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挡板构型对直升机红外抑制器气动与红外辐射特性影响研究.docx
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挡板构型对直升机红外抑制器气动与红外辐射特性影响研究.docx
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0. 引 言
武装直升机的红外辐射发射源主要包括直升机机身蒙皮、尾喷管、排气尾焰以及其他
高温部件
[1-2]
。其中直升机机身蒙皮的红外辐射主要集中在 8~14 μm 波段,包括其自身辐射
及其对背景、大气等其他辐射源的反射;尾喷管、排气尾焰及相关高温部件的红外辐射主
要集中在 3~5 μm 波段
[3]
。目前针对直升机排气系统的红外抑制方法主要有:(1) 利用主流
热气动能引射环境冷气,以降低壁面和排气温度
[4]
;(2) 将引射混合管设计为弯曲构型,以
实现对腔体中高温部件的遮挡
[5]
。随着发动机功重比的提高,发动机排气温度有较大的提
升,涡轴发动机排气系统的红外抑制器设计面临更大的挑战
[6]
。
遮挡措施旨在部分或完全遮挡直升机排气系统内部高温部件,进而缩减红外探测器对
高温部件的探测视角,提高直升机整机的红外隐身能力
[7-10]
。Baranwal 等
[11]
通过缩小节流收
缩喷管出口面积遮挡内部高温部件,在较低的压力损失下,喷管红外辐射强度大幅下降。
Sully 等
[12]
对弯曲二元喷管进行研究,通过增加弯曲二元喷管的周长和截面积比例,降低了
机身的红外辐射特征。单勇等
[13]
对波瓣喷管/气膜冷却混合管组合式红外抑制器结构形式进
行了研究,该红外抑制器在混合管壁面开设多个狭缝,在混合管内壁面产生气膜,有效地
冷却混合管壁面,同时利用弯曲混合管遮挡了内部高温部件,降低了直升机后方的红外辐
射强度。王浩等
[14]
对带气膜冷却的全遮挡导流支板对排气系统红外特性的影响进行了研
究,全遮挡导流支板对涡轮高温壁面进行遮挡,降低了各角域内的红外辐射强度。蒋坤宏
等
[15]
对一体化红外抑制器遮挡对后机身表面温度和红外辐射特性的影响展开研究,结果表
明遮挡结构可有效降低水平探测面以及铅锤面上方 3~5 μm 波段和 8~14 μm 波段红外辐射
强度峰值。Yi 等
[16]
对遮挡板、喷管与机匣内部的流场进行数值模拟,分析不同遮挡板长度
对机身蒙皮温度与红外辐射特征的影响。
以上研究表明,遮挡技术广泛应用于红外隐身,当遮挡物位于发动机热排气中,其技
术的关键在于控制遮挡物表面的温度。在直升机排气系统中,较理想的遮挡往往与引射技
术相结合,如在挡板表面设置狭缝结构与孔结构来引射环境冷气,从而降低其可视表面的
温度。
文中以一种基本的引射式红外抑制器结构为基础设计了五种弓形挡板构型,利用弓形
挡板将引射式红外抑制器内部高温部件的可视面积降低到一个较小的范围内。弓形挡板用
于遮挡高温部件,同时在其表面开设狭缝,利用排气主流引射外界环境冷气,降低弓形挡
板表面温度。通过对比分析不同弓形挡板构型对红外抑制器内部流场、温度场与红外辐射
强度的影响,探讨遮挡效果优、气动损失小的抑制器新构型。
1. 红外抑制器物理模型
红外抑制器物理模型如图 1(a)所示,包括二元引射喷管、二元混合管、分流引射器等
部件。二元引射喷管和二元混合管构成引射器主体,二元引射喷管入口的宽边窄边之比为
6.7∶1,涡轴发动机涡轮后排气进入二元引射喷管,利用其自身动量及其气体粘性抽吸外
界环境冷气,引射冷气通过二元引射喷管入口处间距为 18 mm 的引射夹层进入二元混合
管。如图 1(b)所示,增加隔板可以阻止主流向喷管窄边两侧流动,从而消除喷管窄边出口
附近的高压区,提高喷管的引射能力。
图 1 红外抑制器示意图
Fig. 1 Schematic diagram of infrared suppressor
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分流引射器结构如图 2 所示,图 2(a)为分流引射器二维结构示意图,其相对位置如图
1(a)所示,二元混合管在其宽边侧沿流动方向呈现面积扩张,扩张角为 α;而后是一段保持
面积不变的直段,长度为 S;在二元混合管出口处,宽边长度不变,窄边长度为 L。分流
引射器位于二元混合管扩张段,沿二元混合管宽边向两端延伸,与二元混合管窄边端面齐
平,且两端直通大气。分流引射器包括两个对称的翼形挡板和一个弓形挡板,弓形挡板包
括内外两层壁面,其中直接正对高温来流的内侧壁面称为热端,另一外侧壁面称为冷端。
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图 2 分流引射器示意图
Fig. 2 Schematic diagram of separate flow ejector
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高温排气和引射气流左右对称通过分流引射器,部分热气和引射气流流过翼形挡板和
二元混合管扩张段之间的通道;另一部分高温排气流过翼形挡板和弓形挡板之间的通道,
在加速流动过程中形成混合管内部和外界环境的压差,将外界环境冷气引射到分流引射器
内部,并从其侧面的狭缝流入混合管内部,在降低分流引射器表面温度的同时,可以降低
热排气温度。如图 2(c)所示,从抑制器的尾向观察,弓形挡板冷端将二元引射喷管入口及
其内腔全部遮挡。分流引射器结构参数示意图如图 3 所示,分流引射器与二元混合管的具
体尺寸如表 1 所示。
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