鄒曉風(fēng)，張 娟，張欣光，石欣亞，趙斌陶

0 引 言

在目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)過程中，經(jīng)常提出對高溫目標(biāo)特性的模擬需求。僅僅通過結(jié)構(gòu)特征很難達(dá)到模擬較高紅外輻射特征的目的，因此需要采取一定的紅外輻射特性增強(qiáng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)合作目標(biāo)特性。

紅外輻射特性增強(qiáng)技術(shù)是利用外加能量或采取化學(xué)反應(yīng)制熱等方式控制目標(biāo)表面的紅外輻射強(qiáng)度。對于特定結(jié)構(gòu)形式的目標(biāo)表面，紅外輻射強(qiáng)度與表面紅外輻射系數(shù)及溫度有關(guān)。選用高輻射系數(shù)表面材料或增加表面溫度均可在一定程度上提高紅外輻射強(qiáng)度[1]。

考慮增強(qiáng)結(jié)構(gòu)熱分布的均勻性，可采用電加熱材料貼附在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)表面，利用電能轉(zhuǎn)換為熱能實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性增強(qiáng)。

由于紅外輻射強(qiáng)度表征只與結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)有關(guān)。電加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，除能夠利用有限的電池容量滿足長時(shí)間的紅外輻射特性增強(qiáng)的要求外，還需要減少熱量向內(nèi)部的熱傳導(dǎo)損失以保證紅外增強(qiáng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部設(shè)備正常工作的溫度環(huán)境，因此需要設(shè)計(jì)具有隔熱措施的紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)?？臻g目標(biāo)可利用體積小以及復(fù)雜的結(jié)構(gòu)構(gòu)型，此前常用的多層隔熱材料由于安裝問題并不適用。本文提出的熱控結(jié)構(gòu)形式，在解決空間特殊應(yīng)用環(huán)境需求方面具有一定優(yōu)勢。

綜上，研究紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對提高能量使用效率、實(shí)現(xiàn)紅外輻射強(qiáng)度有效表征具有重要意義。

1 紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)

1.1 增強(qiáng)原理

紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面近似認(rèn)為為灰體，從紅外物理學(xué)知，結(jié)構(gòu)表面光譜紅外輻射出射度滿足普朗克定律[2]：

式中 ),(TMλ為光譜輻射出射度；0ε為輻射系數(shù)，與結(jié)構(gòu)表面物理狀態(tài)有關(guān)；λ為輻射波長；1c為第一輻射常量； c2為第二輻射常量；T為表面溫度。

光譜輻射強(qiáng)度 I(λ,T,α)為

式中 α為視線方向與結(jié)構(gòu)法線的夾角； ()Aα為與視角α相關(guān)的結(jié)構(gòu)投影面積。

紅外誘餌在指定波段內(nèi)的紅外輻射強(qiáng)度通過對式（2）進(jìn)行光譜積分得到，即為

式中1λ，2λ分別為波段的下限波長和上限波長。

通過式（3），根據(jù)紅外輻射特性增強(qiáng)要求可反算出結(jié)構(gòu)表面溫度。紅外輻射特性增強(qiáng)設(shè)計(jì)最終反應(yīng)在增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面溫度設(shè)計(jì)上。因此，在采用電加熱功率一定的前提下，為了獲取較高的表面溫度，需要減少能量向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳遞造成的能量無效損耗，從而提高能量利用效率。

1.2 增強(qiáng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用電加熱方式提高增強(qiáng)結(jié)構(gòu)表面的平衡溫度，電加熱功率需滿足結(jié)構(gòu)表面單位時(shí)間與外界熱交換能量的損失。在不考慮結(jié)構(gòu)表面與外部對流換熱時(shí)，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的能量守恒關(guān)系式為[3]

式中 ΔE為外加熱源熱量；Econduct為電加熱層向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳導(dǎo)熱量損失； Eemit為表面向外輻射的能量。因此，可通過采用隔熱設(shè)計(jì)減少/阻斷電加熱層向結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱量傳導(dǎo)，將外熱源能量盡可能地用于維持結(jié)構(gòu)表面較高的平衡溫度，從而用有限的電池載荷實(shí)現(xiàn)紅外輻射特性增強(qiáng)長時(shí)間工作。

隔熱設(shè)計(jì)通常采用多層隔熱材料作為隔熱層，例如采用鍍鋁聚酯薄膜作為反射層，纖維紙（布）或尼龍網(wǎng)、滌綸網(wǎng)作為間隔物，通過增加反射層數(shù)，降低隔熱層有效熱導(dǎo)率[4]。這類材料較為柔軟，同時(shí)加熱層和固定層之間的安裝厚度一般較為有限，多層隔熱材料的安裝較為復(fù)雜?？紤]到靜止空氣的導(dǎo)熱系數(shù)約為0.04，若在加熱層和固定層自然封裝空氣層，可減少外熱源熱量向結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)損失。采用空氣層為隔熱層的紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式Fig.1 The Stlye of Infrared Radiation Enhancement Structure

由圖 1可知，紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)主要包括 5層，分別為表面層、加熱層、空氣層以及內(nèi)、外結(jié)構(gòu)層。輻射層為紅外輻射特性具體表征層，一般采用較大輻射系數(shù)的材料或涂層。電加熱層為片狀發(fā)熱電阻，貼附在表面層內(nèi)表面；空氣層結(jié)構(gòu)間隙，自然封裝空氣。

2 紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能分析

為分析設(shè)計(jì)的紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能否有效減少外熱源向結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳導(dǎo)損失，利用有限的能量載荷達(dá)到紅外輻射強(qiáng)度增強(qiáng)要求，利用有限元建立模型的網(wǎng)格熱分析模型進(jìn)行分析計(jì)算[5,6]。紅外輻射強(qiáng)度增強(qiáng)目標(biāo)值不小于20 W/sr（波段：3～5 μm）；目標(biāo)表面輻射系數(shù)設(shè)定為 0.9，由式（4）可知，表面層溫度應(yīng)增加到250 ℃以上。

采用熱分析軟件進(jìn)行建模，對采用空氣層的紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和無空氣層結(jié)構(gòu)（如圖2所示），在相同外熱源作用下溫度分布特征進(jìn)行分析。

圖2 紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式（無空氣層）Fig.2 The Style of Infrared Radiation Enhancement Structure(No Air Layer)

針對圖1和圖2的結(jié)構(gòu)形式，分別在加熱層上施加2000 W/m2的熱流，計(jì)算表面層、加熱層以及內(nèi)結(jié)構(gòu)層的溫度在200 s內(nèi)的變化情況。兩種狀態(tài)的仿真結(jié)果對比如表 1所示，兩種結(jié)構(gòu)下各層溫度對比如圖 3所示。

表1 仿真對比的兩種狀態(tài)Tab.1 The Contrast of Two States

圖3 兩種結(jié)構(gòu)各層溫度對比Fig.3 The Temperature Comparison of Two States

由圖 3可知，沒有采用隔熱措施的紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在外熱源的作用下，表面層和加熱層溫度在60 s時(shí)刻溫度約為130 ℃，在長達(dá)200 s的工作時(shí)間內(nèi)，兩層溫度上升緩慢；內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面溫度在200 s內(nèi)上升至110 ℃，由于內(nèi)、外結(jié)構(gòu)層厚度較厚、材料比熱大，外加電能很大一部分轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)層內(nèi)能。

采用空氣層作為隔熱層的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，由于空氣導(dǎo)熱系數(shù)較小，減少了電熱源能量向結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱傳導(dǎo)損失，在200 s時(shí)刻內(nèi)結(jié)構(gòu)層溫度僅約75 ℃。電能利用率的提高，使得紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的輻射層溫度上升速度及幅度大幅提高，60 s時(shí)刻溫度上升到257.28 ℃，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的紅外輻射強(qiáng)度的表征。

3 紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)性能測試

為了驗(yàn)證紅外增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的空氣隔熱層性能的分析結(jié)果，按照圖1制作了如圖4所示的原理試驗(yàn)件，在室內(nèi)大氣條件下進(jìn)行了加熱原理試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照文獻(xiàn)[7]。采用熱電偶采集表面層、加熱層以及內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面的溫度變化，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論值進(jìn)行對比分析。

圖4 試驗(yàn)件各層分布情況Fig.4 Different Layers of the Test Article

試驗(yàn)場景如圖5所示，試驗(yàn)件通過支架水平放置，利用地面直流穩(wěn)壓電源的兩個(gè)電極引腳為加熱片提供不同的加熱功率，利用熱電偶溫度采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)地獲取表面層、加熱層表面及內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面的溫度數(shù)據(jù)。利用紅外熱像儀獲取表面層紅外圖像數(shù)據(jù)，圖 6為120 s時(shí)表面層紅外圖像，由于加熱層和表面層粘接的不均勻引起紅外圖像不是十分均勻。

圖5 試驗(yàn)場景Fig.5 The Test Scene

圖6 紅外測量圖像Fig.6 The Measured Infrared Image

圖7 為試驗(yàn)測量與計(jì)算結(jié)果。試驗(yàn)加熱層施加的功率密度為 21 000 W/m2。由于試驗(yàn)在大氣環(huán)境中進(jìn)行，因此計(jì)算模型中在表面層上施加了對流載荷。

圖7 試驗(yàn)測量與計(jì)算結(jié)果Fig.7 The Measured Data and the Computing Result

由圖7可知，測量和計(jì)算的表面層溫度隨時(shí)間上升趨勢基本相同，120 s時(shí)刻平衡溫度均在 260 ℃左右；加熱層計(jì)算和測試溫度結(jié)果具有較好的一致性；內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面在120 s時(shí)間內(nèi)溫度增加不明顯。計(jì)算和測試結(jié)果一致性好說明理論模型正確的同時(shí)，也說明了采用空氣層作為隔熱層對提高紅外增強(qiáng)結(jié)構(gòu)能量利用率有效。

4 結(jié)束語

本文對紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，提出了采用空氣層為隔熱層的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了建模分析計(jì)算和試驗(yàn)測試。計(jì)算和測試結(jié)果表明：采用空氣層為隔熱層可有效減少能量與結(jié)構(gòu)內(nèi)部的熱量交換，提高電能利用率，達(dá)到紅外增強(qiáng)的紅外輻射強(qiáng)度要求。結(jié)果表明：紅外輻射特性增強(qiáng)結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，提高了能量利用效率，為解決空間目標(biāo)能量載荷不足提供了一種新途徑。

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