紅外輻射特性增強結(jié)構(gòu)研究

鄒曉風(fēng)，張 娟，張欣光，石欣亞，趙斌陶

0 引 言

在目標(biāo)探測實驗過程中，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技術(shù)來實現(xiàn)合作目標(biāo)特性。

紅外輻射特性增強技術(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)表面的紅外輻射強度。對于特定結(jié)構(gòu)形式的目標(biāo)表面，紅外輻射強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度[1]。

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

由于紅外輻射強度表征只與結(jié)構(gòu)表面狀態(tài)有關(guān)。電加熱結(jié)構(gòu)的設(shè)計，除能夠利用有限的電池容量滿足長時間的紅外輻射特性增強的要求外，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)計具有隔熱措施的紅外輻射特性增強結(jié)構(gòu)。空間目標(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結(jié)構(gòu)，對提高能量使用效率、實現(xiàn)紅外輻射強度有效表征具有重要意義。

1 紅外輻射特性增強結(jié)構(gòu)

1.1 增強原理

紅外輻射特性增強結(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)的紅外輻射強度通過對式（2）進行光譜積分得到，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)紅外輻射特性增強要求可反算出結(jié)構(gòu)表面溫度。紅外輻射特性增強設(shè)計最終反應(yīng)在增強結(jié)構(gòu)表面溫度設(shè)計上。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 增強結(jié)構(gòu)設(shè)計

采用電加熱方式提高增強結(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，增強結(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現(xiàn)紅外輻射特性增強長時間工作。

隔熱設(shè)計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。考慮到靜止空氣的導(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結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 紅外輻射特性增強結(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 紅外輻射特性增強結(jié)構(gòu)性能分析

為分析設(shè)計的紅外輻射特性增強結(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到紅外輻射強度增強要求，利用有限元建立模型的網(wǎng)格熱分析模型進行分析計算[5,6]。紅外輻射強度增強目標(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。

采用熱分析軟件進行建模，對采用空氣層的紅外輻射特性增強結(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行分析。

圖2 紅外輻射特性增強結(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時刻溫度約為130 ℃，在長達200 s的工作時間內(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結(jié)構(gòu)的輻射層溫度上升速度及幅度大幅提高，60 s時刻溫度上升到257.28 ℃，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的紅外輻射強度的表征。

3 紅外輻射特性增強結(jié)構(gòu)性能測試

為了驗證紅外增強結(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所示的原理試驗件，在室內(nèi)大氣條件下進行了加熱原理試驗，試驗方法參照文獻[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，并將試驗結(jié)果與理論值進行對比分析。

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

試驗場景如圖5所示，試驗件通過支架水平放置，利用地面直流穩(wěn)壓電源的兩個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)實時地獲取表面層、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 為試驗測量與計算結(jié)果。試驗加熱層施加的功率密度為 21 000 W/m2。由于試驗在大氣環(huán)境中進行，因此計算模型中在表面層上施加了對流載荷。

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

由圖7可知，測量和計算的表面層溫度隨時間上升趨勢基本相同，120 s時刻平衡溫度均在 260 ℃左右；加熱層計算和測試溫度結(jié)果具有較好的一致性；內(nèi)結(jié)構(gòu)層表面在120 s時間內(nèi)溫度增加不明顯。計算和測試結(jié)果一致性好說明理論模型正確的同時，也說明了采用空氣層作為隔熱層對提高紅外增強結(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結(jié)構(gòu)進行分析研究，提出了采用空氣層為隔熱層的增強結(jié)構(gòu)，并進行了建模分析計算和試驗測試。計算和測試結(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，達到紅外增強的紅外輻射強度要求。結(jié)果表明：紅外輻射特性增強結(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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