МОДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ИЗЛУЧЕНИЯ
MODEL RADIATION SOURCE

Предлагаемый источник теплового излучения, моделирующий реальное излучение поверхности летящих объектов, нагретой в результате взаимодействия с окружающей атмосферой, относится к технике инфракрасных измерений и может быть использован в области исследования характеристик обнаружителей, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне, в частности для обнаружения низколетящих противокорабельных ракет (ПКР).
Известны устройства, используемые в качестве источников теплового излучения для различных целей (см. патенты США - 2.303.879, 2.551.039, 3.052.790, 3.179.789, 3.205.343, 3.307.017, 3.346.723, 3.450.864, 3.454.748), одним из недостатков которых является плоская, либо цилиндрическая форма излучающих поверхностей. Это крайне затрудняет проведение реальных измерений при взаимном перемещении приемной аппаратуры и источников излучения, а также в случаях, когда нет возможности жестко зафиксировать местоположение источника и приемника, например, в условиях морского волнения, так как в этих случаях изменяется наблюдаемая площадь поверхности излучателя.
Наиболее целесообразной с точки зрения сохранения площади наблюдаемой поверхности с любых направлений является шарообразная форма модельного источника теплового излучения. Кроме того, такая форма соответствует минимальной наблюдаемой площади атакующей ракеты при нулевом ракурсе ее полета по отношению к наблюдателю, когда факел ее реактивного двигателя максимально экранируется корпусом, и возрастает роль демаскирующего признака, создаваемого аэродинамическим нагревом головной части ракеты.
Известен прибор для измерения коэффициента теплопроводности сыпучих изоляционных материалов методом шарового слоя, который может быть использован в качестве модельного источника теплового излучения. Прибор описан в книге В.А. Осиповой "Экспериментальное исследование процессов теплообмена",Л.-М., изд. "Энергия", 1964 г.,  стр. 51-54.
Известный прибор содержит наружный и внутренний шар, электронагреватель, помещенный во внутренний шар, изолированный от электронагревателя теплоноситель, размещенный в полости между внутренним и наружным шарами.
Основным недостатком известного модельного источника является низкая точность поддержания температуры наружного шара, обусловленная неравномерностью нагрева объема теплоносителя и его низкой тепловой инерционностью, не позволяющей сгладить случайные колебания температуры поверхности прибора. Неравномерность нагрева и низкая тепловая инерционность теплоносителя объясняется относительно невысокой теплопроводностью сыпучих и волокнистых материалов, их неподвижным состоянием в объеме и неравномерностью заполнения этими материалами полости между внутренним и наружным шарами.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модельный источник теплового излучения. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Прототип содержит размещенные асимметрично друг другу наружный и внутренний шары, размещенный во внутреннем шаре электронагреватель, помещенный в полости между наружным и внутренним шарами и изолированный от электронагревателя жидкий теплоноситель в виде трансформаторного масла, при этом электронагреватель выполнен с более плотной намоткой в нижней части, а внутренний шар снабжен ребрами равномерного обогрева.
Модельный источник работает следующим образом. После коммутации электронагревателя к источнику напряжения создается радиальный поток тепла, передаваемый от поверхности внутреннего шара и через ребра равномерного обогрева жидкому теплоносителю. Нагретый теплоноситель образует восходящий поток, в результате чего наиболее нагретой оказывается верхняя часть тепловой модели, а в нижней ее части образуется область с минимальной температурой. Поэтому для увеличения энерговклада в нижнюю область теплоносителя и компенсации неравномерности распределения температур вдоль вертикальной оси модельного источника применено асимметричное расположение внутреннего и наружного шаров и более плотная намотка электронагревателя в нижней части внутреннего шара. Для исключения участков непрогрева в экваториальной части модельного источника, возникающих при конвективном теплообмене, применены ребра равномерного обогрева.
Такие конструктивные изменения направлены на обеспечение более равномерного по сравнению с аналогом нагрева наружной поверхности модельного источника и, соответственно, равномерную плотность теплового излучения.
Недостатком описанного модельного источника теплового излучения является низкая точность поддержания температуры поверхности наружного шара, обусловленная неравномерностью распределения температур в объеме теплоносителя в связи с отсутствием возможности при данном конструктивном исполнении устройства образования регулярных конвективных потоков теплообмена. Нагретый поток теплоносителя поднимается в верхнюю часть шара, образуя в ней область локального нагрева. При этом мало помогает асимметричное расположение внутреннего шара и более плотная намотка нагревателя в нижней части, т.к. поток нагретого теплоносителя все-таки преимущественно скапливается в верхнем объеме, образуя более нагретую область в верхней части модельного источника, а в нижней ее части - область непрогрева.
В результате образуется значительный перекос температур между верхней и нижней частями модельного источника и, кроме того, возникают нерегулярные области изменения температуры вдоль всей излучающей поверхности, обусловленные турбулентными по характеру встречными потоками нагретого и вытесненного им охлажденного теплоносителя, что приводит к низкой точности имитации теплового излучения головной части атакующей ракеты.
Целью предлагаемого технического решения является повышение точности имитации путем повышения точности поддержания температуры модельного источника теплового излучения.
Поставленная цель достигается тем, что в модельном источнике теплового излучения, содержащем размещенные соосно наружный и внутренний шары, электронагреватель, размещенный во внутреннем шаре и выполненный с более плотной намоткой в нижней части шара, изолированный от электронагревателя жидкий теплоноситель в виде трансформаторного масла, помещенный в полости между внутренним и наружным шарами, ребра равномерного обогрева, размещенные на наружной поверхности внутреннего шара, введен канал, расположенный вдоль вертикальной оси внутреннего шара, соединяющий верхнюю и нижнюю полости модельного источника, занятые теплоносителем, а ребра равномерного обогрева ориентированы вертикально.
Такое техническое решение позволяет повысить точность поддержания температуры вдоль излучающей поверхности тепловой модели путем обеспечения условий выравнивания температуры теплоносителя в зоне его контакта с этой поверхностью.
Эти условия образуются в результате того, что в объеме теплоносителя благодаря наличию канала вдоль вертикальной оси внутреннего шара формируется замкнутое кольцо теплообмена, а в теплопередаче на излучающую поверхность внешнего шара участвует только та часть объема теплоносителя, которая, восприняв тепло от нагревателя, образует восходящий поток. Для устранения условий образования локальных зон нагрева в верхней части объема теплоносителя необходимо, чтобы площадь поперечного сечения упомянутого канала была близка к эффективной площади поперечного сечения полости между внутренним и наружным шарами, занятой теплоносителем. В этом случае образующийся в этой полости восходящий поток нагретого теплоносителя будет вытеснять весь объем более холодного теплоносителя из верхней части через канал в нижнюю часть модельного источника, замыкая кольцо теплообмена. При этом необходимо соосное размещение шаров.
Равномерной теплопередаче также способствует вертикальное расположение ребер равномерного обогрева и более плотная намотка нагревателя в нижней части внутреннего шара.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что введенный вдоль вертикальной оси внутреннего шара канал, соединяющий верхнюю и нижнюю полости модельного источника, занятые жидким теплоносителем, является необходимым условием повышения точности имитации теплового излучения объекта путем создания условий для выравнивания температуры теплоносителя в зоне его соприкосновения со стенками наружного шара по всей площади теплоизлучения. Вертикальная ориентация ребер равномерного обогрева также является существенным отличительным признаком и способствует получению положительного эффекта, т.к. эта ориентация совпадает с направлением движения конвективного потока теплоносителя и является одним из условий повышения скорости теплообмена и равномерности нагрева излучающей поверхности.
Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения по новизне.
На чертеже фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого модельного источника теплового излучения.
Модельный источник (фиг. 1) содержит: наружный 1 и внутренний 2 шары; электрический нагреватель резистивного типа 3, представляющий собой неравномерную проволочную намотку на сферическом диэлектрическом основании 4; жидкий теплоноситель 5, заполняющий пространство между шарами, и канал 6 во внутреннем шаре; ребра равномерного обогрева 7, вертикально расположенные на наружной поверхности внутреннего шара; термоэлектрические датчики 8, заложенные в стенках наружного и внутреннего шара.
Модельный источник работает следующим образом. После включения электронагревателя создается радиальный поток тепла от поверхности внутреннего шара и образующий восходящий поток жидкого теплоносителя в направлении верхней части модельного источника. При этом поступающий в верхнюю часть междушарового пространства нагретый теплоноситель вытесняет находящийся там более холодный объем теплоносителя, который через канал 6 поступает в нижнюю полость модельного источника.
Учитывая действие механизма переноса тепла в жидком теплоносителе, определяющего тенденцию к возрастанию температуры излучающей поверхности в верхней части модельного источника, для увеличения энерговклада в нижнюю область теплоносителя применено известное техническое решение - более плотная намотка электронагревателя в нижней части внутреннего шара. Для исключения участков непрогрева в экваториальной части модельного источника применено известное техническое решение - ребра равномерного обогрева, однако их вертикальная ориентация, совпадающая с направлением конвективного потока теплоносителя, создает лучшие условия теплообмена и существенно влияет на более равномерное распределение температуры в объеме теплоносителя в зоне излучения.
Такие конструктивные изменения обеспечивают более равномерный по сравнению с прототипом нагрев наружной поверхности модельного источника и соответственно равномерную плотность теплового излучения.
Затягивание переходного процесса при регулировании температуры, который возникает в связи со свойством тепловой инерционности теплоносителя, корректируется применением совершенной системы регулирования температуры.
Термоэлектрические датчики 8 используются в качестве входных элементов системы автоматического регулирования, дистанционного контроля и управления температурой излучающей поверхности.
При выборе жидкого теплоносителя учтены следующие факторы:
<mrow><mi>τ</mi><mo>=</mo><mi>R</mi><msubsup><mi>C</mi><mi>o</mi><mi>o</mi></msubsup></mrow>
- для увеличения постоянной времени
теплоноситель должен обладать большой удельной объемной теплоемкостью;
- теплоноситель должен находиться в жидкой фазе при любых режимах эксплуатации модельного источника;
- теплоноситель должен обеспечивать высокий коэффициент теплопередачи к излучающей поверхности модельного источника и достаточную равномерность температур внутри объема, т.е. обладать высокой температуро- и теплопроводностью и малой вязкостью.
В достаточной степени этим требованиям удовлетворяет трансформаторное масло ТУ-38-101-281-75.
Модельный источник теплового излучения позволяет моделировать излучение поверхности летящих объектов, нагретой в результате ее взаимодействия с окружающей атмосферой, в частности может служить для имитации теплового излучения в переднюю полусферу низколетящей атакующей ПКР при нулевом ракурсе ее полета по отношению к наблюдателю.
Для реализации предлагаемого устройства были проведены исследования макетов узлов модельного источника теплового излучения и системы стабилизации температуры для целей имитации аэродинамического нагрева головной части ПКР "Гарпун", наблюдаемой под нулевым ракурсом. Контрастная температура нагрева передней полусферы ПКР, летящей на малой высоте, определялась по формуле:
2
B
ΔT=0,16MT,
В
где ΔT - контрастная температура (разность температуры корпуса и окружающего воздуха Т, K);
M - число Маха.
В
Таким образом для использования в условиях окружающих температур Т=278÷298 K (+5÷+25°C) должна быть обеспечена возможность установления и поддержания температуры модельного источника в пределах +50÷70°C. Устройство терморегулирования имеет 4 фиксированные значения устанавливаемой температуры с возможностью регулировки каждого из установленных значений в пределах ±10%. Модельный источник в виде сферы диаметром 343 мм, равным диаметру корпуса ПКР "Гарпун", размещается на подъемно-мачтовом устройстве с возможностью изменения высоты в пределах 5-10 м над палубой буксируемого плота.