Many infrared signature is emitted from aircraft. The infrared signature can be detected by IR detector and it threaten the combat survivability of aircraft such as combat and UAV. In particular, exhaust plume from the rear of aircraft makes the strongest infrared signature, so it is needed to predict and analyze the signature. Infrared signature is related with radiation phenomenon because it is a part of radiative intensity in infrared spectral region. In this study, infrared signature from exhaust plume of aircraft is studied from the viewpoint of IR detector.
In this study, radiative property modeling was performed first to study aircraft exhaust plume IR signature. Radiative property such as absorption coefficient, emissivity and transmissivity has different values depending on temperature, pressure and mole fraction of gas composition. The Line-by-line modeling which is known as the most accurate method for calculating radiative property was used with HITEMP-2010 radiation database. Radiative property modeling was conducted about $CO_2$, $H_2O$ and CO. The radiative intensity for 1-D line of sight was calculated by solving radiative transfer equation with layered integration method. The reliability and suitability of modeling in this study was evaluated by comparing with result from other researchers.
The verified program is applied to the numerical thermo-fluid field of plume and the IR signature prediction of specific plume is conducted. The thermo-fluid field of plume is conducted by ANSYS FLUENT and the 1-D line of sight is set on the thermo-fluid field. Based on the viewpoint of IR detector, the analysis was performed, depending on detector degree, detector distance, atmosphere condition and flight condition. From this study, some facts is founded. The IR signature don’t increase unconditionally as the direction of detector is heading to exit of nozzle, because the locally high temperature region is in existence. The strongest IR signature is founded for the LOS including the high temperature nozzle surface. As the detection distance increase and the atmosphere contains some $H_2O$, the signature decrease. The different flight condition makes the plume numerical thermo-fluid field change, so the different IR signature is confirmed at the same detector position and line of sight.
항공기에서는 다양한 적외선 신호들이 방사되며, 이 방사된 적외선 신호는 적외선 탐지기에 의해 탐지되어 전투기, UAV와 같은 전술 항공기의 전투 생존성을 위협하는 요인이 되고 있다. 특히 항공기 후방부의 배기 플룸에서 가장 강한 적외선 신호가 방사되어, 이에 대한 예측과 분석이 필요하다. 적외선 신호는 복사 신호에서 적외선 영역에 해당하는 신호로 복사 현상과 매우 큰 관련이 있다. 본 연구에서는 항공기 배기 플룸에서 방사되는 적외선 신호를 적외선 탐지기 관점에서 해석하였다.
복사 현상을 해석하기 위해서 먼저 복사 물성치에 대한 해석이 우선되어야 한다. 흡수 계수, 방사율, 투과율과 같은 복사 물성치는 온도, 압력, 기체 성분의 몰분율에 따라 고유한 값을 갖는다. 가장 정확한 복사 물성치 해석 기법인 Line-by-line 기법과 복사 데이터베이스 HITEMP-2012를 활용하여 복사 물성치 해석을 수행하였다. 복사 물성치 모델링은 이산화탄소, 수증기, 일산화탄소에 대해서 수행되었다. 1차원 line of sight에 대한 복사 신호 layered integration 기법을 통해 복사 전달 방정식을 해법하여 해석하였다. 해석 결과의 대부분은 선행 연구자들의 연구 결과와 비교하여 모델링을 검증하였다.
검증된 프로그램을 플룸 열유동장에 적용하여 플룸의 적외선 신호를 예측하였다. 배기 플룸 유동장은 상용 프로그램 ANSYS FLUENT를 이용하여 해석하였고, 플룸 유동장에 1차원 line of sight를 설정하여, 적외선 탐지기 관점에서 적외선 탐지의 탐지 각도, 탐지 거리, 대기 조건, 비행 조건에 대해 적외선 신호를 예측하고 분석하였다. 플룸 내부의 국부적으로 온도가 높은 영역이 존재하기 때문에 탐지 각도가 노즐 출구를 향할수록 무조건적으로 적외선 신호가 증가하지 않았으며, 고온의 노즐 표면을 포함하는 line of sight에서 매우 강한 적외선 신호가 확인되었다. 탐지 거리가 증가할수록 플룸과 탐지기 사이의 대기에 의한 적외선 신호 흡수로 인해 신호가 감소하였으며, 대기에 수증기가 존재할 때도 적외선 신호가 감소하였다. 마지막으로 비행 조건에 따라서 플룸 유동장의 변화로 인해 동일한 탐지기 위치와 line of sight에 대해서도 서로 다른 적외선 신호가 확인되었다.
