基于军用飞机的热流模拟辐照系统

王丹艺，蒋山平，杨林华

(中国空间技术研究院 北京卫星环境工程研究所，北京 100094)

0 引言

随着军用飞机需求的日益增长，针对其性能检测的环境试验设备需求也备受关注，环境试验设备主要包括热环境、光照环境、冷环境等，其中热环境及光照环境多采用红外加热笼进行环境升温，通过提升温度模拟光照热环境，但红外加热笼的光谱仿真及均匀性方面与真实光照有很大差距[1-4]。光照模拟技术的实现主要有太阳模拟器及太阳辐照灯阵两种方式。太阳模拟器主要为空间相机及卫星进行热平衡试验，提供与太阳光谱分布相匹配且均匀性、准直性较高的太阳光辐照面，但其结构复杂、成本较高。太阳辐照灯阵主要应用于航空航天、汽车车辆、材料性能检测、农业育种等领域，相对于太阳模拟器，其结构简单、经济性好、辐照面积大[5-9]。

国内外对大型辐照模拟设备进行了相关研究。日本大和住宅工业公司建造的大型环境模拟室，辐射强度为1 163 W/m2.美国麦金利环境试验中心的主模拟室可以进行太阳辐射热效应的模拟。英国皇家陆军装备研究院太阳辐射模拟设备也可以模拟太阳辐射热效应[10-15]。国内北京卫星环境工程研究所研制的单面墙体垂直布置式灯阵，可以实现20 m×20 m超大辐照范围光照模拟，辐照面内平均辐照能量为400.4 W/m2，在600～700 nm和965～995 nm两个谱段内辐照能量分别为48.5 W/m2和5.1 W/m2，光线入射角连续可调。西安交通大学等单位也进行过类似研究，研制出辐照范围为2.0 m×1.5 m、辐照能量为1 000 W/m2、辐照均匀性优于±5%的光照系统[16-21]。

为满足军用飞机座舱的热流模拟需求、提高热流模拟的准确性，本文建立一套大功率辐照模拟装置，该装置可在低气压环境下模拟太阳辐照环境。根据常用军用飞机需求，该装置需要满足辐照范围达到1 500 mm×3 500 mm、辐照能量在0.8～1.5 sc(1 sc=1 353 W/m2)内连续可调，辐照均匀性可达到±15%.

1 军用热流模拟辐照系统设计

本文设计的军用热流模拟辐照系统采用氙灯灯阵结构，以尽可能真实地再现高空太阳辐照热流环境，通过选用光谱分布接近太阳光谱的光源，将电能量转换成光通量，光源发出的光线经过灯具汇聚、匀光再投射到飞机座舱上，形成模拟太阳辐照特性的光束，从而达到热流模拟的目的。主要指标为光学辐照能量指标及光学辐照均匀性指标，该性能指标要求等同于太阳模拟器主要技术指标。

1.1 光源

根据军用飞机座舱外形尺寸，拟需要辐照范围约为1 500 mm×3 500 mm、辐照能量为0.8～1.5 sc的光照系统。根据以上要求，选择3 000 W氙灯光源作为热流模拟辐照系统光源，其光谱分布与太阳光谱最为接近，可真实地模拟因太阳光照引起的热环境，且其性能亮度高、寿命长，性价比更高。

1.2 灯具

单灯灯具(见图1)主要由风道、触发器、光源组等组成。灯具外壳采用铝板激光精确切割后进行折弯焊接，打磨后进行表面喷塑处理。反射器采用高纯铝反射器，进行表面阳极氧化处理。

图1 单灯结构图Fig.1 Structure drawing of single lamp

1.3 冷却系统

单灯灯具冷却系统由进风、出风两部分组成(见图2)。进风口在灯具顶部，空气从顶部进风口进入灯具内部，通过导流筒到达光源发光壳体部位，再通过反射罩的开口进入灯体腔体，然后通过排风风道将热空气排出。

图2 单灯灯具冷却系统结构示意图Fig.2 Structure drawing of luminaire cooling system for single lamp

2 军用热流模拟辐照系统仿真计算分析

热流模拟辐照系统采用阵列式灯阵布局。首先对单灯结构进行设计，单灯结构设计中主要考虑配光强度符合高斯分布；其次根据辐照面积、辐照距离等要求，配合单灯功率、灯具间距及单灯高斯分布的配光进行整体考虑，选择最优灯阵数量及布局进行优化设计。在灯阵整体设计过程中主要考虑将灯具边缘拼接处辐照能量较弱处进行重叠，从而达到与单灯灯具中心辐照强度接近的效果，最终使系统整体达到均匀性要求。

2.1 单灯灯具仿真模拟设计

本文主要采用LIGHTTOOLS软件对单灯及灯阵整体进行仿真，以精确地定义光源的形状和发光特性，利用蒙特卡洛法光线追迹，得到接收表面上的光照度、强度或亮度。其中单灯反射器角度控制在50°左右，如图3所示，图3(a)为单灯灯具仿真整体图，图3(b)为单灯光栅模拟效果图。结合图3(a)和图3(b)可以得出以下结论：半径为200 mm内的光照区域强度达到1 500 W/m2，半径为500 mm内的光照区域强度达到1 000 W/m2.由此可见，单灯能量值可满足使用需求，辐照均匀性较好，仿真结果与实际光度测量结果基本一致。

图3 单灯灯具仿真Fig.3 Single lamp luminaire simulation

2.2 热流模拟辐照系统模拟计算

2.2.1 热流模拟辐照系统设计

根据单灯灯具仿真分析，并考虑热流模拟辐照系统对辐照范围、均匀性及能量的要求，主要仿真边界参数包括辐照范围不小于1 500 mm×3 500 mm，辐照面距离灯阵系统1 000 mm处。光学系统结构将在18套灯具(A方案)和21套灯具(B方案)两种组合成灯阵模式中选择一种。

采用DIALux软件对辐照系统整体进行初步照明仿真模拟，根据灯具数量进行任意组合排列、计算结果，并有多种详细数据输出，适用于辐照面积较大的光学系统，其中DIALux软件计算单位为流明(lx)，对于3 000 W氙灯，1 W/m2=98 lx.在DIALux软件中预设一个5 m×8 m×3 m的空间中心(见图4)，其中辐照面积为1 500 mm×3 500 mm，在距离地面1 000 mm处放置18套3 000 W氙灯灯具及21套3 000 W氙灯灯具，在辐照面1 000 mm处增加仿真计算点位。

图4 热流模拟辐照系统仿真图Fig.4 Simulation diagram of heat flow simulation irradiation system

从图4中可以看出：A方案组成的灯阵系统散热效果更好，工作时对冷却风量的要求较低，但灯阵系统的辐照均匀性为16.4%，辐照能量最高可达到198 940 lx(2 030 W/m2)；B方案组成的灯阵系统对冷却系统要求较高，但辐照均匀性最高可达到14%，电源满功率工作时，辐照系统的能量值可达到225 400 lx(2 300 W/m2).对比以上结论可知，两种方案辐照能量均满足要求，方案A均匀性未满足要求，方案B均匀性、辐照能量均可以满足使用要求，且在后续使用中高辐照能量应用更为广泛，因此选用B方案即21套单灯灯具组成的辐照系统。

2.2.2 热流模拟辐照系统模拟仿真

针对热流模拟辐照系统单灯及整体的初步仿真结果，选择21套单灯灯具结构。采用3 000 W氙灯，灯具设为均布结构，每只灯具间隔650 mm.通过LIGHTTOOLS软件对整体进行进一步详细仿真模拟(见图5)，在距离地面1 000 mm处放置21套3 000 W的氙灯灯具，在辐照面1 000 mm处增加仿真计算点位。

从图5可见，在距离热流模拟辐照系统1 m处的表面最高辐射强度(见图6)为2 569 W/m2，最低辐射强度为2 003 W/m2，该区域内辐照度均匀性为±12.4%.

由于军用飞机座舱结构原因，其接受光照的高度也有区别，通过以上方法对热流模拟辐照系统距试件分别为1.0 m、0.9 m、0.8 m、0.7 m 4种工况进行仿真计算，结果如表1所示。

表1 仿真计算结果Tab.1 Calculated results

通过表1可以看出，热流模拟辐照系统基本可以满足使用需求，光照均匀性均优于15%，辐照能量最高可达到2 003 W/m2即1.89 sc，最低可以达到1 930 W/m2即1.42 sc，当辐照面距离系统1 000 mm时辐照均匀性最优、辐照能量最高。

2.3 结构受力分析

热流模拟辐照系统总质量约为400 kg，由于辐照系统支撑结构采用内侧弯曲形式，需要充分考虑结构稳定性，在此通过SOLIDWORKS软件对辐照系统进行力学仿真分析(见图7)。

图7 辐照系统框架受力分析Fig.7 Stress analysis of irradiation system frame

经过计算，整个结构最大变形量为0.8 mm，结构强度完全满足安全使用要求。

2.4 系统结构设计

灯具的布置方式为横排式布灯，布置3排，每排布置7套，共21套灯具。系统冷却分为上下两层结构，整体进风采用单侧进风、对侧排风方式。如图8所示。

图8 辐照系统整体结构示意图Fig.8 Structure of irradiation system

3 军用热流模拟辐照系统性能测试

3.1 系统性能测试

根据光学系统、机械系统、冷却系统的设计进行加工、安装及调试，对调试安装后热流模拟及精确控温系统整体进行性能测试，主要是对距离系统1 000 mm处、辐照范围为1 500 mm×3 500 mm内的辐照能量及辐照不均匀性进行测试，如图9所示。

图9 军用热流模拟辐照系统Fig.9 Military heat flow simulation irradiation system

3.1.1 辐照能量测量

辐照能量测量采用绝对辐射计、惠普34970A数据采集表和台式计算机。其中，绝对辐射计进行能量采集，压值，数据采集表输出相应的电压值信号，并传输到台式计算机上进行实时记录，按(1)式计算辐照能量：

(1)

式中：Ei为绝对辐射计第i次测量的辐照能量(W/m2)；Ui为绝对辐射计第i次有光照时测量的电压值(μV)；Ui0为绝对辐射计第i次无光照时测量的电压值(μV)；S为绝对辐射计灵敏度，取值为5.01 μV·m2/W.

按(1)式计算多次测量的平均辐照能量：

(2)

式中：E为平均辐照能量(W/m2)；n为测量次数，n≥3.

3.1.2 辐照不均匀性测量

辐照不均匀性测量采用均匀性测试仪、惠普34970A数据采集表和台式计算机，其中均匀性测试仪由二维扫描机构、硅光电池和温度控制系统组成。在记录的均匀辐照面分布曲线上，选出整个辐照面的最大值和最小值，记为Emax和Emin，按(3)式计算辐照面不均匀性ΔE：

(3)

表2所示为军用热流模拟辐照系统性能参数表。从表2中可以看出，在距离热流模拟辐照系统1 000 mm处，辐照范围1 500 mm×3 500 mm内均匀性最优可达到13.3%，当电源满功率工作时，辐照能量可达到2 435 W/m2，即1.80 sc.以上结果表明，热流模拟辐照系统的实际性能测试与仿真模拟数据还存在一定差距，其中辐照能量基本相同，但辐照均匀性较低。这是因为传统大中型太阳模拟器结构包含积分器组件，因此辐照不均匀性指标通常为5%～8%左右。而本文热流模拟辐照系统采用多灯阵列结构，仅通过灯具辐照能量的叠加，使系统整体达到均匀性要求。后续可根据测量数据对热流模拟辐照系统进行结构优化，对单灯灯具反射镜进行结构优化，对整体灯阵布局间距等进行调整，以及安装调试过程中对单灯光源位置进行调整，从而达到辐照能量和辐照均匀性提高的效果。

表2 军用热流模拟辐照系统性能参数Tab.2 Performance parameters of military heat flow simulation irradiation system

3.2 单灯低气压环境试验

热流模拟辐照系统主要用于军用飞机座舱辐照试验，军用飞机飞行高度不同，气压环境有所不同，在此针对热流模拟辐照系统，选用7种常见飞行海拔高度，对单灯结构进行低气压环境下的点灯试验，试验工况如表3所示。

表3 单灯低气压环境试验工况Tab.3 Low pressure environment test conditions of single lamp

将单灯灯具放置在容器内，从5 km海拔高度逐渐升至18 km海拔高度，提供温度为20 ℃、风流量为133 kg/h的冷却风。从5 km海拔高度开始点灯，在每个高度进行单灯触发点燃工作。氙灯顺利点燃后，关闭氙灯改变气压，逐步将海拔高度升至18 km，期间设置5个挡位，观察氙灯是否可在低气压环境下正常使用，如图10所示。

图10 单灯低气压环境试验Fig.10 Low pressure environment test of single lamp

表4所示为单灯低气压试验结果。从表4中可以看出：单灯在12 km海拔高度以下可正常点燃、工作；在12 km海拔高度点燃氙灯后对气压进行调整，单灯仍可正常工作。以此可推断，热流模拟辐照系统也可在低气压环境下进行点灯工作，可在12 km高度点燃氙灯后实现对气压的降低。

表4 单灯低气压试验结果Tab.4 Low-pressure test results of single lamp

通过单灯低气压环境试验可以看出，热流模拟辐照系统单灯结构能够在低气压环境下工作，并可在氙灯触发后进行能量调节，从而模拟不同飞行高度下的光照环境。后续可进行低温环境试验及热流模拟辐照系统整体的特殊环境试验，以期为军用飞机环境控制系统及环境模拟技术打下基础。

4 结论

本文采用氙灯阵列模式建立军用热流模拟辐照系统，用于地面模拟空中环境或飞机座舱工作环境。针对军用飞机座舱光照需求对系统进行结构设计及选型对比，通过LIGHTTOOLS、DIALux、SOLIDWORKS软件对热流模拟辐照系统进行光学、力学仿真设计。最终，进行整体性能测试及单灯低气压环境试验。得出主要结论如下：

1) 整体性能测试结果表明，系统辐照能量及均匀性与设计结果基本一致，最大辐照能量可达到2 435 W/m2，即1.80 sc，辐照均匀性可达到±13.3%.

2) 单灯低气压环境试验表明，热流模拟辐照系统单灯结构可以满足低气压环境使用。

3) 军用热流模拟辐照系统可以满足军用飞机座舱常用需求，后续可根据试验结果进行结构优化，并开展特殊环境试验等。