白心愛(ài)

（呂梁學(xué)院物理系，山西呂梁033000）

空間圓柱形目標(biāo)的熱效應(yīng)研究

白心愛(ài)

（呂梁學(xué)院物理系，山西呂梁033000）

應(yīng)用熱網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值分析法，對(duì)空間圓柱形目標(biāo)的熱效應(yīng)作了初步研究，并對(duì)兩種不同形狀氣球的熱效應(yīng)進(jìn)行了對(duì)比。

圓柱形；目標(biāo)；熱效應(yīng)

目前，一些新興導(dǎo)彈國(guó)家研究了一種重要的NMD對(duì)抗措施—反模擬氣球誘餌[1]。這種對(duì)抗措施是將含彈頭的氣球（目標(biāo)）與空氣球（誘餌）一同釋放，以迷惑對(duì)方無(wú)法識(shí)別真假目標(biāo)。由于彈頭的熱效應(yīng)會(huì)給NMD系統(tǒng)一些目標(biāo)識(shí)別的信息，所以空間目標(biāo)的熱效應(yīng)研究顯得尤為重要。文獻(xiàn)[2]已對(duì)空間球形目標(biāo)的熱效應(yīng)作了初步的研究，本文對(duì)空間圓柱形目標(biāo)的熱效應(yīng)作一些初步的研究。

1 概述

通過(guò)氣球內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)；運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的氣體對(duì)流。

圖1 節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型

彈頭的存在，使含彈頭氣球與誘餌的熱效應(yīng)不同。下面我們分別對(duì)這兩種情況下圓柱形目標(biāo)的溫度場(chǎng)分布以及輻射特性進(jìn)行計(jì)算及討論，最后分析、討論側(cè)面劃分網(wǎng)格數(shù)不同時(shí)節(jié)點(diǎn)間溫度場(chǎng)分布規(guī)律。以下計(jì)算中除特別說(shuō)明外，均假設(shè)圓柱形氣球部署在1200 km高度處。

求解此問(wèn)題較求解空氣球更復(fù)雜，求解方法是利用節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)法和數(shù)值分析法[3]解節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)方程組。將圓柱形目標(biāo)劃分為14個(gè)節(jié)點(diǎn)，上底面與下底面輻射換熱均勻，分別看作節(jié)點(diǎn)1、節(jié)點(diǎn)2；側(cè)面沿圓周方向4等分，柱高方向3等分，即劃分為12個(gè)節(jié)點(diǎn)，分別為節(jié)點(diǎn)3、節(jié)點(diǎn)4、…、節(jié)點(diǎn)14（節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示），把彈頭劃為第15個(gè)節(jié)點(diǎn)，此時(shí)問(wèn)題就變?yōu)橐粋€(gè)求解15個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱網(wǎng)絡(luò)方程問(wèn)題。如果彈頭與氣球的初始溫度不同，那么氣球與彈頭將以下面幾種方式換熱：

彈頭與氣球間輻射換熱；

通過(guò)用來(lái)調(diào)整彈頭在氣球內(nèi)位置的任何墊片的熱傳導(dǎo)；

根據(jù)文獻(xiàn)[4]，通過(guò)墊片的熱傳導(dǎo)的熱交換可以被忽略，通過(guò)氣球內(nèi)氣體的熱傳導(dǎo)可以被消除。這里主要研究彈頭與氣球間的輻射換熱。

若假設(shè)氣球內(nèi)表層為一黑體（εi=1），則彈頭給其它任意一節(jié)點(diǎn)i的能量為

其它節(jié)點(diǎn)給彈頭的能量為：

式中，ε15，A15，T15，F(xiàn)15-i分別表示彈頭表面的平均發(fā)射率、表面面積、表面溫度、相互的輻射換熱角系數(shù)；Ti：表示圓柱面上第i個(gè)節(jié)點(diǎn)的表面面積；σ：玻爾茲曼常數(shù)。輻射換熱角系數(shù)的計(jì)算，可根據(jù)文獻(xiàn)[5]求得。

如果目標(biāo)為一溫度均勻體，則上式可化為：

式中，εw，Aw，Tw分別是彈頭的發(fā)射率、表面面積、表面溫度；Tb是氣球的表面溫度。此式與氣球?yàn)榍蛐螘r(shí)相應(yīng)公式[4]一致，就是說(shuō)，如果氣球表面溫度均勻，那么彈頭與氣球的輻射換熱表達(dá)式是統(tǒng)一的，與其形狀無(wú)關(guān)。

下面在此理論基礎(chǔ)上，通過(guò)求解15個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱網(wǎng)絡(luò)方程來(lái)研究彈頭對(duì)氣球熱效應(yīng)的影響。

假設(shè)圓柱形氣球大小、空間高度以及轉(zhuǎn)速不變，軸始終垂直于地面，且不斷地繞軸均勻轉(zhuǎn)動(dòng)。同時(shí)為簡(jiǎn)化計(jì)算，假設(shè)球形彈頭球心在圓柱體的軸上，且距下底面1/3處。

考慮兩種情況：一種是假設(shè)所有熱傳遞都是由輻射產(chǎn)生；另一種是假設(shè)氣體對(duì)流運(yùn)動(dòng)是主要的傳熱方式，此時(shí)熱傳遞是只靠輻射傳熱產(chǎn)生熱流的5倍。

2 白天彈頭對(duì)氣球的熱效應(yīng)

下面是白天彈頭對(duì)鋁箔涂層氣球溫度及輻射功率影響的計(jì)算結(jié)果。

表1 白天，部署10 m in后氣球各節(jié)點(diǎn)的表面溫度及輻射功率

表1中比較了3個(gè)輕氣球白天布署后的表面溫度分布與輻射功率，3個(gè)氣球表面都鍍有閃量的鋁箔，重為0.5 kg，初始溫度為300 K。其中第一個(gè)氣球是空的，很快達(dá)到預(yù)期平衡溫度；第二個(gè)氣球內(nèi)有一枚輻射系數(shù)為0.036的球形彈頭，彈頭質(zhì)量為900 kg，初始溫度為310 K，只通過(guò)輻射方式傳熱，氣球部署10 min后，側(cè)面節(jié)點(diǎn)表面溫度分別降低約1.27 K，1.56 K，上、下底面分別降低約4.33 K，2.93 K，幅度較側(cè)面大。第三個(gè)氣球內(nèi)也有一枚同樣的彈頭，但其熱傳遞是輻射傳熱的5倍，10 min后，側(cè)面節(jié)點(diǎn)表面溫度分別降低約7.22 K，8.74 K（彈頭對(duì)側(cè)面節(jié)點(diǎn)表面溫度影響的不均勻性是由彈頭在氣球中的位置而引起的），上、下底面分別降低約23.36 K，15.17 K，同樣幅度較側(cè)面大。這個(gè)結(jié)果與相同條件下彈頭對(duì)同表面積球形氣球的熱效應(yīng)結(jié)果[2]相比，有一個(gè)共性，就是彈頭的熱效應(yīng)都使鋁箔涂層氣球表面溫度降低，為了掩蓋其熱效應(yīng)，同樣可以采用球形氣球輻射特性研究中所提出的幾種對(duì)抗措施[2]；不同的是，彈頭對(duì)氣球的熱效應(yīng)程度不同，對(duì)圓柱形氣球的熱效應(yīng)較對(duì)球形氣球的熱效應(yīng)小，熱傳遞等于輻射值時(shí)，熱效應(yīng)特別小，這種情況下即使不采取任何掩蓋措施，NMD系統(tǒng)也無(wú)法基于彈頭的熱效應(yīng)探測(cè)到目標(biāo)。

3 夜間彈頭對(duì)氣球的熱效應(yīng)

下面是夜間彈頭對(duì)圓柱形鋁箔涂層氣球表面溫度及輻射功率影響的計(jì)算結(jié)果。

表2中比較了夜間3個(gè)輕氣球（與上面的3個(gè)球完全相同）部署后的表面溫度與輻射功率分布。第二個(gè)氣球部署10 min后，側(cè)面溫度升高約4.07 K，4.79 K，上、下底面升高較大，分別約為10.18 K，5.78 K；第三個(gè)氣球部署10 min后側(cè)面表面溫度分別升高約21.39 K，24.65 K，上、下底面升高較大，分別約為74.78 K，25.05 K。這個(gè)熱效應(yīng)結(jié)果與彈頭對(duì)同表面積的球形氣球的熱效應(yīng)結(jié)果相比較[2]，彈頭的熱效應(yīng)都使氣球溫度升高，所以球形氣球討論中提出的掩蓋熱效應(yīng)措施在這兒也適用[2]。另外，可以看出表中三組數(shù)據(jù)有一個(gè)共性，即在圓柱體同一高度位置處溫度分布是均勻的，隨著高度的降低，溫度升高。這個(gè)結(jié)論與空球時(shí)所得結(jié)論是一致的。

表2 夜間，部署10 m in后氣球各節(jié)點(diǎn)的表面溫度及輻射功率

[1]毛二可，譚懷英，郭建明.美國(guó)導(dǎo)彈防御地基雷達(dá)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].兵器知識(shí)，2010（2）：48-50.

[2]白心愛(ài)，吳振森.空間目標(biāo)的熱效應(yīng)研究[J].山西大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，29（1）：48-51.

[3]李慶揚(yáng)，王能超.數(shù)值分析[M].第5版.北京：清華大學(xué)出版社，2008.

[4]白心愛(ài).空間目標(biāo)紅外輻射特性研究[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2002.

[5]楊賢榮，馬慶芳.輻射換熱角系數(shù)手冊(cè)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1979.

〔責(zé)任編輯 李?！?/p>

Investigation of Heat Dom ino Effect f or Space Cylindrical Tar g et

BAIXin-ai
（Deparmentof Physics，School of Lüliang，Lüliang Shanxi，033000）

With the help of the heat network method and the nemerical analys is method，the heat domino of space cylindrical tardet is studied，and the heat domino of the cylindrical and circular t ar g et is co mpared.

c ylindrical；t ar g et；Heat Domino Effect

O175

A

1674-0874（2012）03-0026-03

2012-02-23

白心愛(ài)（1971-），女，碩士，副教授，研究方向：輻射研究及物理教學(xué)。