杜 珺， 關 華， 李 捷, 郜 永， 姚文佳

(1. 南京理工大學化工學院，江蘇 南京 210094； 2. 北方華安工業(yè)集團有限公司，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

1 引 言

紅外誘餌劑是一種在燃燒過程中能產生強烈紅外輻射的煙火藥劑，用于對紅外制導、探測及觀瞄系統(tǒng)實施誘騙干擾。由于第一代和第二代紅外制導導彈的工作波段基本上都在近、中紅外波段，因此，與之對抗的紅外誘餌藥劑主要集中在近、中紅外波段。隨著遠紅外成像制導技術的廣泛應用，對遠紅外誘餌劑的研究迫在眉睫[1]。

目前，國內外對紅外誘餌劑的研究主要以鎂/聚四氟乙烯(Mg/PTFE，MTV)為基本組分，通過調整藥劑配方來研究光譜及輻射特性。如，陳明華[2-3]等用10～15 g藥柱進行實驗，結果顯示當Mg/PTFE質量比為50/50時，紅外輻射強度最大，3～5 μm/8～14 μm處分別為66.10/5.60 W·sr-1； 而Mg4Al3/PTFE質量比為70/30時藥劑的中、遠紅外輻射強度最大，分別為254.8 W·sr-1和26.33 W·sr-1。Campbell[4-5]利用熱塑粘合劑將TSE-MTV頻譜效率由E2-3 μm=185 J·g-1·sr-1提高至215～330 J·g-1·sr-1。于志良[6]提出添加選擇性輻射體如石墨粉、SiC等可有效提高3～5 μm紅外輻射強度。另外，Weiser等[7-8]用以Al/Fe2O3為基礎的鋁熱劑與Sr(NO3)2和含能有機物結合制成誘餌劑，可提高3～5 μm處輻射強度同時降低1～3 μm輻射強度。MTV誘餌劑的光譜比為2～3 μm /3～5 μm=1.33，而真實目標光譜比為0.5≤2～3 μm /3～5 μm≤0.8(隨發(fā)動機不同而不同)[9]，而且在提高誘餌劑遠紅外輻射時，3～5 μm的輻射會隨之顯著提高。

為了滿足誘餌劑2～3 μm/3～5 μm光譜比與真實目標相近，研究了以KNO3/Mg-Al 為基礎配方的紅外誘餌劑，結果顯示KNO3/Mg-Al光譜比為2～3 μm /3～5 μm=0.77，同時KNO3/Mg-Al在遠紅外的輻射比MTV略強。為進一步提高藥劑紅外輻射，本研究選擇在KNO3/Mg-Al誘餌劑中添加具有較強熱效應的硼粉(B)，研究不同比例B粉對藥劑的質量燃速、燃燒溫度和輻射亮度等燃燒及紅外輻射特性影響規(guī)律，以獲得提高誘餌劑遠紅外輻射強度的合適B比例。

2 提高誘餌劑紅外輻射強度的理論分析

紅外誘餌劑燃燒時的輻射強度主要取決于質量燃速、燃燒溫度和燃燒產物成分，其中紅外輻射強度與質量燃速之間的關系[9]為:

(1)

由式(1)可知，紅外輻射強度與藥劑質量燃速成正比，由于藥劑組成基本一致，比輻射能近似相等，因此，比輻射能變化可忽略不計，增加紅外誘餌劑的質量燃速可提高輻射強度。

誘餌劑燃燒產生一定溫度，其溫度與紅外輻射一般符合斯蒂芬-玻爾茲曼定律[10]:

M=σT4

(2)

式中，M為輻射出射度，W·m-2；σ為斯蒂芬常數；T為燃燒溫度，K。

輻射出射度M定義式為[10]:

(3)

式中，dP是dA向半球空間發(fā)射的輻射功率； dA是源面上的小面源；L是輻射亮度，W·m-2·sr-1；θ是與面源的法向夾角； dΩ是θ方向上的小立體角元。

根據式(2)和式(3)可推導出紅外輻射亮度與燃燒溫度的關系:

(4)

因此，由式(4)可以看出，紅外輻射亮度與燃燒溫度的四次方成正比，提高燃燒溫度可顯著提高紅外輻射亮度。

輻射強度與輻射亮度存在以下關系[10]:

(5)

式中，ΔA是輻射面積，m2。

測試時樣品燃燒面與測試儀器法相垂直，面源充滿整個視場且輻射均勻，ΔA在位置、角度上不變，所以，公式(5)可簡化為:

I=LΔAcosθ

(6)

由此得出輻射強度與燃燒溫度關系為:

(7)

由式(7)可知，輻射強度與燃燒溫度的四次方成正比，因此，提高誘餌劑燃燒溫度可有效提高誘餌劑紅外輻射性能。

3 藥劑燃燒及紅外輻射特性實驗

主要原材料: 硝酸鉀(KNO3)，分析純，西隴化工股份有限公司；鎂鋁合金粉(Mg-Al)，東北輕合金； 硼(B)，活性B含量為86%～89%； 氟橡膠為晨光氟橡膠FPM2603。

樣品制備: 實驗采用80目篩下主要成分KNO3/Mg-Al質量配比為58∶29的誘餌劑作為基礎配方，分別添加質量比為1%，2%，3%……10% 的B粉，濕混后制成藥漿，制成3 cm×3 cm相同質量的箔片，厚度均勻，約為1 mm。

測試儀器設備: 美國Flir公司SC7000型遠紅外熱像儀，光譜響應波段7.7～9.3 μm； 分辨率320×240像素； 溫度分辨率<20 mK； 測試鏡頭25 mm，背景、大氣溫度12 ℃，室溫17 ℃，輻射率設為1。

測試時，將試驗樣品置于儀器鏡頭正前方1.1 m試驗臺，樣品燃燒面正對儀器，點燃樣品表面點火藥后，樣品迅速全面呈面源燃燒，測試樣品燃燒過程。利用遠紅外熱像儀測試樣品燃燒時間、燃燒溫度、輻射面積、輻射亮度。

4 實驗結果與討論

4.1 B粉對誘餌劑燃燒特性的影響

圖1 硼粉含量對誘餌劑的質量燃速和燃燒溫度的影響

Fig.1 Effect of the content of boron powder on the mass burning rate and combustion temperature of the decoy

從圖1可見，添加B粉后藥劑質量燃速、燃燒溫度均顯著提高，隨著B粉含量的增加燃速逐漸加快，當增加到2%時，燃速由0.394 g·s-1增加到0.564 g·s-1，之后燃速開始減慢； 當B粉含量增加到4%時，燃燒溫度從727.71 ℃升高到1046.19 ℃的極值，之后繼續(xù)增加B粉，燃燒溫度逐漸降低，當B粉含量為10%時，燃燒溫度為841.12 ℃。誘餌劑中添加B粉后燃速和燃燒溫度增加，主要是因為B與KNO3發(fā)生氧化還原反應產生大量反應熱。

已知B在327 ℃時開始緩慢氧化，477 ℃時B表面的氧化層B2O3開始由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，777～1227 ℃時B2O3與B進一步反應生成氣態(tài)B2O2。其反應式依次為:

4B+3O2→2B2O3+Q1

2B2O3+2B→3B2O2↑+Q2

其中，Q1>0為放熱反應，Q2<0為吸熱反應[11]。藥劑點燃后，B粉受熱氧化釋放熱量，促進了基礎配方KNO3/Mg-Al的燃燒，從而同時提高了質量燃速和燃燒溫度。但是隨B粉含量的進一步增加，促進了B2O3的分解，導致反應吸收的熱量增加； 另一方面，Mg-Al合金與B粉存在競爭氧化反應[12]，B粉含量的增加阻礙了Mg-Al合金的氧化還原反應，導致藥劑的燃燒反應熱減少，因此藥劑質量燃速和燃燒溫度隨著B粉含量的進一步增加呈現下降趨勢。

4.2 B粉對誘餌劑紅外輻射特性的影響

利用遠紅外熱像儀可測得B粉含量不同時藥劑燃燒某一時刻的紅外熱圖如圖2所示。

圖2 添加不同比例B粉的誘餌劑的紅外熱圖

Fig.2 Infrared thermal images of the decoy with different proportion of boron powder

利用熱像儀自帶Altair軟件沿圖2中藍色(約500 ℃)選擇讀取數據的范圍，直接獲得所選范圍的輻射亮度和輻射面積，并由此按公式(6)計算輻射強度(由于熱像儀記錄結果為樣品垂直方向輻射特性，因此式中θ=0°)，硼粉添加劑對藥劑輻射強度的影響測定及計算結果如表1和圖3所示。

從圖3可見，隨著B粉含量的增加，藥劑紅外輻射亮度由995.68 W·m-2·sr-1提高到1681.59 W·m-2·sr-1(此時B粉含量為4%)后逐漸降低。4.1結果顯示，添加B后，藥劑燃燒溫度增加，由公式(4)可知藥劑輻射亮度主要與燃燒溫度有關，因此B粉的加入有效增加了熱輻射，另外B粉燃燒可能生成B2O3[11]，從而進一步提高輻射亮度。當B粉含量大于4%時，隨著B粉含量的進一步增加可能導致Mg-Al氧化反應受阻，從而反應產生的輻射源減少。因此，隨著B粉含量增加輻射亮度先增后減。

表1 硼粉對誘餌劑輻射強度的影響

Table 1 Effect of boron powder on the radiation intensity of the decoy

theproportionofboron/%radiance/W·m-2·sr-1radiatingarea×10-6/m2radiationintensity/W·sr-10995.681099.991.1011284.871284.941.6521484.691289.811.9131500.611301.981.9541681.591572.112.6451639.391216.801.9961446.80717.081.0471360.75713.800.9781325.02705.090.9391309.05639.750.84101223.85580.960.71

圖3 硼粉比例對誘餌劑輻射亮度和輻射強度的影響

Fig.3 Effect of the proportion of boron on radiation radiance and radiation intensity of the decoy

同時從圖3還可以明顯地看出，隨著藥劑中B粉含量的增加，藥劑紅外輻射強度由1.10 W·sr-1提高到2.64 W·sr-1后(B粉含量為4%)快速降低，當B粉所占比例大于6%時，藥劑輻射強度較未添加B粉的基礎配方略低。由公式(6)可知，這主要是因為輻射亮度和輻射面積的影響。相較于輻射亮度，輻射面積變化較大，隨著B粉含量的增加輻射面積從1099.99×10-6m2增加到1216.80×10-6m2極值后快速減小。原因是藥劑燃燒生成大量固體和液體顆粒，同時B燃燒反應可能生成B2O2氣體，增加了反應體系中氣體量，從而增大了輻射面積，但隨著B粉的進一步增加，B與Mg/Al競爭關系加劇，Mg/Al在燃面附近氣相反饋減少，同時氧化生成的MgO、Al2O3等固體輻射源減少，導致輻射面積快速減小[12]。因此，隨著B粉含量增加輻射強度先增后減。

5 結 論

(1)添加B粉可有效提高KNO3/Mg-Al誘餌劑的燃燒速度、燃燒溫度。當B粉含量為2%時藥劑燃燒速度達到極大值0.564 g·s-1，B粉含量為4%時藥劑燃燒溫度達到極大值1046.19 ℃。

(2)在KNO3/Mg-Al誘餌劑中添加B粉后， B粉含量為4%時藥劑輻射亮度和輻射強度均達到極大值，分別為1681.59 W·m-2·sr-1、2.64 W·sr-1。這是由于添加B粉增加了體系中固體組分含量，產生大量燃燒反應熱，從而提高了燃燒溫度，進而提高了紅外輻射。

參考文獻:

[1] 劉默偉,王志剛.紅外成像制導武器的裝備概況與發(fā)展分析[J].艦船電子工程,2009,29(6): 36-37.

LIU Mo-wei, WANG Zhi-gang. Equipment overview and the development analysis of infrared imaging guided weapons[J].ShipElectronicEngineering,2009, 29(6): 36-37.

[2] 陳明華,焦清介,溫玉全,等. Mg4Al3/PTFE紅外誘餌劑的輻射性能研究[J].激光與紅外,2005,35(7): 500-503.

CHEN Ming-hua, JIAO Qing-jie, WEN Yu-quan, LU Bin. The research on emission performance of Mg4Al3/PTFE infrared composition[J].Laser&Infrared, 2005,35(7): 500-503.

[3] 陳明華,馬桂海.碳纖維對鎂/聚四氟乙烯燃燒速度和紅外輻射強度的影響[J].激光與紅外,2008.38(10): 1008-1010.

CHEN Ming-hua, MA Gui-hai. Influence of carbon fiber on burning rate and infrared radiation intensity of Mg/PTFE infrared composition[J].Laser&Infrared, 2008,38(10): 1008-1010.

[4] Campbell C. Twin screw extruder production of MTTP decoy flares SERDP WP-1240[R],ThiokolPropulsionADA 451087, 2005,12.

[5] Ray M A, Ashcroft B N, Blau R J, et al. An example of magnesium-teflon-thermoplastic(MTTP), a viable blackbody emitting composition that has been produced via a solvent-free twin-screw extrusion process[C]∥33rdInt. Pyrotech. Sem, Fort Collins, CO, 2006,7: 297.

[6] 于志良.提高紅外誘餌3-5μm選擇輻射的途徑探討[J].光電對抗與無源干擾,1994(2): 12-15.

YU Zhi-liang. Discussion on the ways to enhance the IR decoy flare selective radiation in 3-5μm[J].Electro-OpticWarfare&RadarPassiveCountermeasures, 1994(2): 12-15.

[7] Weiser V，Kelzenberg S， Neutz J，et al. Neue Ans?tze zur Entwicklung von spektralen T?uschk?rpern und Brands?tzen[C]∥Wehrtechnisches Symposium Wirkung und Schutz，Explosivstoffe，2006，12, Mannheim，Deutschland.

[8] Weiser V， Blanc A， Deimling L，et al. Pyroorganic flares a new approach for aircraft protection[C]∥9emeCongres International de Pyrotechnie，Beaune France，2007: 785.

[9] Ernst-Christian Koch. Review on pyrotechnic aerial infrared decoys[J].Propellants,Explosives,Pyrotechnics, 2001, 26: 3-11.

[10] 張建奇,方小平.紅外物理[M].西安: 西安電子科技大學出版社,2004.

[11] Alessandro Gomez, Rosner Daniel E, Roni Zvuloni. Recent studies of the kinetics of solid boron gasification by B2O3(g) and their chemical propulsion implications[R].CRCPressInc,1993:113-132.

[12] 吳婉娥,毛根旺,魯軍,等. 鎂鋁金屬粉對含硼富燃料推進劑燃燒性能及硼氧化效率的影響[J]. 含能材料, 2008 ,16(4): 458-461.

WU Wan-e, MAO Gen-wang, LU Jun, et al. Effect of Mg and Al powders on combustion performance of boron-based fuel-rich propellant and oxidation efficiency of boron[J].ChineseJournalofEnergeticMaterials(HannengCailliao), 2008 ,16(4): 458-461.