高温孔口的红外隐身研究

唐晓杰，沈卫东，宋 斌，张铭隆，岳 鑫，杨 翱



高温孔口的红外隐身研究

唐晓杰，沈卫东，宋 斌，张铭隆，岳 鑫，杨 翱

（重庆通信学院 军用特种电源军队实验室 重庆 400035）

为解决高温孔口的红外隐身问题，对高温孔口进行了建模、仿真与实验。结合高温孔口的实际情况，利用Fluent仿真软件建立仿真模型。首先在计算机上进行仿真、分析，然后通过实验进行验证。通过研究发现，采用复合式隔热，红外抑制效果较好，而内壁导翅引流冷却技术能起到良好的冷却效果，综合采用二者能使高温孔口取得良好的红外隐身效果。

高温孔口；红外隐身；引流隔热

0 引言

红外辐射是高温孔口在远红外波段的主要暴露特征，高温孔口的隐身是武器装备隐身技术的关键部分之一[1]。利比亚战争中，卡扎菲军队的很多装甲车辆被摧毁，部分原因是因为其高温孔口的红外特征过于明显，成为了美军导弹活生生的靶子。高温孔口红外隐身技术通过降低或改变目标的红外线辐射特征，并使其与环境温度相接近，从而降低目标被发现的概率、实现目标的低可探测性[2]。这可通过改变结构设计和应用红外线物理原理来衰减、吸收目标的红外辐射能量，使红外线探测设备难以探测到目标[3]。

1 理论研究

1.1 建模分析

1）通过对隔热材料包裹（图1(a)）、封闭空气夹层隔热（图1(b)）以及开放式空气夹层隔热（图1(c)）3种隔热方式的理论计算以及仿真模拟，研究在一定环境温度下3种隔热方式的隔热效果及其影响因素[4]，优化复合获得最佳的高温孔口外壁隔热方案（图1(d)），并经搭建高温孔口实验装置进行实验验证，以获得能自适应环境温度变化的高温孔口外壁红外抑制技术方案及样件。

2）通过对主动喷射气幕（图2(a)）对高温孔口内壁冷却隔热效果进行数值分析，获得喷射气幕结构参数以及气幕喷射速度、温度等对内壁的冷却规律，提出适合于高温孔口内壁气幕冷却隔热的改进措施[5]；采用系列导翅代替孔口内壁，利用孔口内高速气流流动在内壁面开孔导翅处形成的负压，从孔口外引入环境冷空气对内壁进行隔热冷却，如图2(b)所示；采用数值模拟方法研究导翅尺寸、形状以及分布参数对内壁的隔热冷却规律，并自制实验样件进行实验验证，测试其内壁的红外抑制效果。

图2 内壁冷却隔热方案示意图

3）综合外壁开放式空气夹层隔热以及内壁导翅引流隔热冷却两种方案，优化设计一种既能抑制外壁红外特征，又能抑制内壁红外特征的综合抑制方案，如图3所示，以获得满足抑制整个高温孔口红外特征的红外抑制结构，并制作实验样件进行验证，测试其红外特征。

图3 高温孔口红外抑制结构示意图

1.2 仿真分析

1）内壁隔热计算

以截面尺寸为150mm×130mm的高温孔口为计算对象，其当量直径e可按下式计算：

e＝4/=140mm (1)

式中：为截面积，为湿周长。

当孔口内气流速度＝6m/s，＝155℃时，可计算出雷诺数ef＝32307。

孔口内热空气与壁面紊流对流换热的努谢尔特数可由迪图斯-贝尔特公式计算：

Nu＝0.023ef0.8Pr0.3＝83.07 (2)

式中：Pr为普朗特系数。

则对流换热系数为：

＝/e＝22.4W/m2×℃ (3)

式中：为导热系数。

对图1(a)～图1(d)四种隔热方式（隔热层均为10mm厚）进行仿真计算，设环境温度为12℃，自然对流换热系数为6W/(m2×℃)，则高温孔口外表面温度计算结果如表1所示。

从表1的结果可以看出，由于空气的导热系数低于硅酸铝隔热材料，因此封闭空气夹层的隔热效果相对较好，但由于其夹层内空气温度升高，内部产生自然对流，不利用隔热；采用开放式空气夹层时，在利用空气低导热系数优点的同时，利用夹层内热空气与环境冷空气之间的自然对流，及时从环境中引入冷空气到开放式夹层内，可使高温孔口外壁温度随环境空气温度的变化而变化，从而保证外壁温度与环境温度尽量接近，但由于内壁板温度过高，会产生辐射换热以及夹层两壁板间的对流换热，虽对外表面红外特征有较大抑制，但此时效果仍未能满足外表面温度与环境温度之差小于±4℃的要求。当采用硅酸铝隔热材料与开放式空气夹层复合隔热时，其隔热效果比单独采用开放式空气夹层时的效果相当，此时降低了空气夹层内层温度，从而减少了开放式空气夹层的对流及辐射传热，因此在内层壁板温度过高时可考虑隔热材料与开放式空气夹层复合使用。

2）气幕喷射隔热模型

模型示意图如图4所示，高温孔口进口两侧分别有冷空气主动引入，冷气流宽度与管径之比为1: 10。

图4 气幕喷射模型示意图

改变冷气流速度，所计算出的高温孔口内温度场分布图如图5所示。

表1 高温孔口外表面温度计算结果

从图5可以看出，随着所引入冷气流速度的增大，高温孔口内部整个温度场温度趋低，特别是内壁面冷却长度逐渐增长。

图6为不同冷气流速度下，高温孔口内壁温度对比曲线图。从图中可以清楚地看到，随着冷气流速度的增大，被冷却的管内壁呈增大趋势。根据红外隐身技术的相关理论可以知道，当目标和背景的温度相差小于4K时，目标和背景就达到了红外融合，也就是红外探测仪器已不能分辨出其温度差，达到了红外隐身的目的[6]。从图6中可以看出，随着冷气流速度的增大，壁温与环境温差小于4K的内壁长度越长。但冷气幕喷射速度要达到6～12m/s，就必须采用风机等外加动力进行主动喷射，这不利于在实际装备中应用。

图6 不同冷气流速度下排气管内壁温度曲线图

3）内壁导翅引流冷却隔热

由气幕喷射隔热分析可知，在内壁的冷气幕可以冷却壁面并隔热，因而可考虑在高温孔口壁板上开百叶窗式的孔缝，并在孔缝内壁侧设置导流翅片，以在内壁面形成多点气幕喷射。对单侧内壁有导翅的高温孔口的数值仿真结果如图7所示。

从图7中可以看出，利用高温气流快速流动时在壁面导翅处形成的负压，可从外界环境中经三角形百叶孔缝引入环境冷空气，以实现孔口内壁面的冷却隔热。

2 实验测试

2.1 孔口外表面隔热效果测试

高温孔口模拟装置示意图如图8所示，通过电阻丝将冷空气加热，从高温孔口吹出，模拟高温孔口排气。高温孔口模型装置由调速风机、电阻丝加热段和高温孔口段组成，如图9所示，在此基础上分别对10mm厚的封闭空气夹层、开放式空气夹层以及硅酸铝与开放式空气夹层复合使用时高温孔口外壁面的红外辐射进行测试，结果如图10所示。

从图10中可以看出，采用封闭空气夹层有一定的隔热效果，大幅降低了高温孔口壁面的红外辐射，而采用开放式空气夹层隔热时效果更佳。先采用隔热材料隔热再采用开放式空气夹层进行综合隔热，红外抑制效果最好，使高温孔口外壁面与背景的红外辐射相接近[7]。

图7 导翅内壁高温孔口温度场与速度场分布

图8 高温孔口模拟装置示意图

图9 高温孔口模拟装置

图10 不同隔热方式时高温孔口外壁面红外图像

2.2 高温孔口红外抑制结构样件红外辐射特性测试

基于空气夹层隔热以及导翅喷射气幕红外抑制效果的分析，经优化后制作的高温孔口红外抑制结构样件如图11所示，其具有双层结构，相当于形成一个空腔夹层。内层在孔口侧具有隔热材料导翅，外层由向外的百叶组成。采用调压器对调速风机以及加热功率进行调整，用热电偶经数据采集器监测高温孔口各点温度，采用红外成像仪对高温孔口进行红外成像，成像结果如图12所示。

从图12可以看出，采用红外抑制结构以后，高温孔口外表面红外辐射完全与背景相一致，内表面的红外辐射也大大降低，这是因为高速的高温气流在孔口内流动时在内壁导翅开缝出形成负压，使环境冷空气经外层百叶窗进入样件夹层，再经内层缝隙沿导翅流入孔口内壁面附近，从而使高温孔口周围形成开放式的冷空气夹层以在内壁形成多点喷射气幕进行隔热和冷却，使高温孔口在45°～90°角区间无明显的红外特征暴露，具有良好的隐身效果[8]。

图11 高温孔口样件

图12 高温孔口红外抑制结构样件的红外成像

3 结束语

高温孔口的红外隐身问题，本文通过建模分析、理论计算、仿真模拟、实验测试对高温孔口的外部形状、空气冷却方式等进行了研究，通过研究发现采用隔热材料先隔热再采用开放式空气夹层进行二次隔热，红外抑制效果最好，而内壁导翅引流隔热冷却技术能起到良好的冷却效果，综合二者能使高温孔口取得良好的红外隐身效果。

[1] 徐顶国, 桑建华, 罗明东. 红外隐身技术在无人机上的应用研究[J]. 红外与激光工程, 2012(12): 3154-3159.

[2] 刘洋, 林一楠. 激光与红外隐身技术的发展[J]. 舰船电子工程, 2011(6): 19-23.

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[4] 吴博, 张靖周, 单勇, 等. 加遮挡罩二元喷管红外辐射特性数值研究[J].航空动力学报, 2011(10): 2287-2291.

[5] 李家春, 杨春, 郑宏飞. 利用装甲车辆排气引射的红外抑制器[J]. 四川兵工学报, 2011(10): 70-75.

[6] 吴行, 郭巍, 郑振忠. 装甲车辆红外隐身技术的发展趋势[J]. 中国表面工程, 2011(2): 6-10.

[7] 周军龙, 吕相银, 周元璞. 舰艇红外隐身技术的探讨[J]. 现代防御技术, 2012(6): 113-117.

[8] 王刚, 孙嗣良, 张凯. 飞机目标的红外建模与探测器成像[J]. 科学技术与工程, 2012(2): 377-380.

Research on the Infrared Stealth of High Temperature Orifice

TANG Xiao-jie，SHEN Wei-dong，SONG Bin，ZHANG Ming-long，YUE Xin，YANG Ao

(,400035,)

To solve the problem on the infrared stealth of high temperature orifice, the article conducts modeling, simulation and experiment on the high temperature orifice. Combined with the actual situation of the high temperature orifice.Fluent simulation software is used to simulate model. Firstly, Simulation and analysis are made on the computer. Secondly, validation is made by experiment. Through the study, using composite insulation can make the infrared suppression better, the inner wall pilot wings drainage cooling technology can produce a good cooling effect and using a combination of the two can achieve good infrared camouflage effect for high temperature orifice.

high temperature orifice，infrared stealth，drainage insulation

TN219，TN976

A

1001-8891(2015)05-0441-07

2014-09-30；

2015-03-09.

唐晓杰（1985-），男，重庆通信学院硕士研究生，主要研究方向为高温孔口的红外隐身，E-mail：tangxiaojie198577@163.com。