機場保障裝備防熱紅外探測隔熱毯設計與實驗研究

謝衛紅，賈風輝，李順才

(1.軍隊“2110 工程”防護材料重點實驗室，江蘇 徐州221000;2.解放軍空軍勤務學院 機場工程與保障系，江蘇 徐州221000;3.江蘇師范大學 機電工程學院，江蘇 徐州221116)

0 引言

機場保障裝備作為空軍機場的有機組成單元，其工作效能直接關系到機場的航空兵作戰保障能力，研究機場保障裝備與背景的紅外輻射特性，可以有針對性開展紅外隱身設計，提高機場保障裝備的戰場生存能力。

美國從外場測試和理論建模二條途徑同時著手，圍繞坦克紅外輻射特性，在坦克本體、坦克與周圍背景相互作用及氣象條件影響等方面取得了代表國際先進水平的研究成果，形成了一系列較為完整的坦克紅外熱像計算軟件［1］。文獻［2］研制的坦克紅外熱像軟件將坦克分隔成近1500 萬個單元體。最近，以色列和印度等國家［3］也已開始進行該方面的研究工作，典型的有印度國防研究與發展實驗室所研究的紅外成像系統模型。

我國的裝甲車輛紅外熱像建模工作從“八五”開始也陸續展開，韓玉閣等［4-5］建立了坦克紅外熱像理論模型，編制完成了坦克紅外熱像集成軟件;鄒振寧等［6］論述了對裝甲車輛紅外輻射特性模型建立及數學描述，對控制裝甲車輛紅外輻射技術進行了分析;阮立明等［7］建立了坦克的幾何模型，結合蒙特卡洛法、區域分解算法、控制容積法和譜帶模型求解對流、輻射禍合邊界條件下的瞬態換熱問題，建立了坦克的動態和靜態溫度模型、輻射出射度模型。目前，關于空軍裝備的紅外輻射特性研究成果還未有類似報道，本文選擇具有機場保障裝備的結構共性且形狀較規則、不失一般性的某型場務工程車為研究目標，建立目標的溫度分布、輻射通量計算模型，研究機場裝備的紅外輻射特性。由于各類機場保障裝備工作環境和背景有一定相似性，其他機場保障裝備可參照本文方法研究其相應的紅外輻射特性。

1 機場保障裝備與背景的紅外對比度分析

紅外制導和紅外成像制導武器對目標的發現、識別和跟蹤主要依據就是目標與背景的紅外輻射對比特性及其成像特征。

設L0是目標的輻射亮度，Lb是背景的輻射亮度，又輻射亮度則目標與背景的紅外輻射相對對比度C 為

利用前人研究建立的裝備與背景的溫度場模型及公式［8］，求解得到機場保障裝備紅外輻射通量E0和背景紅外輻射通量Eb，代入(1)式，計算目標與背景的紅外對比度，得到目標與背景紅外對比度變化曲線如圖1所示。從圖中可以看出，機場保障裝備在冷靜態即發動機不工作時，目標與背景的紅外對比度在除上午10 點左右以外的其他時刻，均處于“目標與背景紅外輻射亮度對比度大于0.04”的危險區域［9］;在動態(發動機工作)時，發動機產生的熱量很快使得目標與背景的紅外對比度升至大于0.04 的危險區，盡管由于實驗時隨著環境溫度上升(實驗開始于夏季上午11 時左右)，實驗進行到40 min時二者之間的對比度開始減小，但仍然遠遠高出安全范圍，極易成為紅外武器攻擊的目標。

圖1 機場保障裝備與背景對比度變化曲線Fig.1 Infrared contrast curves of equipment and its background

2 保障裝備新型隔熱毯設計

目前，應用最多的防熱紅外隔熱毯［10］結構中間是纖維織物，上下都涂有一層紅外反射材料(如金屬鋁鋅等)，外層涂有可見光吸收材料的半透明聚酯膜，這種偽裝改變了目標表面的熱慣量分布，部分遮擋了陽光對目標的直接照射，從而減弱和改變裝備對太陽輻射的吸收和儲存，同時也阻礙了裝備的散熱，對于偽裝機場保障裝備這種有源的高溫熱目標而言并不合適，且這種防熱紅外隔熱毯因為結構較厚不易固定在機場保障裝備上，尤其不適用于裝備移動時，因此有必要對原有隔熱毯進行改進，研制更合理的散熱、隔熱結構。

2.1 隔熱毯結構優化設計

普通隔熱毯通常為單層結構［11-12］，本文提出隔熱毯的多層結構設計。結構模型假設條件為:

1)熱量的傳播過程只有傳導，沒有對流。即假定材料對氣體的密封性能很好，二層材料之間的氣體是不流動的。

2)隔熱毯內側溫度t1和外側溫度t2保持不變，熱傳導過程已處于穩定狀態。即沿熱傳導方向，單位時間通過單位面積的熱量是常數。

3)二層介質材料層均勻等厚，材料層間距離相等并保持不變，熱傳導系數是常數。

4)熱量由結構靠裝備一側向遠離裝備一側傳遞。

在上述假設下，熱傳導過程遵從傅里葉公式。

設厚度為d 的均勻介質材料，兩側溫度差為Δt，則單位時間內由溫度高的一側向溫度低的一側通過單位面積的熱量Q 與Δt 呈正比，與d 呈反比，即

設新結構材料內層的外側(即靠近裝備一側)溫度是ti，外層的內側溫度是to，材料介質的熱傳導系數為λm，空氣的熱傳導系數為λa，l 為兩材料層間的空氣層厚度。

由(2)式單位時間單位面積的熱量傳導量為

從(3)式中消去ti、to，可得

對于厚度為2d 的單層結構材料，容易得出其熱量傳導量為

二者之比為

顯然Q1＜Q2，為了得到更具體的結果，需要λm和λa數據。根據有關資料，常用纖維復合材料的熱傳導系數λm在4 ×10-4～20 ×10-4W/(m·K)內取值;不流通、干燥空氣的熱傳導系數λa=2. 5 ×10-4W/(m·K)，于是計算值在1. 6 ～8之間。

在分析新結構比不加氣體層的單層結構可減少多少熱量傳遞時，作比較保守的估計，即取(即選擇玻璃纖維)，由(4)式和(6)式可得

式中:Q1為通過新結構傳遞的熱量;Q2為通過單層結構傳遞的熱量;比值Q1/Q2反映了新型結構材料在減少熱量傳遞上的功效，它只與h 有關，且比值越小，隔熱效果越好。在一定范圍內時，隨著h 的增加，Q1/Q2迅速下降，而當h 超過一定值(例如h ＞10)后，Q1/Q2下降變緩，可見h 不必選擇過大，當達到一定值后，其變化就趨于穩定。

取h =10 時，按照這個模型，Q1/Q2≈10%，即新結構的傳熱量為單層結構傳熱量的10%，也就是此新型結構能比采用同樣材料制成的單層結構多阻擋約90%的熱量傳遞量。不難發現，之所以有如此高的功效主要是由于層間氣體和相變石蠟的熱傳導系數較低，而這要求氣體是干燥的、不流通的。作為模型假設的這個條件在實際環境下當然不可能完全滿足，所以實際的隔熱效果不能達到計算數值，故隔熱毯結構采用3 層新結構。

2.2 隔熱毯材料優化設計

為設計理想材料層，在隔熱毯兩材料層之間的介質不變情況下改變材料層的材料(即λa不變，λm改變)，取4 種不同材料進行分析，由(7)式計算得出曲線如圖2所示，由圖2可知，隨著材料熱傳導系數λm的增加，4 條曲線彎曲的程度隨之增大，Q1/Q2隨之減少，說明隔熱效果隨材料熱傳導系數的增加而增強，在4 種材料中陶瓷纖維的熱傳導系數λm最大，其密度也較小，綜合分析考慮，故隔熱毯的材料層所用材料采用陶瓷纖維，隔熱毯中間夾層設計采用聚酯薄膜內膽，里面添加相變石蠟膠囊。

圖2 不同材料傳熱比較Fig.2 Heat transfer performances of different materials

相變材料在發生物相轉變時，伴隨吸熱、放熱效應而引起溫度變化，利用這種特性可以從溫度上對隔熱毯表層的熱輻射能量加以控制。本新結構將膠囊充填在陶瓷纖維上下層中間的0.5 mm 厚聚酯薄膜袋中，為了使膠囊相對均勻，對聚酯薄膜袋進行了豎網格劃分，如圖3所示。

圖3 微膠囊的使用形式Fig.3 Arrangement of microcapsules

2.3 隔熱毯熱物性實驗測試及分析

2.3.1 實驗用材料

實驗用材料為陶瓷纖維、聚酯薄膜、軍用車輛迷彩偽裝涂料、SiO2氣凝膠、相變石蠟等。陶瓷纖維與聚酯薄膜分別為山東魯陽公司生產的耐200 ℃高溫、3 mm 厚的陶瓷纖維和1 mm 厚的聚酯薄膜;軍用車輛迷彩偽裝涂料為無錫市新創化工廠有限公司生產的紅外偽裝涂料，偽裝波段:可見光、近紅外(0.38 ～1.2 μm 波段)，熱紅外(3 ～5 μm，8 ～14 μm 波段);SiO2氣凝膠為中國礦業大學化工學院生產;25#相變石蠟為上海無極紡織科技有限公司生產。

2.3.2 制作試件

首先，將3 種顏色的涂料(土黃0.5 kg、翠綠0.5 kg、深綠0.5 kg)共1.5 kg 攪拌均勻，再按涂料與固化劑5∶1的比例將0.3 kg 固化劑倒入涂料中，同時按涂料與固化劑總質量的30%比例加入溶劑攪拌均勻，將攪拌后的涂料分成2 份，其中一份加入SiO2氣凝膠備用。陶瓷纖維裁剪成25 cm×30 cm 的長方形備用，分別對其一表面涂刷涂料和加入SiO2氣凝膠的涂料，如圖4示，圖中從左至右依次為有涂層陶瓷纖維、無涂層陶瓷纖維、添加二氧化硅涂層陶瓷纖維。圖5為新型隔熱毯平面及剖面示意圖。

圖4 3 種陶瓷纖維Fig.4 Three kinds of ceramic fibres

2.3.3 熱傳導系數測試

圖5 平面及剖面示意圖Fig.5 Planar and profile structure diagram

為了進一步測試新型隔熱毯結構的性能指標，用SEI-3 型準穩態熱物性測定儀測量實驗裝置對以下6 種隔熱毯進行熱物性(熱傳導系數)測試，試樣如表1所示，結果如表2所示。

表1 隔熱毯試樣編號表Tab.1 Numbers of heat insulation blanket samples

表2 隔熱毯結構材料的熱物理性能Tab.2 Thermal properties of blanket materials

由表2對比的實驗數據看，各體系熱傳導系數、密度略有差異，但很明顯，有涂料覆蓋陶瓷纖維(涂料中加SiO2氣凝膠，中間加有相變石蠟顆粒)結構的熱傳導系數以及ρ·λ 都是最低，滿足設計及使用要求。這種試樣隔熱性能最強，可較大幅度地提高其隔熱性能。

經理論分析和相關實驗驗證，本文對隔熱毯進行了結構和材料上改進，設計了上下底層選用陶瓷纖維，涂刷添加二氧化硅氣凝膠的偽裝涂料。中間夾層添加相變石蠟膠囊內膽，如圖6所示。這種結構可鋪設在機場保障裝備上車頭部位，有效地提高其隔熱性能，進一步提高裝備偽裝防護能力。

圖6 新型隔熱毯示意圖Fig.6 Schematic diagram of a new heat insulation blanket

3 新型隔熱毯紅外偽裝效果評價

3.1 評價指標與方法

3.1.1 評價指標

利用研制的偽裝隔熱毯對機場保障裝備進行偽裝后，設置相應的模型參數(見表3)，計算偽裝后的機場保障裝備與背景的溫差，作為偽裝效果評估的評價指標，看其是否能夠達到我國《軍用汽車偽裝要求》［9］中有關汽車偽裝面與背景平均溫差的有關規定。

表3 隔熱毯及車體結構材料的熱物理性能Tab.3 Thermal properties of the blanket and the structural material of car

3.1.2 評價方法

1)試驗測量:利用點溫計測量偽裝前后車體表面溫度(偽裝后測量隔熱毯表面溫度)，與同一時刻的背景溫度進行比較，得到相應的溫差。

2)ANSYS 數值模擬:建立隔熱毯與車體的溫度場模型，運用ANSYS 進行有限元求解，得到隔熱毯與車體的溫度變化曲線，進而可以進行隔熱毯結構的優化，根據不同的機場保障裝備設計最優的隔熱毯構型。

3)外場實驗測量:假設隔熱毯所偽裝的機場保障裝備工作時間為30 min，即1 800 s，設計隔熱毯中間相變石蠟層厚度為5 mm，將隔熱毯實物裝配與裝備車頭表面，裝備啟動，運動速度為10 km/h，用點溫計測量隔熱毯表面溫度，測量周期為100 s/次，測量結果如表4所示。

表4 隔熱毯及背景溫度測量數據Tab.4 Temperatures of heat insulation blanket and background

由測量數據來看，目標與背景最大溫差為2.4 ℃，滿足國家軍用標準中相關規定［9］，達到了非常好的熱紅外偽裝效果。

3.2 ANSYS 數值模擬

所用相變石蠟的參數c =3 000 J/(kg·℃)，ρ =0.8 ×103kg/m3，熔化的相變焓為160 ×103J/kg，該材料的相變溫度區間為25 ～40 ℃，焓值的計算公式［13］為

計算得到相變石蠟的熱焓隨溫度的變化曲線如圖7所示，在25 ～40 ℃溫度區間內，相變石蠟發生相變，焓值發生階躍。

圖7 相變石蠟熱焓隨溫度變化曲線Fig.7 Enthalpy of phase change paraffin wax

利用ANSYS 中瞬態熱分析功能［14-16］，設置時間為1 800 s，得到30 min 后隔熱毯及車體截面的溫度場分布圖，各層的溫度變化曲線(取各層的上邊界面各點)如圖8所示。通過分析可知，隔熱層表層溫度最高為24.078 ℃，與背景溫度22.6 ℃的溫差為1.478 ℃，滿足偽裝使用要求。隔熱毯相變石蠟層的溫度小于26 ℃，可知相變石蠟尚處于相變階段，在機場保障裝備工作的30 min 內，部分石蠟處于固相狀態，沒有起到吸熱穩溫的作用，增加了隔熱毯質量，造成了資源浪費，遂根據保障裝備使用時間對隔熱毯的石蠟層進行結構優化設計，將石蠟層的厚度調整為3 mm. 繼續用ANSYS 進行求解，各層的溫度變化曲線如圖9所示。改進后隔熱毯表層最高溫度為26.084 ℃，與背景溫差為3.484 ℃，仍然滿足使用要求，但中間相變石蠟層均參加了相變階段，材料得到充分利用。

圖8 隔熱毯各層及車體的溫度變化曲線Fig.8 Temperature variation curves of blanket and vehicle

綜上所述，新型隔熱毯裝配到機場保障裝備上，可以降低裝備表面溫度，減小目標與背景的對比度，滿足裝備偽裝要求。通過優化改進，由2 層3 mm 厚陶瓷纖維夾1 層3 mm 厚相變石蠟組成的隔熱毯可以滿足機場保障裝備工作30 min 的熱紅外偽裝要求。

3.3 裝備鋪設新型隔熱毯紅外熱成像測試

圖9 改進后隔熱毯各層及車體的溫度變化曲線Fig.9 Temperature variation curves of the blankets and the vehicle after improvement

兩輛相同的機場保障裝備，左邊一輛未鋪設隔熱毯，右邊一輛鋪設該新型隔熱毯，如圖10 所示，對其進行熱紅外成像測試。圖11 為兩輛車發動機同時開始工作30 min 時紅外熱圖，圖12 為兩輛車發動機工作53 min 后的紅外熱圖。從圖中可看出，在紅外熱成像儀的掃描下，發動機工作時，兩車未鋪設隔熱毯的部分熱紅外特性基本相似，而鋪設該隔熱毯的車輛部分與背景的紅外輻射對比度得到有效控制，可見該新型隔熱毯有顯著的熱紅外偽裝效果。

圖10 紅外檢測試驗場景圖Fig.10 Scene of field experiment

圖11 兩輛車發動機同時開始工作30 min 時紅外熱圖Fig.11 Infrared image of vehicles after running for 30 mins

4 結論

本文利用前人研究所建的機場保障裝備與背景紅外輻射模型，對研制的新型隔熱毯進行了結構、材料優化設計與應用研究，得到以下結論:

1)通過理論分析，進行了結構優化設計。提出隔熱毯采用3 層結構設計。

圖12 兩輛車發動機同時開始工作53 min 時紅外熱圖Fig.12 Infrared image of vehicles after running for 53 mins

2)通過理論和實驗，進行了材料優化設計。提出隔熱毯材料上下2 層采用陶瓷纖維，中間夾層設計采用聚酯薄膜內膽，里面添加相變石蠟膠囊。

3)對所研制的新型隔熱毯，進行了實測數據、ANSYS 數值模擬和紅外熱成像儀探測，結果表明:使用該新型隔熱毯后，機場保障裝備車頭部分與背景的溫差能控制在4 ℃以內，符合車輛的偽裝要求。

鑒于車體溫度場求解的復雜性及環境的影響，所測各類熱物性參數的精確度有進一步提高的空間。

References)

［1］Thomas D J，Martin G M. Thermal modeling of background and targets for air-to-air and ground-to-ground vehicle applications［J］.SPIE. Infrared Imaging，1989，1110:166 -176.

［2］Howe J D. Thermal imaging systems modeling:present status and future challenges［C］∥SPIE’s 1994 International Symposium on Optics，Imaging，and Instrumentation. International Society for Optics and Photonics，San Diego，USA，1994:538 -550.

［3］Rao C A，Venkateswarlu R，Ramana P V. IR image simulation［C］∥31stAnnual Technical Symposium. International society for Optics and Photonics，1987:55 -65.

［4］韓玉閣. 裝甲車輛與地面背景的紅外輻射特征分析［D］. 南京:南京理工大學，2003.HAN Yu-ge. Armored vehicles and ground background infrared radiation characteristics of［D］.Nanjing:Nanjing University of Science ＆ Technology，2003 (in Chinese)

［5］韓玉閣，宣益民. 地面目標與背景紅外熱像模擬的現狀、問題及對策［J］. 紅外技術，2003，25(5):22 -25.HAN Yu-ge，XUAN Yi-min. Ground target and background infrared image simulation situation，problems and countermeasures［J］. Infrared Technology，2003，25(5):22 -25. (in Chinese)

［6］鄒振寧，周蕓. 裝甲車輛紅外輻射特性分析［J］. 電光與控制，2005，12(2):78 -82.ZOU Zhen-ning，ZHOU Yun. Armored vehicles infrared radiation characteristic analysis［J］. Electronics Opticsand Control，2005，12(2):78 - 82. (in Chinese)

［7］阮立明，齊宏，王圣剛，等. 圓柱坐標系下任意方向輻射強度的源項六流法模擬［J］. 計算物理，2009，26(3):437 -443.RUAN Li-ming，QI Hong，WANG Sheng-gang，et al. Cylindrical coordinate system in any direction radiation source term six flow simulation［J］. Computational Physics，2009，26(3):437 -443. (in Chinese)

［8］梁歡.地面背景的紅外輻射特性計算及紅外景象生成［D］. 南京:南京理工大學，2009.LIANG Huan. Terrestrial infrared radiation background calculations and infrared scene generation［D］.Nanjing:Nanjing University of Science ＆ Technology，2009. (in Chinese)

［9］中國人民解放軍總后勤部. GJB5736—2006 軍用汽車偽裝要求［S］. 2007-03-01.General Logistics Department of People＇s Liberation Army.GJB5736—2006 Military vehicle camouflage requirements ［S］.2007-03-01. (in Chinese)

［10］嚴晨，張衛平，李積輝，等. 卷簾式遮障對抗紅外成像制導武器［J］. 光電技術應用，2007，22(4):14 -17.YAN Chen，ZHANG Wei-ping，LI Ji-hui，et al. Shutter-style cover barrier against infrared imaging guided weapons［J］. Optic Technology Application，2007，22(4):14 -17. (in Chinese)

［11］崔新芳，魏能武，鄒武. 充氣隔熱毯糧面隔熱效果試驗［J］.糧油倉儲科技通訊，2006(3):25 -26.CUI Xin-fang，WEI Neng-wu，ZOU Wu. Inflatable insulation blankets grain surface insulation test［J］. Grain Storage Technology Communications，2006(3):25 -26. (in Chinese)

［12］賈其，呂緒良，榮先輝，等. 添加相變材料的混凝土路面紅外偽裝應用研究［J］. 兵工學報，2011，32(8):975 -980.JIA Qi，LYU Xu-liang，RONG Xian-hui，et al. Added PCMs concrete pavement infrared camouflage applied research［J］. Acta Armamentarii，2011，32(8):975 -980. (in Chinese)

［13］劉玉鑫. 熱學［M］. 北京:北京大學出版社，2002.LIU Yu-xin. Thermology ［M］. Beijing:Peking University Press，2002. (in Chinese)

［14］姚年春，張波. 基于Ansys 的爐墻傳熱分析［J］. 技術與市場，2009(3):10 -11.YAO Nian-chun，ZHANG Bo. Based on Ansys furnace wall heat transfer analysis［J］. Technology and Market，2009(3):10 -11. (in Chinese)

［15］鄒振寧，周蕓. 裝甲車輛紅外輻射特性分析［J］. 電光與控制，2005，12(2):78 -82.ZOU Zhen-ning，ZHOU Yun. Armored vehicles infrared radiation characteristic analysis ［J］. Electronics Optics and Control，2005，12(2):78 -82. (in Chinese)

［16］張品，陳亦望，靳秀海. 植物偽裝遮障下車輛目標電磁散射精確仿真研究［J］.兵工學報，2012，33(1):121 -128.ZHANG Pin，CHEN Yi-wang，JIN Xiu-hai. Plants under the vehicle camouflage screen accurate simulation of electromagnetic scattering［J］. Acta Armamentarii，2012，33(1):121 -128.(in Chinese)