机场保障装备防热红外探测隔热毯设计与实验研究

谢卫红，贾风辉，李顺才

(1.军队“2110 工程”防护材料重点实验室，江苏 徐州221000;2.解放军空军勤务学院 机场工程与保障系，江苏 徐州221000;3.江苏师范大学 机电工程学院，江苏 徐州221116)

0 引言

机场保障装备作为空军机场的有机组成单元，其工作效能直接关系到机场的航空兵作战保障能力，研究机场保障装备与背景的红外辐射特性，可以有针对性开展红外隐身设计，提高机场保障装备的战场生存能力。

美国从外场测试和理论建模二条途径同时着手，围绕坦克红外辐射特性，在坦克本体、坦克与周围背景相互作用及气象条件影响等方面取得了代表国际先进水平的研究成果，形成了一系列较为完整的坦克红外热像计算软件［1］。文献［2］研制的坦克红外热像软件将坦克分隔成近1500 万个单元体。最近，以色列和印度等国家［3］也已开始进行该方面的研究工作，典型的有印度国防研究与发展实验室所研究的红外成像系统模型。

我国的装甲车辆红外热像建模工作从“八五”开始也陆续展开，韩玉阁等［4-5］建立了坦克红外热像理论模型，编制完成了坦克红外热像集成软件;邹振宁等［6］论述了对装甲车辆红外辐射特性模型建立及数学描述，对控制装甲车辆红外辐射技术进行了分析;阮立明等［7］建立了坦克的几何模型，结合蒙特卡洛法、区域分解算法、控制容积法和谱带模型求解对流、辐射祸合边界条件下的瞬态换热问题，建立了坦克的动态和静态温度模型、辐射出射度模型。目前，关于空军装备的红外辐射特性研究成果还未有类似报道，本文选择具有机场保障装备的结构共性且形状较规则、不失一般性的某型场务工程车为研究目标，建立目标的温度分布、辐射通量计算模型，研究机场装备的红外辐射特性。由于各类机场保障装备工作环境和背景有一定相似性，其他机场保障装备可参照本文方法研究其相应的红外辐射特性。

1 机场保障装备与背景的红外对比度分析

红外制导和红外成像制导武器对目标的发现、识别和跟踪主要依据就是目标与背景的红外辐射对比特性及其成像特征。

设L0是目标的辐射亮度，Lb是背景的辐射亮度，又辐射亮度则目标与背景的红外辐射相对对比度C 为

利用前人研究建立的装备与背景的温度场模型及公式［8］，求解得到机场保障装备红外辐射通量E0和背景红外辐射通量Eb，代入(1)式，计算目标与背景的红外对比度，得到目标与背景红外对比度变化曲线如图1所示。从图中可以看出，机场保障装备在冷静态即发动机不工作时，目标与背景的红外对比度在除上午10 点左右以外的其他时刻，均处于“目标与背景红外辐射亮度对比度大于0.04”的危险区域［9］;在动态(发动机工作)时，发动机产生的热量很快使得目标与背景的红外对比度升至大于0.04 的危险区，尽管由于实验时随着环境温度上升(实验开始于夏季上午11 时左右)，实验进行到40 min时二者之间的对比度开始减小，但仍然远远高出安全范围，极易成为红外武器攻击的目标。

图1 机场保障装备与背景对比度变化曲线Fig.1 Infrared contrast curves of equipment and its background

2 保障装备新型隔热毯设计

目前，应用最多的防热红外隔热毯［10］结构中间是纤维织物，上下都涂有一层红外反射材料(如金属铝锌等)，外层涂有可见光吸收材料的半透明聚酯膜，这种伪装改变了目标表面的热惯量分布，部分遮挡了阳光对目标的直接照射，从而减弱和改变装备对太阳辐射的吸收和储存，同时也阻碍了装备的散热，对于伪装机场保障装备这种有源的高温热目标而言并不合适，且这种防热红外隔热毯因为结构较厚不易固定在机场保障装备上，尤其不适用于装备移动时，因此有必要对原有隔热毯进行改进，研制更合理的散热、隔热结构。

2.1 隔热毯结构优化设计

普通隔热毯通常为单层结构［11-12］，本文提出隔热毯的多层结构设计。结构模型假设条件为:

1)热量的传播过程只有传导，没有对流。即假定材料对气体的密封性能很好，二层材料之间的气体是不流动的。

2)隔热毯内侧温度t1和外侧温度t2保持不变，热传导过程已处于稳定状态。即沿热传导方向，单位时间通过单位面积的热量是常数。

3)二层介质材料层均匀等厚，材料层间距离相等并保持不变，热传导系数是常数。

4)热量由结构靠装备一侧向远离装备一侧传递。

在上述假设下，热传导过程遵从傅里叶公式。

设厚度为d 的均匀介质材料，两侧温度差为Δt，则单位时间内由温度高的一侧向温度低的一侧通过单位面积的热量Q 与Δt 呈正比，与d 呈反比，即

设新结构材料内层的外侧(即靠近装备一侧)温度是ti，外层的内侧温度是to，材料介质的热传导系数为λm，空气的热传导系数为λa，l 为两材料层间的空气层厚度。

由(2)式单位时间单位面积的热量传导量为

从(3)式中消去ti、to，可得

对于厚度为2d 的单层结构材料，容易得出其热量传导量为

二者之比为

显然Q1＜Q2，为了得到更具体的结果，需要λm和λa数据。根据有关资料，常用纤维复合材料的热传导系数λm在4 ×10-4～20 ×10-4W/(m·K)内取值;不流通、干燥空气的热传导系数λa=2. 5 ×10-4W/(m·K)，于是计算值在1. 6 ～8之间。

在分析新结构比不加气体层的单层结构可减少多少热量传递时，作比较保守的估计，即取(即选择玻璃纤维)，由(4)式和(6)式可得

式中:Q1为通过新结构传递的热量;Q2为通过单层结构传递的热量;比值Q1/Q2反映了新型结构材料在减少热量传递上的功效，它只与h 有关，且比值越小，隔热效果越好。在一定范围内时，随着h 的增加，Q1/Q2迅速下降，而当h 超过一定值(例如h ＞10)后，Q1/Q2下降变缓，可见h 不必选择过大，当达到一定值后，其变化就趋于稳定。

取h =10 时，按照这个模型，Q1/Q2≈10%，即新结构的传热量为单层结构传热量的10%，也就是此新型结构能比采用同样材料制成的单层结构多阻挡约90%的热量传递量。不难发现，之所以有如此高的功效主要是由于层间气体和相变石蜡的热传导系数较低，而这要求气体是干燥的、不流通的。作为模型假设的这个条件在实际环境下当然不可能完全满足，所以实际的隔热效果不能达到计算数值，故隔热毯结构采用3 层新结构。

2.2 隔热毯材料优化设计

为设计理想材料层，在隔热毯两材料层之间的介质不变情况下改变材料层的材料(即λa不变，λm改变)，取4 种不同材料进行分析，由(7)式计算得出曲线如图2所示，由图2可知，随着材料热传导系数λm的增加，4 条曲线弯曲的程度随之增大，Q1/Q2随之减少，说明隔热效果随材料热传导系数的增加而增强，在4 种材料中陶瓷纤维的热传导系数λm最大，其密度也较小，综合分析考虑，故隔热毯的材料层所用材料采用陶瓷纤维，隔热毯中间夹层设计采用聚酯薄膜内胆，里面添加相变石蜡胶囊。

图2 不同材料传热比较Fig.2 Heat transfer performances of different materials

相变材料在发生物相转变时，伴随吸热、放热效应而引起温度变化，利用这种特性可以从温度上对隔热毯表层的热辐射能量加以控制。本新结构将胶囊充填在陶瓷纤维上下层中间的0.5 mm 厚聚酯薄膜袋中，为了使胶囊相对均匀，对聚酯薄膜袋进行了竖网格划分，如图3所示。

图3 微胶囊的使用形式Fig.3 Arrangement of microcapsules

2.3 隔热毯热物性实验测试及分析

2.3.1 实验用材料

实验用材料为陶瓷纤维、聚酯薄膜、军用车辆迷彩伪装涂料、SiO2气凝胶、相变石蜡等。陶瓷纤维与聚酯薄膜分别为山东鲁阳公司生产的耐200 ℃高温、3 mm 厚的陶瓷纤维和1 mm 厚的聚酯薄膜;军用车辆迷彩伪装涂料为无锡市新创化工厂有限公司生产的红外伪装涂料，伪装波段:可见光、近红外(0.38 ～1.2 μm 波段)，热红外(3 ～5 μm，8 ～14 μm 波段);SiO2气凝胶为中国矿业大学化工学院生产;25#相变石蜡为上海无极纺织科技有限公司生产。

2.3.2 制作试件

首先，将3 种颜色的涂料(土黄0.5 kg、翠绿0.5 kg、深绿0.5 kg)共1.5 kg 搅拌均匀，再按涂料与固化剂5∶1的比例将0.3 kg 固化剂倒入涂料中，同时按涂料与固化剂总质量的30%比例加入溶剂搅拌均匀，将搅拌后的涂料分成2 份，其中一份加入SiO2气凝胶备用。陶瓷纤维裁剪成25 cm×30 cm 的长方形备用，分别对其一表面涂刷涂料和加入SiO2气凝胶的涂料，如图4示，图中从左至右依次为有涂层陶瓷纤维、无涂层陶瓷纤维、添加二氧化硅涂层陶瓷纤维。图5为新型隔热毯平面及剖面示意图。

图4 3 种陶瓷纤维Fig.4 Three kinds of ceramic fibres

2.3.3 热传导系数测试

图5 平面及剖面示意图Fig.5 Planar and profile structure diagram

为了进一步测试新型隔热毯结构的性能指标，用SEI-3 型准稳态热物性测定仪测量实验装置对以下6 种隔热毯进行热物性(热传导系数)测试，试样如表1所示，结果如表2所示。

表1 隔热毯试样编号表Tab.1 Numbers of heat insulation blanket samples

表2 隔热毯结构材料的热物理性能Tab.2 Thermal properties of blanket materials

由表2对比的实验数据看，各体系热传导系数、密度略有差异，但很明显，有涂料覆盖陶瓷纤维(涂料中加SiO2气凝胶，中间加有相变石蜡颗粒)结构的热传导系数以及ρ·λ 都是最低，满足设计及使用要求。这种试样隔热性能最强，可较大幅度地提高其隔热性能。

经理论分析和相关实验验证，本文对隔热毯进行了结构和材料上改进，设计了上下底层选用陶瓷纤维，涂刷添加二氧化硅气凝胶的伪装涂料。中间夹层添加相变石蜡胶囊内胆，如图6所示。这种结构可铺设在机场保障装备上车头部位，有效地提高其隔热性能，进一步提高装备伪装防护能力。

图6 新型隔热毯示意图Fig.6 Schematic diagram of a new heat insulation blanket

3 新型隔热毯红外伪装效果评价

3.1 评价指标与方法

3.1.1 评价指标

利用研制的伪装隔热毯对机场保障装备进行伪装后，设置相应的模型参数(见表3)，计算伪装后的机场保障装备与背景的温差，作为伪装效果评估的评价指标，看其是否能够达到我国《军用汽车伪装要求》［9］中有关汽车伪装面与背景平均温差的有关规定。

表3 隔热毯及车体结构材料的热物理性能Tab.3 Thermal properties of the blanket and the structural material of car

3.1.2 评价方法

1)试验测量:利用点温计测量伪装前后车体表面温度(伪装后测量隔热毯表面温度)，与同一时刻的背景温度进行比较，得到相应的温差。

2)ANSYS 数值模拟:建立隔热毯与车体的温度场模型，运用ANSYS 进行有限元求解，得到隔热毯与车体的温度变化曲线，进而可以进行隔热毯结构的优化，根据不同的机场保障装备设计最优的隔热毯构型。

3)外场实验测量:假设隔热毯所伪装的机场保障装备工作时间为30 min，即1 800 s，设计隔热毯中间相变石蜡层厚度为5 mm，将隔热毯实物装配与装备车头表面，装备启动，运动速度为10 km/h，用点温计测量隔热毯表面温度，测量周期为100 s/次，测量结果如表4所示。

表4 隔热毯及背景温度测量数据Tab.4 Temperatures of heat insulation blanket and background

由测量数据来看，目标与背景最大温差为2.4 ℃，满足国家军用标准中相关规定［9］，达到了非常好的热红外伪装效果。

3.2 ANSYS 数值模拟

所用相变石蜡的参数c =3 000 J/(kg·℃)，ρ =0.8 ×103kg/m3，熔化的相变焓为160 ×103J/kg，该材料的相变温度区间为25 ～40 ℃，焓值的计算公式［13］为

计算得到相变石蜡的热焓随温度的变化曲线如图7所示，在25 ～40 ℃温度区间内，相变石蜡发生相变，焓值发生阶跃。

图7 相变石蜡热焓随温度变化曲线Fig.7 Enthalpy of phase change paraffin wax

利用ANSYS 中瞬态热分析功能［14-16］，设置时间为1 800 s，得到30 min 后隔热毯及车体截面的温度场分布图，各层的温度变化曲线(取各层的上边界面各点)如图8所示。通过分析可知，隔热层表层温度最高为24.078 ℃，与背景温度22.6 ℃的温差为1.478 ℃，满足伪装使用要求。隔热毯相变石蜡层的温度小于26 ℃，可知相变石蜡尚处于相变阶段，在机场保障装备工作的30 min 内，部分石蜡处于固相状态，没有起到吸热稳温的作用，增加了隔热毯质量，造成了资源浪费，遂根据保障装备使用时间对隔热毯的石蜡层进行结构优化设计，将石蜡层的厚度调整为3 mm. 继续用ANSYS 进行求解，各层的温度变化曲线如图9所示。改进后隔热毯表层最高温度为26.084 ℃，与背景温差为3.484 ℃，仍然满足使用要求，但中间相变石蜡层均参加了相变阶段，材料得到充分利用。

图8 隔热毯各层及车体的温度变化曲线Fig.8 Temperature variation curves of blanket and vehicle

综上所述，新型隔热毯装配到机场保障装备上，可以降低装备表面温度，减小目标与背景的对比度，满足装备伪装要求。通过优化改进，由2 层3 mm 厚陶瓷纤维夹1 层3 mm 厚相变石蜡组成的隔热毯可以满足机场保障装备工作30 min 的热红外伪装要求。

3.3 装备铺设新型隔热毯红外热成像测试

图9 改进后隔热毯各层及车体的温度变化曲线Fig.9 Temperature variation curves of the blankets and the vehicle after improvement

两辆相同的机场保障装备，左边一辆未铺设隔热毯，右边一辆铺设该新型隔热毯，如图10 所示，对其进行热红外成像测试。图11 为两辆车发动机同时开始工作30 min 时红外热图，图12 为两辆车发动机工作53 min 后的红外热图。从图中可看出，在红外热成像仪的扫描下，发动机工作时，两车未铺设隔热毯的部分热红外特性基本相似，而铺设该隔热毯的车辆部分与背景的红外辐射对比度得到有效控制，可见该新型隔热毯有显著的热红外伪装效果。

图10 红外检测试验场景图Fig.10 Scene of field experiment

图11 两辆车发动机同时开始工作30 min 时红外热图Fig.11 Infrared image of vehicles after running for 30 mins

4 结论

本文利用前人研究所建的机场保障装备与背景红外辐射模型，对研制的新型隔热毯进行了结构、材料优化设计与应用研究，得到以下结论:

1)通过理论分析，进行了结构优化设计。提出隔热毯采用3 层结构设计。

图12 两辆车发动机同时开始工作53 min 时红外热图Fig.12 Infrared image of vehicles after running for 53 mins

2)通过理论和实验，进行了材料优化设计。提出隔热毯材料上下2 层采用陶瓷纤维，中间夹层设计采用聚酯薄膜内胆，里面添加相变石蜡胶囊。

3)对所研制的新型隔热毯，进行了实测数据、ANSYS 数值模拟和红外热成像仪探测，结果表明:使用该新型隔热毯后，机场保障装备车头部分与背景的温差能控制在4 ℃以内，符合车辆的伪装要求。

鉴于车体温度场求解的复杂性及环境的影响，所测各类热物性参数的精确度有进一步提高的空间。

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