空間圓柱形目標的熱效應研究

白心愛

（呂梁學院物理系，山西呂梁033000）

空間圓柱形目標的熱效應研究

白心愛

（呂梁學院物理系，山西呂梁033000）

應用熱網(wǎng)絡法和數(shù)值分析法，對空間圓柱形目標的熱效應作了初步研究，并對兩種不同形狀氣球的熱效應進行了對比。

圓柱形；目標；熱效應

目前，一些新興導彈國家研究了一種重要的NMD對抗措施—反模擬氣球誘餌[1]。這種對抗措施是將含彈頭的氣球（目標）與空氣球（誘餌）一同釋放，以迷惑對方無法識別真假目標。由于彈頭的熱效應會給NMD系統(tǒng)一些目標識別的信息，所以空間目標的熱效應研究顯得尤為重要。文獻[2]已對空間球形目標的熱效應作了初步的研究，本文對空間圓柱形目標的熱效應作一些初步的研究。

1 概述

通過氣球內(nèi)氣體的熱傳導；運動導致的氣體對流。

圖1 節(jié)點網(wǎng)絡模型

彈頭的存在，使含彈頭氣球與誘餌的熱效應不同。下面我們分別對這兩種情況下圓柱形目標的溫度場分布以及輻射特性進行計算及討論，最后分析、討論側(cè)面劃分網(wǎng)格數(shù)不同時節(jié)點間溫度場分布規(guī)律。以下計算中除特別說明外，均假設圓柱形氣球部署在1200 km高度處。

求解此問題較求解空氣球更復雜，求解方法是利用節(jié)點網(wǎng)絡法和數(shù)值分析法[3]解節(jié)點網(wǎng)絡方程組。將圓柱形目標劃分為14個節(jié)點，上底面與下底面輻射換熱均勻，分別看作節(jié)點1、節(jié)點2；側(cè)面沿圓周方向4等分，柱高方向3等分，即劃分為12個節(jié)點，分別為節(jié)點3、節(jié)點4、…、節(jié)點14（節(jié)點網(wǎng)絡模型如圖1所示），把彈頭劃為第15個節(jié)點，此時問題就變?yōu)橐粋€求解15個節(jié)點的熱網(wǎng)絡方程問題。如果彈頭與氣球的初始溫度不同，那么氣球與彈頭將以下面幾種方式換熱：

彈頭與氣球間輻射換熱；

通過用來調(diào)整彈頭在氣球內(nèi)位置的任何墊片的熱傳導；

根據(jù)文獻[4]，通過墊片的熱傳導的熱交換可以被忽略，通過氣球內(nèi)氣體的熱傳導可以被消除。這里主要研究彈頭與氣球間的輻射換熱。

若假設氣球內(nèi)表層為一黑體（εi=1），則彈頭給其它任意一節(jié)點i的能量為

其它節(jié)點給彈頭的能量為：

式中，ε15，A15，T15，F(xiàn)15-i分別表示彈頭表面的平均發(fā)射率、表面面積、表面溫度、相互的輻射換熱角系數(shù)；Ti：表示圓柱面上第i個節(jié)點的表面面積；σ：玻爾茲曼常數(shù)。輻射換熱角系數(shù)的計算，可根據(jù)文獻[5]求得。

如果目標為一溫度均勻體，則上式可化為：

式中，εw，Aw，Tw分別是彈頭的發(fā)射率、表面面積、表面溫度；Tb是氣球的表面溫度。此式與氣球為球形時相應公式[4]一致，就是說，如果氣球表面溫度均勻，那么彈頭與氣球的輻射換熱表達式是統(tǒng)一的，與其形狀無關(guān)。

下面在此理論基礎上，通過求解15個節(jié)點的熱網(wǎng)絡方程來研究彈頭對氣球熱效應的影響。

假設圓柱形氣球大小、空間高度以及轉(zhuǎn)速不變，軸始終垂直于地面，且不斷地繞軸均勻轉(zhuǎn)動。同時為簡化計算，假設球形彈頭球心在圓柱體的軸上，且距下底面1/3處。

考慮兩種情況：一種是假設所有熱傳遞都是由輻射產(chǎn)生；另一種是假設氣體對流運動是主要的傳熱方式，此時熱傳遞是只靠輻射傳熱產(chǎn)生熱流的5倍。

2 白天彈頭對氣球的熱效應

下面是白天彈頭對鋁箔涂層氣球溫度及輻射功率影響的計算結(jié)果。

表1 白天，部署10 m in后氣球各節(jié)點的表面溫度及輻射功率

表1中比較了3個輕氣球白天布署后的表面溫度分布與輻射功率，3個氣球表面都鍍有閃量的鋁箔，重為0.5 kg，初始溫度為300 K。其中第一個氣球是空的，很快達到預期平衡溫度；第二個氣球內(nèi)有一枚輻射系數(shù)為0.036的球形彈頭，彈頭質(zhì)量為900 kg，初始溫度為310 K，只通過輻射方式傳熱，氣球部署10 min后，側(cè)面節(jié)點表面溫度分別降低約1.27 K，1.56 K，上、下底面分別降低約4.33 K，2.93 K，幅度較側(cè)面大。第三個氣球內(nèi)也有一枚同樣的彈頭，但其熱傳遞是輻射傳熱的5倍，10 min后，側(cè)面節(jié)點表面溫度分別降低約7.22 K，8.74 K（彈頭對側(cè)面節(jié)點表面溫度影響的不均勻性是由彈頭在氣球中的位置而引起的），上、下底面分別降低約23.36 K，15.17 K，同樣幅度較側(cè)面大。這個結(jié)果與相同條件下彈頭對同表面積球形氣球的熱效應結(jié)果[2]相比，有一個共性，就是彈頭的熱效應都使鋁箔涂層氣球表面溫度降低，為了掩蓋其熱效應，同樣可以采用球形氣球輻射特性研究中所提出的幾種對抗措施[2]；不同的是，彈頭對氣球的熱效應程度不同，對圓柱形氣球的熱效應較對球形氣球的熱效應小，熱傳遞等于輻射值時，熱效應特別小，這種情況下即使不采取任何掩蓋措施，NMD系統(tǒng)也無法基于彈頭的熱效應探測到目標。

3 夜間彈頭對氣球的熱效應

下面是夜間彈頭對圓柱形鋁箔涂層氣球表面溫度及輻射功率影響的計算結(jié)果。

表2中比較了夜間3個輕氣球（與上面的3個球完全相同）部署后的表面溫度與輻射功率分布。第二個氣球部署10 min后，側(cè)面溫度升高約4.07 K，4.79 K，上、下底面升高較大，分別約為10.18 K，5.78 K；第三個氣球部署10 min后側(cè)面表面溫度分別升高約21.39 K，24.65 K，上、下底面升高較大，分別約為74.78 K，25.05 K。這個熱效應結(jié)果與彈頭對同表面積的球形氣球的熱效應結(jié)果相比較[2]，彈頭的熱效應都使氣球溫度升高，所以球形氣球討論中提出的掩蓋熱效應措施在這兒也適用[2]。另外，可以看出表中三組數(shù)據(jù)有一個共性，即在圓柱體同一高度位置處溫度分布是均勻的，隨著高度的降低，溫度升高。這個結(jié)論與空球時所得結(jié)論是一致的。

表2 夜間，部署10 m in后氣球各節(jié)點的表面溫度及輻射功率

[1]毛二可，譚懷英，郭建明.美國導彈防御地基雷達的發(fā)展現(xiàn)狀[J].兵器知識，2010（2）：48-50.

[2]白心愛，吳振森.空間目標的熱效應研究[J].山西大學學報：自然科學版，2006，29（1）：48-51.

[3]李慶揚，王能超.數(shù)值分析[M].第5版.北京：清華大學出版社，2008.

[4]白心愛.空間目標紅外輻射特性研究[D].西安：西安電子科技大學，2002.

[5]楊賢榮，馬慶芳.輻射換熱角系數(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1979.

〔責任編輯 李?！?/p>

Investigation of Heat Dom ino Effect f or Space Cylindrical Tar g et

BAIXin-ai
（Deparmentof Physics，School of Lüliang，Lüliang Shanxi，033000）

With the help of the heat network method and the nemerical analys is method，the heat domino of space cylindrical tardet is studied，and the heat domino of the cylindrical and circular t ar g et is co mpared.

c ylindrical；t ar g et；Heat Domino Effect

O175

A

1674-0874（2012）03-0026-03

2012-02-23

白心愛（1971-），女，碩士，副教授，研究方向：輻射研究及物理教學。