基于熱管溫控技術(shù)的紅外偽裝應(yīng)用研究

楊輝，謝衛(wèi)，張拴勤，潘家亮

(總裝備部工程兵科研一所，江蘇 無(wú)錫214035)

0 引言

隨著光電技術(shù)的發(fā)展，各種具有高探測(cè)精度、高分辨率的探測(cè)和遙感設(shè)備不斷涌現(xiàn)，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)輛的戰(zhàn)場(chǎng)生存產(chǎn)生了日益嚴(yán)重的威脅，特別是紅外熱成像系統(tǒng)在陸軍武器中的廣泛應(yīng)用，對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)造成的威脅更是不可忽視。熱成像系統(tǒng)借助目標(biāo)與背景紅外輻射的對(duì)比度實(shí)現(xiàn)探測(cè)，目標(biāo)的紅外輻射特性主要取決于其表面溫度及發(fā)射率［1］，因此，降低機(jī)車(chē)表面溫度是減弱目標(biāo)與背景紅外輻射特性差別的一種重要手段。

對(duì)機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)而言，其有效功率的熱當(dāng)量?jī)H為35%～40%，而發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣所帶走的熱量通常高達(dá)35%～40%，風(fēng)扇散熱量為25%～30%.當(dāng)機(jī)動(dòng)目標(biāo)發(fā)動(dòng)機(jī)滿(mǎn)負(fù)荷工作時(shí)，排氣管隔熱層外表面溫度一般在300 ℃～350 ℃之間。在機(jī)車(chē)動(dòng)力艙內(nèi)，排氣管隔熱層外表面的強(qiáng)烈散熱致使發(fā)動(dòng)機(jī)附近的頂甲板和側(cè)甲板將顯著升溫，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的紅外輻射，往往成為現(xiàn)代偵察和制導(dǎo)技術(shù)中發(fā)現(xiàn)、識(shí)別和跟蹤機(jī)車(chē)目標(biāo)的重要依據(jù)［2］。本文利用熱管溫控結(jié)構(gòu)模擬實(shí)現(xiàn)高溫排氣管的紅外偽裝。

1 熱管傳熱理論計(jì)算［3］

通過(guò)建立熱管蒸發(fā)端與冷凝端的蒸汽流動(dòng)壓力降與二者溫差的關(guān)系方程，最終計(jì)算出熱管的傳熱性能，為構(gòu)建熱管溫控紅外抑制模擬試驗(yàn)提供依據(jù)。如圖1所示為熱管傳熱模型示意圖。

圖1 熱管傳熱模型示意圖Fig.1 Heat pipe heat transfer model

1.1 蒸發(fā)段方程

蒸發(fā)段蒸汽形成方式為吸液芯表面液體在表面進(jìn)行蒸發(fā)以及吸液芯內(nèi)液體發(fā)生沸騰。熱管管殼部分:

式中:keff為吸液芯有效導(dǎo)熱系數(shù);hfg為熱管工質(zhì)蒸發(fā)潛熱;ρv為熱管工質(zhì)氣態(tài)時(shí)密度;σ 為表面張力;Tv為管內(nèi)蒸汽溫度;di和dv分別為熱管內(nèi)徑和蒸汽腔直徑;rbled為熱管加熱壁表面所形成的氣泡半徑，且

式中:

Tsat為液面上蒸汽飽和溫度;kl為熱管工質(zhì)液態(tài)導(dǎo)熱系數(shù);pl為工質(zhì)液態(tài)壓力;qb為表面熱流密度。

在熱管內(nèi)部的液體壓力從蒸發(fā)段到冷凝段逐漸上升，蒸汽壓力則相應(yīng)降低。它們的變化趨勢(shì)都在蒸發(fā)段比較明顯，到達(dá)冷凝段后的變化較緩慢，在冷凝段尾部，二者的壓差很小，現(xiàn)假設(shè)冷凝段尾部液體壓力與蒸汽壓力相同。

蒸發(fā)段蒸汽與液體的壓差為熱管中蒸汽流動(dòng)壓力降與液體流動(dòng)壓力降之和。

假定單位長(zhǎng)度上質(zhì)量流量變化是常數(shù)，則

式中:μl為工質(zhì)液態(tài)粘性系數(shù);ml為液體流量，ml=Qheatpipe/hfg;Ap為吸液芯橫截面積;K為滲透率。

假定蒸汽軸向流動(dòng)為不可壓縮層流流動(dòng)，則

蒸發(fā)段蒸汽形成方式僅為吸液芯表面液體在表面進(jìn)行蒸發(fā)，則

式中:T3為蒸發(fā)段吸液芯與工質(zhì)交界面溫度;R0為通用氣體常數(shù);M 為分子量;Tl，evap=T3;ΔTsat為蒸發(fā)面的上下溫差，ΔTsat=Tl，evap－Tv，evap;psat為液面上的飽和蒸汽壓力;Tsat為溫度。

1.2 冷凝端方程

冷凝段蒸汽凝結(jié)以膜狀凝結(jié)為主，蒸汽凝結(jié)后，在芯層內(nèi)的傳熱方式是液體對(duì)流換熱和吸液芯固體骨架的導(dǎo)熱的組合。

蒸汽部分:

由clapeyron 方程可得

由pv，evap－pv，c=Δpv，可得Tv，c.

吸液芯與管殼部分:

式中:pv，evap為蒸發(fā)段工質(zhì)蒸汽壓力;Tv，evap為蒸發(fā)段工質(zhì)蒸汽溫度;pv，c為冷凝段工質(zhì)蒸汽壓力;Tv，c為冷凝段工質(zhì)蒸汽溫度;T4為冷凝段熱管管殼與吸液芯交界面溫度;T5為冷凝段熱管外表面溫度。

4 個(gè)方程(1)式、(7)式、(10)式、(11)式，4 個(gè)未知數(shù)T2、T3、T4、Tv，c，方程組閉合，由此可等效求出熱管的傳熱參數(shù)。

2 高溫排氣管熱管溫控紅外抑制模型建立

構(gòu)建熱管溫控模擬裝置的目的就是通過(guò)比較模擬高溫排氣管經(jīng)過(guò)(或無(wú))熱管溫控裝置的紅外特征對(duì)比，來(lái)說(shuō)明熱管溫控組件的紅外抑制作用。具體的機(jī)車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣管紅外抑制模型如圖2所示，排氣管內(nèi)的高溫尾氣與排氣管內(nèi)管壁有對(duì)流換熱，經(jīng)排氣管管壁的熱傳導(dǎo)，將熱量傳遞給隔熱層，再通過(guò)隔熱層的傳導(dǎo)作用，傳遞給熱管散熱器。這些熱量大部分經(jīng)由散熱片與外界環(huán)境的對(duì)流換熱散失，小部分以自然對(duì)流的形式傳遞給箱內(nèi)空氣。箱體內(nèi)空氣接收熱管的熱量后，經(jīng)與箱體內(nèi)壁的自然對(duì)流換熱，將熱量傳遞給箱體，再經(jīng)箱體外壁與環(huán)境的對(duì)流換熱與對(duì)天空的輻射換熱，將熱量散失到環(huán)境當(dāng)中。

圖2 排氣管紅外抑制模型示意圖Fig.2 Model of exhaust infrared suppression

計(jì)算時(shí)節(jié)假定為夏季夜晚，無(wú)投射輻射，需考慮箱體對(duì)天空的輻射、箱體及散熱器與環(huán)境的對(duì)流換熱，假定環(huán)境溫度為恒定20 ℃，根據(jù)文獻(xiàn)［4］中經(jīng)驗(yàn)結(jié)果，天空溫度定義為0 ℃，計(jì)算此穩(wěn)態(tài)條件下機(jī)車(chē)表面的溫度。怠速狀態(tài)時(shí)，箱體表面與環(huán)境自然對(duì)流換熱，其對(duì)流換熱系數(shù)由經(jīng)驗(yàn)公式h =5.7 +3.8v 算得，此處v 取3 m/s.為增強(qiáng)熱管換熱器與環(huán)境空氣的換熱功率，在散熱肋片處用風(fēng)扇鼓風(fēng)以加大肋片與空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。普通機(jī)車(chē)箱體表面平均溫度約65 ℃，而使用熱管導(dǎo)熱時(shí)箱體表面平均溫度約為22 ℃，且與環(huán)境溫度相差僅為2 ℃.

3 熱管溫控紅外抑制模擬試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1.1 參數(shù)選取

尾氣管道位于封閉箱體中，取管道對(duì)箱體視角系數(shù)F 為1;管道發(fā)射率ε 取最大為1;實(shí)際尾氣排放溫度在300 ℃～400 ℃之間，取管道溫度T1為400 ℃;理想情況下，箱體經(jīng)熱管散熱后處于環(huán)境溫度T2=27 ℃;箱體尺寸0.3 m×0.3 m×0.5 m;管道直徑D 為0.04 m.

圖3 有無(wú)熱管箱體表面溫度分布Fig.3 Temperature distribution of box surface with or without heat pipe

3.1.2 設(shè)計(jì)計(jì)算

由波爾茲曼定律，滿(mǎn)足能量平衡時(shí)候，熱管需要5.67 ×108× (6734－ 3004)×π × 0.04 × 0.5 =的散熱量Qmax= F·ε·σ(T14－ T24)·A = 1 × 1 ×701 W.

實(shí)際應(yīng)用中，熱管不可能完全一致，取保險(xiǎn)系數(shù)1.2，最終確定熱管的功率Q = Qmax×1.2 =701 ×1.2 =841.2 W.

若單根熱管散熱功率額定為100 W，故擬采用9根熱管。

3.2 試驗(yàn)裝置搭建

如圖4所示為管翅式熱管溫控模擬裝置構(gòu)建的實(shí)物。

管翅式熱管溫控模擬裝置由管式加熱爐、熱風(fēng)管道、兩密閉箱和管翅式熱管、油套以及強(qiáng)迫對(duì)流裝置組成。

圖4 管翅式熱管溫控模擬裝置Fig.4 Tube－fin heat pipe temperature simulator

1)管式氣體加熱爐:可達(dá)到的加熱功率5 kW，管式爐內(nèi)溫度可達(dá)1 100 ℃以上，氣體流量為10 m3/min 時(shí)，出口空氣溫度可達(dá)400 ℃以上。冷空氣由風(fēng)機(jī)提供?？諝夤艿罏橹睆?0 mm 的不銹鋼管。

2)密閉箱:2 只，外形尺寸50 cm × 30 cm ×30 cm.一只內(nèi)部管道直接放置于箱體內(nèi)，另外一只內(nèi)部管道上有油套覆蓋。

3)管翅式熱管:單根熱管散熱功率額定為100 W，9 根熱管散熱功率為900 W.熱管熱端浸沒(méi)在密閉箱的油套中，將熱量傳導(dǎo)至箱體外，由冷端帶有風(fēng)冷的翅片散掉。

3.3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

2 個(gè)測(cè)溫?zé)犭娕挤謩e緊密粘貼在2 只密閉箱體表面，實(shí)時(shí)檢測(cè)2 只密閉箱體表面的溫度。采用型號(hào)為FLIR S65 紅外熱像儀(光譜范圍:8～14 μm)檢測(cè)箱體的紅外輻射特性。如圖5所示為加熱器功率P=5 kW 時(shí)模擬裝置的紅外熱圖。

圖5 加熱功率為5 kW 時(shí)的熱圖對(duì)比Fig.5 Thermal image comparison when the heating power is 5 kW

為更直觀地說(shuō)明熱管進(jìn)行溫度控制的作用，表1給出了內(nèi)有熱管的密閉箱與內(nèi)無(wú)熱管的密閉箱的實(shí)際溫度及其溫差。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test data

由圖5和表1可看出，管翅式熱管在熱管溫控模擬裝置中散熱效果顯著，內(nèi)有熱管的密閉箱與內(nèi)無(wú)熱管的密閉箱的實(shí)際溫差達(dá)到29℃，熱抑制效能達(dá)到62.9%.

4 結(jié)論

通過(guò)熱管高效導(dǎo)熱散熱技術(shù)的理論研究，建立了演示模擬裝置，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。計(jì)算了熱源目標(biāo)表面溫度隨熱管功率、對(duì)流換熱條件等的變化規(guī)律，為熱管溫控組件的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù);搭建了高效導(dǎo)熱散熱模擬裝置，該裝置由熱管和高效散熱翅片復(fù)合而成，試驗(yàn)結(jié)果表明，該裝置能夠迅速將熱源部位的熱量轉(zhuǎn)移到散熱翅片上，利用散熱翅片的高效散熱特性將熱量迅速散發(fā)到周?chē)h(huán)境背景中。該裝置驗(yàn)證了熱管在控制機(jī)動(dòng)目標(biāo)在工作時(shí)熱源的溫度方面具有強(qiáng)大功能，為軍用裝備熱源目標(biāo)紅外偽裝提供了一種全新的方法。

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