摘要: 为了减轻抗激光防护材料的结构重量，本文采用有限元方法对一种由反射层、散热层、隔热层和基板构成的复合夹层式抗激光防护材料结构进行了优化设计。仿真结果表明：随着散热层厚度的增加，激光防护层和基板的最高温度都随之降低；随着隔热层厚度的增加，基板最高温度随之降低，而激光防护层的最高温度却随之升高，且隔热层厚度对其防护性能的影响更显著。当散热层厚度为1.48 mm、隔热层厚度为0.29 mm时，结构满足防护要求，且重量最轻，为0.295 kg。
Abstract:
In order to lighten the weight of a compound sandwich type of anti-laser protection material structure which consists of reflection layer, heat conduction layer, heat insulation layer and substrate, the structure design and optimization were proposed by using the finite element method. The simulation results show that with increasing the thickness of the heat conduction layer, the highest temperature of laser protection layers and substrate both become smaller and smaller. With increasing the thickness of the heat insulation layer, the highest temperature of substrate becomes smaller and smaller. However, the highest temperature of laser protection layers becomes higher and higher. And the thickness of the heat insulation layer has more significant effect on the protective property. When the thickness of the heat conduction layer is 1.48 mm, and the thickness of the heat insulation layer is 0.29 mm, the structure could satisfy the anti-laser protection demands and the weight is the lightest, which is 0.295 kg.
1. 引言
随着激光试验技术 [1] 的不断发展，激光防护技术 [2] [3] [4] [5] [6] 研究已成为一个重要研究方向。空中飞行器作为激光辐照试验中一类非常重要的靶目标 [7]，其抗激光性能已经成为激光辐照试验的一个突出问题。目前为止，空中飞行靶目标的抗激光加固均是通过加装金属板 [8]、耐高温复合材料 [9] [10] [11] 以及热障涂层 [12] [13] [14] 等激光防护结构来实现的，但受限于防护材料的性能特点，上述防护结构仍存在重量大、防护指标不高、工艺复杂等不足。因此，本论文提出一种反射层 + 散热层 + 隔热层 + 基板的复合夹层式抗激光防护材料，再针对空中飞行靶目标抗激光防护性能及减重要求，开展抗激光防护材料结构优化设计研究，设计得到一种结构重量最轻且激光防护性能优异的抗激光防护材料结构方案，以保证靶目标在各类试验中顺利完成试验内容。
2. 模型建立
基于本单位自主开发的高能激光安全防护效应评估软件，建立激光辐照空中飞行靶目标抗激光防护材料仿真有限元模型，对空中飞行靶目标抗激光防护材料结构表面及内部的温度场分布情况进行模拟分析，将仿真结果与试验结果相比较，验证模型的准确性。再利用校验后的仿真模型对防护材料结构参数进行灵敏度分析，并进行结构优化设计，得到空中飞行靶目标抗激光防护材料最佳结构设计方案。
2.1. 有限元模型
激光辐照试验用抗激光防护材料结构为平板件，长度和宽度都为15 cm，结构沿厚度方向依次为反射层、散热层、隔热层和基板，各层厚度分别为0.05 mm、0.55 mm、0.1 mm和2 mm。仿真计算过程中，采用三维实体8节点单元对板件进行网格划分，面内方向单元尺寸为1 mm × 1 mm，并对各层共面处采取共节点约束处理。另外，采用表面效应单元建立光斑模型。试验中，激光为圆形光斑，直径为9 cm，平均功率密度为48 W/cm2，辐照时间为30 s。最后，得到仿真计算有限元模型，如图1所示。
2.2. 材料参数
模型计算中，反射层为Ag涂层，散热层为Cu涂层，隔热层为AZ涂层，基板为Cu，各涂层均为等离子喷涂工艺制得，其物理性能参数如表1所示。
2.3. 边界条件
考虑自然热对流情况，换热系数为15 W/m2∙K，环境初始温度为25℃。
Figure 1. The simulation FEM of the laser irradiation effects
图1. 激光辐照效应仿真有限元模型
Table 1. Parameters of the materials defined in the FEM
表1. 计算用材料性能参数
3. 仿真结果与讨论
3.1. 验证模型仿真结果
空中飞行靶目标抗激光防护材料结构板件验证仿真模型内部各层温度场分布情况如图2所示。
(a) The reflection layer 
(b) The heat conduction layer
(c) The heat insulation layer 
(d) The substrate layer
Figure 2. The temperature contour graphs of the anti-laser protection material structure
图2. 抗激光防护材料结构内部温度分布云图
由图2可知，该复合涂层防护结构在上述激光辐照条件下，外表面Ag反射层的最高温度为680.94℃，内部Cu散热层和AZ隔热层的最高温度分别为680.88℃和680.26℃，Cu基板的最高温度为671.32℃。由于Ag和Cu涂层具有良好的导热性能，能及时将表面能量沿面内和面外方向传递开来，使得两涂层的温差不大。而中间隔热层的热传导系数较小，能够阻碍热量向内部传输，导致基板的温度比散热层温度低了约10℃。这说明采用反射层 + 散热层 + 隔热层的复合涂层结构设计方案能够有效降低激光能量向内层基板传输的效率，达到抗激光防护的目的。另外，仿真分析得到Cu基板背表面最高温度为668.07℃，试验测得结果为642℃，仿真结果高了约26℃，误差为4%。
3.2. 结构厚度对温度的影响
考虑空中飞行靶目标在一定激光辐照条件下，机体温度不能超过150℃的抗激光防护具体要求，对上述复合涂层防护结构进行改进。用Cu板替换Cu散热涂层，增加散热层吸收热量的比例；用SiO2气凝胶材料替换AZ隔热涂层，进一步提升隔热效果；基板即为空中飞行靶目标机体材料Al板。根据等离子体喷涂工艺条件及靶目标实际情况，Ag反射涂层的厚度为0.05 mm，机体Al板的厚度为2.0 mm。改变抗激光防护结构散热层厚度以及隔热层厚度，研究其对结构抗激光防护性能的影响。
散热层(Cu板)厚度以及隔热层(SiO2气凝胶材料)厚度对抗激光防护结构各层最高温度的影响如图3和图4所示。由图可知，随着散热层厚度的增加，抗激光防护结构各层的最高温度都随之降低，机体最高温度也随之降低；而随着隔热层厚度的增加，抗激光防护结构各层的最高温度都随之升高，机体最高温度随之降低。这主要是因为，散热层的作用是将结构表面吸收转化的激光能量快速在横向方向传输，尽可能的将热量在更大范围内吸收掉。所以增加散热层厚度，其热影响区明显扩大，吸收的能量明显增加，传递到机体的能量明显降低，导致机体最高温度降低。而隔热层厚度增加，会进一步阻碍热量向机体处扩散，大部分热量被前表面反射层及散热层吸收消耗，使其表层热负荷增加，导致机体最高温度降低，而表层最高温度升高。
当散热层厚度由0.5 mm增加至2.0 mm时，机体最高温度由116.79℃降低至52.54℃，降低了约64℃；当隔热层厚度由0.2 mm增加至1.0 mm时，机体最高温度由176.61℃降低至60.99℃，降低了约116℃。这说明，隔热层厚度对抗激光防护结构防护性能的影响更显著。
另外，由于Ag的熔点为962℃、Cu的熔点为1083℃、SiO2气凝胶的最高使用温度为800℃。而当散热层厚度为2.0 mm、隔热层厚度为1.0 mm时，反射层、散热层和隔热层的最高温度分别为646.72℃、646.68℃和645.73℃，均低于其熔点温度，且机体最高温度为52.54℃，低于其防护性能设计使用要求。因此，在进行抗激光防护材料结构设计时，可以进一步减小散热层厚度和隔热层厚度，使其满足防护要求的同时，减少防护结构重量。
Figure 3. Effect of thickness of the heat conduction layer on the anti-laser protection structure temperature
图3. 散热层厚度对抗激光防护材料结构温度的影响
Figure 4. Effect of thickness of the heat insulation layer on the anti-laser protection structure temperature
图4. 隔热层厚度对抗激光防护材料结构温度的影响
3.3. 防护结构优化设计
采用一阶优化算法，对反射层 + 散热层 + 隔热层 + 基板抗激光防护材料结构进行优化设计。优化设计目标为结构重量，状态变量为各层最高使用温度，设计变量为散热层厚度和隔热层厚度。经过设计分析，得到优化结果为：散热层厚度为1.48 mm、隔热层厚度为0.29 mm，反射层、散热层、隔热层和机体的最高温度分别为784.79℃、784.74℃、784.00℃和140.03℃，该防护结构重量为0.295 kg。
4. 结论
本文采用自主开发的激光辐照效应数值模拟软件对反射层 + 散热层 + 隔热层 + 基板的复合夹层式抗激光防护材料进行了温度场数值仿真分析。首先，建立激光辐照防护结构有限元模型，对仿真模型进行验证；然后，利用验证后的模型对防护结构参数灵敏度进行分析；最后，对整个防护结构进行优化设计，最大程度减轻防护结构的重量。通过以上研究，得到以下主要结论：
1) 仿真分析得到Cu基板背表面最高温度为668.07℃，试验测得结果为642℃，仿真结果高了约26℃，误差为4%。
2) 随着散热层厚度的增加，抗激光防护结构各层的最高温度都随之降低，机体最高温度也随之降低；而随着隔热层厚度的增加，抗激光防护结构各层的最高温度都随之升高，机体最高温度随之降低，且隔热层厚度对抗激光防护结构防护性能的影响更显著。
3) 满足无人机抗激光防护要求的最佳结构设计方案为：散热层厚度为1.48 mm、隔热层厚度为0.29 mm，该防护结构重量为0.295 kg。