基于軍用飛機的熱流模擬輻照系統(tǒng)

王丹藝，蔣山平，楊林華

(中國空間技術(shù)研究院 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094)

0 引言

隨著軍用飛機需求的日益增長，針對其性能檢測的環(huán)境試驗設(shè)備需求也備受關(guān)注，環(huán)境試驗設(shè)備主要包括熱環(huán)境、光照環(huán)境、冷環(huán)境等，其中熱環(huán)境及光照環(huán)境多采用紅外加熱籠進行環(huán)境升溫，通過提升溫度模擬光照熱環(huán)境，但紅外加熱籠的光譜仿真及均勻性方面與真實光照有很大差距[1-4]。光照模擬技術(shù)的實現(xiàn)主要有太陽模擬器及太陽輻照燈陣兩種方式。太陽模擬器主要為空間相機及衛(wèi)星進行熱平衡試驗，提供與太陽光譜分布相匹配且均勻性、準直性較高的太陽光輻照面，但其結(jié)構(gòu)復雜、成本較高。太陽輻照燈陣主要應用于航空航天、汽車車輛、材料性能檢測、農(nóng)業(yè)育種等領(lǐng)域，相對于太陽模擬器，其結(jié)構(gòu)簡單、經(jīng)濟性好、輻照面積大[5-9]。

國內(nèi)外對大型輻照模擬設(shè)備進行了相關(guān)研究。日本大和住宅工業(yè)公司建造的大型環(huán)境模擬室，輻射強度為1 163 W/m2.美國麥金利環(huán)境試驗中心的主模擬室可以進行太陽輻射熱效應的模擬。英國皇家陸軍裝備研究院太陽輻射模擬設(shè)備也可以模擬太陽輻射熱效應[10-15]。國內(nèi)北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所研制的單面墻體垂直布置式燈陣，可以實現(xiàn)20 m×20 m超大輻照范圍光照模擬，輻照面內(nèi)平均輻照能量為400.4 W/m2，在600～700 nm和965～995 nm兩個譜段內(nèi)輻照能量分別為48.5 W/m2和5.1 W/m2，光線入射角連續(xù)可調(diào)。西安交通大學等單位也進行過類似研究，研制出輻照范圍為2.0 m×1.5 m、輻照能量為1 000 W/m2、輻照均勻性優(yōu)于±5%的光照系統(tǒng)[16-21]。

為滿足軍用飛機座艙的熱流模擬需求、提高熱流模擬的準確性，本文建立一套大功率輻照模擬裝置，該裝置可在低氣壓環(huán)境下模擬太陽輻照環(huán)境。根據(jù)常用軍用飛機需求，該裝置需要滿足輻照范圍達到1 500 mm×3 500 mm、輻照能量在0.8～1.5 sc(1 sc=1 353 W/m2)內(nèi)連續(xù)可調(diào)，輻照均勻性可達到±15%.

1 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)設(shè)計

本文設(shè)計的軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)采用氙燈燈陣結(jié)構(gòu)，以盡可能真實地再現(xiàn)高空太陽輻照熱流環(huán)境，通過選用光譜分布接近太陽光譜的光源，將電能量轉(zhuǎn)換成光通量，光源發(fā)出的光線經(jīng)過燈具匯聚、勻光再投射到飛機座艙上，形成模擬太陽輻照特性的光束，從而達到熱流模擬的目的。主要指標為光學輻照能量指標及光學輻照均勻性指標，該性能指標要求等同于太陽模擬器主要技術(shù)指標。

1.1 光源

根據(jù)軍用飛機座艙外形尺寸，擬需要輻照范圍約為1 500 mm×3 500 mm、輻照能量為0.8～1.5 sc的光照系統(tǒng)。根據(jù)以上要求，選擇3 000 W氙燈光源作為熱流模擬輻照系統(tǒng)光源，其光譜分布與太陽光譜最為接近，可真實地模擬因太陽光照引起的熱環(huán)境，且其性能亮度高、壽命長，性價比更高。

1.2 燈具

單燈燈具(見圖1)主要由風道、觸發(fā)器、光源組等組成。燈具外殼采用鋁板激光精確切割后進行折彎焊接，打磨后進行表面噴塑處理。反射器采用高純鋁反射器，進行表面陽極氧化處理。

圖1 單燈結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure drawing of single lamp

1.3 冷卻系統(tǒng)

單燈燈具冷卻系統(tǒng)由進風、出風兩部分組成(見圖2)。進風口在燈具頂部，空氣從頂部進風口進入燈具內(nèi)部，通過導流筒到達光源發(fā)光殼體部位，再通過反射罩的開口進入燈體腔體，然后通過排風風道將熱空氣排出。

圖2 單燈燈具冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure drawing of luminaire cooling system for single lamp

2 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)仿真計算分析

熱流模擬輻照系統(tǒng)采用陣列式燈陣布局。首先對單燈結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，單燈結(jié)構(gòu)設(shè)計中主要考慮配光強度符合高斯分布；其次根據(jù)輻照面積、輻照距離等要求，配合單燈功率、燈具間距及單燈高斯分布的配光進行整體考慮，選擇最優(yōu)燈陣數(shù)量及布局進行優(yōu)化設(shè)計。在燈陣整體設(shè)計過程中主要考慮將燈具邊緣拼接處輻照能量較弱處進行重疊，從而達到與單燈燈具中心輻照強度接近的效果，最終使系統(tǒng)整體達到均勻性要求。

2.1 單燈燈具仿真模擬設(shè)計

本文主要采用LIGHTTOOLS軟件對單燈及燈陣整體進行仿真，以精確地定義光源的形狀和發(fā)光特性，利用蒙特卡洛法光線追跡，得到接收表面上的光照度、強度或亮度。其中單燈反射器角度控制在50°左右，如圖3所示，圖3(a)為單燈燈具仿真整體圖，圖3(b)為單燈光柵模擬效果圖。結(jié)合圖3(a)和圖3(b)可以得出以下結(jié)論：半徑為200 mm內(nèi)的光照區(qū)域強度達到1 500 W/m2，半徑為500 mm內(nèi)的光照區(qū)域強度達到1 000 W/m2.由此可見，單燈能量值可滿足使用需求，輻照均勻性較好，仿真結(jié)果與實際光度測量結(jié)果基本一致。

圖3 單燈燈具仿真Fig.3 Single lamp luminaire simulation

2.2 熱流模擬輻照系統(tǒng)模擬計算

2.2.1 熱流模擬輻照系統(tǒng)設(shè)計

根據(jù)單燈燈具仿真分析，并考慮熱流模擬輻照系統(tǒng)對輻照范圍、均勻性及能量的要求，主要仿真邊界參數(shù)包括輻照范圍不小于1 500 mm×3 500 mm，輻照面距離燈陣系統(tǒng)1 000 mm處。光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)將在18套燈具(A方案)和21套燈具(B方案)兩種組合成燈陣模式中選擇一種。

采用DIALux軟件對輻照系統(tǒng)整體進行初步照明仿真模擬，根據(jù)燈具數(shù)量進行任意組合排列、計算結(jié)果，并有多種詳細數(shù)據(jù)輸出，適用于輻照面積較大的光學系統(tǒng)，其中DIALux軟件計算單位為流明(lx)，對于3 000 W氙燈，1 W/m2=98 lx.在DIALux軟件中預設(shè)一個5 m×8 m×3 m的空間中心(見圖4)，其中輻照面積為1 500 mm×3 500 mm，在距離地面1 000 mm處放置18套3 000 W氙燈燈具及21套3 000 W氙燈燈具，在輻照面1 000 mm處增加仿真計算點位。

圖4 熱流模擬輻照系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Simulation diagram of heat flow simulation irradiation system

從圖4中可以看出：A方案組成的燈陣系統(tǒng)散熱效果更好，工作時對冷卻風量的要求較低，但燈陣系統(tǒng)的輻照均勻性為16.4%，輻照能量最高可達到198 940 lx(2 030 W/m2)；B方案組成的燈陣系統(tǒng)對冷卻系統(tǒng)要求較高，但輻照均勻性最高可達到14%，電源滿功率工作時，輻照系統(tǒng)的能量值可達到225 400 lx(2 300 W/m2).對比以上結(jié)論可知，兩種方案輻照能量均滿足要求，方案A均勻性未滿足要求，方案B均勻性、輻照能量均可以滿足使用要求，且在后續(xù)使用中高輻照能量應用更為廣泛，因此選用B方案即21套單燈燈具組成的輻照系統(tǒng)。

2.2.2 熱流模擬輻照系統(tǒng)模擬仿真

針對熱流模擬輻照系統(tǒng)單燈及整體的初步仿真結(jié)果，選擇21套單燈燈具結(jié)構(gòu)。采用3 000 W氙燈，燈具設(shè)為均布結(jié)構(gòu)，每只燈具間隔650 mm.通過LIGHTTOOLS軟件對整體進行進一步詳細仿真模擬(見圖5)，在距離地面1 000 mm處放置21套3 000 W的氙燈燈具，在輻照面1 000 mm處增加仿真計算點位。

從圖5可見，在距離熱流模擬輻照系統(tǒng)1 m處的表面最高輻射強度(見圖6)為2 569 W/m2，最低輻射強度為2 003 W/m2，該區(qū)域內(nèi)輻照度均勻性為±12.4%.

由于軍用飛機座艙結(jié)構(gòu)原因，其接受光照的高度也有區(qū)別，通過以上方法對熱流模擬輻照系統(tǒng)距試件分別為1.0 m、0.9 m、0.8 m、0.7 m 4種工況進行仿真計算，結(jié)果如表1所示。

表1 仿真計算結(jié)果Tab.1 Calculated results

通過表1可以看出，熱流模擬輻照系統(tǒng)基本可以滿足使用需求，光照均勻性均優(yōu)于15%，輻照能量最高可達到2 003 W/m2即1.89 sc，最低可以達到1 930 W/m2即1.42 sc，當輻照面距離系統(tǒng)1 000 mm時輻照均勻性最優(yōu)、輻照能量最高。

2.3 結(jié)構(gòu)受力分析

熱流模擬輻照系統(tǒng)總質(zhì)量約為400 kg，由于輻照系統(tǒng)支撐結(jié)構(gòu)采用內(nèi)側(cè)彎曲形式，需要充分考慮結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，在此通過SOLIDWORKS軟件對輻照系統(tǒng)進行力學仿真分析(見圖7)。

圖7 輻照系統(tǒng)框架受力分析Fig.7 Stress analysis of irradiation system frame

經(jīng)過計算，整個結(jié)構(gòu)最大變形量為0.8 mm，結(jié)構(gòu)強度完全滿足安全使用要求。

2.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

燈具的布置方式為橫排式布燈，布置3排，每排布置7套，共21套燈具。系統(tǒng)冷卻分為上下兩層結(jié)構(gòu)，整體進風采用單側(cè)進風、對側(cè)排風方式。如圖8所示。

圖8 輻照系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of irradiation system

3 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)性能測試

3.1 系統(tǒng)性能測試

根據(jù)光學系統(tǒng)、機械系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)的設(shè)計進行加工、安裝及調(diào)試，對調(diào)試安裝后熱流模擬及精確控溫系統(tǒng)整體進行性能測試，主要是對距離系統(tǒng)1 000 mm處、輻照范圍為1 500 mm×3 500 mm內(nèi)的輻照能量及輻照不均勻性進行測試，如圖9所示。

圖9 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)Fig.9 Military heat flow simulation irradiation system

3.1.1 輻照能量測量

輻照能量測量采用絕對輻射計、惠普34970A數(shù)據(jù)采集表和臺式計算機。其中，絕對輻射計進行能量采集，壓值，數(shù)據(jù)采集表輸出相應的電壓值信號，并傳輸?shù)脚_式計算機上進行實時記錄，按(1)式計算輻照能量：

(1)

式中：Ei為絕對輻射計第i次測量的輻照能量(W/m2)；Ui為絕對輻射計第i次有光照時測量的電壓值(μV)；Ui0為絕對輻射計第i次無光照時測量的電壓值(μV)；S為絕對輻射計靈敏度，取值為5.01 μV·m2/W.

按(1)式計算多次測量的平均輻照能量：

(2)

式中：E為平均輻照能量(W/m2)；n為測量次數(shù)，n≥3.

3.1.2 輻照不均勻性測量

輻照不均勻性測量采用均勻性測試儀、惠普34970A數(shù)據(jù)采集表和臺式計算機，其中均勻性測試儀由二維掃描機構(gòu)、硅光電池和溫度控制系統(tǒng)組成。在記錄的均勻輻照面分布曲線上，選出整個輻照面的最大值和最小值，記為Emax和Emin，按(3)式計算輻照面不均勻性ΔE：

(3)

表2所示為軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)性能參數(shù)表。從表2中可以看出，在距離熱流模擬輻照系統(tǒng)1 000 mm處，輻照范圍1 500 mm×3 500 mm內(nèi)均勻性最優(yōu)可達到13.3%，當電源滿功率工作時，輻照能量可達到2 435 W/m2，即1.80 sc.以上結(jié)果表明，熱流模擬輻照系統(tǒng)的實際性能測試與仿真模擬數(shù)據(jù)還存在一定差距，其中輻照能量基本相同，但輻照均勻性較低。這是因為傳統(tǒng)大中型太陽模擬器結(jié)構(gòu)包含積分器組件，因此輻照不均勻性指標通常為5%～8%左右。而本文熱流模擬輻照系統(tǒng)采用多燈陣列結(jié)構(gòu)，僅通過燈具輻照能量的疊加，使系統(tǒng)整體達到均勻性要求。后續(xù)可根據(jù)測量數(shù)據(jù)對熱流模擬輻照系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對單燈燈具反射鏡進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對整體燈陣布局間距等進行調(diào)整，以及安裝調(diào)試過程中對單燈光源位置進行調(diào)整，從而達到輻照能量和輻照均勻性提高的效果。

表2 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Performance parameters of military heat flow simulation irradiation system

3.2 單燈低氣壓環(huán)境試驗

熱流模擬輻照系統(tǒng)主要用于軍用飛機座艙輻照試驗，軍用飛機飛行高度不同，氣壓環(huán)境有所不同，在此針對熱流模擬輻照系統(tǒng)，選用7種常見飛行海拔高度，對單燈結(jié)構(gòu)進行低氣壓環(huán)境下的點燈試驗，試驗工況如表3所示。

表3 單燈低氣壓環(huán)境試驗工況Tab.3 Low pressure environment test conditions of single lamp

將單燈燈具放置在容器內(nèi)，從5 km海拔高度逐漸升至18 km海拔高度，提供溫度為20 ℃、風流量為133 kg/h的冷卻風。從5 km海拔高度開始點燈，在每個高度進行單燈觸發(fā)點燃工作。氙燈順利點燃后，關(guān)閉氙燈改變氣壓，逐步將海拔高度升至18 km，期間設(shè)置5個擋位，觀察氙燈是否可在低氣壓環(huán)境下正常使用，如圖10所示。

圖10 單燈低氣壓環(huán)境試驗Fig.10 Low pressure environment test of single lamp

表4所示為單燈低氣壓試驗結(jié)果。從表4中可以看出：單燈在12 km海拔高度以下可正常點燃、工作；在12 km海拔高度點燃氙燈后對氣壓進行調(diào)整，單燈仍可正常工作。以此可推斷，熱流模擬輻照系統(tǒng)也可在低氣壓環(huán)境下進行點燈工作，可在12 km高度點燃氙燈后實現(xiàn)對氣壓的降低。

表4 單燈低氣壓試驗結(jié)果Tab.4 Low-pressure test results of single lamp

通過單燈低氣壓環(huán)境試驗可以看出，熱流模擬輻照系統(tǒng)單燈結(jié)構(gòu)能夠在低氣壓環(huán)境下工作，并可在氙燈觸發(fā)后進行能量調(diào)節(jié)，從而模擬不同飛行高度下的光照環(huán)境。后續(xù)可進行低溫環(huán)境試驗及熱流模擬輻照系統(tǒng)整體的特殊環(huán)境試驗，以期為軍用飛機環(huán)境控制系統(tǒng)及環(huán)境模擬技術(shù)打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本文采用氙燈陣列模式建立軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)，用于地面模擬空中環(huán)境或飛機座艙工作環(huán)境。針對軍用飛機座艙光照需求對系統(tǒng)進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及選型對比，通過LIGHTTOOLS、DIALux、SOLIDWORKS軟件對熱流模擬輻照系統(tǒng)進行光學、力學仿真設(shè)計。最終，進行整體性能測試及單燈低氣壓環(huán)境試驗。得出主要結(jié)論如下：

1) 整體性能測試結(jié)果表明，系統(tǒng)輻照能量及均勻性與設(shè)計結(jié)果基本一致，最大輻照能量可達到2 435 W/m2，即1.80 sc，輻照均勻性可達到±13.3%.

2) 單燈低氣壓環(huán)境試驗表明，熱流模擬輻照系統(tǒng)單燈結(jié)構(gòu)可以滿足低氣壓環(huán)境使用。

3) 軍用熱流模擬輻照系統(tǒng)可以滿足軍用飛機座艙常用需求，后續(xù)可根據(jù)試驗結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并開展特殊環(huán)境試驗等。