制措施。綜上所述，末級渦輪的紅外抑制是直流道排氣系統紅外隱身性能進一步突破的核心問題。

為解決末級渦輪紅外抑制問題，本文提出一種排氣系統內置全遮擋導流支板隱身結構，即將末級渦輪下游承力支板改型成全遮擋導流支板，將旋轉部件隱身設計問題轉化為固定部件隱身設計問題，并設計多種紅外隱身方案，計算分析全遮擋導流支板對末級渦輪的紅外抑制作用以及對排氣系統的紅外抑制效果。

1 幾何模型設計

1.1 基準軸對稱排氣系統模型

本文以典型加力類渦扇發動機軸對稱排氣系統為基礎研究模型，稱為基準軸對稱排氣系統（BA-ES），其模型示意圖如圖1所示。該排氣系統由末級渦輪出口面（即等效視為末級渦輪轉子）、中心錐、承力支板、環形混合器、加力燃燒室火焰穩定器、隔熱屏、加力筒和軸對稱收擴噴管等部件組成。

1.2 全遮擋導流支板排氣系統模型

最終設計獲得的全遮擋導流支板的遮擋角為22.5°（支板個數16）、軸向長徑比0.318，帶全遮擋導流支板的軸對稱排氣系統模型（FSGS-ES）如圖2所示。

2 計算方法及條件

排氣系統紅外輻射特征的計算過程分為流場特征計算與紅外輻射計算，流場特征計算獲得排氣系統固體壁面溫度分布和噴流溫度、壓力、組分濃度分布等流場參數分布結果，為紅外輻射計算提供輸入條件。

2.1 流場計算

使用某仿真軟件進行排氣系統流場仿真，選擇雙精度基于密度的隱式耦合求解器進行求解，湍流模型則選用更適合模擬高溫高速排氣噴流流動的Shear Stree Transport（SST）k-ω模型，連續方程、動量方程和能量方程均采用二階迎風差分格式離散[12]，噴流組分計算選用組分傳輸模型，并考慮輻射換熱作用。

排氣系統的流場計算狀態為模型發動機地面試車工況，內涵進口：壓力進口邊界、總溫1140K、總壓420000Pa；外涵進口：壓力進口邊界、總溫470K、總壓415000Pa；外流場：壓力遠場邊界、溫度和壓力與大氣環境相同；另外假定主燃燒室余氣系數為3，航空煤油化學分子式為C12H23，獲取內涵的輻射參與介質的組分濃度。全流場采用結構化網格進行劃分，近壁區與噴流核心區的網格進行了加密處理，以滿足湍流模型對邊界層網格尺度需求，經網格獨立性檢驗，全局網格總數約為620萬。圖3分別給出了排氣系統外壁面、全遮擋導流支板與中心錐壁面的網格圖。

2.2 紅外輻射計算

紅外輻射計算采用自開發軟件，計算方法為反向蒙特卡羅法，本文采用的紅外輻射計算方法與參考文獻[13]相同，參考文獻[13]給出了軸對稱排氣系統3～5μm波段紅外積分輻射強度空間分布的試驗測量值與計算值的對比，如圖4所示，相對誤差在12%以內，可以認為所采用的紅外輻射計算方法滿足仿真精度需求。

紅外輻射計算時，所有壁面采用三角形網格，每個網格單元內包含坐標、矢量方向等幾何信息以及溫度、發射率等特性參數信息。計算排氣系統尾向水平探測面內的紅外輻射分布，以正尾向為0°探測方向，計算角度范圍為0°～90°，其中0°～20°范圍，每隔2°一個探測點；25°～90°范圍，每隔5°一個探測點，圖5為探測點分布示意圖。

3 計算結果與分析

3.1 全遮擋導流支板對末級渦輪的紅外抑制效果分析

圖6給出了基準軸對稱排氣系統和全遮擋導流支板排氣系統在尾向水平探測面內的中波紅外積分輻射強度計算結果，分別以紅色實線和藍色虛線表示。從圖6中可以看到，排氣系統尾向0°～15°小角度范圍的紅外輻射非常強，之后隨著觀測角度的變大，排氣系統紅外輻射迅速降低；在各探測方向上，全遮擋導流支板排氣系統的紅外積分輻射強度幾乎都略高于基準軸對稱排氣系統，即全遮擋導流支板結構的改型設計增大了排氣系統尾向的紅外輻射。

下面對比分析兩種排氣系統各固體部件產生的紅外輻射貢獻（見圖7和圖8），以獲得全遮擋導流支板結構對各部件輻射產生的影響與排氣系統紅外輻射增強的原因。從圖中可以看出，在排氣系統尾向0°～15°角度范圍：基準軸對稱排氣系統的各部件輻射貢獻中，中心錐貢獻最大，末級渦輪緊隨其后，火焰穩定器、承力支板和混合器有一定輻射貢獻；全遮擋導流支板排氣系統的各部件輻射貢獻中，全遮擋導流支板的貢獻最大，中心錐貢獻次之，混合器有一定輻射貢獻，末級渦輪輻射貢獻則為0。對比兩種排氣系統的主要紅外輻射源及輻射強度大小可以發現：（1）全遮擋導流支板完全遮擋了末級渦輪的紅外輻射，有效地抑制了末級渦輪對排氣系統尾向的紅外輻射貢獻，達到了預期設計目的；（2）全遮擋導流支板同樣處于高溫燃氣流中，因此在利用形面結構遮蔽末級渦輪紅外輻射的同時自身變成了一個新的主要紅外輻射源，需要開展紅外抑制。

3.2 全遮擋導流支板紅外隱身方案對排氣系統紅外抑制效果分析

3.2.1 紅外隱身方案設計

相較于末級渦輪轉子，全遮擋導流支板為靜止件，這使得壁面冷卻與隱身材料等較為成熟高效的紅外抑制措施的設計與應用變得簡單高效。本文針對全遮擋導流支板設計了三類隱身方案：支板壁面冷卻、低發射率隱身材料應用以及冷卻與低發射率隱身材料綜合措施，詳細方案信息見表1，通過仿真分析評估各方案的抑制效果，為工程應用提供參考建議。

3.2.2 隱身方案的紅外抑制效果

（1）支板壁面冷卻的紅外抑制效果

冷卻狀態下全遮擋導流支板排氣系統與基準軸對稱排氣系統的紅外輻射強度對比結果如圖9所示。從圖9中可以看出，全遮擋導流支板采用壁面冷卻措施后，排氣系統尾向0°～20°角度范圍內的紅外輻射顯著下降，尤其是5°以內的紅外輻射強度的降幅明顯；對20°以外大角度范圍的紅外輻射強度并無影響。在0°觀測方向上，支板壁面溫度平均降低100℃、200℃和300℃時，排氣系統的紅外輻射強度相比基準軸對稱排氣系統的降幅分別為17.14%、30.42%和40.46%。因此，支板壁面冷卻對排氣系統紅外輻射有很好的抑制效果。

（2）低發射率材料應用的紅外抑制效果

不同表面發射率狀態下全遮擋導流支板排氣系統與基準軸對稱排氣系統的紅外輻射強度對比結果如圖10 所示。全遮擋導流支板采用低發射率材料，對排氣系統尾向0°～ 20°角度范圍內的紅外輻射有一定抑制效果，5°以內的紅外抑制效果稍大一些，例如，在0°觀測方向上，支板表面發射率為0.7、0.5和0.3時，排氣系統的紅外輻射強度相比基準軸對稱排氣系統的降幅分別為5.47%、10.07%和14.66%。但總體而言，抑制效果不佳。

從圖11中可以發現，隨著表面發射率的減小，全遮擋導流支板各方向上的紅外輻射強度均呈下降趨勢，但降幅并沒有達到預想中的效果。理想情況下，根據斯忒藩-玻耳茲曼定律可大致估算表面發射率由0.9依次下降到0.7、0.5和0.3時，其對應的輻射降幅分別為22.22%、44.44%和66.67%，而此處的實際降幅僅為8.87%、16.67%和25.48%，遠達不到預期的輻射抑制效果。

為此，進一步分析產生此現象的原因，排氣系統腔體是一個極為復雜的輻射環境，處于其中的全遮擋導流支板所表征出的紅外輻射是自身輻射與反射輻射的綜合體現。圖12給出了不同表面發射率狀態下支板的自身輻射與反射輻射分布情況。可以發現，隨著表面發射率的減小，支板自身輻射逐漸降低，反射輻射逐漸增加。以0°方向上的計算結果為例，當表面發射率分別為0.7、0.5和0.3時，支板自身輻射強度值的降幅依次為22.86%、44.45%和66.90%，降幅與理論預期值相當，符合斯特藩-波爾茲曼定律；而支板反射輻射強度值的增幅依次為195.3%、388.8%和579.2%，即隨表面發射率的減小，反射輻射成倍增加。因此，綜合表現為有抑制作用，但效果不理想。由此可見，紅外隱身材料的使用效果不僅與被應用部件有關，還與該部件所處的輻射環境密切相關。

（3）綜合方案的紅外抑制效果

圖13所示為不同隱身方案下排氣系統的紅外輻射強度與基準軸對稱排氣系統的紅外輻射強度在水平探測面內的分布情況。圖13結果表明，僅采用支板壁面冷卻的隱身方案對排氣系統的紅外抑制效果最好，采用壁面冷卻與低發射率材料的綜合隱身方案的紅外抑制效果次之，僅采用低發射率材料的隱身方案的紅外抑制效果最差。

圖14給出了各隱身方案下支板的紅外輻射強度分布，對比case4與case8可以發現，支板壁面溫度降低300℃后，支板自身的輻射已經得到大幅降低，在此基礎上繼續降低支板表面發射率，會使得壁面的反射率升高，反射輻射增量遠超過自身輻射的降低，因此采用壁面冷卻與低發射率材料的綜合隱身方案的紅外抑制效果反而不及僅采用壁面冷卻隱身方案。

4 結論

本文設計了具有紅外隱身潛力的全遮擋導流支板，并通過數值仿真的方法分析了不同紅外隱身方案對排氣系統的紅外隱身效果，得到以下結論：

（1）設計的全遮擋導流支板成功抑制了末級渦輪紅外輻射貢獻，使得末級渦輪在排氣系統尾向各方向上的紅外輻射強度幾乎為0。

（2）壁面冷卻降溫是全遮擋導流支板最有效的紅外抑制措施，對排氣系統尾向0°～20°角度范圍內的紅外輻射有明顯抑制效果，尤其是5°以內的紅外輻射強度的降幅顯著；當支板壁面平均溫降達到300℃時，排氣系統0°方向的紅外輻射強度的降幅達40.46%。

（3）全遮擋導流支板處于具有復雜輻射環境特點的排氣系統腔體內部，其表征出的紅外輻射特征是自身輻射與反射輻射耦合效應，支板的紅外抑制方案設計思路應是在壁面冷卻降溫狀態下對表面發射率進行優化設計，發射率存在最優設計值。

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Study on Infrared Stealth Scheme of Fully Shielded Guiding Strut Inside Exhaust System

Wang Hao1， Xu Yuanpei1， Li Wei2， Huang Wei1

1. Yangzhou Collaborative Innovation Research Institute Co. Ltd.， Shenyang Aircraft Design and Research Institute Yangzhou 225002 ， China

2. AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute， Shenyang 110035， China

Abstract： The exhaust system of aircraft engines is the main source of infrared radiation in the tail direction of aircraft， and the suppression of infrared radiation of the exhaust system is the key to improving the level of aircraft infrared stealth. In order to solve the contradiction between the high infrared radiation signal and the difficulty of radiation suppression of the last stage turbine rotor， and achieve the breakthrough of infrared stealth level in the exhaust system of the aircraft engine， a concept structure of the fully shielded guiding strut behind the turbine is proposed. Through numerical simulation， the effect of the infrared stealth scheme of the fully shielded guiding strut on the infrared signal suppression of the exhaust system using active cooling and stealthy materials is analyzed. The results show that the infrared radiation contribution of the last stage turbine rotor is reduced to 0 by the fully shielded guiding strut. Wall cooling is the most effective infrared suppression measure for fully shielded guiding strut. And the maximum infrared radiation decrease is 40.46% when the average temperature drop is 300K. The optimal design of infrared suppression scheme for fully shielded guiding strut in a complex radiation environment is to optimize the surface emissivity design under the cooling condition of the wall.

Key Words： fully shielded guiding strut； infrared radiation； stealth scheme； simulation； exhaust system