CC BY
131
Список литературы
1. Ветров В.В. Интенсификация теплопереноса через воздушные прослойки в условиях осевого вращения и внешнего нагрева// Тез. док. Четвертой МТФШ. Тамбов: ТГТУ, 2001. С. 27-31.
2. Ветров В.В., Стреляев С.И., Воробьев А.А.. Модернизация экспериментальной установки для исследования конвективного теплопереноса во вращающихся прослойках // Известия ТулГУ. Технические науки. 2011. Вып.2. С.54-57.
V. V. Vetrov, A.A. Vorobyev
RESEARCH OF INTENSIFICATION HEATMASS EXCHANGE IN ROTATING CYLINDRICAL VOLUMES AT EXTERNAL HEATING
This paper investigates influence of rotation and external (aerodynamic) heating on a thermal condition of elements of the airframe. At processing experimental data new dependence for coefficient of convection from speed of axial rotation closed volumes of the cylindrical form is received.
Key words: convective heat exchange, experimental research, a gas interlayer, axial rotation, external heating, computer simulation.
Получено 17.10.12
УДК 623.52
С.И. Стреляев, д-р техн. наук, проф.,(4872) 35-18-79, sergeystrel@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ПОЛУНАТУРНАЯ ТЕПЛОВАЯ МОДЕЛЬ ТАНКА
Представлен подход к решению задачи воспроизведения в лабораторных условиях теплового образа объекта бронетанковой техники.
Ключевые слова: моделирование, танк, инфракрасная головка самонаведения.
С математической точки зрения процесс обнаружения и наведения на цель, реализуемый системой управления (СУ) самонаводящегося бое-припаса, представляет собой поиск в ограниченном функциональном пространстве математических образов, обладающих априорно известной структурой и параметрами. Физически данная процедура реализуется в оп-тикоэлектронной системе управления (ОЭСУ) как пространственно-временной анализ распределения спектральной плотности энергии, отражаемой и излучаемой целью и воспринимаемой головкой самонаведения (ГСН). Такой анализ для перспективных изделий должен обеспечивать реализацию нескольких этапов: обнаружение - установление класса (например, объект бронетанковой техники) - установление типа (например,
М1А2) - определение состояния (например, движется, ведет огонь)- определение приоритета (например, танк командира).
Информационные возможности канала ОЭСУ, работающей в конкретном диапазоне длин волн, определяются следующими показателями:
- техническими характеристиками аппаратуры, с помощью которой ведётся наблюдение за целью (для пассивного и активного самонаведения это ГСН, для полуактивного добавляется станция подсветки-целеуказания);
- текущим состоянием окружающей среды как канала связи в данном диапазоне между пространственно разнесёнными целью, источником и приемником излучения;
- геометрическими параметрами цели, а также совокупностью из-лучательных, поглощательных и отражательных свойств цели и подстилающего фона.
Свойства цели, позволяющие реализовать перечисленные выше этапы работы ОЭСУ, являются демаскирующими признаками, совокупность которых определяет структуру и параметры вышеназванного математического образа. Следовательно, адекватность и степень детализации математического образа цели, загружаемого в бортовой процессор ОЭСУ, в значительной мере определяют вероятность селекции.
В каждом диапазоне электромагнитного спектра демаскирующие признаки имеют свои особенности, специфичен также и фон. Кроме того, возможные изменения состояния окружающей среды по-разному влияют на качество получаемой информации. Таким образом, для создания современной ОЭСУ высокоточного самонаводящегося боеприпаса необходимо рассмотрение энергетического взаимодействия в соответствующем диапазоне спектра четырех компонент: цели, фона, атмосферы и ГСН. Каждый из них имеет сложную структуру и по-разному реагирует на внешние воздействия, причем действие и свойства одного объекта определяют реакцию другого, то есть все они взаимосвязаны, в силу чего данный комплекс объектов удовлетворяет определению сложной системы.
Системный подход для исследования сложных систем является наиболее общим, поскольку дает возможность изучать едиными методами объекты различной физической природы.
Существуют два пути моделирования сложной системы:
- нисходящее моделирование на физическом уровне - декомпозиция до простейших физических объектов и составление математических моделей последних.
- восходящее моделирование - объединение математических моделей простых объектов в соответствии с их внешними связями. При этом внутренние связи объектов исключаются, но не путем отбрасывания, а приведением их к эквивалентным внешним связям.
Таким образом, можно выделить следующие положения:
- успешное выполнение боевой задачи комплексом высокоточного оружия ВТО с самонаводящимся боеприпасом требует от ОЭСУ принятия квазиоптимальных решений на основе эффективного осуществления ряда последовательно-параллельных процедур, связанных с получением и обработкой сложной информации о фоноцелевой ситуации;
- процесс восприятия ОЭСУ информации об объекте поражения представляет собой взаимодействие взаимосвязанных компонент - цели, фона, атмосферы и головной части с ГСН, совокупность которых является по определению сложной технической системой;
- разработка перспективных ГСН связана с математическим моделированием процессов, протекающих в сложной системе, предполагающим корректное применение методов системологии - физической и математической декомпозиции.
Получить достоверную исходную информацию для обоснованного назначения основных тактико-технических характеристик перспективных ГСН и генерирования эффективных «интеллектуальных» алгоритмов селекции цели невозможно без моделирования фоноцелевой обстановки (ФЦО). При этом необходим комплексный подход: применение как математического (цифрового), так и физического (аналогового) моделирования.
Если на этапе НИР по перспективным ОЭСУ (в частности, алгоритмов селекции) достаточно спрогнозировать ФЦО (т.е. рассчитать математически по моделям, адекватность которых экспериментально подтверждена), то при отработке макетного образца ГСН возникает необходимость физически воспроизвести и представить макету аналог рассчитанных образов. Возможный путь решения этой задачи - натурный физический эксперимент в полигонных условиях. Однако натурное моделирование не позволяет охватить всей гаммы возможных сочетаний погодно-климатических условий, многовариантных сюжетов подстилающей фоновой поверхности и состояний цели. Низкая информативность и высокая стоимость натурных испытаний ставят под сомнение их достаточность при отработке макетных образцов инфракрасных (ИК) ГСН. Реальным выходом из такой ситуации представляется применение методов полунатурного аналогового моделирования в лабораторных условиях всех составляющих ФЦО. Именно поэтому ведущие зарубежные фирмы, специализирующиеся в области технических средств разведки ИК диапазона, интенсивно разрабатывают средства цифрового и аналогового моделирования ФЦО. Практическое выполнение этого требует разработки специальных тепловых аналогов фона, цели и макета ИК ГСН. Главным требованием является воспроизведение образов элементов ФЦО на входной апертуре макета ГСН без искажения их структуры и сигнатуры, т.е., в пределах характерных тепловых зон поле аналоговой модели должно быть непрерывным и воспроизводить требуемый спектральный энергетический контраст цели с высокой точностью. В соответствии с основами теории подобия и модели-
рования [1,2] необходимо обеспечить условия подобия цели (фона) и ее модели.
Для осуществления полунатурного физического моделирования процесса функционирования ГСН с целью исследования ее работоспособности и оценки эффективности алгоритма селекции необходимо создание комплекта моделей, позволяющих в лабораторных условиях адекватно воспроизводить образы основных элементов реальной ФЦО, влияющих на процессы поиска и самонаведения. В техническую основу названных моделей целесообразно заложить электротепловое преобразование энергии в сплошной среде; по сути, такой комплекс будет являться испытательным полунатурным микрополигоном.
Вопросам экспериментального определения, математического и аналогового моделирования ИК сигнатур военных целей в СССР уделялось достаточное внимание. Однако исследования не имели системного характера, полученные результаты в силу ведомственной разобщенности не обобщались, во многом устарели или безвозвратно утрачены. По имеющейся в Интернете информации, технологии физико-математического моделирования ФЦО ИК диапазона, разработанные для проектирования перспективных ИК ГСН и средств пассивной защиты объектов военной техники, в странах НАТО имеются.
Американской фирмой «SBIR» (Санта-Барбара ИК) разработана серия аналого-цифровых стендов MIRAGE (многоспектральное инфракрасное оборудование создания динамического изображения), предназначенных для физического воспроизведения ИК картин на входной апертуре ИК ГСН. Ядром стенда является матричный генератор, включающий специализированную излучающую матрицу на основе напыленной кремниевой пиксельной резистивной нагревательной микропленки. Площадь излучающего пикселя матрицы размером 512 х 512 составляет 39 мкм2. Высокое быстродействие излучающего пикселя (5 мс) обеспечивается путем принудительного охлаждения матрицы до криогенной температуры. Достоинствами стенда являются универсальность, компактность и возможность имитации ФЦО в динамике, определяемой скоростью сближения бо-еприпаса с целью. Принципиальной особенностью технологии является дискретный способ формирования изображения. При таком способе для требуемой степени детализации воспроизводимого сюжета ФЦО число элементов излучающей матрицы должно не менее чем на два порядка превышать количество пикселей матрицы фотоприемника ГСН. Поэтому даже лучшие излучающие матрицы 1024 х 1024 позволят отрабатывать ИК ГСН с матрицей не выше 64 х 64 пикселя. Продажа любых модификаций стендов MIRAGE запрещена в Россию, а последняя версия недоступна и партнерам США по НАТО.
Американской фирмой «ThermoAnalytics» создан программный комплекс MuSES, разработанный в рамках Фазы II SBIR (Инновационные исследования малого бизнеса) по заказу ТАСОМ (Командование автобро-
нетанковой техники и вооружения армии США), отвечающего за разработку и приобретение нового вооружения. MuSES объединяет трехмерные цифровые тепловые модели цели с фоновой геометрией для прогнозирования инфракрасной сигнатуры. MuSES является стандартным средством, используемым ВС США, и служит заменой пакета PRISM. MuSES используется как разработчиками высокоточных боеприпасов, так и пассивных средств противодействия - маскировки, ложных целей и др.
Израильская фирма «Eltics» разрабатывает полномасштабный опытный образец активной стелс-системы Black-Fox, позволяющей замаскировать боевую машину в ИК диапазоне. Система включает ИК камеру кругового обзора окружающего фона, процессор и контроллер, которые управляют температурой панелей, покрывающих маскируемый объект. В результате объект для ГСН (тепловизионного прицела) сливается с окружающим фоном, делая практически невозможным его распознавание, захват и сопровождение, либо мимикрирует под заданный образ, например, машину противника.
Британский концерн «ВАЕ Systems» в настоящее время интенсивно ведет аналогичную разработку под шифром ADAPTIV.
На кафедре «Ракетное вооружение» ТулГУ спроектирована, изготовлена и экспериментально показана работоспособность тепловой модели одного из представительных образцов зарубежной бронетанковой цели -основного танка M1A2 «Абрамс».
С помощью специально разработанной компьютерной программы были рассчитаны трехмерные нестационарные температурные поля внешней поверхности данной цели. Проведена аппроксимации геометрического образа объекта - дискретизация внешней поверхности каждой тепловой зоны. При дискретизации соблюдалось условие изотермичности поверхности элемента дискретизации при минимальном искажении внешнего облика объекта. Наружная поверхность машины представляется совокупностью плоских четырехугольных элементов (рис. 1). Разбиение внутреннего объема объекта на характерные области проведено для адекватного задания мощности и температуры внутренних источников тепловыделения и условий теплоотдачи в корпус машины. Компьютерное моделирование тепловых полей танка проводилось для различных типовых сочетаний эксплуатационных и атмосферно-климатических параметров.
Рис. 1. Аппроксимированный геометрический образ внешней поверхности танка
Анализ результатов численного моделирования теплового поля наружной поверхности объекта позволил установить температурные диапазоны основных тепловых зон объекта (рис. 2). Таким образом, была получена информация для теплового проектирования модели объекта.
Определение геометрических размеров проектируемой модели проводилось исходя из ожидаемой дальности начала поиска цели тепловой ГСН современных высокоточных боеприпасов. При дальности 1500 м и угле зрения ГСН 10 ° требуемый масштаб тепловой модели цели составляет 1:100. Таким образом, геометрические размеры модели составят единицы сантиметров. Построить модель бронеобъекта таких размеров, позволяющую воспроизводить требуемое температурное поле, нереально. Анализ показал, что для адекватного воспроизведения температурных полей основных тепловых зон бронеобъекта масштаб модели должен составлять 1:35. Поэтому спроектирована, изготовлена и аттестована тепловая модель танка М1А2 в масштабе 1:35. Общий вид модели представлен на рис. 2.
Модель изготовлена из медного листа в полном геометрическом подобии внешней поверхности аналога. Внутренний объем модели разбит на теплоизолированные полости, в которых размещены нагреватели сопротивления, позволяющие получать на внешней поверхности требуемую термодинамическую температуру, моделирующую температуру внешней поверхности реального танка. Нагреватели расположены в стволе, башне, МТО, под передним броневым листом, а также на внутренних поверхностях бортовых экранов. Внешней поверхности модели в видимом диапазоне придана окраска, соответствующая маскировочной окраске М1А2 для Западноевропейского театра военных действий.
Излучательная спектральная способность нанесенного покрытия определялась экспериментально путем сравнения результатов контактного измерения температуры и дистанционного измерения лучистого потока.
Изготовленный образец модели был подвергнут испытаниям на предмет работоспособности и соответствия температурных режимов вышеперечисленных тепловых зон температурам реального объекта, определенных для различных условий функционирования путем численного эксперимента. Измерение температуры внешней поверхности модели проводилось бесконтактным пирометром и контактным способом при помощи термопары, входящей в комплект пирометра. Диаграммы динамики температуры поверхности модели записывались в память персонального компьютера и визуализировались на экране дисплея.
Рис. 2. Внешний вид Рис. 3. Микрополигон
тепловой модели М1А2 для отработки алгоритмов
распознавания образов в условиях оптикоэлектронной лаборатории
В результате экспериментальных исследований получены технические характеристики тепловой модели цели. Установлено, что технические характеристики тепловой модели позволяют использовать ее в составе микрополигона для отработки алгоритмов распознавания образов в условиях оптикоэлектронной лаборатории (рис. 3).
Список литературы
1. Веников В.А. Теория подобия и моделирования. М.: Высшая школа, 1976. 479 с.
2. Адрианов В.Н. Основы радиационного и сложного теплообмена. М.: Энергия, 1972. 464 с.
S.I. Strelyaev
SEMIREALISTIC THERMAL TANK MODEL
This paper presents an approach to the problem of reproducing a thermal image of an armored vehicle in laboratory environment.
Key words: simulation, tank, infrared homing head.
Получено 17.10.12
