CC BY
75
Моисеев Антон Станиславович, ведущий инженер-исследователь, asmoiseev71 @yandex.ru, Россия, Тула, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»
METHODS OF AUTOMATED CONTROL IN MILITARY OPERATIONS COMPLEX
DEVELOPMENT
A.S. Moiseev
The seek technical solutions task during automated control in military operation complex of antitank platoon engineering has been considered. The stage of complex development using mathematical methods of mass service theory has been described in details.
Key words: engineering, automated control complex, mass service systems.
Moiseev Anton Stanislavovich, chief research engineer, asmoiseev71 @yandex.ru, Russia, Tula, KBP named after academician A.G. Shipunov
УДК 621.396.96
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ
МРЛС ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В СТРАНАХ С СУХИМ ТРОПИЧЕСКИМ КЛИМАТОМ
Ю.С. Швыкин, А.Ю. Шишков, О.Ю. Шевцов, И.Ю. Шевцов
Проведен теоретический анализ теплового состояния радиоэлектронной аппаратуры радиолокационной станции, функционирующей в экстремальных условиях жаркого климата. Показана возможность расчетных режимов работы при определенных параметрах охлаждения приборов.
Ключевые слова: многофункциональная радиолокационная станция, тепловое состояние, солнечное излучение.
Опыт эксплуатации систем ракетного и ракетно-ствольного вооружения в условиях стран сухого тропического и субтропического климата северной Африки, Аравийского полуострова и юго-восточной Азии показывает, что в ряде случаев могут возникать нерасчетные режимы работы радиоэлектронных систем, таких, как МРЛС (многофункциональная радиолокационная станция), СОЦ (станция обнаружения целей) и др. Нерасчетный режим работы является следствием сильного перегрева составных элементов систем вследствие их собственного тепловыделения, сопряженного с воздействием солнечной радиации.
В настоящее время разработана система охлаждения отсеков боевой машины, в том числе МРЛС, поэтому необходима первоначальная теоретическая проверка ее работоспособности и эффективности.
На рис. 1 и 2 представлены графические зависимости изменения температуры окружающей среды и эффективных потоков солнечной радиации в течение времени суток для стран с сухим тропическим климатом.
Рис. 1. Графические зависимости изменения температуры окружающей среды в течение суток для условий сухого тропического
климата, ГОСТ 24482-80
850
500
О5.0т/М2
Рис. 2. Графическая зависимость изменения эффективного потока солнечного излучения в течение суток для условий сухого тропического
климата, ГОСТ 24482-80
Наряду с интенсивным солнечным излучением на конструкцию оказывают воздействия конвективные потоки, восходящие инфракрасные излучения от поверхностей надстройки боевой машины и лучистые потоки атмосферы (составляющие 15-25 % суммарного), учитываемые при постановке задачи в данной работе.
Суммарное выделение всех блоков в составе МРЛС достигает
~3 кВт.
Охлаждение производится с помощью блока испарителя радарного (БИР) мощностью 400 м3/ч. При достижении температуры воздуха в отсеке
33 оС кондиционер включается; если температура падает ниже 30 оС, кондиционер выключается. Трубки от воздухораспределителя подведены к наиболее нагревающимся (тепловыделяющим) элементам блоков (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид МРЛС
В табл. 1 приведены диапазоны внешних условий и определяющих характеристик контактного теплообмена.
Таблица 1
Диапазоны внешних условий и определяющих характеристик контактного теплообмена
№ п/п Характеристика Min значение Max значение
1 Температура воздуха, оС 43 (4 часа)* 55 (14,5 часов)
2 Потоки солнечного излучения, Вт/м2 0 (4 часа) 1150 (12 часов)
3 Средняя скорость ветра, м/с 0
4 Коэффициент теплообмена, Вт/(м2К) 2,7
5 Коэффициент поглощения внешней поверхности отсека 0,45
6 Коэффициент отражательной способности надстройки 0,20
7 Угол относительного солнечного склонения в горизонтальной плоскости, град 0
8 Начальная температура области, оС 40
*В скобках указано суточное время.
На рис. 4 показана схема тепловых потоков, действующих на отсек
МРЛС, и положение контрольных точек на поверхности корпуса
Рис. 4. Схема тепловых потоков, действующих на отсек МРЛС,
и положение контрольных точек на поверхности корпуса
В течение г-го момента времени Солнце относительно точки О
смещается на угол у , который в общем случае также является функцией времени. На внешнюю поверхность корпуса оказывают суммарное воздействие Qсум векторы тепловых потоков солнечной радиации QSR, атмосферного излучения QAШ , конвекции qk и инфракрасного излучения QL:
QСУМ = QSR + QA^M ± qк ± QL .
Значения и знаки данных векторов определяются характеристиками температуры атмосферы, поглощательной способностью внешней поверхности корпуса, оптическими характеристиками ландшафта местности, а также углом солнечного смещения у * в плоскости, перпендикулярной плоскости изображения (в расчете у * принят равным 0).
Согласно схеме, тепловой поток солнечной радиации, действующий на элементарный фрагмент внешней поверхности корпуса, определится по формуле
QSR (г) = РисQs (г) с°8 ¥* ■ с°8 У ,
П
при п>у> —, данная составляющая теплового потока равна нулю (точка
находится в области геометрической тени); Дс - коэффициент поглощающей способности наружной поверхности корпуса (Рпс = 0,45 - для внеш-
него покрытия песочного цвета); О8 (г) - падающий поток солнечной радиации.
Значения прочих тепловых потоков в уравнении для ОСУМ определяются в соответствии с известными методиками, изложенными в [1].
На рис. 5 представлены графические зависимости изменения суммарного теплового потока, действующего на фрагменты поверхности корпуса (в окрестности установленных контрольных точек).
Тепловой расчет проводился с помощью двумерного программного комплекса для исследования теплового состояния конструкций "Тепломе-ханика". В плоском сечении отсека были установлены 7 контактных границ теплообмена (1-7) с задаваемыми параметрами граничных условий 3-го рода. Данная схема постановки границ обусловлена необходимостью имитации суточного движения солнца над боевой машиной. В полости установлены 5 контрольных точек (А-Е) фиксирования температуры, (рис. 6).
140 Т. °С 115
90 65 40
—■о \з
/У / ^ 5
8.5 ¡3 с-4 17.5 22
Рис. 5. Графические зависимости изменения температуры в контрольных точках внешней поверхности отсека МРЛС в течение времени светового дня (точки 1-3 лежат на поверхности теплозащитного кожуха, точки 4 и 5 - на поверхности радиопрозрачного укрытия)
На рис. 7 приведены графические зависимости изменения и температуры в контрольных точках области (см. рис. 6) в течение времени суток при имитируемом воздействии тепловых потоков с учетом движения Солнца над линией горизонта. Коэффициент конвективного теплообмена ^ „ Вт
«К = 2,7 -К •
м К
Рис. 7. Графические зависимости изменения температуры в контрольных точках воздушной среды в отсеке МРЛС
Из анализа приведенных зависимостей следует, что максимальная температура во внутренних точках области достигает 70 оС, что существенно превышает допустимые значения (60 оС).
Задача определения скоростей обдува приборов МРЛС от кондиционера решалась при помощи трехмерного программного комплекса GasDynamicsTool, предназначенного для исследования пространственных течений газов и жидкостей.
В табл. 2 представлены краевые условия рассматриваемого процесса.
Таблица 2
Краевые условия процесса
Параметр Скорость, м/с Температура, К Плотность, кг/м3 Давление, кПа
Граничное условие втекания 3,5 303 1,185 102
Начальные условия в области 0 313 1,125 100
На рис. 8 представлен фрагмент расчета воздушного течения внутри отсека МРЛС.
Рис. 8. Фрагмент расчета (поле модулей скорости воздуха в полости корпуса МРЛС - одно из продольных сечений)
Как видно из рис. 8, модули скорости воздушного потока существенно разнятся по всему объему отсека МРЛС. Это связано со сложной пространственной геометрией расчетной области: множеством каналов переменного сечения, создающих сопротивление набегающему потоку, зон, образующих встречные течения, и т. д.
Каждому значению скорости обдува будет соответствовать свой коэффициент теплообмена, зависящий также от характерного размера охлаждаемой поверхности. В табл. 3 приведены значения коэффициентов теплообмена для средних по поверхности приборов скоростей обдува.
Таблица 3
Значения коэффициентов теплообмена для средних по поверхности приборов скоростей обдува
Номер прибора Средняя скорость обдува, м/с Коэффициент теплообмена, Вт/(м2 К)
1 0,5 3,3
2 1 5
3 0,65 3,7
4 0,3 3
5 1,15 4,25
Достигаемый при таком обдуве уровень температур не превосходит допустимого значения 60 оС. То есть разработанная система охлаждения обеспечивает необходимое снижение температуры воздуха в отсеке МРЛС.
На рис. 9 приведена графическая зависимость изменения среднего значения температуры от скорости вдува (для времени 12 часов).
51
Т. °С
47 43
39 35
расчетная t :корость
1 ^^ 1
1 2 4 V. м/с 5
Рис. 9. Графическая зависимость изменения среднего значения температуры в отсеке МРЛС для дискретного изменения скорости
вдува воздуха от кондиционера
Температура воздуха в отсеке МРЛС может достигать высоких значений за счет собственного тепловыделения элементов, суммарно составляющего ~3 кВт. При этом указанное тепловыделение оказывает воздействие как на тепловое состояние внешней (относительно прибора) среды , так и на собственное внутреннее тепловое состояние .
Составляющие тепловых потоков определятся из равенств
^Тй; Чои,=(1 -^Ш,,
л ¿Si s Л. uui \ л
л л
где Q - тепловыделение i -го прибора; Л - коэффициент теплопроводности эквивалентного материала i -го прибора; Явоз - коэффициент теплопроводности воздуха.
Для указанных приборов, состоящих из АМг6 и электронных компонентов (ЭК), принималось 50 %-ное содержание данных материалов.
Таблица 4
Значения предельных отношений коэффициентов теплопроводности воздуха и ¿-го прибора МРЛС
Материал Коэффициент теплопроводности , Вт/(м-К) Плотность Рь кг/м3 Теплоемкость с:, Дж/(кг-К) Коэффициент температуропроводности а:, м2/с
Сплав АМг6 111 2640 1150 3,65-10-5
Электронные компоненты (пластмасса + воздух) 0,082 1060 1440 6,75-10-8
50 % АМг6 + 50 % электр. компонентов 55,54 1850 1295 1,83 •Ю-5
В табл. 4 приведены значения предельных отношений коэффициентов теплопроводности воздуха и / -го прибора МРЛС, необходимые для определения тепловых потоков дш и дои(, а в табл. 5 - значения интенсивности увеличения температуры / -го прибора за единицу времени при внутреннем тепловыделении.
Таблица 5
Значения интенсивности увеличения температуры ¿-го прибора
Т, оС -23 27 77 127
Теплопроводность воздуха, Вт/(м-К) 0,022 0,026 0,03 0,034
Отношение теплопроводно-стей (для АМг6) 2110-5 23 •Ю-5 27-10-5 3110-5
Отношение теплопроводно-стей: - для электр. компонентов; - для приборов с 50 %-ным содержанием материалов 0,27 40-10-5 0,32 47 •Ю-5 0,37 5410-5 0,42 6110-5
Из анализа данных, приведенных в табл. 3, следует, что для рассматриваемых приборов, состоящих из АМг6 и ЭК (приборы 2-5), более 99 % выделяемой тепловой энергии идет на собственный разогрев.
Скорость увеличения температуры внутреннего разогрева приборов
составляет от 6 до 14,4 м/с. При этом несложно подсчитать уровни температур каждого прибора (без учета внешнего теплообмена и qout = 0): уже через 1 ч температура увеличится на величину от 22 оС (прибор 2) до 52 оС (прибор 5), что может привести к возникновению аномальных режимов работы МРЛС.
Из приведенного перечня элементов целесообразно рассмотреть приборы 4 и 5, обладающие предельным тепловыделением, считая, что уровни температур других приборов достигают некоторых меньших значений (рис. 10).
Тепловое состояние элементов может быть описано системой уравнений теплопроводности и граничных условий, соответственно для тепловыделяющего пространства (индекс 1) и инертного (теплопоглощающего) пространства (индекс 2) i -го прибора МРЛС при конвективном теплообмене с окружающей средой (индекс 0) в отсеке:
дтх = дХ ; дтх дт2.
— = а—2 ^--; А— = —А-;
дг дХ2 еж дХ ^ дХ
у1" ч
дТ2 д2Т2 „ дТ
а
дг х дХ2' х дХ
2 = - " ^ « = -«0(Т-Т0),
где а0 - коэффициент конвективного теплообмена; Х - вектор; т^ - масса i -го прибора отсека МРЛС.
54
Т, °С
50 46
42
Прибор 5
Прибор 2
Рис. 10. Графическая зависимость изменения температур приборов 2 и 5 при наличии кондиционирования
Предельно достигаемая температура приборов составляет 49 и 52 оС. То есть кондиционирование позволяет снизить максимальную температуру с 63 до 52 оС (прибор 5) и с 61 до 49 оС (прибор 4).
Таким образом, из анализа приведенных зависимостей следует, что
в течение суточного времени эксплуатации рассматриваемые приборы прогреваются до температуры 49 - 52 оС, что позволяет обеспечить расчетный режим работы МРЛС.
Список литературы
1. Исследования температурных состояний ствольных систем в естественных климатических условиях стран с сухим тропическим климатом: справка. Тула: ГУП «КБП», 2003. 47 с.
2. ГОСТ 24482-80. Макроклиматические районы земного шара с тропическим климатом. М.: Государственный комитет СССР по стандартам, 1981. 91с.
Швыкин Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, проф., начальник отдела, зав. кафедрой ПАК, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Шишков Александр Юрьевич, ведущий инженер-исследователь, [email protected], Россия, Тула, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»,
Шевцов Олег Юрьевич, начальник отделения, [email protected], Россия, Тула, ОАО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А.Г. Шипунова»,
Шевцов Игорь Юрьевич, начальник отдела, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, ОАО « Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»
JSC ANALYSIS OF THERMAL STATE OF THE RADAR SET ELEMENTS IN TROPICAL
CLIMATE
Y.S. Shvykin, A.Y. Shishkov, O.Y. Shevtsov, I.Y. Shevtsov
The article considers some results of theoretical research of thermal state of the electronic installation, which operates in extremely climate conditions.
Key words: radar set, thermal state, solar radiation.
Shwikin Yuriy Sergeevich, doctor of engineering, professor, head of department, the head of «ASD» department, [email protected], Russia, Tula, KBP named after academician A.G. Shipunov,
Shishkov Alexander Yurevich, chief research engineer, [email protected], Russia, Tula, KBP named after academician A.G. Shipunov,
Shevtsov Oleg Yurevich, head of department, [email protected], Russia, Tula, KBP named after academician A.G. Shipunov,
Shevtsov Igor Yurevich, head of department, [email protected], Russia, Tula, KBP named after academician A.G. Shipunov
