火箭发动机尾焰辐射是飞行器的重要特征信息,其尾焰辐射通常包括紫外辐射和红外辐射,且紫外辐射和红外辐射也是最重要的成份。研究火箭发动机尾焰辐射机理、掌握火箭发动机尾焰辐射特性对于飞行器隐身性能研究、紫外告警系统设计、红外告警系统设计或其他的相关探测、识别、跟踪系统研究以及火箭发动机配方改进等均具有重要意义。本文旨在建立火箭发动机尾焰多波段辐射特性模型。尾焰多波段辐射特性模型包括尾焰紫外辐射特性和红外辐射特性,通过在发射、吸收和散射等过程中同时考虑紫外辐射和红外辐射,将二者统一起来同时求解。统一模型包括三个部分,一是尾焰流场模型,二是辐射特性参数计算模型,三是辐射传输求解模型。尾焰流场的流动属于高雷诺数可压缩湍流。对于可压缩流动,须求解能量方程;对于湍流流动,考虑湍流对流动的影响,使用Realizable k-ε模型模拟湍流运动。经由喷管喷出的尾焰中,包含的可燃性物质与大气中的氧气发生化学反应,产生二次燃烧。本文使用有限速率化学反应模型模拟了尾焰的二次燃烧现象,分别使用9组分-10反应H₂/CO氧化反应机制和6组分-7反应H₂/O₂氧化反应机制,模拟了不同推进剂发动机尾焰中的化学反应过程,使用刚性化学反应求解器提高流场计算的稳定性。辐射特性参数计算包括紫外辐射特性参数计算和红外辐射特性参数计算。紫外辐射特性参数综合考虑了热发射、CO+O化学发光和OH自由基化学发光。其中,热发射计算使用了普朗克公式,CO+O化学发光计算使用了经验公式。针对OH自由基化学发光,本文建立了改进的局部平衡法,不仅考虑激发反应,还加入了碰撞退激发反应、预离解反应、辐射退激发反应和复合反应,使激发态OH自由基数密度的计算更加精确,最后利用HITEMP-2010数据库计算了OH自由基化学发光强度。同时,针对红外辐射特性研究了气体辐射特性参数计算的几种常用模型,包括逐线积分法、灰气体加权和模型、基于光谱线的灰气体加权和模型、k分布模型、全光谱k分布模型等,综合考虑计算精确度和计算时间,采用基于光谱线的灰气体加权和模型计算了尾焰的红外辐射特性参数。在流场计算和辐射特性参数计算的基础上,本文采用求解蒙特卡洛法辐射传输问题。在建立基于蒙特卡洛法的尾焰多波段辐射特性模型中,将基于Fluent软件得到的流场结果进行网格预处理,使之符合蒙特卡洛法的计算结构。同时,考虑光子的发射、吸收和散射的影响,将光子波长、光子发射方向、光子发射位置、散射、透射等过程看作随机过程,建立这些过程的随机函数,追踪每个光子的传播过程和最终归宿,最后统计成像面上光子光谱和能量分布,得到火箭发动机尾焰光谱辐射强度分布和辐射强度空间分布。本文对比了计算仿真结果和试验结果,证明本文建立的火箭发动机尾焰多波段辐射特性模型可靠有效。本文还针对某型无人机及其发动机尾焰的红外辐射特性,开展了地面台架开车测试试验研究,得到了无人机及其发动机在不同观测角度下2-15μm波段光谱辐射分布、长波红外辐亮度空间分布、中波红外辐亮度空间分布和短波红外辐亮度空间分布。试验方法和试验结果数据为无人机隐身性能研究提供参考,对于红外告警系统的研制具有重要参考意义。紫外告警系统和红外告警系统已研究发展多年,红外告警、紫外告警到双色告警技术发展沿革构成了几十年来导弹告警发展的路线图,先进的探测器阵列和处理技术更促使越来越多的小型传感器在飞行器上应用,具有导弹告警、态势感知、辅助导航等多功能一体化的趋势。作为相关系统研究与研制的前提,本文建立的火箭发动机尾焰多波段辐射特性模型具有广阔的应用前景,可为综合告警能力的进一步提高提供理论依据和决策支持。