西安电子科技大学博士生梁日辉在导师刘彦明教授指导下完成的博士学位论文《基于逐线计算法的高温气体辐射特性研究》，是一项针对地球与火星大气等离子体辐射特性的系统性研究。该研究聚焦高超声速飞行器再入过程中的气动热辐射问题，通过高精度数值建模方法构建了完备的辐射特性数据库。

学术背景

高温气体辐射特性研究在燃烧诊断（TDLAS技术）、激波管光谱诊断、飞行器气动热防护等领域具有重要应用价值。传统研究中存在四大核心问题：（1）配分函数计算通常忽略高位电子态贡献；（2）跃迁概率基于早期实验数据且局限于低振动态；（3）原子电子碰撞展宽机制研究不足；（4）双原子分子能级计算忽视λ双重分裂等精细结构。这些问题导致现有模型在高温（>10,000K）和非平衡条件下的预测精度受限。

研究方法与技术路线

研究采用”理论建模-参数计算-实验验证-工程应用”的技术路径：

1. 配分函数高精度重构

• 原子组分：采用”多群理论”（multi-group theory）计算方法，简化计算复杂度的同时保证精度（与精确法误差%）
• 双原子分子：严格求解薛定谔方程获取能级结构，整合最新电子态数据（考虑多达26个电子态），温度适用范围扩展至50,000K。验证显示：双原子组分计算误差普遍<20%

1. 跃迁概率精确计算

• 原子体系：基于ab initio（从头算）方法求解原子结构，构建C、N、O等离子体跃迁数据库
• 分子体系：采用半经验方法整合最新光谱常数与电子跃迁偶极矩数据，验证表明振动能级寿命计算结果与实验误差范围吻合

1. 谱线展宽机制建模

• 突破性考虑了原子/离子Stark展宽效应
• 发展混合增宽Voigt算法：结合Whiting近似法处理不同展宽机制的耦合效应
• 建立包含共振展宽、范德瓦尔斯展宽、多普勒展宽在内的完整展宽模型体系

1. 辐射系数计算验证

• 离散谱：通过Hönl-London因子计算双原子分子带系辐射
• 连续谱：完善光离解（photodissociation）、光电离（photoionization）等四种机制模型
• 验证结果显示：辐射源强度与实验数据误差<26.2%，吸收系数与文献高度一致

1. 工程应用验证

• 针对RAMC-II飞行器：预测61/71/81km三个高度驻点区辐射热流，与文献结果吻合度良好
• 针对MSL火星探测器：首次实现火星大气组分（CO/CN/C2等）的辐射热流预测

重要发现与创新点

1. 配分函数计算方法创新：提出的多群理论原子配分函数算法，在50,000K高温条件下仍保持8%以内的计算精度；双原子分子求解方案能准确捕捉λ双重分裂等精细结构。

2. 跃迁数据库完备性突破：构建的跃迁概率数据库覆盖地球/火星大气主要组分，其中CN、C2等火星组分的数据填补了国际空白。

3. Stark展宽模型修正：对传统忽略的原子/离子电子碰撞展宽效应，提出基于ab initio参数的半经验计算方法，短波区计算精度显著提升。

4. 实际应用价值：首次实现火星大气条件下辐射热流的精确预测，为火星探测器热防护设计提供关键数据支持。

科学价值与工程意义

该研究通过严格的量子力学计算与多学科交叉方法，解决了高温非平衡气体辐射建模中的若干关键科学问题：（1）建立了覆盖100-50,000K温度范围的辐射特性数据库；（2）提出的逐线计算（line by line）框架兼具物理严谨性与计算效率；（3）发展的数值方法可直接集成于CFD软件，支撑高超声速飞行器的气动热防护设计。研究结果已应用于我国新型飞行器的热防护系统优化，相关数据标准被纳入航天工业标准QJ 3130-2021。

研究特色

1. 多尺度建模：从量子态的ab initio计算到宏观辐射热流的工程预测形成完整闭环
2. 非平衡效应处理：同时考虑热力学非平衡（multi-temperature模型）与化学非平衡效应
3. 验证体系完善：通过振动能级寿命、线宽参数、辐射强度等多层次验证计算模型
4. 星际应用扩展：首次建立包含12种火星大气组分的辐射特性数据库

该研究为高超声速飞行器的热防护设计提供了关键理论基础，其发展的计算方法可推广至星际探测、核聚变装置等极端环境下的辐射特性分析领域。后续研究可进一步拓展至碳基烧蚀产物的辐射特性建模，以及非平衡状态下辐射-流动强耦合效应的研究。