Теоретическая оценка нагрева обитаемого отсека боевой машины ЗРПК от воздействия солнечного излучения в условиях жаркого климата и поиск путей его снижения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Baranov Boris Nikolaevich, leading design engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»

Nikitina Nataliya Aleksandrovna, chief of sector, kbkedr@,tula.net, Russia, Tula, JSC «KBP»

Sorokina Nina Valerevna, engineer-researcher of 1-st category, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»

УДК 623.438

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НАГРЕВА ОБИТАЕМОГО

ОТСЕКА БОЕВОЙ МАШИНЫ ЗРПК ОТ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В УСЛОВИЯХ ЖАРКОГО КЛИМАТА И ПОИСК ПУТЕЙ ЕГО СНИЖЕНИЯ

Н.Д. Родин, Ю.С. Швыкин, А.Ю. Шишков

Проведено исследование воздействия потока солнечного излучения на обитаемый отсек зенитного комплекса. Рассмотрены возможные пути снижения влияния излучения на конструкцию.

Ключевые слова: жаркий климат, солнечное излучение, тепловой режим.

Одной из актуальных проблем при эксплуатации военной техники является обеспечение эффективности ее применения в экстремальных климатических условиях. Ряд эксплуатационных требований касается ограничений по максимальной температуре в обитаемых отсеках. Для обеспечения надлежащего температурного режима в отсеках, как правило, используются системы пассивной теплозащиты (кожухи, теплоизоляция) и принудительного охлаждения, например, система кондиционирования и вентиляции (СКиВ). Помимо применения систем теплозащиты и охлаждения, можно прибегнуть к снижению тепловых нагрузок путем изменения геометрии образцов техники, оптимизации углов наклона профилей поверхностей и даже изменения ориентации изделий в пространстве. В данной работе представлена методика количественного определения потока солнечного излучения, действующего на отсек управления (ОУ) боевой машины (БМ) «Панцирь» в произвольный момент времени и рассмотрены пути снижения или минимизации воздействующего на него солнечного излучения.

Тепловой фактор как наиболее негативное звено внешнего (климатического) воздействия на технику в общем случае определяется сочетанием следующих составляющих:

- общий температурный фон окружающей среды Тс;

- плотность потока солнечного излучения qCORH,

- плотность лучистых потоков атмосферы qny4;

- плотность отраженных потоков солнечного излучения qomp',

- конвективные токи тепла QKoHe.

В соответствии с физической моделью величина теплового потока, действующая на контактную поверхность объекта исследования, определяется суммой следующих элементарных составляющих:

Ч = Чс+ Яш + Чк > (!)

где qc - радиационная составляющая удельного теплового потока [Вт/м2]; qUK - лучистая составляющая (ИК-излучение) удельного теплового потока (от поверхности в атмосферу) [Вт/м2]; qK - конвективная составляющая теплового потока от воздуха [Вт/м2].

Математическая модель, по которой будет определяться радиационная составляющая теплового потока qc, описана ниже.

Для вычисления солнечного излучения, улавливаемого поверхностью, будем пользоваться следующей формулой:

qc = Veos/,

где In - количество прямого солнечного излучения; I (угол падения) - угол между нормалью к поверхности и направлением лучей Солнца.

Для нахождения cos i будем использовать уравнение: cos i = sin А • [cos X ■ (sin L ■ cos со • cosh+ sin со • sinh) - sin X ■ cos L ■ cos со] + cos A • sin a, где X (склонение солнца) - угловое положение Солнца относительно плоскости земного экватора.

Ось вращения Земли наклонена на 23,45 ° относительно оси плоскости орбиты вращения вокруг Солнца, следовательно, величина склонения будет меняться в течение года между +23,45 и -23,45 Склонение к северу от экватора принято считать положительным и определяеть по зависимости

с

X « 23,45 • sin

284 + «

360-V 365

где п - порядковый номер дня в году; И (угловое солнечное время) - угловое смещение Солнца от полудня (1 час соответствует п/12 рад, или 15 ° углового смещения в зимнее время и п/16 рад или 11,25 ° углового смещения - в летнее).

За 12 часов зимой и 16 часов летом солнце проходит 180 ° (12 час х 15 ° и 16 час х 11,25 ° зимой и летом соответственно). Получаем: при И = 0 ° солнце в зените, при И = (- 90 °) рассвет, а при И = 90 ° закат; Ь (широта) -угловое значение выше или ниже плоскости экватора, измеренное от центра Земли. Широта положительна к северу от экватора; а (высота солнца) - угол между направлением на Солнце и горизонтальной поверхностью в заданном месте на Земле.

Высота Солнца для конкретного дня и суточного времени изменяется в зависимости от положения точки на Земле и определяется по зависимости

a = arcsin(sin L ■ sinl+cos L ■ cosl • cosh),

где: w (азимутальный угол нормали) - угол на горизонтальной плоскости (в данном случае плоскость Земли) между проекцией нормали к наклонной плоскости и направляющей на юг от искомой площади; А (вертикальный нормальный угол) - угол между нормалью к заданной поверхности и нормалью к горизонтальной поверхности.

Геометрическая картина освещения объекта исследования солнцем представлена на рис. 1.

Отраженный поток дсотр определяется на освещаемых участках поверхностей объекта исследования. Элементарные поверхности, воспринимающие радиационное солнечное излучение интенсивности qe с коэффициентом радиационного поглощения в, обладают также диффузионной отражательной способностью излучения - альбедо которое выражает удельную часть отраженной и рассеянной в пространстве энергии падающего радиационного потока. Для определения данной составляющей суммарного удельного теплового потока в пределах угловых координат освещенных поверхностей справедливо следующее уравнение:

qrp (i, t)=2 qc W-(i - cos i).

Рис. 1. Геометрическая схема освещения объекта исследования

Согласно закону Стефана - Больцмана тепловой поток, излучаемый с поверхности высокой температуры, определяется выражением

о0-

Ал

211 100,1 4 -Со ^2

1 1 1

+--

А

Г Т \ 100

Яш -

где <зо - постоянная Стефана-Больцмана (оо = 5,67-10~8 Вт/м2-К4); А], А2 -приведенные коэффициенты поглощения, определяемые как А\ 2=1 — 2 = 1 — ^; Ти Т2 - абсолютная температура поверхностей теплообмена; 81, 82 - степень черноты поверхностей теплообмена.

Конвективная составляющая удельного теплового потока дк, действующего на элементарные поверхности, определяет законом Ньютона:

Чк( <Р.0 = -ак(<Р>0'Щ(<р),

где ак(ц>^) - коэффициент конвективного теплообмена на поверхности.

Обычно в расчетах для определения значений коэффициента конвективного теплообмена используются эмпирические зависимости, соответствующие условиям естественного и вынужденного переноса тепла:

\кз

ф 0;

А, о + К

п ■ Яе^1 ■ Рг^1 ■

Рг

Рг

ш

(<Ог-РгУ

4 ■

ь> = 0,

где ко - коэффициент теплопроводности сухого воздуха; С~ относительная влажность атмосферы; с1 - диаметр (характерный размер) поверхности

конвективного теплообмена; Яе = —, Рг = = д$АТ-— критерии

V X V

подобия Рейнольдса, Прандтля и Грасгофа; к, п, тп, кI, кг, кз, к4 — значения эмпирических коэффициентов [6]; м> - модуль вектора скорости ветра; А У, - контактная разность температур.

При суммировании компонентов, входящих в уравнение (1), очевидно, что поток прямого солнечного излучения оказывает наибольшее воздействие на технику по сравнению с остальными составляющими климатического нагрева. Радиационную составляющую теплового потока климатического нагрева будем рассматривать далее в качестве граничных условий для определения теплового состояния. Также будем учитывать излучение с поверхности твёрдого тела в атмосферу.

Количество теплоты, воздействующее на произвольную поверхность площадью ^иое, определяется равенством

!2 = Ч' $пов ■

Представим объект исследования, а именно ОУ «Панцирь-С» (рис. 2), как тело произвольной формы, на которое будет воздействовать тепловой поток солнечной радиации.

98

Рис. 2. Объект исследования

Принимаемые исходные данные для расчета:

- место: г. Ахмадабад (Индия) - 23 ° северной широты;

- дата: 22 июня, склонение солнца 1 = 23

- плотность потока прямого солнечного излучения: 1125 Вт/м2;

- безоблачное небо;

- безветренная погода;

- изменение температуры воздуха соответствует зависимости на

рис. 3.

Время, час

Рис. 3. Изменение температуры воздуха по времени

Рассчитаем величину улавливаемой описанным телом плотности потока прямого солнечного излучения. Для наглядности поверхности объекта исследования раскрашены и задана начальная ориентация объекта в пространстве (рис. 4).

Для расчета берутся четыре поверхности, так как на две вертикальные поверхности не действует прямой поток солнечного излучения из-за характера конструкции БМ. Опишем эти поверхности геометрически перед проведением расчетов:

1 - (зеленая) вертикальная, обращенная к югу (А = 90 °, ю = 0 °);

99

- (голубая) наклонная к востоку, угол наклона принимаем равным 20 w = 90 °);

- (красная) горизонтальная (А = 0 °, w = 0 °);

- (синяя) вертикальная, обращенная к северу (А = 90 °, w = 180 °).

3

Рис. 4. Раскрашенный объект исследования в пространстве

Для моделирования используется пакет MATLAB. Результаты приведены на рис. 5.

1200

%

< 1000 й

м X §00

0 g

1 ¡ 1 k 600

§ 1 i §

й I 400

I

и

° 200 0

4 6 § 10 12 14 16 18 20 Время (t), час

Рис. 5. Изменение плотности потока солнечного излучения

на отсек управления БМ

В результате расчета улавливаемый объектом как телом произвольной формы суммарный дневной поток Q0 = 706,8-103 Вт.

2

20 ° (А =

3

4

Попробуем изменить ориентацию в пространстве отсека управления путем его разворота по азимуту. Важно понимать, что поворот осуществляется на том же месте без перемещения БМ, чтобы исключить возможность увеличения теплового потока на дно ОУ от нагретого песка.

Разработана программа в среде МЛТЬЛВ, которая выводит график зависимости суммарного дневного потока от угла поворота тела произвольной формы и определяет оптимальный угол разворота тела по азимуту (от 0 ° к югу), при котором суммарный поток солнечного излучения будет максимальный или минимальный. График зависимости суммарного дневного потока солнечного излучения от угла поворота отсека управления приведен на рис. 6.

Из графика видно, что максимальный поток солнечного излучения улавливается в случае поворота отсека управления на 90 ° в западном направлении. В этом случае суммарный дневной поток равен 867,5-кВт, что на 18,5 % больше первоначального. А минимальный поток наблюдается при повороте тела на 185 ° и он равен 704,6-кВт.

Угол поворота (

Рис. 6. График зависимости суммарного потока от угла поворота

Получим температуры каждой поверхности теплообмена. Количество теплоты от солнечного излучения, улавливаемого телом, распределяется на поглощаемое QA, отраженное QR и пропускаемое QD по следующей формуле:

Qo = QA + QD - QR.

Отраженное количество теплоты в атмосферу рассчитаем по формуле

QR =е-Со • з

пов

Т,

\4

атм V 100 у

Т

4

ст

V100 у

где е - степень черноты материала поверхности; С0 - постоянная излучения Стефана - Больцмана; Татм и Тст - температуры воздуха и стенки соответственно.

аА и QD будут зависеть от окраски и структуры материала. Примем допущения: материал - аллотропен, окраска - хаки, как показано на рис. 2. Следовательно, количество теплоты Q0 окончательно определим по уравнению

Ш = (а + Ь) ■ £пов ' Я - е ■ С0 ' Япов ■

где а и Ь - коэффициенты поглощения и пропускания соответственно.

Зная тепловую энергию, получим распределение температуры по внутренней поверхности стенок корпуса ОУ БМ, что и будет являться критерием оценки комфортности условий экипажа. Путем минимизации теплового потока при прочих равных условиях и одинаковых исходных данных производится уменьшение температуры внутренней поверхности стенок. Так как расчет проводится при наихудших эксплуатационных условиях, принимаем начальную температуру конструкции отсека равной 41 °С, что соответствует среднесуточной температуре рассматриваемой местности. В результате расчета теплового состояния стенок конструкции получены следующие значения, приведенные в таблице.

Результаты расчетов теплового состояния конструкции

Угол поворота, ° Средняя температура, °С

освещаемых стенок неосвещаемых стенок внутренней поверхности освещаемых стенок

0(начальная ориентация) 86 66 80

90 101 78 93

185 85 60 80

Из результатов исследования видно, что воздействие солнечной радиации можно количественно снизить при повороте объекта исследования по азимуту или грамотной первоначальной ориентации БМ по азимуту на позиции.

Выводы

1. Разработана и применена математическая модель расчета плотности потока солнечного излучения, действующего на тело произвольной формы.

2. Разработан и применен алгоритм определения зависимости суммарного суточного потока солнечного излучения от угла поворота тела произвольной формы с учетом ее габаритов по азимуту.

3. Проведено исследование воздействия солнечной радиации на объект и сравнение результатов расчета. По результатам расчетов получена разница суммарных потоков при повороте тела на углы 90 (867,5 кВт) и 185 ° (704,6 кВт) - 18,8 %.

Т

\4 /лр \4

атм 100

Т

ст

V 100 у

4. Проведена теоретическая оценка теплового состояния конструкции объекта исследования. По результатам оценки получены разницы температур при повороте тела на углы 90 и 185 ° в пределах 14.. .16 %.

Список литературы

1. Крейт Ф., Блэк У.З. Основы теплопередачи / пер. с англ. М.: Мир, 1983. 512 с.

2. Даффи Д. А., Бекман У. А. Тепловые процессы с использованием солнечной энергии / пер. с англ. М.: Мир, 1977. 420 с.

3. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М.: Энергия, 1977. 344 с.

4. ГОСТ 24482-80. Макроклиматические районы земного шара с тропическим климатом.

5. Хоблер Т. Теплопередача и теплообменники / пер. с польск. Л.: Госхимиздат, 1961. 820 с.

6. Швыкин Ю.С., Шатрова Э.А., Глухов В.В. Исследование теплового состояния зарядов ПАД, СД, ПД, а также ВВ БЧ изделия 57Э6-Е в процессе эксплуатации в условиях воздействия солнечной радиации. Справка. Тула: ГУП «КБП», 2003. 27 с.

7. Швыкин Ю.С., Шишков А.Ю., Шевцов И.Ю. Исследование теплового состояния элементов МРЛС при эксплуатации в странах с сухим тропическим климатом // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. №2. С. 107 - 117.

8. Шипунов, А.Г., Дунаев В.А., Швыкин Ю.С. Исследование температурных состояний ствола артиллерийской системы Д-81 в естественных климатических условиях стран с сухим тропическим климатом: Справка. Тула: изд-во КБП, 2003. 47 с.

Родин Никита Дмитриевич, инженер, kbkedr@,tula. net, Россия, Тула, АО «КБП»

Швыкин Юрий Серегеевич, д-р техн. наук, проф., зам. начальника управления, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, АО «КБП»

Шишков Александр Юрьевич, канд. техн. наук., зам. начальника отдела, kbkedr@,tula.net, Россия, Тула, АО «КБП»

THE THEORETICAL ASSESSMENT OF HEA T THE ADMGS CREW MODULE COMBAT VEHICLE BY INFLUENCE OF SOLAR RADIATION IN HOT CLIMATE AND SEARCH THE WAYS OF IT REDUCTION

N.D. Rodin, Y.S. Shvykin, A.U. Shishkov

There are research the influence of solar radiation flow on air-defense system crew module and possible ways of reduction it influence on construction presented in this article.

Key words: hot climate, solar radiation, heating rate.

103

Rodin Nikita Dmitrievich, engineer, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»,

Shvykin Yurii Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, deputy chief of management, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»

Shishkov Alexandr Yurievich, candidate of technical sciences, deputy chief of department, kbkedr@,tula. net, Russia, Tula, JSC «KBP»

УДК 623.775

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ФОРМИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ ЗАВЕСЫ РЕАКТИВНЫМИ СНАРЯДАМИ

В.Н. Гордеев, А.В. Емельянов, И.П. Жабин

Предложена модель процесса формирования аэрозольного площадного или линейно-протяженного облака с использованием реактивных снарядов, с учетом характера источника, параметров приземного слоя атмосферы и флуктуаций концентрации аэрозольных частиц.

Ключевые слова: защита подразделений, аэрозольное облако, аналитическая

модель.

Существующие средства и способы постановки аэрозольных завес (АЗ) для прикрытия площадных и линейно-протяженных объектов не могут в полной мере отвечать возрастающим потребностям динамики современного боя. Постановка завес путем распыления аэрозоля с борта летательного аппарата (вертолет, беспилотный летательный аппарат) занимает значительное время на формирование облака и не позволяет прикрывать одновременно несколько объектов, расположенных на удалении друг от друга. Формирование завес с использованием дымовых шашек либо генераторов аэрозолей в значительной мере зависит от рельефа местности, погодных условий, людских ресурсов и требует значительного количества времени.

В качестве способа постановки АЗ с минимальным временем формирования облака для защиты площадных и линейно-протяженных объектов от атакующих элементов высокоточного оружия (ВТО) с оптико-электронными и инфракрасными средствами разведки и наведения рассмотрен комплекс постановки АЗ на базе пусковой установки реактивной системы залпового огня (РСЗО). Данный способ позволит производить постановку аэрозольного облака путем распыления аэрозоля при полете реактивного снаряда над прикрываемым объектом, обеспечивая быстрое и точное прикрытие последнего.

Постановка АЗ производится путем последовательного пуска аэро-золеобразующих снарядов по траекториям, рассчитанным таким образом, чтобы отдельные шлейфы соседних снарядов формировали сплошное облако над защищаемым подразделением в соответствии с его функциональным состоянием.