太阳辐射作用下的飞机表面温场分布实验研究_张春华

第34卷第3期2012年6月国防科技大学学报

JOURNALOFNATIONALUNIVERSITYOFDEFENSETECHNOLOGYVol．34No．3Jun．2012

太阳辐射作用下的飞机表面温场分布实验研究

张春华，赵

元，喻煌超，陈

循

（国防科技大学装备综合保障技术重点实验室，湖南长沙410073）

摘

*

要：提出一种通过缩比模型测试飞机在太阳辐射作用下的表面温度场分布，进而通过有限元方法实

现太阳辐射温场的三维模拟显示的实验方法。该方法避免了外场测试条件中自然日光辐射强度不可控和环境温度变化的影响，为飞机在太阳辐射作用下的表面温场理论模型验证和实测提供一种有效的方法，对飞机红外特性、日历寿命等研究具有借鉴意义。

关键词：太阳辐射；飞机表面温场；温场分布；三维模拟显示中图分类号：TH133．1

文献标志码：A

文章编号：1001－2486（2012）03－0085－04

Experimentalresearchonsurfacetemperaturefieldofairplaneundersolarradiation

ZHANGChunhua，ZHAOYuan，YUHuangchao，CHENXun

（LaboratoryofScienceandTechnologyonIntegratedLogisticsSupport，NationalUniversityofDefenseTechnology，Changsha410073，China）

Abstract：Thispaperpresentsanexperimentalmethodtomeasuresurfacetemperaturefielddistributionofairplaneundersolarradiationbyairplanedownsizingmodel，andsuggestsamethodtorealizeanaloguedisplayof3dimensionsfortemperaturefielddistributionbyfiniteelementmethod．Thismethodmayavoidtheinfluenceoftheuncontrollableintensityofnaturalsolarradiationandthevariableambienttemperatureunderfieldmeasuringcondition，andprovideanefficientmethodtovalidatethetheoreticalmodelofsurfacetemperaturefielddistributionofairplaneundersolarradiationandtomeasureitbyexperiment．Itwillbebeneficialtotheresearchofinfraredcharacteristicsandcalendarlifeforairplane．

Keywords：solarradiation；surfacetemperaturefieldofairplane；temperaturefielddistribution；analoguedisplayof3dimensions

飞机在停机坪停放时，太阳辐射作用的红外热效应会在机体蒙皮结构表面产生一定的附加温场分布，并且沿飞机表面形成完整的红外图像。目前红外制导导弹多采用8～14μm波段的红外成像制导，而飞机蒙皮热辐射能量主要集中于这个波段，因此飞机蒙皮温场是形成飞机红外图像的基本因素。随着红外探测性能的提高，将可能基于太阳辐射热效应产生的附加温场实现机型识别。此外，由于太阳辐射在机体蒙皮表面造成温度分布梯度，这种温度梯度的长期累积作用将造成飞机蒙皮结构的损伤，从而影响飞机的日历寿命。因此，飞机蒙皮在太阳辐射作用下的表面温场分布特性已成为飞机设计、研制、使用中的重要问题。

1～3］研究了飞机蒙皮红外辐射热效文献［

应的理论模型和模拟计算方法，指导飞机设计对红外特性进行理论计算和数值模拟，但是这些模型和数值方法的准确性有待进一步的实验验证。4］文献［介绍了应用动态温度测试系统测量发动

机进口瞬态温场的方法，通过对温度场数据的修

正、处理及计算，绘制温场波形图，但不能直观反映出温度场的三维分布情况。

一般情况下，在外场实际条件下对太阳辐射造成的温场进行实测是一种可行的技术途径，文5－6］研究了太阳能板上温场分布的相关方献［

7］研究了采用红外热成像测试建筑物法；文献［

外表面温场的方法，但是实测的方法往往受到外场测试条件中自然日光辐射强度不可控和环境温度变化的影响，难以实现飞机表面温场的准确测量。为了克服这一问题，在实验室通过太阳辐射设备和飞机缩比模型进行表面温场测试成为一种有效的替代途径。该方法可以准确模拟控制日光辐射强度和环境温度，实现温场准确测量，并且可以应用于在飞机设计阶段对飞机设计方案的太阳辐射特性进行实测研究。

针对上述问题，本文提出一种通过缩比模型测试飞机在太阳辐射作用下的表面温度场分布的实验方法，避免了外场测试条件中自然日光辐射

*

收稿日期：2012－01－06

基金项目：国防科技大学本科生创新实验资助项目（20090301）

mail：chzhang@nudt．edu．cn作者简介：张春华（1974—），男，重庆人，副教授，博士。E-

·86·

国防科技大学学报第34卷

强度不可控和环境温度变化的影响，并通过有限元方法实现太阳辐射温场的三维模拟显示，为飞机在太阳辐射作用下的表面温场理论模型验证和实测提供一种有效的方法，对于飞机红外特性、日历寿命等研究具有借鉴意义。

1实验方案

本文采用的实验方案如图1所示，利用太阳

图2温度测点在飞机模型表面的分布情况

Fig．2Temperaturemeasuringpointdistribution

onthesurfaceofairplanemodel

2

总辐射强度为1120（±10%）W/m，加载太阳辐射，

辐射试验设备模拟自然太阳光对飞机蒙皮的红外

加热效应，在蒙皮表面建立温度场测试传感器阵列，温度传感阵列将温度信号转换为电信号，由数据采集器进行数据采集和记录。其中，太阳辐射

2设备的辐射强度为1120W/m，温度范围－10～120℃，满足GJB150.7《军用设备环境试验方法

此条件代表了我国大部分地区的自然太阳辐射条

件。在具体加载太阳辐射条件时还应满足以下要求：①飞机缩比模型在太阳辐射试验设备内的放置应保证气流不受阻挡；②太阳辐射光源离开飞机缩比模型充足的距离，尽可能在飞机缩比模型范围内模拟太阳光的平行照射。在此条件下，分25℃、30℃、35℃、40℃情别在环境温度为20℃、

况下测试蒙皮表面温场数据，测试实验场景如图3所示。实验流程如下

：

太阳辐射试验》的技术要求；飞机模型为XX高仿

金属缩比模型，可以较好地反映飞机表面温场分布的实际情况；温场测试系统由多路数据采集接

多路开关、传感器探头及引线组成，可测量温口、

度范围为－200～+630℃，分辨率为0.01℃

。

图1太阳辐射作用下的飞机表面温场测试方案Fig．1Experimentalschemetomeasuresurfacetemperature

fieldofairplaneundersolarradiation

2飞机蒙皮表面温场测试实验

在有限测点的情况下，综合考虑蒙皮形状的

图3温度测试实验场景

Fig．3Temperaturemeasuringexperiment

变化梯度和可能存在的温度变化梯度进行测点布局优化，以减小表面温场测试和拟合误差。考虑到表面温场的对称性，在模型单面选定了14个测量点，如图2所示。温度传感器感应部分通过锡箔包裹后固定在模型表面，避免太阳辐射对传感器直接加热。本实验采用KEITHLEY2700组建温场测试系统，将所选测点传感器信息采集反馈，并通过环采通数据采集软件实现自动温度巡检，对温场测试设备按需要进行配置，对采集的温场数据进行实时记录

。

按照GJB150．7的试验条件对飞机缩比模型

①预处理：将实验用的飞机模型表面清洁干净，并在正常的实验大气条件下放置1h；②在开始对飞机缩比模型加载太阳辐射条件的同时使温度测试系统开始工作；

③分布在飞机蒙皮表面的温度传感器阵列测量出各个布点的温度，通过多路数据接口和温度采集系统软件对数据进行实时采集和记录；

④在工作界面中显示数据实时变化，当温场数据达到稳定时停止加载太阳辐射条件，结束数据采集。表1为测得的太阳辐射作用下飞机表面各测量点的稳态温度数据。

第3期表1

张春华，等：太阳辐射作用下的飞机表面温场分布实验研究

·87·

太阳辐射作用下飞机表面各测量点的稳态温度

Stabletemperatureofmeasuringpointsonsurfaceofairplaneundersolarradiation

Tab．1

测点编号1234567891011121314

2028．6629．2134．0132．8129．7936．4340．0536．6942．1534．6739．6329．4829．1131．01

25

环境温度（℃）

3038．9239．4844．0643．0440．1446．6449．8846．8752．0244．7849．5440．0439．1641．42

3543．8744．2548．8647．9645．3551．6154．3751．5856．5949．7454．3144．7444．1546．39

4048．548．2352．153．250．2254．3857．0153．9258．6452．5256．547．7847．4749．25

图5飞机缩比模型表面的网格划分

Fig．5Griddivisionforsurfaceofsimplified

airplanemodelinexperiment

32．4733．9538．1236．634．7240．2142．6540．9844．6438．8742．8634．0333．6435．49

条件，在飞机模型上选择和试验测点相对的节点输入试验温度数据，以试验箱环境温度作为整个飞机模型的热载荷，利用有限元分析软件计算和云图显示功能直接显示飞机缩比模型表面的温度云图，显示不同环境温度条件下的太阳辐射在飞机表面造成的附加温场分布。图6、图7分别为环境温度为20℃和25℃时飞机模型表面的温度云图

。

3

3．1

飞机蒙皮表面温场拟合

飞机缩比模型三维造型

根据缩比模型实际测量尺寸，利用三维造型

软件采用放样扫描再对称的方法进行飞机缩比模型三维造型，完成的缩比模型三维造型如图4所示。考虑到简化后续有限元网格划分及降低温度

对图4所示的模型进场分布拟合计算量的需要，

行简化，并在有限元分析软件中对简化飞机模型

表面进行有限元网格划分，得到如图5所示的简化三维造型

。

图6

飞机模型表面的温度云图（环境温度为20℃）Fig．6

Temperaturenephogramforsurfaceofsimplifiedairplanemodelinexperiment（whenambienttemperatureis20℃）

从图6、图7的温度分布云图可以总结出飞

机模型在太阳辐射条件下表面温场分布的规律：1）飞机模型表面温场呈阶梯状分布，机身头部和垂直尾翼受辐射面积小，温度较低，两侧机翼由于太阳辐射面积大，温度较高；

2）随着环境温度的升高，飞机模型上的阶梯

Fig．4

图4飞机缩比模型的三维造型

3-dimensionmodeloftheairplaneinexperiment

状温度分布规律基本保持一致。

3）由于机翼较薄，热传导效率较高，所以温度分布比较均匀，机身材料复杂，热传导效率较低，所以温度分布梯度较大。

3．2温度数据加载及温场云图显示

以表1

所示的各节点测量温度作为温度边界

·88·

国防科技大学学报第34

卷

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图7飞机模型表面的温度云图（环境温度为25℃）Fig．7

Temperaturenephogramforsurfaceofsimplifiedairplanemodelinexperiment（whenambienttemperatureis25℃）

4结论

1）本文为实际测试飞机蒙皮在太阳辐射作该用下的表面温场分布提供了可行的实验方法，方法排除了自然日光辐射强度不可控、环境温度

不稳定等因素的干扰，并且借助有限元方法实现了飞机蒙皮温场分布的三维显示，可以直观表示出温场沿飞机蒙皮表面的分布情况；

2）太阳辐射作用在飞机蒙皮表面造成的附加温场反映了飞机的基本外形特征，可以为飞机飞机红外隐身设计等研究提供红外导引和反导、依据；

3）通过实验测定飞机蒙皮在太阳辐射作用下的温场分布情况，可以在此基础上进一步计算飞机蒙皮结构的热应力分布，对飞机蒙皮结构的日历寿命研究提供依据。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hrre.html