飞机尾流的微结构特征及散射特性研究

论文摘要

飞机尾流是飞机飞行时产生的特有流体力学特征,其具有强烈、稳定、持续时间长、空间尺度大等特点。飞机尾流会对航空飞行安全尤其是机场起降安全产生重大影响,是制约机场吞吐量的重要因素。与周围大气相比,飞机尾流具有更强的雷达可探测性,研究飞机尾流的雷达散射特性和探测技术具有重要的应用价值。从航空安全的角度看,研究尾流的实时探测和预报技术不仅能够提高民用机场的运力,还对应急条件下空军、海军航空兵和舰载飞机的快速起降具有重要意义。另外,随着隐身技术的进步,基于尾流探测的反隐身技术有望超过直接探测与识别隐身飞机本体。论文以飞机尾流的雷达探测为研究背景,系统深入地研究了飞机尾流的微结构空间分布特性和演化特性、飞机尾流的电磁散射模型、飞机尾流的RCS特性、侧向风对飞机尾流微结构及RCS特性的影响以及飞机尾流回波的多普勒特性。具体研究内容主要包括以下几个方面:第一个方面,研究了飞机尾流的微结构特征及其分布特性。针对飞机尾流的运动演化规律,将流体N-S运动方程简化为对流扩散方程,以模拟尾流中水蒸气混合率、位温等保守被动量的演化特性。结合尾流的空气动力学特征,采用局部网格细化技术和周期边界条件,利用迎风格式的有限差分方法实现了尾流微结构分布特性的模拟,并开发了尾流仿真系统软件（WVSS）,利用该软件对尾流进行实时仿真可得到不同时刻尾流微结构的分布特性。修正和完善了以往基本尾流保守被动量仿真的尾流微结构的快速建模方法,能获得更准确描述外推飞机尾流的微结构的分布特性,并指出扩散系数改变对尾流微结构的分布特性的影响不大。第二个方面,研究了飞机尾流的电磁散射机理与RCS特性。在总结不同尾流散射特性方法的优缺点后,从Maxwell方程出发,利用单次散射理论,提出了一种Fraunhoffer近似和Born近似条件下的尾流散射截面的计算公式,与相关文献中提出的散射截面计算公式相比,物理意义更加明确,计算精度更高。在实现尾流内水蒸气混合率、位温等微结构特征的分布特性建模的基础上,提出了一种“折射系数起伏”的尾流电磁散射模型,获得了尾流的介电常数分布和演化特性。计算得到了飞机尾流的RCS的频率特性和方向图,在此基础上提出了尾流探测雷达的最优布站策略。第三个方面,研究了侧向风速大小对尾流的运动和尾流RCS特性的影响。利用有限差分方法,实现了不同风速条件下尾流稳定段微结构特征的空间分布特性和演化过程模拟,得到了尾流不同时刻的微结构分布特性。同时,分析了侧向风速大小对尾流RCS特性的影响,结果表明,在90度观测方向时侧向风速大小对尾流的RCS没有大的影响,而在0度观测方向侧向风速对尾流的RCS有很大的影响,在0度方向上侧向风速越强尾流的RCS越小。最后,研究了飞机尾流的时变多普勒特性。基于尾流微结构的分布特性,对无侧风和有侧风条件下尾流雷达回波的多普勒特性进行了详细分析,在无风情况下,其回波的多普勒速度在垂直方向与尾流的飘降速度相同,在水平方向上的多普勒速度为零,其它方向上的多普勒速度也正好满足尾流飘降速度的矢量分解,在有侧风情况下,水平方向上的多普勒速度与侧向风速相同,这一结果很好的反映了尾流的层流运动特征,对尾流的雷达信号处理技术和尾流的雷达特征提取与流体力学特性参数反演等提供了理论基础。本文的研究成果对于反隐身及航空安全与机场调度中的飞机尾流雷达探测具有重要意义,已在武器装备探索研究项目“基于飞机尾流探测的XXX”中得到应用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 尾流的国内外研究现状
• 1.2.1 尾流的流体力学特性研究
• 1.2.2 尾流的电磁散射特性研究
• 1.2.3 尾流的雷达探测实验
• 1.3 本文的主要工作
• 第二章 尾流的微结构特征研究
• 2.1 引言
• 2.2 尾流运动的一般特性
• 2.2.1 尾流卷起前的分层大气环境
• 2.2.2 尾流卷起后的层流运动
• 2.2.3 尾流卷起后具有稳定的涡环量
• 2.3 对流扩散方程
• 2.4 有限差分方法
• 2.4.1 差分格式
• 2.4.2 局部网格细化技术
• 2.4.3 周期性边界条件
• 2.5 尾流的主要特征及分布特性
• 2.5.1 尾流的主要流体特征
• 2.5.2 尾流的旋转速度模型
• 2.5.3 飘降速度
• 2.5.4 尾流微结构的分布特性
• 2.6 尾流微结构的快速建模
• 2.6.1 快速建模方法
• 2.6.2 仿真结果
• 2.6.3 扩散系数的影响
• 2.7 本章小结
• 第三章 尾流的散射机理与RCS 特性研究
• 3.1 引言
• 3.2 常用的尾流电磁散射模型
• 3.2.1 终端区域仿真模型
• 3.2.2 尾流保守被动仿真模型
• 3.2.3 径向密度梯度模型
• 3.2.4 绝热传输模型
• 3.3 尾流中电磁波的散射
• 3.3.1 Fraunhoffer 近似
• 3.3.2 Born 近似
• 3.3.3 雷达散射截面积
• 3.4 尾流的折射系数起伏模型
• 3.4.1 尾流中折射率的微结构
• 3.4.2 介电常数分布特性
• 3.4.3 保守被动量与RCS 的关系
• 3.5 尾流RCS 的频域、时域特性
• 3.5.1 尾流RCS 的频域特性
• 3.5.2 尾流RCS 的时域特性
• 3.5.3 尾流RCS 的外推算法分析
• 3.6 数值结果对比验证与数值误差分析
• 3.6.1 晴空状态下飞机尾流的雷达散射截面分析
• 3.6.2 数值结果对比与误差分析
• 3.7 尾流单、双站RCS 方向图特性
• 3.7.1 单站RCS 方向图
• 3.7.2 双站RCS 方向图
• 3.7.3 最优雷达布站方案
• 3.8 本章小结
• 第四章 侧风环境中尾流的RCS 特性研究
• 4.1 引言
• 4.2 侧向风速对尾流运动的影响
• 4.2.1 侧风影响下尾流的运动模型
• 4.2.2 仿真结果与分析
• 4.2.3 统计数据分析与验证
• 4.3 不同侧风环境中尾流的RCS 特性
• 4.3.1 侧向风速为2 米/秒时尾流的RCS 特性
• 4.3.2 侧向风速为5 米/秒时尾流的RCS 特性
• 4.3.3 数值结果分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 尾流回波的多普勒特性研究
• 5.1 引言
• 5.2 多普勒处理技术
• 5.3 尾流回波的多普勒谱
• 5.3.1 垂直入射时尾流回波的多普勒谱
• 5.3.2 水平入射时尾流回波的多普勒谱
• 5.3.3 任一入射角入射时尾流回波的多普勒谱
• 5.3.4 侧风环境中尾流回波的多普勒谱
• 5.3.5 仿真结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文的主要工作和创新点
• 6.2 进一步工作的研究方向
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学位期间取得的学术成果
• 附录 尾流速度模型