● 摘要
本文主要分析了层流控制方法对飞行器气动加热的抑制，并对采用层流控制前后飞行器红外辐射特性的变化进行了评估。采用了间歇因子转捩模型模拟层流控制抑制气动加热的效果，使用自主编程的反向蒙特卡罗法(RMC)计算飞行器的红外辐射特性。
红外辐射特性计算是本文的基础之一，针对飞行器外表面红外辐射，以反向蒙特卡罗法为基础，编写了自主开发的红外辐射计算软件AeroIR。其中，随机数产生使用了Mersenne Twister方法，使得探测过程中的光线随机性更好，使用更少的计算资源得到更精确的结果。针对RMC计算量大的问题，采用了包围盒加速算法，通过比较发现包围盒方法在同样发射光线数目下，精度远远高于普通算法。对RMC程序进行了平板，方块，圆柱，球体等标准模型的红外辐射强度验证，精度可以达到1%，完全可以满足计算要求。
以RMC计算程序为基础，再次考虑了飞行器在实际环境中受到的多种影响因素，建立了太阳辐射、大气辐射、地面/海洋辐射模型，模拟飞行器反射环境辐射。并且建立了大气衰减模型，模拟飞行器辐射信号在大气中的传输。通过整合的复杂环境下红外计算程序，在对太阳，大气，地面的辐射计算验证中误差可以达到1%以下。
为了真实模拟飞行器的外表面辐射特性，本文采用了双向反射分布函数(BRDF)来描述真实材料的反射特性。不仅采用了已有双向反射分布函数模型来计算，还通过引入波长的影响，以光学粗糙度的概念提出了新的双向反射分布函数模型(Opt BRDF)。光学粗糙度双向反射分布函数模型可以模拟真实材料发射率随空间、随波长变化，有效的拟合铜，铝，银三种金属材料的发射率随波长变化。
在飞行器气动加热模拟方面，采用了剪切输运k-ω湍流模型模拟亚音速、超音速导弹和F-22飞机的流场。并针对三种典型飞行器，分析了其红外辐射特性的空间分布。超音速布拉莫斯导弹红外辐射强度在1000W/Sr(3~5μm)和2000W/Sr(8~14μm)量级，导弹反射的环境辐射影响很小。亚音速战斧导弹红外辐射强度在10W/Sr(3~5μm)和200W/Sr (8~14μm)量级，环境辐射对亚音速飞行器红外辐射信号影响较大，在发射率为0.3时，反射的环境辐射约占总辐射强度的一半。F-22由于自身可探测面积大，在低速飞行时(Ma=0.5)，飞行器自身辐射和反射的环境辐射分别占据了总辐射一半的数值，在高速飞行时(Ma=1.6)，气动加热使得表面温度升高，自身辐射占主要地位，反射的环境辐射约占总辐射值的25%。
最后采用了层流控制措施来抑制飞行器气动加热。采用间歇因子转捩模型模拟层流控制，在实验翼型基础上模拟了层流控制措施对气动加热和红外辐射的抑制作用。将层流控制措施应用到战斧导弹来降低气动热的影响，在Ma=0.8的飞行状态下，导弹机翼和垂直尾翼分别有5K左右的温度降低，同时降低总体红外辐射强度约4.4%(3~5μm)和2.88%(8~14μm)。同时配合冷却措施，在2000W/m2的冷却热流密度下，战斧导弹机翼表面温度降幅可以达到15K左右，导弹机翼红外辐射强度降幅最大为31%(3~5μm)和14.9%(8~14μm)。层流控制和冷却可以有效的抑制飞行器气动加热，并降低飞行器红外辐射信号。