本文基于高超聲速飛行器尾焰紫外探測(cè)的應(yīng)用需求,研究了高超聲速飛行器尾焰的物理特性,分析了尾焰中不同紫外輻射源函數(shù)的輻射機(jī)理,將計(jì)算大氣輻射特性的球諧離散坐標(biāo)法引入到尾焰紫外輻射傳輸方程的求解過程,討論了不同紫外輻射源函數(shù)對(duì)尾焰紫外輻射特性的影響。論文的主要研究工作包括:1.將服從正態(tài)分布的基本粒子半徑引入DLA算法,建立了尾焰中氧化鋁簇團(tuán)粒子模型;基于多球T矩陣算法,研究了氧化鋁簇團(tuán)粒子相態(tài)、分形維數(shù)及基本粒子數(shù)目對(duì)單個(gè)氧化鋁簇團(tuán)粒子散射相函數(shù)、線偏振特性及非球形性的影響,并與等體球、等面球及基本粒子半徑相等的簇團(tuán)粒子的散射特性進(jìn)行了比較;將分別采用多球T矩陣算法和CST軟件計(jì)算的氧化鋁簇團(tuán)粒子的散射特性進(jìn)行了對(duì)比,兩者計(jì)算結(jié)果吻合較好。2.給出了一種計(jì)算尾焰中氧化鋁簇團(tuán)粒子統(tǒng)計(jì)平均光學(xué)特性的算法;研究了基本粒子數(shù)目和探測(cè)波長(zhǎng)對(duì)氧化鋁簇團(tuán)粒子統(tǒng)計(jì)平均散射相函數(shù)、不對(duì)稱因子、單次反照率、消光效率因子、吸收效率因子及散射效率因子的影響;分析了基本粒子半徑服從不同分布的氧化鋁簇團(tuán)粒子的統(tǒng)計(jì)平均光學(xué)特性;對(duì)比了不同氧化鋁粒子模型對(duì)其統(tǒng)計(jì)平均光學(xué)特性的影響。3.根據(jù)黑體輻射理論,計(jì)算了尾焰中不同氧化鋁粒子模型在紫外波段粒子熱輻射的輻射亮度;采用“碰撞-輻射”模型研究了尾焰中OH和NO氣體分子能級(jí)數(shù)密度的求解算法,根據(jù)紫外波段的各氣體分子對(duì)應(yīng)的譜線強(qiáng)度、線型函數(shù)、能級(jí)數(shù)密度和普朗克函數(shù),計(jì)算了氣體分子化學(xué)熒光輻射的光譜發(fā)射系數(shù),將仿真模擬的OH氣體分子化學(xué)熒光輻射的光譜發(fā)射系數(shù)與文獻(xiàn)中Atlas飛行器尾焰數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,兩者結(jié)果吻合較好。4.擴(kuò)展了球諧離散坐標(biāo)法中的輻射源函數(shù),引入了氧化鋁簇團(tuán)粒子熱輻射源函數(shù)、OH和NO氣體分子化學(xué)熒光輻射源函數(shù)及氧化鋁簇團(tuán)粒子的內(nèi)散射源函數(shù),將計(jì)算大氣輻射特性的球諧離散坐標(biāo)法引入到尾焰紫外輻射傳輸方程的求解過程;采用球諧離散坐標(biāo)法計(jì)算了尾焰紫外輻射亮度,并與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,兩者結(jié)果吻合較好;討論了尾焰中各輻射源函數(shù)對(duì)其紫外輻射特性的影響。5.建立了高超聲速飛行器固體火箭推進(jìn)劑和液體燃料推進(jìn)劑尾焰的紫外輻射模型,并基于球諧離散坐標(biāo)法研究了多種情況下尾焰的紫外輻射特性。在固體火箭推進(jìn)段,尾焰的紫外輻射源主要為氧化鋁簇團(tuán)粒子熱輻射、OH和NO氣體分子的化學(xué)熒光輻射及由氧化鋁簇團(tuán)粒子散射所引起的輻射,分析了飛行高度、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、探測(cè)波段、考慮復(fù)燃和不考慮復(fù)燃情況下高超聲速飛行器尾焰的紫外輻射特性;在液體燃料推進(jìn)段,尾焰的紫外輻射源主要為OH氣體分子的化學(xué)熒光輻射,主要研究了飛行速度、攻角及飛行高度對(duì)高超聲速飛行器尾焰紫外輻射特性的影響。
【學(xué)位單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：V219;V419
【部分圖文】：

西安電子科技大學(xué)博士學(xué)位論文中氧化鋁簇團(tuán)粒子的物理特性尾焰中氧化鋁簇團(tuán)粒子的相態(tài)箭推進(jìn)段的高超聲速飛行器尾焰的最高溫度一般在 3000K 以上為 2310K，結(jié)晶溫度為 2273K。因此，尾焰中的氧化鋁粒子呈現(xiàn)象。Dill 等[57]指出在火箭發(fā)動(dòng)機(jī)羽煙中存在 alpha 相和 g并給出了三種不同型號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)中各相態(tài)氧化鋁粒子數(shù)占總粒子 等[64]對(duì)氧化鋁粒子的相變過程進(jìn)行了深入的研究，詳細(xì)闡述了

圖 2.3 飛行器尾焰中氧化鋁簇團(tuán)粒子的電鏡掃描照片[106]。一步求解尾焰中氧化鋁簇團(tuán)粒子的散射特性，我們將基于上特性對(duì)其進(jìn)行建模。中氧化鋁簇團(tuán)粒子建模子建模的兩個(gè)常用模型分別是擴(kuò)散限制凝聚模型（DLA）[107]08]。DLA 模型常假設(shè)一個(gè)中心凝聚點(diǎn)，其他基本粒子逐個(gè)向這則是令所有的基本粒子同時(shí)進(jìn)入一個(gè)空間區(qū)域并進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)凝聚成團(tuán)并進(jìn)一步與其他基本粒子或簇團(tuán)凝聚，直到所有的個(gè)簇團(tuán)。當(dāng)基本粒子數(shù)較小時(shí)，兩種模型的建模精度沒有太要采用 DLA 方法對(duì)尾焰中的氧化鋁簇團(tuán)粒子進(jìn)行建模。 DLA 算法主要用于生成基本粒子半徑相等的簇團(tuán)[109]，而根據(jù)氧化鋁簇團(tuán)粒子的基本粒子半徑r 服從均值gr為 100nm、標(biāo)

焰中主要的紫外輻射源超聲速飛行器在發(fā)射階段是由固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力。燃料的推進(jìn)效率，在固體火箭推進(jìn)劑中常會(huì)添加鋁粉等輕金屬，而超燃沖壓要以液氫、碳?xì)淙剂蟍118]為主。含鋁粉的固體燃料在燃燒時(shí)會(huì)生產(chǎn)大量的氧化而液氫和碳?xì)涞纫后w燃料的燃燒產(chǎn)物中含有大量的氣體分子。另外，飛行器含有大量的未充分燃燒的燃料，其中含有氧、氫、碳及氮等分子。行器尾焰中的高溫氧化鋁粒子會(huì)呈現(xiàn)黑體輻射特性，將向外進(jìn)行紫外輻射。溫粒子熱輻射是尾焰中的紫外輻射源之一。而高超聲速飛行器尾焰中的氣體于熱化學(xué)非平衡態(tài)，多組分氣體之間碰撞后將發(fā)生內(nèi)能級(jí)激發(fā)、電離、離解等一系列復(fù)雜的物理化學(xué)過程，在此期間會(huì)向外進(jìn)行紫外輻射。這一過程稱子的化學(xué)熒光輻射，是尾焰中重要的紫外輻射源。根據(jù)圖 4.1，我們可知，外探測(cè)器的響應(yīng)峰值波段（245nm、280nm 和 310nm），尾焰中向外進(jìn)行紫外要?dú)怏w分子是 OH 和 NO。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2811902