方治森,王 炅,陸 靜,姚智勇

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

0 引言

隨著現(xiàn)代引信信息化、智能化、微型化的發(fā)展,引信熱問題已逐漸成為當(dāng)前引信面臨諸多技術(shù)難點(diǎn)之一。熱對引信的性能有著重要影響。引信體受到熱沖擊,熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致引信體發(fā)生變形,同時(shí)會(huì)使引信腔內(nèi)形成高溫環(huán)境,降低腔內(nèi)電子設(shè)備的可靠性。目前,在引信設(shè)計(jì)中往往沒有專門的熱特性設(shè)計(jì),這就可能使引信因熱問題而無法完成預(yù)定功能。

目前,國內(nèi)外開發(fā)的虛擬試驗(yàn)熱分析平臺主要應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域,竇強(qiáng)[1]等利用虛擬試驗(yàn)技術(shù)搭建了航天器虛擬熱試驗(yàn)平臺,可以完成航天器的熱分析。婁文忠[2]等以某型號火箭彈引信為研究對象對引信的熱問題進(jìn)行了分析,但沒有形成一個(gè)熱分析系統(tǒng)。用于引信領(lǐng)域的虛擬試驗(yàn)熱分析平臺,相關(guān)文獻(xiàn)并沒有檢索到。

引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)引信駐點(diǎn)及壁面溫度理論計(jì)算、空氣動(dòng)力熱仿真,引信常用熱電池工作溫度對引信腔內(nèi)溫度環(huán)境影響的仿真以及熱電池工作溫度曲線的隨機(jī)生成,最終完成引信體的傳熱特性分析以及熱對引信內(nèi)部電子設(shè)備可靠性影響的評估。

1 系統(tǒng)功能介紹

引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)主要包括:空氣動(dòng)力熱分析模塊,熱電池發(fā)熱分析模塊,電子設(shè)備可靠性分析模塊,引信體傳熱特性分析模塊,集成軟件管理模塊,系統(tǒng)基本功能設(shè)置模塊和用戶及用戶權(quán)限管理模塊。系統(tǒng)功能模塊如圖1所示。

空氣動(dòng)力熱分析模塊包括常規(guī)火炮基本參數(shù)數(shù)據(jù)庫,空氣動(dòng)力熱實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫,駐點(diǎn)及壁面溫度理論計(jì)算系統(tǒng)和空氣動(dòng)力熱仿真系統(tǒng)。該模塊可以根據(jù)引信的應(yīng)用環(huán)境,選取配用的彈,確定外彈道計(jì)算基本參數(shù),完成對引信駐點(diǎn)及壁面溫度理論計(jì)算,同時(shí)利用流體仿真軟件完成空氣動(dòng)力熱的數(shù)值仿真,并將相同條件下的理論計(jì)算值、仿真結(jié)果與已有的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對,分析仿真誤差,積累仿真經(jīng)驗(yàn);同時(shí)通過對引信空氣動(dòng)力熱仿真的修正,得到更精確的熱分布,為將熱源作為引信環(huán)境探測識別資源研究奠定基礎(chǔ)。

熱電池在被激活后,一定時(shí)間后,電池表面的溫度會(huì)達(dá)到300℃以上[3],在引信這種結(jié)構(gòu)緊湊、空間狹小的環(huán)境中,由于缺乏有效的散熱措施,熱電池發(fā)熱會(huì)在引信腔內(nèi)形成一個(gè)高溫?zé)釠_擊環(huán)境。因此,熱電池發(fā)熱分析模塊是引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)必不可少的一部分。該模塊包括引信常用熱電池工作溫度數(shù)據(jù)庫和熱電池工作溫度數(shù)據(jù)隨機(jī)生成系統(tǒng),其中數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)包括兩部分,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和隨機(jī)生成數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)庫存儲了引信常用熱電池的基本性能參數(shù)、表面工作溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),以滿足熱設(shè)計(jì)階段熱電池選擇的需要,同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)基于已有數(shù)據(jù)的熱電池工作溫度數(shù)據(jù)隨機(jī)生成。

溫度是影響微電子器件工作可靠性的重要因素。因此,溫度對引信內(nèi)部電子設(shè)備可靠性影響的分析是保障引信性能不可缺少的一步。該模塊以數(shù)據(jù)庫的形式存儲軍用電子設(shè)備可靠性標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)能夠調(diào)用有限元分析軟件對引信內(nèi)部電子設(shè)備進(jìn)行熱分析,評估熱對電子設(shè)備可靠性的影響。

引信體傳熱特性分析模塊能夠調(diào)用有限元分析軟件以空氣動(dòng)力熱仿真結(jié)果為邊界條件進(jìn)行引信體的傳熱特性分析。

集成軟件管理模塊,實(shí)現(xiàn)對本系統(tǒng)集成軟件庫的管理、通用封裝以及調(diào)用。

系統(tǒng)基本功能設(shè)置模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)基本參數(shù)的設(shè)置以及系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境的配置。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)服務(wù)器操作系統(tǒng)為Windows 2003 Server,軟件開發(fā)工具主要為VB.NET,數(shù)據(jù)庫采用SQL Server2005。系統(tǒng)采用基于Web Service技術(shù)的多層分布式B/S和C/S結(jié)構(gòu)相結(jié)合的一體化混合架構(gòu)模型,分為數(shù)據(jù)服務(wù)層,業(yè)務(wù)邏輯層,基礎(chǔ)界面層,數(shù)據(jù)/管理層。系統(tǒng)的 Web Service和客戶端都采用VB.NET實(shí)現(xiàn),Web應(yīng)用程序則采用ASP.NET實(shí)現(xiàn)。

數(shù)據(jù)訪問層:該層完全運(yùn)行于服務(wù)器上,通過ADO.NET實(shí)現(xiàn)對SQL Server2005數(shù)據(jù)庫的訪問,并維護(hù)系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

業(yè)務(wù)邏輯層:該層算法邏輯完全運(yùn)行于服務(wù)器上,以Web Service的方式提供服務(wù),提供客戶端訪問層序,使客戶端模塊調(diào)用這些服務(wù)。

基礎(chǔ)界面層:該層利用邏輯層所提供的Web服務(wù)實(shí)現(xiàn),既有客戶端界面,也有服務(wù)器上的 Web Service服務(wù)端。

圖2 引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 駐點(diǎn)及壁面溫度理論計(jì)算的實(shí)現(xiàn)方法

彈體在高速飛行時(shí),由于空氣的壓縮和粘性作用,流動(dòng)的空氣會(huì)對彈體,尤其是彈體頭部,進(jìn)行氣動(dòng)加熱,而通常安置于彈體頭部的引信受此影響則更加嚴(yán)重。根據(jù)一維絕熱流能量方程[4],駐點(diǎn)處總溫 T0與靜溫T關(guān)系為:

式中:T為駐點(diǎn)處的靜溫,Ma為馬赫數(shù),γ是空氣比熱比。

壁面溫度Tw則依據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)中絕熱壁的恢復(fù)溫度Tr來確定[4]:

式中:r是溫度恢復(fù)系數(shù),層流時(shí)r=0.83,紊流時(shí),r=0.88;Ma∞為來流馬赫數(shù);T∞為來流溫度。

由式(1)、式(2)可知,要確定 T0和Tw需求解彈道諸元,目前,通過求解彈丸微分方程組獲取彈道諸元的方法已經(jīng)獲得廣泛的應(yīng)用。

將彈丸視為質(zhì)點(diǎn),同時(shí)對彈丸運(yùn)動(dòng)進(jìn)行一系列簡化,此時(shí)得到彈丸理想彈道微分方程為:

H(y)為大氣密度函數(shù),具體計(jì)算方法見文獻(xiàn)[6],x、y 、t、v、c、θ分別為彈丸的射程 、射高 、飛行時(shí)間 、速度、彈道系數(shù)和彈道傾角。

設(shè)定彈道初始條件,通過四階龍格-庫塔法求解方程式(3),求解過程中使用變步長,得到彈丸的彈道諸元,代入式(1)、式(2)后可得彈丸在空中飛行的各個(gè)時(shí)刻引信體駐點(diǎn)及壁面溫度。

以某火炮引信為例,其整個(gè)彈道過程中駐點(diǎn)和壁面溫度如圖3所示。

圖3 某火炮引信駐點(diǎn)及壁面溫度

3.2 熱電池?zé)岱治瞿K的實(shí)現(xiàn)方法

引信常用熱電池工作溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是引信熱電池在密閉容器中被激活后,實(shí)驗(yàn)測得的熱電池工作過程中電池表面幾個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的工作溫度。

從統(tǒng)計(jì)角度講,當(dāng)某一類被測熱電池?cái)?shù)量足夠多時(shí),由于其發(fā)熱機(jī)理和發(fā)熱量相同,在相同條件下,熱電池表面相同位置在同一時(shí)刻的溫度應(yīng)該在一個(gè)確定范圍之內(nèi)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,可以認(rèn)為該溫度值符合正態(tài)分布。因此,首先對獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),獲取其均值μ和方差δ2,然后利用隨機(jī)數(shù)生成方法獲得該類型熱電池工作溫度的隨機(jī)曲線。

對于正態(tài)分布,滿足給定均值μ和方差δ2的隨機(jī)數(shù)生成公式為:

式中rndi為 0到 i之間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。當(dāng)n=12時(shí),所得到的數(shù)據(jù)的近似程度就很好了。

以某鈣系熱電池為例,計(jì)算 100 次,第4次隨機(jī)生成的工作溫度曲線如圖4。

圖4 某鈣系熱電池工作溫度隨機(jī)生成曲線

該鈣系熱電池工作溫度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5,圖 4和圖 5比較看出,隨機(jī)生成的數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的相似度很好。

圖5 某鈣系熱電池工作溫度實(shí)驗(yàn)曲線

4 結(jié)論

引信熱特性分析虛擬試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建了一個(gè)集成的熱分析平臺,集成了有限元分析軟件和多個(gè)自主開發(fā)程序,使用該平臺能夠完成引信體傳熱分析以及熱對引信腔內(nèi)電子設(shè)備可靠性的評估,縮短了分析周期,為設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)熱設(shè)計(jì)參考,同時(shí)也為進(jìn)一步研究如何將熱源作為引信環(huán)境探測識別資源奠定了基礎(chǔ)。

[1]竇強(qiáng),龐賀偉,魏傳峰,等.航天器虛擬熱試驗(yàn)平臺的軟件架構(gòu)及其應(yīng)用[J].航天器環(huán)境工程,2007,24(6):370-375.

[2]婁文忠.信息化引信的熱管理技術(shù)研究[C]//中國兵工學(xué)會(huì)第14屆引信學(xué)術(shù)年會(huì),2005.

[3]謝翔,劉愛軍.熱電池的基本原理與應(yīng)用方法[J].電源技術(shù)應(yīng)用,1999(10):25-27.

[4]錢翼稷.空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[5]牛江川,張學(xué)春,崔海斌.基于 Web Service的機(jī)電引信協(xié)同設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開發(fā)[J].探測與控制學(xué)報(bào),2008,30(Z1):18-22.