红外辐射特性增强结构研究

邹晓风，张 娟，张欣光，石欣亚，赵斌陶

0 引 言

在目标探测实验过程中，经常提出对高温目标特性的模拟需求。仅仅通过结构特征很难达到模拟较高红外辐射特征的目的，因此需要采取一定的红外辐射特性增强技术来实现合作目标特性。

红外辐射特性增强技术是利用外加能量或采取化学反应制热等方式控制目标表面的红外辐射强度。对于特定结构形式的目标表面，红外辐射强度与表面红外辐射系数及温度有关。选用高辐射系数表面材料或增加表面温度均可在一定程度上提高红外辐射强度[1]。

考虑增强结构热分布的均匀性，可采用电加热材料贴附在增强结构内表面，利用电能转换为热能实现红外辐射特性增强。

由于红外辐射强度表征只与结构表面状态有关。电加热结构的设计，除能够利用有限的电池容量满足长时间的红外辐射特性增强的要求外，还需要减少热量向内部的热传导损失以保证红外增强结构内部设备正常工作的温度环境，因此需要设计具有隔热措施的红外辐射特性增强结构。空间目标可利用体积小以及复杂的结构构型，此前常用的多层隔热材料由于安装问题并不适用。本文提出的热控结构形式，在解决空间特殊应用环境需求方面具有一定优势。

综上，研究红外辐射特性增强结构，对提高能量使用效率、实现红外辐射强度有效表征具有重要意义。

1 红外辐射特性增强结构

1.1 增强原理

红外辐射特性增强结构表面近似认为为灰体，从红外物理学知，结构表面光谱红外辐射出射度满足普朗克定律[2]：

式中 ),(TMλ为光谱辐射出射度；0ε为辐射系数，与结构表面物理状态有关；λ为辐射波长；1c为第一辐射常量； c2为第二辐射常量；T为表面温度。

光谱辐射强度 I(λ,T,α)为

式中 α为视线方向与结构法线的夹角； ()Aα为与视角α相关的结构投影面积。

红外诱饵在指定波段内的红外辐射强度通过对式（2）进行光谱积分得到，即为

式中1λ，2λ分别为波段的下限波长和上限波长。

通过式（3），根据红外辐射特性增强要求可反算出结构表面温度。红外辐射特性增强设计最终反应在增强结构表面温度设计上。因此，在采用电加热功率一定的前提下，为了获取较高的表面温度，需要减少能量向结构内部传递造成的能量无效损耗，从而提高能量利用效率。

1.2 增强结构设计

采用电加热方式提高增强结构表面的平衡温度，电加热功率需满足结构表面单位时间与外界热交换能量的损失。在不考虑结构表面与外部对流换热时，增强结构的能量守恒关系式为[3]

式中 ΔE为外加热源热量；Econduct为电加热层向结构内部传导热量损失； Eemit为表面向外辐射的能量。因此，可通过采用隔热设计减少/阻断电加热层向结构内部热量传导，将外热源能量尽可能地用于维持结构表面较高的平衡温度，从而用有限的电池载荷实现红外辐射特性增强长时间工作。

隔热设计通常采用多层隔热材料作为隔热层，例如采用镀铝聚酯薄膜作为反射层，纤维纸（布）或尼龙网、涤纶网作为间隔物，通过增加反射层数，降低隔热层有效热导率[4]。这类材料较为柔软，同时加热层和固定层之间的安装厚度一般较为有限，多层隔热材料的安装较为复杂。考虑到静止空气的导热系数约为0.04，若在加热层和固定层自然封装空气层，可减少外热源热量向结构内部热传导损失。采用空气层为隔热层的红外辐射特性增强结构如图1所示。

图1 红外辐射特性增强结构形式Fig.1 The Stlye of Infrared Radiation Enhancement Structure

由图 1可知，红外辐射特性增强结构主要包括 5层，分别为表面层、加热层、空气层以及内、外结构层。辐射层为红外辐射特性具体表征层，一般采用较大辐射系数的材料或涂层。电加热层为片状发热电阻，贴附在表面层内表面；空气层结构间隙，自然封装空气。

2 红外辐射特性增强结构性能分析

为分析设计的红外辐射特性增强结构能否有效减少外热源向结构内部传导损失，利用有限的能量载荷达到红外辐射强度增强要求，利用有限元建立模型的网格热分析模型进行分析计算[5,6]。红外辐射强度增强目标值不小于20 W/sr（波段：3～5 μm）；目标表面辐射系数设定为 0.9，由式（4）可知，表面层温度应增加到250 ℃以上。

采用热分析软件进行建模，对采用空气层的红外辐射特性增强结构和无空气层结构（如图2所示），在相同外热源作用下温度分布特征进行分析。

图2 红外辐射特性增强结构形式（无空气层）Fig.2 The Style of Infrared Radiation Enhancement Structure(No Air Layer)

针对图1和图2的结构形式，分别在加热层上施加2000 W/m2的热流，计算表面层、加热层以及内结构层的温度在200 s内的变化情况。两种状态的仿真结果对比如表 1所示，两种结构下各层温度对比如图 3所示。

表1 仿真对比的两种状态Tab.1 The Contrast of Two States

图3 两种结构各层温度对比Fig.3 The Temperature Comparison of Two States

由图 3可知，没有采用隔热措施的红外辐射特性增强结构，在外热源的作用下，表面层和加热层温度在60 s时刻温度约为130 ℃，在长达200 s的工作时间内，两层温度上升缓慢；内结构层表面温度在200 s内上升至110 ℃，由于内、外结构层厚度较厚、材料比热大，外加电能很大一部分转换为结构层内能。

采用空气层作为隔热层的增强结构，由于空气导热系数较小，减少了电热源能量向结构内部热传导损失，在200 s时刻内结构层温度仅约75 ℃。电能利用率的提高，使得红外辐射特性增强结构的辐射层温度上升速度及幅度大幅提高，60 s时刻温度上升到257.28 ℃，能够实现较高的红外辐射强度的表征。

3 红外辐射特性增强结构性能测试

为了验证红外增强结构的空气隔热层性能的分析结果，按照图1制作了如图4所示的原理试验件，在室内大气条件下进行了加热原理试验，试验方法参照文献[7]。采用热电偶采集表面层、加热层以及内结构层表面的温度变化，并将试验结果与理论值进行对比分析。

图4 试验件各层分布情况Fig.4 Different Layers of the Test Article

试验场景如图5所示，试验件通过支架水平放置，利用地面直流稳压电源的两个电极引脚为加热片提供不同的加热功率，利用热电偶温度采集系统实时地获取表面层、加热层表面及内结构层表面的温度数据。利用红外热像仪获取表面层红外图像数据，图 6为120 s时表面层红外图像，由于加热层和表面层粘接的不均匀引起红外图像不是十分均匀。

图5 试验场景Fig.5 The Test Scene

图6 红外测量图像Fig.6 The Measured Infrared Image

图7 为试验测量与计算结果。试验加热层施加的功率密度为 21 000 W/m2。由于试验在大气环境中进行，因此计算模型中在表面层上施加了对流载荷。

图7 试验测量与计算结果Fig.7 The Measured Data and the Computing Result

由图7可知，测量和计算的表面层温度随时间上升趋势基本相同，120 s时刻平衡温度均在 260 ℃左右；加热层计算和测试温度结果具有较好的一致性；内结构层表面在120 s时间内温度增加不明显。计算和测试结果一致性好说明理论模型正确的同时，也说明了采用空气层作为隔热层对提高红外增强结构能量利用率有效。

4 结束语

本文对红外辐射特性增强结构进行分析研究，提出了采用空气层为隔热层的增强结构，并进行了建模分析计算和试验测试。计算和测试结果表明：采用空气层为隔热层可有效减少能量与结构内部的热量交换，提高电能利用率，达到红外增强的红外辐射强度要求。结果表明：红外辐射特性增强结构通过结构形式优化，提高了能量利用效率，为解决空间目标能量载荷不足提供了一种新途径。

[1] 闵桂荣. 卫星热控制技术[M]. 北京： 中国宇航出版社, 2005.

Min Guirong. The technology of satellite thermal control[M]. Beijing：China Aerospace Publishing House, 2005.

[2] Gartley M G. Polarimetric modeling of remotely sensed scenes in the thermal infrared[D]. America： University of Rochester, 2002.

[3] 李鸣, 杜小平. 空间目标红外辐射特性分析[J]. 江苏航空, 2011(1)： 9.

Li Ming, Du Xiaoping. The analysis of infrared spectrum of space target[J].JiangSu aviation, 2011(1)： 9.

[4] 候增祺, 胡金刚. 航天器热控制技术： 原理及其应用[M]. 北京： 中国科学技术出版社, 2007.

Hou Zengqi, Hu Jingang. Thermal control technology of spacecraft：Principle and application[M]. Beijing： China Science and Technology Press, 2007.

[5] 李心元, 程养民, 李怀念, 等. 固体战术导弹红外辐射特性对突防效能的影响[J]. 战术导弹技术, 2013, 3(2)： 43.

Li Xinyuan, ChengYangmin, Li Huainian et al. Research on the effect of tactical solid missile infrared radiation on penetration effectiveness[J].Tactical missile technology, 2013, 3(2)： 43.

[6] 成志驿, 李明博, 李健, 等. 目标和背景的红外辐射特性仿真方法[J].红外与激光工程, 2013, 42(9)： 2338.

Cheng Zhiyi, Li Mingbo, Li Jian, et al. Simulation method for characteristics of infrared radiation of target and backgroud[J]. Infrared and Laser Engineering, 2013, 42(9)： 2338.

[7] 刘莹奇，刘祥意, 等. 空间目标的地基红外辐射特性测量技术研究[J].光学学报, 2014, 34(5)： 0512003-1-0512003-7.

Liu Yingqi, Liu Xiangyi, et al. Research on technology of ground-based infrared radiation feature measurement for space target[J]. Acta optica sinica, 2014, 34(5)： 0512003-1-0512003-7.