某型装甲车辆红外辐射信号的建模与仿真

骆清国， 赵 耀， 俞长贺， 鲁 俊

(1. 陆军装甲兵学院车辆工程系， 北京 100072； 2. 陆军装甲兵学院教练勤务营， 北京 100072)

近年来，红外制导反坦克武器已成为现代战场上对装甲车辆最具威胁的武器装备，该武器用于被动侦察，具有隐蔽性强、制导精度高等优点[1]。据不完全统计，在叙利亚战场上，叙政府军被美军制红外制导反坦克导弹击毁的坦克装甲装备占总损失的90%以上。针对装甲车辆的红外辐射特征，国内外研究者进行了大量相关工作。如：韩玉阁等[2-3]针对不同战场环境建立了装甲车辆在8～14 μm波带内红外辐射计算模型，编制了相应的仿真软件，并对模型进行了试验验证，最后分析了影响装甲车辆红外辐射特征的因素；武凤臣[4]针对两栖装甲车辆动力舱和排气管红外辐射特征过大的特点，提出了抑制技术措施，分析了各设计尺寸对散热性能的影响，并在此基础上进行了试验验证；汤雨等[5]综合考虑3种传热过程，利用有限元法建立了装甲车辆温度场模型，对装甲车辆的红外辐射特征进行了仿真，并对模拟精度进行了试验验证；成志铎[6]建立了全尺寸的装甲车辆模型，提出了一种快速计算红外辐射特征的方法，编制了通用红外辐射特征计算模块，最后得到了动态的装甲车辆红外仿真图像。然而，上述方法在研究整车的红外辐射特征时，多采用基于经验公式的方法，所建立的数值模型较为简单，未充分考虑装甲车辆特有的红外辐射特点，以及高温排烟热气对排烟管红外辐射的吸收作用，使得模拟结果与实际情况相差较大。

鉴于此，笔者首先采用CFX软件得到排烟热气的温度场、压力场分布，提出了基于视向光线法的高温排烟热气红外数值计算模型；然后，分别考虑排烟热气对排烟管红外辐射的吸收以及烟气各区域的相互作用、自身辐射和对环境辐射的反射，提出装甲车辆排烟装置总体红外辐射数值计算模型和装甲车辆外表面装甲的红外数值计算模型；最后，对模型的可靠性进行了试验验证。在此基础上，对装甲车辆0°～360°上各主要辐射波段的红外辐射强度进行研究，探索了其变化规律，以期为研究装甲车辆红外辐射特性对反坦克导弹开发、现役装甲装备的红外抑制改造等提供一定的参考。

1 排烟装置总体红外辐射计算模型

装甲车辆排烟装置的红外辐射特征是反坦克导弹重点追踪的目标，也是整个装甲车辆红外辐射研究的难点。装甲车辆排烟装置总体红外辐射主要包括排烟热气辐射和排烟管辐射2部分，其中：排烟热气是由发动机排放出的高温热气流，排烟管则通常可以看作内部布满热烟气的热空腔[7]。

1.1 高温排烟热气

高温排烟热气的辐射光谱主要取决于排烟的成分与温度，其中排烟的主要辐射成分为CO2和H2O。对于确定型号的发动机，在给定工况下，利用GT软件模拟出发动机的废气涡轮处温度Tw，然后将高温烟气在排烟管内的流动看作绝热过程，利用绝热过程方程式计算出排烟口的温度

(1)

式中：γ为比热比；Pw为废气涡轮位置高温废气的压力；Pp为排烟口位置的压力。当发动机转速为1 700 r/min时，利用GT软件模拟得到发动机废气涡轮出口处排烟热气的温度和压力变化曲线分别如图1、2所示。

图1 废气涡轮出口处的排烟热气的温度变化曲线

图2 废气涡轮出口处排烟热气的压力变化曲线

根据辐射传热理论，在计算排烟热气的红外辐射强度时，首先需要确定排烟热气的形状、温度以及压力分布。本文利用CFX软件建立排烟热气流场和温度场数值计算模型，其排烟热气在排烟口处的温度和压力分布分别如图3、4所示。

利用有限元法将排烟热气分为n个等温层，并基于视向光线法建立排烟热气红外数值计算模型，其等温层模型如图5所示。图中：T1，T2，…，Tn分别为各层的平均温度；Δl1，Δl2，…，Δln为沿探测器视线方向等温层的厚度；a为排烟管的半径；θ为探测方向视线与排烟方向的夹角。

图3 排烟热气在排烟口处的温度分布

图4 排烟热气在排烟口处的压力分布

图5 基于视向光线法的排烟热气等温层模型

根据普朗克定律，计算得出第i(i=1,2,…,n)个等温层的黑体光谱辐出度Mbλ,i，则在探测方向的投影面积

(2)

红外辐射在介质中传输时，由于介质的吸收及散射，能量会逐渐衰减[8]。根据贝尔定律，通过介质后光谱辐射强度

Il=I·τλ，

(3)

根据探测方向的计算公式，第i个等温层穿过排烟热气的厚度、穿透率及第i个等温层的光谱发射率依次为

(4)

τi=exp(-βλi·Li),

(5)

εi=1-exp(-κiLi)。

(6)

式中：βλi为第i个等温层的光谱减弱系数；κi为第i个等温层的光谱吸收系数。

排烟热气在空中某一方向上λ1～λ2波带内的辐射强度

(7)

式中：Iq为全波段的红外辐射强度。

1.2 排烟管

连接发动机废气涡轮的高温排烟管，其温度值与排烟管内的高温排烟热气的温度关系很大，本文在采用GT软件仿真计算时将其视为相等。废弃涡轮出口处排烟热气的温度与发动机转速关系曲线如图6所示。可以看出：该型发动机的转速越高，废气涡轮出口处排烟热气的温度越低。

图6 废气涡轮出口处排烟热气温度与发动机转速关系曲线

将排烟管以及排烟管构成的腔体看成灰体[9]，排烟管红外辐射在某一方向上λ1～λ2波带内的辐射强度

Ip=N·S1·cosθ1，

(8)

式中：S1为排烟管的出口面积；θ1为排烟管出口截面法线方向与红外探测方向的夹角；N为辐射亮度。

(9)

式中：ε为发射率；

(10)

为黑体光谱辐出度，其中λ为黑体的波长，T为黑体的温度，c1、c2分别为第一、二辐射常数。c1、c2的计算公式分别为

c1=2πhe2，

(11)

c2=he/k，

(12)

式中：h为普朗克常数；e为真空中的光速；k为玻尔兹曼常数。

1.3 排烟装置总体

当排烟管的红外辐射经过高温排烟时，由于辐射气体具有吸收作用，会减弱排烟管的红外辐射。因此，装甲车辆排气装置的总体红外辐射不是高温排烟热气红外辐射与排烟管红外辐射的简单叠加。排烟管-高温排烟的组合红外辐射强度

I=Iy+τc·Ip，

(13)

式中：

τc=exp(-βλ·dn)，

(14)

为排烟管通过高温排烟的穿透率，其中dn为探测方向排烟管红外辐射通过的高温排烟的烟气厚度。

2 外表面装甲红外辐射计算模型

外表面装甲的红外辐射主要由装甲板自身辐射和装甲板对环境辐射的反射组成，其红外辐射强度

Ib=Iz+Ih，

(15)

式中：Iz为外装甲自身热辐射强度；Ih为装甲板对环境辐射的反射强度。

2.1 装甲板自身辐射

外装甲自身辐射的主要来源，是动力舱内动力传动装置工作时的产热。外装甲自身的红外辐射强度

(16)

式中：Az为装甲板在探测方向上的面积；εz为装甲板表面发射率；σ为黑体辐射常数；ηλ1～λ2为黑体辐射函数，可以通过查表得到；Tz为外装甲表面的平均温度，可以利用CFX软件通过流固耦合分析得到。

装甲车辆侧面装甲板的温度分布如图7所示。可以看出：在排烟管和动力舱附近，装甲板的温度明显较高，说明这二者对装甲板的传热作用很强。

图7 装甲车辆侧面装甲板温度分布

2.2 装甲板对环境反射的辐射

在此主要研究太阳辐射，但要注意装甲车辆作战的实际情况，在天气状况不佳时不再考虑Ih类辐射。

将外装甲板反射的太阳辐射视为灰体辐射，据NASA测量的数据[9-10]，太阳常数Es=1 353 W/m2。装甲板反射太阳光的辐射强度

(17)

式中：ρ为该地区的大气透明率；α为吸收比；δ为太阳光线与装甲板的法向夹角。

3 装甲车辆红外目标特性

3.1 模型验证

高温排烟热气的温度分布是计算排烟红外装置辐射的基础，因此应对利用CFX软件模拟得到的结果进行试验验证，以考察其模拟精度是否符合要求[11]。图8为某工况下，某型装甲车辆发动机平行于轴线不同截面的排烟温度分布模拟值与试验值的比较。其中：y为所取样本点的径向距离，排烟管的直径为50cm，则计算/测量范围为0～0.25cm；x为样本点的轴向距离，即该点到排烟口平面的垂直距离；试验时选取了8个轴向距离和2个径向距离，共16个点进行温度的测量。结果表明：在排烟的大部分区域，模拟值与试验值吻合较好，平均相对误差值为9.4%，这说明所建立的模型可靠。

图8 平行于轴线不同截面的排烟温度分布

为了对排烟装置总体红外辐射数值计算模型的精度进行验证，搭建了红外辐射值试验测试系统，排烟装置总体红外测点布置如图9所示。选取高温排烟热气中CO2在波带4.3 μm处、探测视线在0°～180°方向内的辐射亮度分布情况作为精度验证的指标，其试验值与模拟值对比如图10所示。可以看出：与模拟值相比，试验值较大，这是因为在模拟计算时未考虑实际情况中发动机燃烧生成的碳烟颗粒对红外辐射的影响；试验值与模拟值的相对误差最大值仅为10.9%，完全满足工程计算的需要。

图9 排烟装置总体红外测点布置

图10 CO2在波带4.3 μm的辐射亮度对比

测试和模拟时，天气条件都选择太阳在车顶直射，侧面装甲板红外光谱辐射亮度的试验值与模拟值对比如图11所示。可以看出：红外光谱辐射亮度随波长变化的趋势相同，且试验值与模拟值之间的误差不大，其最大相对误差为12.4%。这可能是因为：红外探测仪器精度、大气环境、发动机模型提供的计算边界与实际情况存在误差，说明所建立的计算模型合理，基本满足工程计算的需要[12-14]。

图11 侧面装甲板红外光谱辐射亮度对比

3.2 结果及分析

综合考虑排烟装置总体辐射和外表面装甲辐射的共同作用。针对某一发动机工况，利用红外辐射计算模型得到的装甲车辆在探测方向为0°～360°时的红外辐射强度分布如图12所示。

图12 装甲车辆红外辐射强度分布

由图12可以看出：

1) 装甲车辆车头方向的红外辐射强度明显较弱，且在波带8～14μm时的辐射强度明显大于波带3～5 μm。分析其原因为：该车型的动力舱为后置式，动力舱内动力传动装置的产热对装甲车辆后部装甲板的加热作用更为明显，因此其对整车的红外辐射强度的影响最大。

2) 在波带3～5 μm范围内，红外辐射分布呈现出心脏型，其最强辐射值位于60°和300°方向附近，而90°和270°方向的红外辐射较弱。这是因为：在侧方排烟管的红外辐射被高温排烟热气强烈吸收，而在60°和300°两个探测方向的吸收作用减弱。

3) 对于波带8～14 μm内，红外辐射变化趋势不太明显。这是因为：高温排烟热气对该波段辐射能量的贡献较低，且高温排烟热气对此波带的红外辐射能量吸收较少。

4 结论

笔者利用数值计算模型与试验测量数据相结合的方法，建立了某型装甲车辆排烟装置总体红外辐射数值计算模型和外表面装甲的红外数值计算模型，并通过试验验证了上述模型满足工程计算需要。主要结论如下：

1) 采用CFX软件建立的装甲车辆排烟装置温度场数值计算模型，能够得到较准确的排烟流场和温度场分布情况，同时在用GT软件仿真时发现该型发动机排烟热气温度与发动机转速成反比。

2) 动力舱内热源和高温排烟管对装甲板的温度分布影响较大，能明显提高附近装甲板的温度。

3) 影响装甲车辆红外目标特性的因素主要有波带、探测方向，且装甲车辆的红外辐射强度具有明显的方向性，在提出抑制措施时要充分考虑装甲车辆红外辐射分布的这一特点。