水下熱目標紅外可探測性研究

郝果清，張 亮

（1.93656部隊工程師，北京 101104；2.陸軍工程大學軍械士官學校，武漢 430075）

1 引言

潛艇在水下活動，以海水作掩護，偵察飛機、偵察衛(wèi)星都難以發(fā)現(xiàn)它的行蹤。但是，潛艇航行時發(fā)動機和螺旋槳發(fā)出的聲音，龐大身軀對聲波的反射，使?jié)撏Ш苋菀壮蔀槁暭{捕捉的目標。不僅如此，潛艇的潛望鏡必要時對水面進行觀察，常規(guī)動力潛艇的通氣管不時伸出水面吸進空氣，雖是“蛛絲馬跡”，也會使敵搜索雷達有可乘之機。

2 紅外熱像儀探測性能

紅外熱像儀是能夠實現(xiàn)熱像測溫的精密儀器，是紅外熱像測溫的核心設備。它利用實時的掃描熱成像技術進行溫度分析，具有結構簡單、功能強大、測溫快等特點。

由于紅外熱像儀屬于窄帶光譜輻射測溫系統(tǒng)，使用其進行溫度測量時所測得的物體表面溫度，不是直接測量得到的，而是以測到的輻射能計算出來的。因此，實際測量時，測量精度受被測表面的發(fā)射率和反射率、背景輻射、大氣衰減、測量距離、環(huán)境溫度等因素的影響。

3 水下熱源溫度場分布研究

3.1 水下熱源特性與量化描述

水下熱源的種類多種多樣，但就軍事方面而言，為突出重點，本文研究者將著重考慮研究水下核潛艇這一熱源的可探測性。

任何核潛艇，無論大小種類，其動力系統(tǒng)原理都是通過核子反應爐產(chǎn)生的高溫讓蒸汽機中產(chǎn)生蒸氣之后驅動蒸氣渦輪機，來帶動螺旋槳或者是發(fā)電機產(chǎn)生動力。假設核潛艇反應爐功率為：P

其在轉化為動力或電力時，必然有能量損失，不妨設轉化效率為：η

那么，核潛艇的熱損失為：P損=(1-η)P

根據(jù)能量守恒和潛艇工作原理可知，這些熱量將艙內(nèi)水加熱并排出潛艇，因此有：P損t=cmΔT

式中，t表示時間；c表示海水比熱容；m表示加熱水的質量；ΔT表示溫度增量。實際上，潛艇對外排水是連續(xù)過程，故有：m=ρsvt

s表示排水口面積。兩式聯(lián)立，有：P損=cρsvΔT

上式表征了潛艇能量損失和排水速度、溫度的關系，對后文的參數(shù)估算起到重要作用。

潛艇作為熱源，還具有體積特點，這里為簡化模型，將潛艇看做一個實體圓柱，表面溫度與海水水溫相當。潛艇深度為h（單位：米），在默認情況下，認為潛艇處于靜止狀態(tài)。

3.2 海水水文邊界條件的確定

由上文可知，要解決可探測性問題，首先要求出熱源在水中的溫度場分布，而要求出熱源在水中的溫度場分布，核心就是解3.3節(jié)中的偏微分方程組，這里我們先給出其海水邊界條件。根據(jù)相關水文資料可知，海水日變化溫度很小，在水深350米左右為恒溫層，每下降1000米，水溫下降1到2度，對于潛艇而言，下潛深度一般為幾百米，故可認為潛艇處在水溫恒定的區(qū)域，我們將用太平洋年平均水溫20度來作為海水的溫度邊界條件。

在太平洋中，深度小于300米的表層為風漂流層，海面的風應力與水平湍流應力的合力，與地轉偏向力平衡后，及形成風漂流，潛艇一般都處于這一洋流中，其速度一般有幾厘米每秒到幾米每秒不等，在后文計算中，將詳細考慮這一點。

3.3 海水表面溫度場梯度分布

確定了海水速度和溫度等邊界條件，接著。下面使用FLUENT軟件求解。這里將從潛艇下潛深度、洋流速度、移動速度等方面分別對其進行求解。在本節(jié)中，考慮熱像儀探測性能和海洋環(huán)境、噪聲等，為排除虛警，我們將熱像儀的溫度分辨率認為是0.2℃。

由于潛艇下潛深度一般為幾百米，由上節(jié)可知，可認為潛艇處在恒溫區(qū)域，我們用太平洋年平均水溫20度來作為海水的溫度邊界條件；為簡化計算模型，我們將潛艇抽象為一個長20米，半徑2米的圓柱，圓柱的底端恒功率向外排熱，以尼米茲核潛艇為例：

尼米茲級核潛艇功率為：

P=194兆瓦

一般核潛艇的能量利用率大概90%，故有：

得：

v=0.459m/s

即以每秒0.0459米的速度向外排出100度的熱水。

我們首先研究40米深處靜止?jié)撏?，海水洋流速?.1米每秒的條件下，邊長為200米的立方體內(nèi)海水的溫度場分布。模型如下：

圖1 gambit網(wǎng)格模型圖

其中，白色圓柱為潛艇，紅色網(wǎng)格為計算區(qū)域。

通過軟件求解，得到潛艇從開始啟動到達到穩(wěn)態(tài)溫度場分布圖：

圖2 潛艇周邊海水熱場分布圖（側面）

到達穩(wěn)態(tài)時，海水表面的溫度場分布為：

仿真發(fā)現(xiàn)，尼米茲級核潛艇在下潛40米時，如果時間夠長，將在海面上形成一個圓環(huán)狀溫度梯度場，直徑大約132米，與遠處海水溫差大概2度，已經(jīng)足以達到可探測的標準。事實上，形成穩(wěn)態(tài)的時間是非常長的，大約幾十分鐘到幾個小時不等（與海水流速有關），這與實際不符。但研究穩(wěn)態(tài)十分有必要，如果穩(wěn)態(tài)時都無法探測，短時間內(nèi)更不可能探測到。

圖3 海水表面熱場分布圖