袁琳慧, 王瑜, 孙笑一
南京工业大学 城市建设学院，南京 211816
引用本文：袁琳慧, 王瑜, 孙笑一. 高速飞行器紫外辐射特性研究进展[J]. 空气动力学学报, 2024, 42(10): 1−18.
一、研究背景
马赫数≥10、飞行高度≥20 km的高速飞行器，是当前航空领域的热点话题。在其飞行进程中，气流受到强烈的扰动和摩擦作用，流场中气体的温度高于飞行器头部的温度，一部分热能迅速向头部表面传递，从而导致温度增加，产生气动加热现象，形成高温高速激波层流场。流场内的复杂物理化学反应导致气体组分和能量分布发生显著变化，处于非平衡状态，并产生不同波段的辐射光谱线。高速飞行器的辐射波段范围涉及紫外、可见光和红外等区域。随着热红外伪装隐身技术的发展，激波层红外可探测性的降低，而紫外探测具有高精度、高灵敏度、高稳定性和强隐蔽性等多种优点逐渐受到重视。然而，目前对于激波层辐射特性的研究主要集中在低空连续流域，而且大多数的研究都侧重于红外辐射，高空稀薄流域的紫外辐射特性的研究仍十分缺乏。因此，对高速飞行器的紫外辐射特性进行深入研究，将为其探测、预警和防御提供重要的理论支撑和实践指导。
二、紫外辐射机理与计算方法
高速飞行器的紫外辐射产生机理非常复杂，需要综合考虑分子的辐射跃迁机制、热化学非平衡态数密度分布和气体分子电子跃迁吸收系数等因素。在实际计算中，需要采用适当的数值方法和模型来对这些因素进行建模和求解。首先需要模拟高速飞行器周围的流场数据，包括温度、压强、组分等；其次需要根据流场数据计算辐射传输方程中的参数，研究NO碰撞–辐射模型和OH的碰撞–辐射模型；最后还需根据激波层及尾迹流场紫外区辐射机制，求解辐射传输方程，得到高速飞行器的紫外辐射特性。
三、碰撞–辐射模型研究
飞行器以高速在大气层内飞行时，空气中的N2和O2等气体分子随着速度的提高和高度的上升逐渐离解，系统的平衡状态会被逐渐打破，逐渐偏离并最终进入化学和局部热力学非平衡状态。此时，不同粒子之间的相互作用力发生变化，可能会发生激发/退激发化学反应，这些反应通常需要能量的输入或释放能量，从而改变激发态粒子能级分布。在无法用温度简单描述热化学非平衡态分子能级分布情况下，目前主要采用碰撞–辐射模型计算能级分布。碰撞–辐射模型可以用来描述高速飞行器飞行过程中的化学反应，是构建高速飞行器激波层紫外辐射模型的基础。通过对碰撞–辐射模型的研究和应用，考虑热化学非平衡态效应的影响，可以更准确地预测和控制这些反应过程的动态行为和结果。在计算特定激发态能级的粒子数密度时，除了需要考虑基本的化学反应，还应综合考虑该激发态能级粒子的产生和消耗速率。
四、高速飞行器紫外光谱辐射特性
紫外辐射的非热性使得建立相关模型和理论较为困难，因此国内外的学者主要关注于紫外探测器件和紫外系统设计方面的研究，而针对紫外辐射的传输特性方面的研究相对滞后，实际测量的紫外光谱辐射数据也较少。目前，主要的研究方法是对高速飞行器进行几何建模，并通过求解辐射传输方程进行计算。下一步可以考虑飞行器在不同飞行阶段下全流场的动态变化，包括激波层、绕流场及尾焰流场的物理特性的变化。
图 2 0.2～0.4 µm波段正侧向（a）、迎头向（b）紫外辐射强度分布
高速飞行器紫外辐射研究领域已经开展了大量的基础计算和模拟工作，但一直缺乏验证数据。利用实验手段，获取和分析高速实验数据可以更好地理解和模拟飞行器周围复杂的流场现象，有利于深入了解基本流场物理现象的规律和机理。此外，实验验证也是提高仿真精度的关键所在，通过对比实验数据和仿真结果，可以更加深入地了解模型的优缺点，并对其进行改进和优化。但是部分实验数据也存在不准确的问题，这给模型的验证和应用带来了困难。因此，需要更加深入地研究和理解流动和辐射机制，提高探测器和飞行实验技术。
图 3 EAST设施中获得的样本数据集
五、未来研究展望
综合分析表明，高速紫外辐射的研究已经具备一定基础，但与目标特性探测应用和高速飞行器热防护系统优化设计的迫切需求相比，仍存在一定距离。基于上述关键问题，高速飞行器紫外辐射特性的后续研究方向和重点可归纳为：
1） 构建高速飞行器激波层后气体辐射模型。研发针对电子能级跃迁、转动/振动能级转换形成的间断谱、连续谱辐射模型的计算方法。同时，发展微观层面的光子追踪技术和灰度介质吸收模型，以实现对激波层辐射产生、传播和介质吸收的一体化计算。同时，揭示激波波后气体辐射对高速飞行器气动加热的影响规律，为临近空间高速飞行器防热系统优化设计提供技术支撑。
2） 发展先进的紫外辐射测试技术。目前国内对于激波层紫外辐射特性的研究主要集中在辐射理论计算模型，对于地面和飞行实验研究的文献在可查范围内相对较少。主要存在两个技术难题：首先，辐射信号微弱，难以准确检测；其次，200 nm以下的紫外辐射测试技术难度极大，而我国紫外探测器种类少，探测精度较低，紫外波段成像设备与国外差距较大。因此，为推动紫外辐射技术的进一步发展，必须要解决紫外辐射信号的有效识别、紫外辐射测量的准确性和测试设备的精度等技术难题。
3） 拓展应用于高温流场的非平衡诊断技术，为高速流动气体效应研究提供强技术支持。当前，高温条件下流场诊断手段的不足，使得组分数密度、非平衡温度、流场速度等难以准确获取。随着激波层气体辐射理论及紫外先进技术的成熟发展，可以依据光强、分支谱线强度等信息，得出给定组分分子数密度、转动/振动非平衡温度等基础数据，最终应用于高速流动的稀薄气体效应、热力学非平衡效应、化学非平衡效应等相关基础研究。
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