МОДЕЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Советский патент 2015 года по МПК G01J3/10 

Предлагаемый источник теплового излучения, моделирующий реальное излучение поверхности летящих объектов, нагретой в результате взаимодействия с окружающей атмосферой, относится к технике инфракрасных /ИК/ измерений и может быть использован в области исследования характеристик обнаружителей, работающих в ИК-диапазоне, в частности для имитации теплового излучения низколетящих противокорабельных ракет /ПКР/.

Известны устройства, используемые в качестве источников теплового излучения для различных целей патенты США №№2303879, 2551039, 3052790, 3179789, 3205343, 3307017, 3346723, 3450864, 3454748/, 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 измеряется 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 турбореактивного двигателя максимально экранируется корпусом, и возрастает роль демаскирующего признака, создаваемого аэродинамическим нагревом головной части ракеты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является модельный источник теплового излучения, выбранный в качестве прототипа.

Прототип содержит размещенные асимметрично друг другу тонкостенный металлический наружный и диэлектрический внутренний шары, размещенный на поверхности внутреннего шара электронагреватель, заполняющий полость между внутренним и наружным шарами, изолированный от электронагревателя, жидкий теплопроводный теплоноситель (изолятор) 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 через ребра равномерного обогрева жидкому теплоносителю. Нагретый теплоноситель образует восходящий поток, в результате чего наиболее нагретой оказывается верхняя часть модельного источника, а в ее нижней 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 ассиметричное 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 нагрева наружной поверхности модельного источника и, соответственно, равномерной плотности теплового излучения.

Недостатком описанного модельного источника теплового излучения является низкая точность имитации, обусловленная низкой точностью поддержания температуры поверхности наружного шара, обусловленная неравномерностью распределения температур в объеме теплоносителя в связи с отсутствием возможности при данном конструктивном исполнении избежать значительных перекосов температур между верхней и нижней частями модельного источника. Нагретый поток жидкого 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, так как поток нагретого теплоносителя преимущественно скапливается в верхнем объеме, образуя более нагретую область в верхней части модельного источника, а в нижней его части - область непрогрева.

Кроме того, возникающие нерегулярные области изменения температуры вдоль всей излучающей поверхности, обусловленные турбулентными по характеру встречными потоками нагретого и вытесненного им из верхней части модельного источника более холодного теплоносителя, также влияют на снижение точности имитации.

Целью данного технического решения является повышение точности имитации путем повышения равномерности нагрева излучающей поверхности модельного источника теплового излучения.

Поставленная цель достигается тем, что в модельном источнике теплового излучения, содержащем тонкостенный металлический наружный и диэлектрический внутренний шары, размещенный на поверхности внутреннего шара электронагреватель, заполняющий полость между внутренним и наружным шарами теплопроводный изолятор, - электронагреватель выполнен в виде множества секций, каждая из которых снабжена своей системой терморегулирования, при этом секции электронагревателя охватывают равные по площади участки поверхности внутреннего шара с равномерной укладкой электронагревателя в пределах каждого участка и по всей площади теплообразующей поверхности внутреннего шара, теплопроводный изолятор в полости между внутренним и наружным шарами, расположенными соосно, выполнен минимальной толщины и с низкой теплоемкостью, а система терморегулирования каждой секции содержит термоэлектрический датчик, подключенный через усилитель к своему коммутирующему устройству.

Такое выполнение устройства позволяет повысить точность поддержания температуры по всей площади излучающей поверхности модельного источника теплового излучения путем обеспечения независимого автоматического регулирования температуры каждого участка этой поверхности, нагреваемого отдельной секцией электронагревателя.

При условии использования материалов для электроизолирующего слоя с малой теплоемкостью и с достаточно высокой теплопроводностью, а также при обеспечении малой толщины и плотного прилегания электронагревателя к нагреваемой поверхности наружного шара, система автоматического терморегулирования получается малоинерционной, позволяет быстро реагировать на воздействие дестабилизирующих факторов. Равномерность распределения температуры вдоль излучающей поверхности наружного шара в реальных условиях применения возрастает при уменьшении площади каждой из автономно управляемых секций электронагревателя. Однако при этом возрастает число автономных систем терморегулирования, каждая из которых должна иметь собственный термодатчик, усилитель, коммутатор включения и выключения секций электронагревателя. Приемлемые результаты могут быть получены при выборе компромиссного решения из условия выбора максимально возможного по площади и минимального количества автономно регулируемых участков нагревателя при приемлемой точности обеспечения равномерности нагрева излучающей поверхности в заданных условиях эксплуатации. При этом необходимо обеспечение равномерного распределения тепла в пределах площади, охватываемой каждый из автономных участков нагревателя, для чего применяется равномерная укладка и фиксация положения каждой из секций электронагревателя в пределах занимаемой площади диэлектрического основания. Это обуславливает при равномерном распределении секций равномерное распределение электронагревателя на всей теплообразующей поверхности внутреннего шара.

Приемлемые результаты в заданных условиях применения получаются при использовании 12-ти автономно управляемых секций электронагревателя, каждая из которых равномерно укладывается в пазы в пределах, одинаковых по размерам пятиугольных участков внутреннего шара, устанавливаемых вплотную друг к другу на сферическом металлическом каркасе и образующих в совокупности шарообразную теплообразующую поверхность.

Перечисленные признаки являются принципиально новыми, позволяющими получить положительный эффект в виде повышения точности имитации путем повышения равномерности нагрева излучающей поверхности модельного источника теплового излучения.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения по новизне.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения показывает, что выполнение электронагревателя в виде секций, каждая из которых служит для нагрева части излучающей поверхности, с возможностью независимого автономного управления температурой нагрева каждой из них, позволяет получить высокую равномерность нагрева излучающей поверхности в реальных условиях эксплуатации модельного источника теплового излучения, при которых возможно возникновение несимметричных условий охлаждения. Выполнение электроизолирующего слоя между внутренним и наружным шарами минимальной толщины с применением малотеплоемкого с высокой теплопроводностью материала позволяет повысить равномерность передачи тепла на излучающую поверхность и снизить инерционность системы автоматического терморегулирования и способствовать тем самым повышению точности имитации.

Таким образом, перечисленные признаки, отсутствующие в аналогах и прототипе, позволяют получить положительный эффект в виде повышения равномерности нагрева излучающей поверхности модельного источника теплового излучения, а следовательно, и точности имитации, отвечает критерию для заявляемого устройства по новизне.

На чертеже фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого модельного источника теплового излучения, на чертеже фиг. 2 показан участок внутреннего шара с размещенными на нем электронагревателем и термоэлектрическим датчиком.

Модельный источник /фиг. 1/ содержит: тонкостенный металлический наружный шар 1, плотно прилегающий к его внутренней поверхности тонкий слой теплопроводного изолятора 2, секции проволочного электронагревателя 3 /фиг. 1 и фиг. 2/, равномерно уложенные в пазы равных по площади участков внутреннего шара 4, которые укладываются вплотную друг к другу и крепятся на каркасе 5; в центр каждого из участков внутреннего шара 4, занимаемых секциями электронагревателя 3, находится термоэлектрический датчик 6 /фиг. 1 и фиг. 2/ системы терморегулирования; провода для подведения электроэнергии к нагревателям и для подключения термоэлектрических датчиков выводятся на герметичный разъем 7. В системе терморегулирования термоэлектрический датчик 6 подключен через усилитель к своему коммутирующему устройству.

Модельный источник работает следующим образом. После включения электропитания одновременно начинается разогрев всех секций электронагревателя 3, тепло от которых передается на излучающую поверхность наружного шара 1.

В связи с тем, что каждая из секций электронагревателя 3 управляется собственной автономной системой автоматического терморегулирования 6, заданная температура излучающей поверхности поддерживается как при симметричном, так и при несимметричном воздействии внешних факторов, например при несимметричном охлаждении под воздействием ветра.

Термоэлектрические датчики 6 используются в качестве входных элементов системы автоматического терморегулирования, дистанционного контроля и управления температурой излучающей поверхности.

Конструктивно размещение секций электронагревателя 3 на выполненных в виде отдельных элементов участках, укрепляемых на сферическом каркасе 5, позволяет обеспечить простоту сборки и ремонтопригодность.

Размеры пазов на внутреннем шаре 4 для укладки электронагревателя выбираются из следующих соображений: высота паза должна соответствовать диаметру проволоки, а ширина должна обеспечить возможность деформации в условиях теплового расширения и физического удлинения электронагревателя в рабочем диапазоне температур при условии сохранения плотности прилегания к нагреваемой поверхности.

Для улучшения теплопередачи пазы перед сборкой внешней оболочки заполняются теплопроводной пастой, например типа КПТ-8, МРТУ 6-02-394-66.

При выборе типа изолятора 2, заполняющего полость между электронагревателем 3 и наружным шаром 1 модельного источника теплового излучения должны быть учтены следующие факторы:

- для уменьшения постоянной времени τ=RС^о _о материал должен обладать малой теплоемкостью;

- должен сохранять электроизолирующие и механические свойства в рабочем диапазоне температур;

- должен быть обеспечен высокий коэффициент теплопередачи к излучающей поверхности, то есть обладать высокой теплопроводностью;

- обладать эластичностью;

В достаточной степени этим требованиям отвечает теплопроводный электроизоляционный кремнийорганический однокомпонентный клей - герметик эластосил 137-182, ТУ 6-02-1-405-82. Материал обладает механической эластичностью, что важно для обеспечения контакта с электронагревателем 3, находящимся в пазах поверхности внутреннего шара 4, в том числе в условиях деформации электронагревателя, вызванной его тепловым расширением. Рабочий диапазон температур - от минус 90 до плюс 200°С, теплопроводность 1,6 Вт/тК.

Наружный тонкостенный металлический шар 1, выполняемый в виде двух полусфер, на внутреннюю поверхность которых наносится тонкий слой электроизолятора 2, одевается с плотной посадкой на внутренний шар 4, выполненный в виде сборки участков с размещенными на них секциями электронагревателя 3, установленных на каркасе 5, с обеспечением герметичности внутренней полости внутреннего шара 4.

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 противокорабельной ракеты 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 противокорабельной ракеты "Гарпун", наблюдаемой под нулевым ракурсом.

Контрастная температура нагрева передней полусферы ПКР, летящей на малой высоте, определялась по формуле:

ΔТ=0,16 М²Т_В,

где ΔT - контрастная температура /разность температур корпуса и окружающего воздуха Т_В, K/;

М - число Маха, равное отношению скорости объекта к скорости распространения звуковой волны.

Таким образом, для использования в условиях температур Т_В=278÷298 K /+5÷+25°C/ должна быть обеспечена возможность установления и поддержания температуры модельного источника в пределах +50÷+70°C.

Выбор материалов позволяет в перспективе использовать источник теплового излучения для моделирования температурного нагрева излучающей поверхности до 180÷200°C.

Для проверки предлагаемого технического решения были проведены испытания макета теплообразующей поверхности, для нагрева которой были использованы 12 одинаковых по форме пятиугольных элементов с электронагревателями, управляемыми 12-ю системами терморегулирования.

Система терморегулирования с термоэлектрическим датчиком 6 имеет 4 фиксированных значения устанавливаемой температуры с возможностью регулирования 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.

Изобретение относится к технике измерений в инфракрасном диапазоне и может быть использовано в области исследования характеристик обнаружителей, работающих в ИК-диапазоне. Устройство содержит тонкостенный металлический наружный и диэлектрический внутренний шары, размещенный на поверхности внутреннего шара электронагреватель, заполняющий полость между внутренним и наружным шарами теплопроводный изолятор. Электронагреватель выполнен в виде множества секций, каждая из которых снабжена своей системой терморегулирования. Секции электронагревателя охватывают равные по площади участки поверхности внутреннего шара с равномерной укладкой электронагревателя в пределах каждого участка по всей площади теплообразующей поверхности внутреннего шара. Система терморегулирования каждой секции содержит термоэлектрический датчик. Технический результат - повышение точности имитации. 2 ил.

Модельный источник теплового излучения, содержащий тонкостенный металлический наружный и диэлектрический внутренние шары, размещенный на поверхности внутреннего шара электронагреватель, заполняющий полость между внутренним и наружным шарами теплопроводный изолятор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности имитации путем повышения равномерности нагрева излучающей поверхности наружного шара, электронагреватель выполнен в виде множества секций, каждая из которых снабжена своей системой терморегулирования, при этом секции электронагревателя охватывают равные по площади участки поверхности внутреннего шара, с равномерной укладкой электронагревателя в пределах каждого участка по всей площади теплообразующей поверхности внутреннего шара, теплопроводный изолятор в полости между внутренним и наружным шарами, расположенными соосно, выполнен минимальной толщины с низкой теплоемкостью, а система терморегулирования каждой секции содержит термоэлектрический датчик, подключенный через усилитель к своему коммутирующему устройству.