駱清國(guó)， 趙 耀， 俞長(zhǎng)賀， 魯 俊

(1. 陸軍裝甲兵學(xué)院車(chē)輛工程系， 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學(xué)院教練勤務(wù)營(yíng)， 北京 100072)

近年來(lái)，紅外制導(dǎo)反坦克武器已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)裝甲車(chē)輛最具威脅的武器裝備，該武器用于被動(dòng)偵察，具有隱蔽性強(qiáng)、制導(dǎo)精度高等優(yōu)點(diǎn)[1]。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)上，敘政府軍被美軍制紅外制導(dǎo)反坦克導(dǎo)彈擊毀的坦克裝甲裝備占總損失的90%以上。針對(duì)裝甲車(chē)輛的紅外輻射特征，國(guó)內(nèi)外研究者進(jìn)行了大量相關(guān)工作。如：韓玉閣等[2-3]針對(duì)不同戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境建立了裝甲車(chē)輛在8～14 μm波帶內(nèi)紅外輻射計(jì)算模型，編制了相應(yīng)的仿真軟件，并對(duì)模型進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，最后分析了影響裝甲車(chē)輛紅外輻射特征的因素；武鳳臣[4]針對(duì)兩棲裝甲車(chē)輛動(dòng)力艙和排氣管紅外輻射特征過(guò)大的特點(diǎn)，提出了抑制技術(shù)措施，分析了各設(shè)計(jì)尺寸對(duì)散熱性能的影響，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；湯雨等[5]綜合考慮3種傳熱過(guò)程，利用有限元法建立了裝甲車(chē)輛溫度場(chǎng)模型，對(duì)裝甲車(chē)輛的紅外輻射特征進(jìn)行了仿真，并對(duì)模擬精度進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；成志鐸[6]建立了全尺寸的裝甲車(chē)輛模型，提出了一種快速計(jì)算紅外輻射特征的方法，編制了通用紅外輻射特征計(jì)算模塊，最后得到了動(dòng)態(tài)的裝甲車(chē)輛紅外仿真圖像。然而，上述方法在研究整車(chē)的紅外輻射特征時(shí)，多采用基于經(jīng)驗(yàn)公式的方法，所建立的數(shù)值模型較為簡(jiǎn)單，未充分考慮裝甲車(chē)輛特有的紅外輻射特點(diǎn)，以及高溫排煙熱氣對(duì)排煙管紅外輻射的吸收作用，使得模擬結(jié)果與實(shí)際情況相差較大。

鑒于此，筆者首先采用CFX軟件得到排煙熱氣的溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)分布，提出了基于視向光線(xiàn)法的高溫排煙熱氣紅外數(shù)值計(jì)算模型；然后，分別考慮排煙熱氣對(duì)排煙管紅外輻射的吸收以及煙氣各區(qū)域的相互作用、自身輻射和對(duì)環(huán)境輻射的反射，提出裝甲車(chē)輛排煙裝置總體紅外輻射數(shù)值計(jì)算模型和裝甲車(chē)輛外表面裝甲的紅外數(shù)值計(jì)算模型；最后，對(duì)模型的可靠性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，對(duì)裝甲車(chē)輛0°～360°上各主要輻射波段的紅外輻射強(qiáng)度進(jìn)行研究，探索了其變化規(guī)律，以期為研究裝甲車(chē)輛紅外輻射特性對(duì)反坦克導(dǎo)彈開(kāi)發(fā)、現(xiàn)役裝甲裝備的紅外抑制改造等提供一定的參考。

1 排煙裝置總體紅外輻射計(jì)算模型

裝甲車(chē)輛排煙裝置的紅外輻射特征是反坦克導(dǎo)彈重點(diǎn)追蹤的目標(biāo)，也是整個(gè)裝甲車(chē)輛紅外輻射研究的難點(diǎn)。裝甲車(chē)輛排煙裝置總體紅外輻射主要包括排煙熱氣輻射和排煙管輻射2部分，其中：排煙熱氣是由發(fā)動(dòng)機(jī)排放出的高溫?zé)釟饬?，排煙管則通?？梢钥醋鲀?nèi)部布滿(mǎn)熱煙氣的熱空腔[7]。

1.1 高溫排煙熱氣

高溫排煙熱氣的輻射光譜主要取決于排煙的成分與溫度，其中排煙的主要輻射成分為CO2和H2O。對(duì)于確定型號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)，在給定工況下，利用GT軟件模擬出發(fā)動(dòng)機(jī)的廢氣渦輪處溫度Tw，然后將高溫?zé)煔庠谂艧煿軆?nèi)的流動(dòng)看作絕熱過(guò)程，利用絕熱過(guò)程方程式計(jì)算出排煙口的溫度

(1)

式中：γ為比熱比；Pw為廢氣渦輪位置高溫廢氣的壓力；Pp為排煙口位置的壓力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 700 r/min時(shí)，利用GT軟件模擬得到發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪出口處排煙熱氣的溫度和壓力變化曲線(xiàn)分別如圖1、2所示。

圖1 廢氣渦輪出口處的排煙熱氣的溫度變化曲線(xiàn)

圖2 廢氣渦輪出口處排煙熱氣的壓力變化曲線(xiàn)

根據(jù)輻射傳熱理論，在計(jì)算排煙熱氣的紅外輻射強(qiáng)度時(shí)，首先需要確定排煙熱氣的形狀、溫度以及壓力分布。本文利用CFX軟件建立排煙熱氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，其排煙熱氣在排煙口處的溫度和壓力分布分別如圖3、4所示。

利用有限元法將排煙熱氣分為n個(gè)等溫層，并基于視向光線(xiàn)法建立排煙熱氣紅外數(shù)值計(jì)算模型，其等溫層模型如圖5所示。圖中：T1，T2，…，Tn分別為各層的平均溫度；Δl1，Δl2，…，Δln為沿探測(cè)器視線(xiàn)方向等溫層的厚度；a為排煙管的半徑；θ為探測(cè)方向視線(xiàn)與排煙方向的夾角。

圖3 排煙熱氣在排煙口處的溫度分布

圖4 排煙熱氣在排煙口處的壓力分布

圖5 基于視向光線(xiàn)法的排煙熱氣等溫層模型

根據(jù)普朗克定律，計(jì)算得出第i(i=1,2,…,n)個(gè)等溫層的黑體光譜輻出度Mbλ,i，則在探測(cè)方向的投影面積

(2)

紅外輻射在介質(zhì)中傳輸時(shí)，由于介質(zhì)的吸收及散射，能量會(huì)逐漸衰減[8]。根據(jù)貝爾定律，通過(guò)介質(zhì)后光譜輻射強(qiáng)度

Il=I·τλ，

(3)

根據(jù)探測(cè)方向的計(jì)算公式，第i個(gè)等溫層穿過(guò)排煙熱氣的厚度、穿透率及第i個(gè)等溫層的光譜發(fā)射率依次為

(4)

τi=exp(-βλi·Li),

(5)

εi=1-exp(-κiLi)。

(6)

式中：βλi為第i個(gè)等溫層的光譜減弱系數(shù)；κi為第i個(gè)等溫層的光譜吸收系數(shù)。

排煙熱氣在空中某一方向上λ1～λ2波帶內(nèi)的輻射強(qiáng)度

(7)

式中：Iq為全波段的紅外輻射強(qiáng)度。

1.2 排煙管

連接發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣渦輪的高溫排煙管，其溫度值與排煙管內(nèi)的高溫排煙熱氣的溫度關(guān)系很大，本文在采用GT軟件仿真計(jì)算時(shí)將其視為相等。廢棄渦輪出口處排煙熱氣的溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(xiàn)如圖6所示?？梢钥闯觯涸撔桶l(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速越高，廢氣渦輪出口處排煙熱氣的溫度越低。

圖6 廢氣渦輪出口處排煙熱氣溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速關(guān)系曲線(xiàn)

將排煙管以及排煙管構(gòu)成的腔體看成灰體[9]，排煙管紅外輻射在某一方向上λ1～λ2波帶內(nèi)的輻射強(qiáng)度

Ip=N·S1·cosθ1，

(8)

式中：S1為排煙管的出口面積；θ1為排煙管出口截面法線(xiàn)方向與紅外探測(cè)方向的夾角；N為輻射亮度。

(9)

式中：ε為發(fā)射率；

(10)

為黑體光譜輻出度，其中λ為黑體的波長(zhǎng)，T為黑體的溫度，c1、c2分別為第一、二輻射常數(shù)。c1、c2的計(jì)算公式分別為

c1=2πhe2，

(11)

c2=he/k，

(12)

式中：h為普朗克常數(shù)；e為真空中的光速；k為玻爾茲曼常數(shù)。

1.3 排煙裝置總體

當(dāng)排煙管的紅外輻射經(jīng)過(guò)高溫排煙時(shí)，由于輻射氣體具有吸收作用，會(huì)減弱排煙管的紅外輻射。因此，裝甲車(chē)輛排氣裝置的總體紅外輻射不是高溫排煙熱氣紅外輻射與排煙管紅外輻射的簡(jiǎn)單疊加。排煙管-高溫排煙的組合紅外輻射強(qiáng)度

I=Iy+τc·Ip，

(13)

式中：

τc=exp(-βλ·dn)，

(14)

為排煙管通過(guò)高溫排煙的穿透率，其中dn為探測(cè)方向排煙管紅外輻射通過(guò)的高溫排煙的煙氣厚度。

2 外表面裝甲紅外輻射計(jì)算模型

外表面裝甲的紅外輻射主要由裝甲板自身輻射和裝甲板對(duì)環(huán)境輻射的反射組成，其紅外輻射強(qiáng)度

Ib=Iz+Ih，

(15)

式中：Iz為外裝甲自身熱輻射強(qiáng)度；Ih為裝甲板對(duì)環(huán)境輻射的反射強(qiáng)度。

2.1 裝甲板自身輻射

外裝甲自身輻射的主要來(lái)源，是動(dòng)力艙內(nèi)動(dòng)力傳動(dòng)裝置工作時(shí)的產(chǎn)熱。外裝甲自身的紅外輻射強(qiáng)度

(16)

式中：Az為裝甲板在探測(cè)方向上的面積；εz為裝甲板表面發(fā)射率；σ為黑體輻射常數(shù)；ηλ1～λ2為黑體輻射函數(shù)，可以通過(guò)查表得到；Tz為外裝甲表面的平均溫度，可以利用CFX軟件通過(guò)流固耦合分析得到。

裝甲車(chē)輛側(cè)面裝甲板的溫度分布如圖7所示?？梢钥闯觯涸谂艧煿芎蛣?dòng)力艙附近，裝甲板的溫度明顯較高，說(shuō)明這二者對(duì)裝甲板的傳熱作用很強(qiáng)。

圖7 裝甲車(chē)輛側(cè)面裝甲板溫度分布

2.2 裝甲板對(duì)環(huán)境反射的輻射

在此主要研究太陽(yáng)輻射，但要注意裝甲車(chē)輛作戰(zhàn)的實(shí)際情況，在天氣狀況不佳時(shí)不再考慮Ih類(lèi)輻射。

將外裝甲板反射的太陽(yáng)輻射視為灰體輻射，據(jù)NASA測(cè)量的數(shù)據(jù)[9-10]，太陽(yáng)常數(shù)Es=1 353 W/m2。裝甲板反射太陽(yáng)光的輻射強(qiáng)度

(17)

式中：ρ為該地區(qū)的大氣透明率；α為吸收比；δ為太陽(yáng)光線(xiàn)與裝甲板的法向夾角。

3 裝甲車(chē)輛紅外目標(biāo)特性

3.1 模型驗(yàn)證

高溫排煙熱氣的溫度分布是計(jì)算排煙紅外裝置輻射的基礎(chǔ)，因此應(yīng)對(duì)利用CFX軟件模擬得到的結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，以考察其模擬精度是否符合要求[11]。圖8為某工況下，某型裝甲車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)平行于軸線(xiàn)不同截面的排煙溫度分布模擬值與試驗(yàn)值的比較。其中：y為所取樣本點(diǎn)的徑向距離，排煙管的直徑為50cm，則計(jì)算/測(cè)量范圍為0～0.25cm；x為樣本點(diǎn)的軸向距離，即該點(diǎn)到排煙口平面的垂直距離；試驗(yàn)時(shí)選取了8個(gè)軸向距離和2個(gè)徑向距離，共16個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度的測(cè)量。結(jié)果表明：在排煙的大部分區(qū)域，模擬值與試驗(yàn)值吻合較好，平均相對(duì)誤差值為9.4%，這說(shuō)明所建立的模型可靠。

圖8 平行于軸線(xiàn)不同截面的排煙溫度分布

為了對(duì)排煙裝置總體紅外輻射數(shù)值計(jì)算模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證，搭建了紅外輻射值試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)，排煙裝置總體紅外測(cè)點(diǎn)布置如圖9所示。選取高溫排煙熱氣中CO2在波帶4.3 μm處、探測(cè)視線(xiàn)在0°～180°方向內(nèi)的輻射亮度分布情況作為精度驗(yàn)證的指標(biāo)，其試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比如圖10所示?？梢钥闯觯号c模擬值相比，試驗(yàn)值較大，這是因?yàn)樵谀M計(jì)算時(shí)未考慮實(shí)際情況中發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒生成的碳煙顆粒對(duì)紅外輻射的影響；試驗(yàn)值與模擬值的相對(duì)誤差最大值僅為10.9%，完全滿(mǎn)足工程計(jì)算的需要。

圖9 排煙裝置總體紅外測(cè)點(diǎn)布置

圖10 CO2在波帶4.3 μm的輻射亮度對(duì)比

測(cè)試和模擬時(shí)，天氣條件都選擇太陽(yáng)在車(chē)頂直射，側(cè)面裝甲板紅外光譜輻射亮度的試驗(yàn)值與模擬值對(duì)比如圖11所示?？梢钥闯觯杭t外光譜輻射亮度隨波長(zhǎng)變化的趨勢(shì)相同，且試驗(yàn)值與模擬值之間的誤差不大，其最大相對(duì)誤差為12.4%。這可能是因?yàn)椋杭t外探測(cè)儀器精度、大氣環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)模型提供的計(jì)算邊界與實(shí)際情況存在誤差，說(shuō)明所建立的計(jì)算模型合理，基本滿(mǎn)足工程計(jì)算的需要[12-14]。

圖11 側(cè)面裝甲板紅外光譜輻射亮度對(duì)比

3.2 結(jié)果及分析

綜合考慮排煙裝置總體輻射和外表面裝甲輻射的共同作用。針對(duì)某一發(fā)動(dòng)機(jī)工況，利用紅外輻射計(jì)算模型得到的裝甲車(chē)輛在探測(cè)方向?yàn)?°～360°時(shí)的紅外輻射強(qiáng)度分布如圖12所示。

圖12 裝甲車(chē)輛紅外輻射強(qiáng)度分布

由圖12可以看出：

1) 裝甲車(chē)輛車(chē)頭方向的紅外輻射強(qiáng)度明顯較弱，且在波帶8～14μm時(shí)的輻射強(qiáng)度明顯大于波帶3～5 μm。分析其原因?yàn)椋涸撥?chē)型的動(dòng)力艙為后置式，動(dòng)力艙內(nèi)動(dòng)力傳動(dòng)裝置的產(chǎn)熱對(duì)裝甲車(chē)輛后部裝甲板的加熱作用更為明顯，因此其對(duì)整車(chē)的紅外輻射強(qiáng)度的影響最大。

2) 在波帶3～5 μm范圍內(nèi)，紅外輻射分布呈現(xiàn)出心臟型，其最強(qiáng)輻射值位于60°和300°方向附近，而90°和270°方向的紅外輻射較弱。這是因?yàn)椋涸趥?cè)方排煙管的紅外輻射被高溫排煙熱氣強(qiáng)烈吸收，而在60°和300°兩個(gè)探測(cè)方向的吸收作用減弱。

3) 對(duì)于波帶8～14 μm內(nèi)，紅外輻射變化趨勢(shì)不太明顯。這是因?yàn)椋焊邷嘏艧煙釟鈱?duì)該波段輻射能量的貢獻(xiàn)較低，且高溫排煙熱氣對(duì)此波帶的紅外輻射能量吸收較少。

4 結(jié)論

筆者利用數(shù)值計(jì)算模型與試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)相結(jié)合的方法，建立了某型裝甲車(chē)輛排煙裝置總體紅外輻射數(shù)值計(jì)算模型和外表面裝甲的紅外數(shù)值計(jì)算模型，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了上述模型滿(mǎn)足工程計(jì)算需要。主要結(jié)論如下：

1) 采用CFX軟件建立的裝甲車(chē)輛排煙裝置溫度場(chǎng)數(shù)值計(jì)算模型，能夠得到較準(zhǔn)確的排煙流場(chǎng)和溫度場(chǎng)分布情況，同時(shí)在用GT軟件仿真時(shí)發(fā)現(xiàn)該型發(fā)動(dòng)機(jī)排煙熱氣溫度與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成反比。

2) 動(dòng)力艙內(nèi)熱源和高溫排煙管對(duì)裝甲板的溫度分布影響較大，能明顯提高附近裝甲板的溫度。

3) 影響裝甲車(chē)輛紅外目標(biāo)特性的因素主要有波帶、探測(cè)方向，且裝甲車(chē)輛的紅外輻射強(qiáng)度具有明顯的方向性，在提出抑制措施時(shí)要充分考慮裝甲車(chē)輛紅外輻射分布的這一特點(diǎn)。