CC BY
157
список литературы
1. Алифанов О. М. и др. Основы идентификации и проектирования тепловых процессов и систем: Учеб. пособие. М.: Логос, 2001. 400 с.
2. Артюхин Е. А. Оптимальное планирование эксперимента при идентификации процессов теплообмена // Изв. СО АН СССР. Сер. техн. наук. 1987. № 7/2. С. 28—32.
3. Пилипенко Н. В., Кириллов К. В. Определение нестационарных условий теплообмена в энергетических установках // Приборы. 2008. № 9. C. 21—25.
4. Пилипенко Н. В. Методические погрешности определения нестационарных условий теплообмена при параметрической идентификации // Измерительная техника. 2007. № 8. С. 54—59.
5. Pilipenko N. Parametrical identification of differential-difference heat transfer models in non-stationary thermal measurements // Heat Transfer Research. 2008. Vol. 39, N 4. P. 311—315.
Николай Васильевич Пилипенко
Ярослав Валерьевич Казарцев
Рекомендована кафедрой компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга
Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютерной теплофизики и энергофизического мониторинга; E-mail: pilipenko38@mail.ru
ФГУП „ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", лаборатория калориметрии и высокочистых органических веществ метрологического назначения, Санкт-Петербург; младший научный сотрудник; E-mail: kazartsev@hotmail.com
Поступила в редакцию 18.05.10 г.
УДК 535.31;53.072;62.51
А. В. Демин, А. В.Сорокин, Д. М. Гордеев, М. А. Белянский, А. С. Птицына, А. Г. Шалковский, А. Б. Чуриков, А. С. Смолин
АВИАЦИОННЫЙ ТЕПЛОПЕЛЕНГАТОР
Приведены результаты работ по созданию авиационного теплопеленгатора для обнаружения и пеленгации высокоскоростных летательных аппаратов.
Ключевые слова: теплопеленгатор, летательный аппарат, помехи, инфракрасный диапазон излучения, фотоприемное устройство, объектив.
Теплопеленгаторы относятся к классу пассивных оптико-электронных систем, позволяющих в инфракрасном диапазоне спектра излучения решать задачи обнаружения, идентификации и пеленгации путем выявления искомого объекта на фоне помех на основе выбранной совокупности критериев.
Одной из основных характеристик теплопеленгаторов (ТП) является дальность, на которой объект с требуемой вероятностью и достоверностью может быть обнаружен, определяемая параметрами приемника излучения и объектива, а также конструкцией теплопеленга-тора в целом.
В настоящей работе приведены результаты разработки авиационного теплопеленгатора для обнаружения высокоскоростного летательного аппарата на фоне помех. В процессе полета высокоскоростного летательного аппарата (ЛА) вследствие торможения воздушного потока в пограничном слое и в ударных волнах происходят сложные нестационарные процессы тепломассообмена с изменением свойств воздуха (диссоциация, ионизация, рекомбинация),
что создает определенные трудности при идентификации ЛА, размеры которого малы по сравнению с окружающим его пространством, являющимся помехой.
Из экспериментальных исследований [1—16] известно, что интегральная сила излучения факелов ЛА для высоты 5—30 км в спектральном диапазоне 3—5 мкм составляет порядка (1,3—9,5)-104 Вт/ср. Тем не менее время излучения факела двигателя ЛА меньше чем время его полета, поэтому основным источником теплового излучения для ТП является корпус ЛА.
В соответствии с уравнением термодинамического состояния системы, представленного в цилиндрических координатах, может быть рассчитана температура различных участков ЛА путем интегрирования этого уравнения по времени и поверхности [17]:
р( * z с ( * z, г ) f=R ±
Ri RR ( R, Z, T )
dR
dZ
i zz ( R, z, T ) IZ
dZ
dZ
i rz ( R, z, T )
dT_
~ôr
д
RdR
Ri rz ( R, z, T )
dT_
~ôz
T T
1+r ÎYll)M 2
(1)
где Я, Z — цилиндрические координаты поверхности ЛА; р — удельная плотность материала ЛА с координатами Я, Z; Ср — удельная теплоемкость материала ЛА с координатами Я, Z при температуре Т; и ^ — компоненты тензора теплопроводности ЛА с координата-
ми Я, г при температуре Т; I — текущее время; Т' — оценка температуры поверхности ЛА; Та — температура атмосферы; у — отношение теплоемкости атмосферы при постоянном давлении к ее теплоемкости при постоянном объеме ( у « 1,4); г — коэффициент восстановления температурного баланса, для головной части ЛА « 0,5—0,9; М — число Маха.
Величина потока излучения от ЛА на приемник излучения ОЭСтп определяется следующим соотношением [14, 16]:
Fo6 =
Тоб^Scosocos^ Ir dX.
п L ,J
(2)
где S06 — площадь входного зрачка объектива ТП; L — расстояние между ТП и ЛА; ф — угол между направлением на ЛА и оптической осью ТП (угол рассогласования); тоб — коэффициент пропускания объектива ТП; — спектральная чувствительность приемника излучения с фильтром; та — коэффициент пропускания атмосферы.
Расчеты показывают, что с расстояния 50 км ожидаемый поток от ЛА в спектральном интервале 3—5 мкм составляет порядка 5,5-10-10 Вт/пиксел, а с расстояния в 200 км — 3,5-10-11 Вт/пиксел, в то время как чувствительность современных приемников составляет порядка 3-1013 Вт/пиксел (MARS MW K508 фирмы "SOFRADIR"), что свидетельствует о возможности создания теплопеленгаторов дальнего действия.
На рис. 1 приведена укрупненная схема авиационного ТП без вторичных источников питания, пунктир обозначает наличие электроинформационных связей, а сплошные стрелки — наличие механических связей. Ниже приведены основные параметры ТП.
Фокусное расстояние, мм. Относительное отверстие. Угловое поле зрения, ..
115 1:2
8,5
Рабочий спектральный интервал, мкм.......................................... 3—5
Фотоприемное устройство MARS MW K508 ФИРМА "SOFRADIR"
Чувствительность, Вт/пиксел.........................................................~3х10-13
Число пикселов матрицы................................................................ 320x256
Размер пиксела, мкм....................................................................... 33
Время накопления сигнала, мс....................................................... 6,1
ЛА
ТП
f w
Платформа управ положени визирова с приводом ления ем линии ния ТП
Информационный обмен и связь по цепям управления ТП с бортовой служебной аппаратурой самолета
-:-ж-:-*-
Блок управления платформой с объективом и приемником излучения
Приемник излучения ТП с системой охлаждения
Рис. 1
Были проведены лабораторные стендовые исследования ТП. На рис. 2 приведена схема стенда, а в таблице приведены итоговые результаты лабораторных исследований.
Имитируемые параметры ЛА Мощность ФПУ (расчет), Вт/пиксел Результат регистрации сигнала ЛА
Угловой размер, ...' Линейный размер диафрагмы, мм Оценка мощности излучения*, Вт
10 0,006 6-10-8 7-10-13 2 из 11
15 0,009 110-7 11012 7 из 11
20 0,01 2-10-7 2,5-10-12 11 из 11
40 0,02 110-6 11011 11 из 11
80 0,04 4-10-6 5-1011 11 из 11
* С точностью порядка не более 20 % в диапазоне 3—5 мкм на выходе имитатора.
ЛА
ФПУ с объективом и спецэлектроникой без защитного колпака
Имитатор ЛА
Изображение ЛА на мониторе ПК
Рис. 2
Был разработан макет ТП; исследования показали возможность создания реальных образов авиационного теплопеленгатора, способных фиксировать мощность излучения порядка
12
10 Вт/пиксел, что соответствует современным требованиям.
список литературы
1. Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхности / Под ред. К. Я. Кондратьева. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 564 с.
2. Das S. R., Sastri V. D. Spectral distribution and color of tropical day light // JOSA. 1965. Vol. 55, N 3. Р. 319—322.
3. Кушпиль В. И. Яркость дневного безоблачного неба (экспериментальные данные). Л.: ОНТИ ГОИ, 1971. 164 с.
4. Coulson K. L., Dave J. V., Sekera Z. Tables related to radiation emerging from a planetary atmosphere with Ray leigh scattering. Berkley—Los-Angeles: Univ. California Press, 1960. Р. 348—359.
5. Глушко В. Н., Иванов А. И., Лившиц Г. Ш. Рассеяние инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере. Алма-Ата: Наука, 1974.
6. Кузнечик О. П. Энергетическая яркость неба в „окнах" прозрачности атмосферы в области 1,8—5,2 мкм // Рассеяние света в земной атмосфере. Алма-Ата: Наука, 1974.
7. Кузнечик О. П., Афанасьев Г. К., Долинин В. В. Пространственные частоты лучистости ясного неба в области 4,5—5,2 мкм // ДАН БССР. 1973. Т. 17, № 6.
8. Палдма В. К., Тумановская Р. Г. Некоторые статистические характеристики суммарной радиации в облачных условиях // Изв. АН СССР ФАиО. 1971. Т. 7, № 9.
9. Алленов М. И., Шуба Ю. А. Исследование структуры излучения облаков в диапазоне 8—13 мкм с помощью быстродействующего радиометра-пирометра // Изв. АН СССР. ФАиО. 1971. Т. 7, № 9.
10. Кузнечик О. П., Афанасьев Г. К. Автокорреляционные функции и энергетические спектры небосвода в области 1,8—5,2 мкм // Рассеяние света в земной атмосфере. Алма-Ата: Наука, 1972.
11. Linke F., Moller F. Die dunkeln Strahlungsstrome in der Atmosphare und die Strahlungsbilanz // Handbuch der Geophys. 1943. Bd 8, life 3.
12. Кондратьев К. Я. Лучистый теплообмен в атмосфере. Л.: Гидрометеоиздат, 1956. 420 с.
13. Основы теплопередачи в авиационной и ракетной технике / Под ред. В. К. Кошкина. М., 1975. 623 с.
14. Ллойд Дж. Системы тепловидения / Пер. с англ.; под ред. А. И. Горячева. М.: Мир, 1978. 416 с.
15. Хадсон Р. Инфракрасные системы / Пер. с англ.; под ред. Н. В.Васильченко. М.: Мир, 1972. 534 с.
16. Лазарев Л. П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1984. 480 с.
17. Труды ЦАГИ. Аэродинамическое нагревание при сверхзвуковых скоростях полета. ОНТИ. 1975—2000. 136 с.
Анатолий Валентинович Демин
Александр Васильевич Сорокин Дмитрий Михайлович Гордеев Максим Анатольевич Белянский Анастасия Сергеевна Птицына
Алексей Геннадьевич Шалковский
Алексей Борисович Чуриков Александр Сергеевич Смолин
Рекомендована кафедрой оптико-цифровых систем и комплексов
Сведения об авторах д-р техн. наук, профессор; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра информатики и прикладной математики; E-mail: dav_60@mail.ru
„НТЦ «РОКАД»", Санкт-Петербург; ведущий инженер; E-mail: alex.corokins@mail.ru
канд. техн. наук; ООО „АвтоВизус", Санкт-Петербург; генеральный директор; E-mail: gordeev@autovisus.ru
ОАО „НТЦ Завод Ленинец", Санкт-Петербург; начальник конструкторского бюро; E-mail: belyansky@onegroup.ru
студентка; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра компьютеризации и проектирования оптических приборов; E-mail:Anastasia_88.88@mail.ru
канд. техн. наук; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики; проректор по работе с ВПК
ОАО „НТЦ Завод Ленинец", Санкт-Петербург; заместитель технического директора; E-mail: churikov@onegroup.ru
аспирант; Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, кафедра оптико-цифровых систем и комплексов; E-mail: as_smolin@mail.ru
Поступила в редакцию 08.12.10 г.
