空间圆柱形目标的热效应研究

白心爱

（吕梁学院物理系，山西吕梁033000）

空间圆柱形目标的热效应研究

白心爱

（吕梁学院物理系，山西吕梁033000）

应用热网络法和数值分析法，对空间圆柱形目标的热效应作了初步研究，并对两种不同形状气球的热效应进行了对比。

圆柱形；目标；热效应

目前，一些新兴导弹国家研究了一种重要的NMD对抗措施—反模拟气球诱饵[1]。这种对抗措施是将含弹头的气球（目标）与空气球（诱饵）一同释放，以迷惑对方无法识别真假目标。由于弹头的热效应会给NMD系统一些目标识别的信息，所以空间目标的热效应研究显得尤为重要。文献[2]已对空间球形目标的热效应作了初步的研究，本文对空间圆柱形目标的热效应作一些初步的研究。

1 概述

通过气球内气体的热传导；运动导致的气体对流。

图1 节点网络模型

弹头的存在，使含弹头气球与诱饵的热效应不同。下面我们分别对这两种情况下圆柱形目标的温度场分布以及辐射特性进行计算及讨论，最后分析、讨论侧面划分网格数不同时节点间温度场分布规律。以下计算中除特别说明外，均假设圆柱形气球部署在1200 km高度处。

求解此问题较求解空气球更复杂，求解方法是利用节点网络法和数值分析法[3]解节点网络方程组。将圆柱形目标划分为14个节点，上底面与下底面辐射换热均匀，分别看作节点1、节点2；侧面沿圆周方向4等分，柱高方向3等分，即划分为12个节点，分别为节点3、节点4、…、节点14（节点网络模型如图1所示），把弹头划为第15个节点，此时问题就变为一个求解15个节点的热网络方程问题。如果弹头与气球的初始温度不同，那么气球与弹头将以下面几种方式换热：

弹头与气球间辐射换热；

通过用来调整弹头在气球内位置的任何垫片的热传导；

根据文献[4]，通过垫片的热传导的热交换可以被忽略，通过气球内气体的热传导可以被消除。这里主要研究弹头与气球间的辐射换热。

若假设气球内表层为一黑体（εi=1），则弹头给其它任意一节点i的能量为

其它节点给弹头的能量为：

式中，ε15，A15，T15，F15-i分别表示弹头表面的平均发射率、表面面积、表面温度、相互的辐射换热角系数；Ti：表示圆柱面上第i个节点的表面面积；σ：玻尔兹曼常数。辐射换热角系数的计算，可根据文献[5]求得。

如果目标为一温度均匀体，则上式可化为：

式中，εw，Aw，Tw分别是弹头的发射率、表面面积、表面温度；Tb是气球的表面温度。此式与气球为球形时相应公式[4]一致，就是说，如果气球表面温度均匀，那么弹头与气球的辐射换热表达式是统一的，与其形状无关。

下面在此理论基础上，通过求解15个节点的热网络方程来研究弹头对气球热效应的影响。

假设圆柱形气球大小、空间高度以及转速不变，轴始终垂直于地面，且不断地绕轴均匀转动。同时为简化计算，假设球形弹头球心在圆柱体的轴上，且距下底面1/3处。

考虑两种情况：一种是假设所有热传递都是由辐射产生；另一种是假设气体对流运动是主要的传热方式，此时热传递是只靠辐射传热产生热流的5倍。

2 白天弹头对气球的热效应

下面是白天弹头对铝箔涂层气球温度及辐射功率影响的计算结果。

表1 白天，部署10 m in后气球各节点的表面温度及辐射功率

表1中比较了3个轻气球白天布署后的表面温度分布与辐射功率，3个气球表面都镀有闪量的铝箔，重为0.5 kg，初始温度为300 K。其中第一个气球是空的，很快达到预期平衡温度；第二个气球内有一枚辐射系数为0.036的球形弹头，弹头质量为900 kg，初始温度为310 K，只通过辐射方式传热，气球部署10 min后，侧面节点表面温度分别降低约1.27 K，1.56 K，上、下底面分别降低约4.33 K，2.93 K，幅度较侧面大。第三个气球内也有一枚同样的弹头，但其热传递是辐射传热的5倍，10 min后，侧面节点表面温度分别降低约7.22 K，8.74 K（弹头对侧面节点表面温度影响的不均匀性是由弹头在气球中的位置而引起的），上、下底面分别降低约23.36 K，15.17 K，同样幅度较侧面大。这个结果与相同条件下弹头对同表面积球形气球的热效应结果[2]相比，有一个共性，就是弹头的热效应都使铝箔涂层气球表面温度降低，为了掩盖其热效应，同样可以采用球形气球辐射特性研究中所提出的几种对抗措施[2]；不同的是，弹头对气球的热效应程度不同，对圆柱形气球的热效应较对球形气球的热效应小，热传递等于辐射值时，热效应特别小，这种情况下即使不采取任何掩盖措施，NMD系统也无法基于弹头的热效应探测到目标。

3 夜间弹头对气球的热效应

下面是夜间弹头对圆柱形铝箔涂层气球表面温度及辐射功率影响的计算结果。

表2中比较了夜间3个轻气球（与上面的3个球完全相同）部署后的表面温度与辐射功率分布。第二个气球部署10 min后，侧面温度升高约4.07 K，4.79 K，上、下底面升高较大，分别约为10.18 K，5.78 K；第三个气球部署10 min后侧面表面温度分别升高约21.39 K，24.65 K，上、下底面升高较大，分别约为74.78 K，25.05 K。这个热效应结果与弹头对同表面积的球形气球的热效应结果相比较[2]，弹头的热效应都使气球温度升高，所以球形气球讨论中提出的掩盖热效应措施在这儿也适用[2]。另外，可以看出表中三组数据有一个共性，即在圆柱体同一高度位置处温度分布是均匀的，随着高度的降低，温度升高。这个结论与空球时所得结论是一致的。

表2 夜间，部署10 m in后气球各节点的表面温度及辐射功率

[1]毛二可，谭怀英，郭建明.美国导弹防御地基雷达的发展现状[J].兵器知识，2010（2）：48-50.

[2]白心爱，吴振森.空间目标的热效应研究[J].山西大学学报：自然科学版，2006，29（1）：48-51.

[3]李庆扬，王能超.数值分析[M].第5版.北京：清华大学出版社，2008.

[4]白心爱.空间目标红外辐射特性研究[D].西安：西安电子科技大学，2002.

[5]杨贤荣，马庆芳.辐射换热角系数手册[M].北京：国防工业出版社，1979.

〔责任编辑 李海〕

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

白心爱（1971-），女，硕士，副教授，研究方向：辐射研究及物理教学。