CC BY
15
Доклады БГУИР
2012 № 2 (64)
УДК 004.056.5:621.315.6
ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ДВИЖЕНИЯ ХЛАДАГЕНТА В ПОЛИМЕРНЫХ ТЕПЛОВЫХ ЭКРАНАХ НА ИХ КОЭФФИЦИЕНТЫ ПЕРЕДАЧИ
И ОТРАЖЕНИЯ
АБДУЛЬКАДЕР ХАМЗА АБДУЛЬКАБЕР
Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники П. Бровки, 6, Минск, 220013, Беларусь
Поступила в редакцию 9 января 2012
Исследованы особенности взаимодействия радиоизлучения с конструкциями полимерных тепловых экранов охлаждаемых жидкими хладагентами (вода, 50% водный раствор эти-ленгликоля).
Ключевые слова: тепловой экран, коэффициент отражения, коэффициент передачи.
Введение
Тепловые экраны сегодня находят широкое применение, они используются для обеспечения нормальных тепловых режимов функционирования радиоэлектронных средств, уменьшения теплоотдачи мощных радиопередающих устройств в зону, где размещается обслуживающий ее персонал, а также для решения проблем утечки информации по тепловым каналам, например снижения тепловой заметности военной техники. Основное внимание в таких случаях уделяется изучению процессов конвективного теплообмена, которые в конечном итоге влияют на температуру поверхности теплового экрана. Как было показано в [1], для снижения температуры поверхности защищаемого объекта эффективным представляется использование полимерных тепловых экранов с принудительным охлаждением хладагентами в жидкой фазе.
В многоуровневых системах защиты информации [2] для решения проблемы снижения заметности военной техники в тепловом и радиочастотном диапазонах длин волн тепловой экран используется совместно с экраном электромагнитного излучения радиочастотного диапазона. Широкий рабочий диапазон частот экрана электромагнитного излучения может быть обеспечен за счет применения влагосодержащих волокнистых и композиционных материалов, значения коэффициентов отражения и передачи которых определяются концентрацией влаго-содержащего наполнителя [3]. Коэффициенты отражения и передачи для таких конструкций электромагнитных экранов после их изготовления являются величинами практически постоянными, и оперативное их изменение не представляется возможным, что является их недостатком. Для решения данной проблемы необходимо выполнить требование по управляемому изменению концентрации влагосодержащего наполнителя в материале экрана, которому удовлетворяют полимерные тепловые экраны с принудительным жидкостным охлаждением.
Целью данной работы являлось исследование влияния скорости движения хладагента (вода и этиленгликоль) в полимерных тепловых экранах, выполненных на основе сотового поликарбоната, на их коэффициенты передачи и отражения электромагнитного излучения в диапазоне частот 2-18 ГГц.
Методика проведения эксперимента
В качестве исследуемой конструкции полимерного экрана использовался сотовый поликарбонат размером 40*40 мм с прямоугольным сечением канала 10*10 мм. Для исследова-
ния экранирующих характеристик такой конструкции использовался испытательным стенд (рис. 1), в состав которого входил панорамный измеритель коэффициентов передачи и отражения SNA 0,01-18, работающий по принципу раздельного выделения и непосредственного детектирования уровней падающей и отраженной волн.
Рис. 1. Схема стенда для исследования коэффициентов передачи и отражения тепловых экранов: 1 - блок B; 2, 5 - измерительные антенны; 3 - измеритель SNA 0,01-18; 4 - исследуемый экран; 6 - блок A/R; 7 - резервуар с хладагентом; 8 - насос;
9 - источник питания
Измерения выполнялись с усреднением результата в 3 раза и включали в себя три этапа. На первом этапе осуществлялась калибровка измерителя, во время проведения которой устанавливался оптимальный уровень мощности для работы его детекторов. Второй этап заключался в измерении коэффициента передачи исследуемого экрана. При этом генератор качающейся частоты (ГКЧ) измерителя формировал сигнал в заданной полосе частот и через блок A/R подавал его в передающую антенну. Блок обработки измерительных сигналов регистрировал сигнал, прошедший через исследуемый экран и принятый второй измерительной антенной. На третьем этапе измерялся коэффициент отражения экрана. В этом случае сигнал, формируемый ГКЧ, подавался в измерительную антенну и излучался в направлении исследуемого экрана, отраженный от него сигнал регистрировался этой же и антенной и через блок A/R поступал на измеритель. В процессе измерения коэффициентов передачи и отражения скорость движения хладагента через тепловой экран составляла 0,19; 0,25; 0,29; 0,31 м/с (вода) и 0,11; 0,15; 0,22; 0,27 м/с (50%-й водный раствор этиленгликоля). Получение необходимого значения скорости обеспечивалось за счет изменения напряжения питания на насосе. В качестве хладагентов использовались вода и 50 %-й водный раствор этиленгликоля, выбор которых обусловлен их широким применением в охлаждении различных технических средств.
Скорость течения хладагента в трубопроводе рассчитывалась в соответствии со следующей методикой. Хладагент объемом 1 л прокачивался через трубопровод системы в резервуар. Время течения хладагента отсчитывалось с момента его начала поступления в резервуар и до момента полного его заполнения. Средняя скорость вычислялась по формуле [4]:
а -Q
аср , ю
где Q - расход хладагента, ю - сечение трубопровода, м3. Расчет расхода хладагента выполнялся по формуле:
Q - V
где V - объем хладагента, t - время течения хладагента.
Результаты и обсуждение
Установлено, что для исследуемой конструкции теплового экрана коэффициент передачи зависит от скорости движения хладагента. Использование воды в качестве хладагента (рис. 2) обеспечивает коэффициент передачи конструкции -3...-12 дБ в диапазоне частот 6,3... 18 ГГц, который увеличивается при возрастании скорости движения хладагента с 0,19 до 0,31 м/с за счет большего количества воды, поступающей в тепловой экран. Нижняя рабочая частота такой конструкции экрана 6,3 ГГц обусловлена расстоянием между соседними каналами конструкции и особенностями их заполнения хладагентом. Коэффициент передачи аналогичной конструкции теплового экрана, охлаждаемой 50%-м водным раствором этиленглико-ля (рис. 3), увеличивается с -2 до -5,5 дБ в диапазоне частот 6,3.18 ГГц при увеличении скорости движения хладагента с 0,19 до 0,31 м/с. Меньший диапазон изменений коэффициента передачи в данном случае обусловлен применением хладагента с большей вязкостью, что, в свою очередь, вызывает повышение тормозящего воздействия стенок каналов теплового экрана на поток жидкости за счет большего значения их эквивалентной гидравлической шероховато-
2 4 6 8 10 12 14 16 18
0 -2 -4
см
-8
-10 -12
Частота, ГГц — 1 —2 —3 —4
Рис. 2. Зависимость коэффициента передачи полимерного теплового экрана, охлаждаемого водой, от частоты при скорости движения хладагента: 1 - 0,19 м/с, 2 - 0,25 м/с, 3 - 0,29 м/с,
4 - 0,31 м/с
Установлено, что скорость движения хладагента в исследуемой конструкции теплового экрана в значительно меньшей степени влияет на коэффициент его отражения. Для конструкции теплового экрана, охлаждаемого водой, зависимость коэффициента отражения от скорости движения хладагента наблюдается лишь в большей степени в диапазоне частот 10. 12 ГГц (рис. 4), где коэффициент отражения изменяется в пределах -3,5.-10 дБ при скорости движения хладагента 0,19.0,31 м/с. Это обусловлено особенностями конструкции экрана, влияющими на протекание хладагента в его каналах. Изменение скорости движения 50%-го водного раствора этиленгликоля позволяет управляемо изменять коэффициент отражения с -2 до -17 дБ в более широком диапазоне частот 6.12 ГГц за счет особенностей заполнения каналов теплового экрана таким хладагентом (рис. 5).
Рис. 3. Зависимость коэффициента передачи полимерного теплового экрана, охлаждаемого 50%-м водным раствором этиленгликоля, от частоты при скорости движения хладагента: 1 - 0,11 м/с, 2 - 0,15 м/с, 3 - 0,22 м/с, 4 - 0,27 м/с
б
10
12
14
16
18
Частота, ГГц
— 1 —2 —3 —4
Рис. 4. Зависимость коэффициента отражения полимерного теплового экрана, охлаждаемого водой, от частоты при скорости движения хладагента: 1 - 0,19 м/с, 2 - 0,25 м/с, 3 - 0,29 м/с,
4 - 0,31 м/с
2 4 6 8 10 12 14 16 18
— 1 —2 —3 —4
Рис. 5. Зависимость коэффициента отражения полимерного теплового экрана, охлаждаемого 50%-м водным раствором этиленгликоля, от частоты при скорости движения хладагента: 1 - 0,11 м/с, 2 - 0,15 м/с, 3 - 0,22 м/с, 4 - 0,27 м/с
Заключение
Таким образом, на основании результатов исследований показана возможность применения полимерных тепловых экранов в качестве радиопоглощающих конструкционных материалов. Показана возможность управляемого изменения их коэффициента передачи и отражения за счет выбора типа хладагента и скорости его движения. Предложенные конструкции тепловых экранов позволяют затруднить перехват информации по электромагнитному и тепловому каналам, причем взаимодействие таких конструкции с радиоизлучением и излучение такими конструкциями теплового потока зависит от используемой охлаждаемой жидкости и скорости ее движения.
INFLUENCE OF VELOCITY OF A COOLANT MOTION IN POLYMERIC THERMAL SCREENS ON THEIR TRANSFER RATIOES AND REFLEXIONS
ABDULKABER HAMZA ABDULKADER
Abstract
Features of interaction of a radio-frequency radiation with constructions of polymeric heat shields cooled by liquid refrigerants (water, 50% ethylen glycol water solution) are explored.
Список литературы
1. Борботько Т.В., Абдулькабер Хамза Абдулькадер, Кофанова О.А. VIII Белорусско-российская науч.-техн. конф. ТСЗИ: Браслав, 24-28 мая 2010 г. Минск, 2010. С. 88-89.
2. Борботько Т.В. Технические средства защиты информации : материалы VII Белорусско-российской науч.-техн. конф., Минск-Нарочь, 23-24 июня 2009 г. / БГУИР . Минск, 2009. С. 78.
3. Колбун Н.В., Борботько Т.В, ТерехИ.С. и др. // Докл. БГУИР. 2004. №6. С. 78-83.
