紅外照明彈技術(shù)研究

張 鵬，姜 力，姚 強(qiáng)，姚文佳

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紅外照明彈技術(shù)研究

張 鵬，姜 力，姚 強(qiáng)，姚文佳

（北方華安工業(yè)集團(tuán)有限公司科研二所，黑龍江 齊齊哈爾，161006）

為提高微光夜視儀的視距，提升部隊(duì)的夜間作戰(zhàn)能力，開(kāi)展了紅外照明彈研究。從氧化劑的選擇、可燃劑的選擇、適宜燃燒溫度、降低藥劑機(jī)械感度等方面對(duì)紅外照明劑配方進(jìn)行了試驗(yàn)研究，獲得了理想配方；并通過(guò)野外視距增益效果試驗(yàn)，驗(yàn)證了采用該配方的照明彈可使微光夜視儀的視距增益3.9倍以上。

紅外照明劑；紅外照明彈；微光夜視儀；視距

紅外照明彈技術(shù)是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來(lái)的一種新概念特種彈技術(shù)，主要用于為目標(biāo)提供近紅外光源，增大目標(biāo)近紅外輻射照度，提高微光夜視儀等夜視器材的視距。紅外照明彈首先是在美國(guó)研制成功并裝備使用的。美國(guó)西奧科爾（Thiokol）公司于20世紀(jì)80年代開(kāi)展了紅外照明彈的研制工作，研制出一種由70mm航空火箭發(fā)射的M278紅外照明彈，該彈裝備在美國(guó)AH-1“眼鏡蛇”和AH-64“阿帕奇”武裝直升機(jī)上。之后又相繼研制了M83A2式60mm和M853A1式81mm迫擊炮紅外照明彈、M314A3式105mm和M485A2式155mm榴彈炮紅外照明彈、LUU-2B/B由飛機(jī)空投的紅外照明彈、M127A手?jǐn)y式紅外照明彈、M49A1絆索紅外照明雷等[1]。

我國(guó)于20世紀(jì)90年代開(kāi)展紅外照明彈相關(guān)技術(shù)研究，并設(shè)計(jì)定型了某型紅外照明彈。研究設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的紅外照明劑是紅外照明彈技術(shù)研究的主要內(nèi)容。本研究通過(guò)對(duì)紅外照明劑進(jìn)行設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了紅外照明劑的配方，并裝配彈藥進(jìn)行野外視距增益試驗(yàn)。

1 紅外照明劑設(shè)計(jì)

實(shí)際戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用通常要求紅外照明彈能夠使微光夜視儀視距增加3倍以上，同時(shí)要具有較低的可見(jiàn)光輸出。為滿足這一要求，紅外照明劑必須在近紅外區(qū)（0.7～1.3μm）產(chǎn)生較強(qiáng)的紅外輻射。紅外照明劑的近紅外輻射強(qiáng)度越高，對(duì)微光夜視儀視距增加效果越好。但紅外照明劑燃燒在產(chǎn)生強(qiáng)紅外輻射的同時(shí)，會(huì)有一定的可見(jiàn)光輸出，為了達(dá)到紅外照明彈作用時(shí)不照亮我方陣地、不暴露己方人員和目標(biāo)的效果，可見(jiàn)光輸出越低越好。因此，紅外照明劑研究需突破的技術(shù)瓶頸主要是在提高近紅外輻射強(qiáng)度的同時(shí)，降低可見(jiàn)光輸出。與大多數(shù)煙火藥一樣，紅外照明劑也是由氧化劑、可燃劑和粘合劑等混合而成。本文主要從氧化劑的選擇、可燃劑的選擇、適宜燃燒溫度、降低藥劑機(jī)械感度等方面對(duì)紅外照明劑配方進(jìn)行探索研究。

1.1 氧化劑的選擇

紅外照明劑燃燒時(shí)產(chǎn)生的原子和分子的特征輻射，是由于燃燒時(shí)的高溫作用，激發(fā)氣體或蒸氣中的原子和分子里的電子能級(jí)改變。紅外照明劑近紅外特征輻射物質(zhì)包括K+、Cs+等。K+、Cs+在近紅外區(qū)輻射較強(qiáng)，而在可見(jiàn)光區(qū)輻射較弱，能展寬近紅外輸出光譜，在顯著提高近紅外輻射強(qiáng)度的同時(shí)，有較低的可見(jiàn)光輸出?？紤]到紅外照明性能的要求，紅外照明劑可同時(shí)采用KNO3和CsNO3作為氧化劑[1]。

1.2 可燃劑的選擇

紅外照明劑近紅外特征輻射物質(zhì)包括K+、Cs+等，提高紅外照明劑的近紅外輻射強(qiáng)度應(yīng)保證這些特征輻射離子激發(fā)所需的能量供給。通過(guò)選用燃燒熱值高、燃燒穩(wěn)定、產(chǎn)物熱容低的Mg粉作為可燃劑來(lái)配制紅外照明劑，可提高近紅外特征輻射離子的輻射效率和輻射能力，從而有效提高紅外照明劑的近紅外輻射強(qiáng)度。紅外照明劑可見(jiàn)光的輸出與藥劑中Mg粉的含量密切相關(guān)，Mg粉的含量越高，紅外照明劑可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度就越大，但降低藥劑中Mg粉的含量會(huì)導(dǎo)致近紅外特征輻射離子激發(fā)能量的不足。為了抑制紅外照明劑的可見(jiàn)光輸出，可在紅外照明劑中適量添加非金屬含能可燃劑，如Si粉、六次甲基四胺等，同時(shí)適當(dāng)降低藥劑中Mg粉的含量，由此損失的燃燒熱能通過(guò)非金屬含能可燃劑來(lái)彌補(bǔ)。這樣既降低了紅外照明劑可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度，又保證了藥劑中近紅外特征輻射離子激發(fā)所需的能量供給。

1.3 適宜燃燒溫度

紅外照明劑燃燒產(chǎn)生的輻射是灰體輻射和選擇性輻射共同作用而形成的。對(duì)于選擇性輻射粒子而言，其產(chǎn)生選擇性特征輻射的激發(fā)過(guò)程與藥劑的燃燒反應(yīng)溫度密切相關(guān)，適宜的燃燒反應(yīng)溫度能夠產(chǎn)生最大效率的特征輻射。通過(guò)調(diào)整藥劑配方中KNO3和Mg粉的含量來(lái)控制燃燒溫度，可使紅外照明劑產(chǎn)生最大效率的特征輻射。

1.4 降低藥劑機(jī)械感度

以KNO3、CsNO3、Mg粉、Si粉、六次甲基四胺等為主要組分的紅外照明劑機(jī)械感度較高，不利于安全生產(chǎn)。為降低藥劑的機(jī)械感度，需要在紅外照明劑中加入少量的附加物。石墨是煙火藥中常用的附加物，具有良好的潤(rùn)滑性能，可起到降低紅外照明劑機(jī)械感度的作用。石墨有多種類型，其中，鱗片石墨較其它類型石墨潤(rùn)滑性能優(yōu)越。因此，紅外照明劑可通過(guò)添加鱗片石墨來(lái)降低藥劑的機(jī)械感度。

2 驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)所用儀器與試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

紅外輻射強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為JHF-1型紅外輻射計(jì)，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 5214.19-2003；可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度試驗(yàn)所用儀器為PY型光電照度計(jì)，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 5214.2-2003；摩擦感度試驗(yàn)所用儀器為MGY-1型摩擦感度儀，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 5383.4-2005；沖擊感度試驗(yàn)所用儀器為WL-1型撞擊感度儀，試驗(yàn)執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GJB 5383.2-2005。

2.2 試劑

藥劑配方中Mg粉牌號(hào)為FM5，符合GB 5149.1- 2004的規(guī)定；Si粉符合GB/T 2881-2008的規(guī)定；六次甲基四胺符合GB/T 9015-1988的規(guī)定；KNO3符合GB 1918-2011的規(guī)定；CsNO3符合企標(biāo)YS/T 1081- 2015的規(guī)定，由江西東鵬新材料有限公司生產(chǎn)；鱗片石墨牌號(hào)為L(zhǎng)G（-）75-99，符合GB/T 3518-2008的規(guī)定。

2.3 同時(shí)采用KNO3和CsNO3作為氧化劑的紅外照明劑性能試驗(yàn)

根據(jù)1.1中對(duì)氧化劑選擇的分析，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。表1是同時(shí)采用KNO3和CsNO3作為氧化劑的紅外照明劑性能試驗(yàn)結(jié)果。

表1 采用KNO3和CsNO3作為氧化劑的紅外照明劑性能試驗(yàn)結(jié)果

Tab.1 Performance test result of IR illuminating compositions using KNO3 and CsNO3 as oxidizers

由表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出，同時(shí)采用KNO3和CsNO3作為氧化劑的紅外照明劑具有較高的近紅外輻射強(qiáng)度以及較低的可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度。

2.4 采用不同可燃劑的紅外照明劑性能對(duì)比試驗(yàn)

根據(jù)1.2中對(duì)可燃劑選擇的分析，選擇Mg粉、Si粉和六次甲基四胺作為可燃劑，進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)。表2是單獨(dú)采用Mg粉作為可燃劑和同時(shí)采用Mg粉、Si粉、六次甲基四胺作為可燃劑的紅外照明劑性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果。

表2 采用不同可燃劑的紅外照明劑性能對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果

Tab.2 Comparative test result of IR illuminating compositions using different combustible agents

由表2試驗(yàn)結(jié)果可以看出，通過(guò)在紅外照明劑中適量添加Si粉和六次甲基四胺，并適當(dāng)降低藥劑中Mg粉的含量，可以有效降低紅外照明劑的可見(jiàn)光輸出。序號(hào)3與序號(hào)1的藥劑相比，可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度下降了64%，而近紅外輻射強(qiáng)度只下降了15.7%。

由表2試驗(yàn)結(jié)果還可以看出，藥劑中Mg粉的含量降至一定程度后，可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度降低已不明顯，但近紅外輻射強(qiáng)度出現(xiàn)明顯下降。序號(hào)4與序號(hào)3的藥劑相比，可見(jiàn)光發(fā)光強(qiáng)度只下降了1.2%，而近紅外輻射強(qiáng)度下降了27.6%。

2.5 適宜燃燒溫度試驗(yàn)

根據(jù)1.3中燃燒溫度對(duì)紅外照明劑特征輻射的影響分析，通過(guò)調(diào)整藥劑配方來(lái)控制燃燒溫度，對(duì)紅外照明劑適宜燃燒溫度進(jìn)行試驗(yàn)研究。表3是紅外照明劑適宜燃燒溫度試驗(yàn)結(jié)果。

表3 紅外照明劑適宜燃燒溫度試驗(yàn)結(jié)果

Tab.3 Combustion temperature test result of IR illuminating compositions

由表3試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，燃燒溫度控制在1 200～1 300℃時(shí)，紅外照明劑有較強(qiáng)的近紅外輻射強(qiáng)度和較低的可見(jiàn)光輸出。當(dāng)燃燒溫度低于1 200℃時(shí)，近紅外輻射強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)燃燒溫度高于1 300℃時(shí)，近紅外輻射強(qiáng)度雖有所提高，但可見(jiàn)光輸出也大幅度增加。因此，紅外照明劑適宜燃燒溫度為1 200～1 300℃。

2.6 機(jī)械感度試驗(yàn)

根據(jù)1.4中對(duì)降低紅外照明劑機(jī)械感度方法的分析，對(duì)藥劑配方進(jìn)行調(diào)整，添加鱗片石墨，進(jìn)行機(jī)械感度試驗(yàn)。表4是未添加石墨的藥劑與添加鱗片石墨的藥劑機(jī)械感度試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果。從表4試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在紅外照明劑組分中加入鱗片石墨后，有效降低了藥劑的機(jī)械感度。當(dāng)加入4%的鱗片石墨后，藥劑的機(jī)械感度降低到滿足安全生產(chǎn)要求的程度。

表4 紅外照明劑機(jī)械感度試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果

Tab.4 Mechanical sensitivity comparative test result of IR illuminating compositions

3 實(shí)際應(yīng)用效果

3.1 紅外照明炬實(shí)用配方

根據(jù)上述對(duì)紅外照明劑組分的探索研究，調(diào)配實(shí)用配方并壓制紅外照明炬，分別進(jìn)行了紅外照明炬靜態(tài)性能測(cè)試和野外視距增益效果試驗(yàn)。表5是調(diào)配出的紅外照明劑實(shí)用配方及壓制出的紅外照明炬尺寸和數(shù)量。

表5 紅外照明劑實(shí)用配方及紅外照明炬尺寸

Tab.5 The practical formulation of IR illuminating compositions and the size of pressed IR illuminating ammunition

3.2 紅外照明炬靜態(tài)性能測(cè)試

表6是紅外照明炬靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果，表6中序號(hào)1的紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試曲線見(jiàn)圖1。

表6 紅外照明炬靜態(tài)性能測(cè)試結(jié)果

Tab.6 Static test of IR illuminating ammunition

圖1 紅外輻射強(qiáng)度測(cè)試曲線

3.3 野外視距增益效果試驗(yàn)

進(jìn)行野外視距增益效果試驗(yàn)，以客貨車(chē)為觀察目標(biāo)，試驗(yàn)條件為夜間無(wú)月，參試微光夜視儀包括87式步兵戰(zhàn)車(chē)車(chē)長(zhǎng)觀察儀、WY-2型微光觀察儀、GM89- 200型微光觀察儀。試驗(yàn)布站情況如圖2所示。

試驗(yàn)步驟為：（1）進(jìn)行試驗(yàn)布站；（2）分別測(cè)量無(wú)紅外照明條件下各微光夜視儀發(fā)現(xiàn)目標(biāo)車(chē)的距離，觀測(cè)以A目標(biāo)車(chē)為主；（3）以無(wú)紅外照明條件下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)車(chē)距離的2倍設(shè)置各微光夜視儀地面觀測(cè)點(diǎn)；（4）各微光夜視儀地面觀測(cè)點(diǎn)設(shè)置好后，現(xiàn)場(chǎng)指揮發(fā)出指令，點(diǎn)燃紅外照明炬；（5）各微光夜視儀地面觀測(cè)點(diǎn)自行調(diào)整觀測(cè)距離，分別測(cè)量在紅外照明炬紅外照明條件下各微光夜視儀發(fā)現(xiàn)目標(biāo)車(chē)的距離，觀測(cè)以A目標(biāo)車(chē)為主。野外視距增益試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 野外視距增益試驗(yàn)結(jié)果

Tab.7 Gain test result of the field sight distance

表7試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在紅外照明炬紅外照明條件下，參試微光夜視儀的視距得到顯著提高，視距增益倍數(shù)為3.9～4.2。

4 結(jié)論

（1）紅外照明彈技術(shù)研究的主要內(nèi)容是設(shè)計(jì)高性能紅外照明劑。本研究從氧化劑的選擇、可燃劑的選擇、適宜燃燒溫度、降低藥劑機(jī)械感度等方面對(duì)紅外照明劑配方進(jìn)行了探索，確定了以KNO3、CsNO3、Mg粉、Si粉、六次甲基四胺和鱗片石墨為主要成分的紅外照明劑配方。（2）以本研究確定的紅外照明劑配方壓制出紅外照明炬，進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用效果試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，在紅外照明炬紅外照明條件下，微光夜視儀的視距得到了顯著提高，視距增益倍數(shù)在3.9倍以上。

[1] 潘功配,楊碩.煙火學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,1997.

[2] 陳波若.紅外系統(tǒng)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1995.

[3] 孫艷鮮.隱身紅外照明彈[J].火工品,1997(1):43-47.

Technology Research on IR Illuminating Ammunition

ZHANG Peng, JIANG Li, YAO Qiang, YAO Wen-jia

(No.2 Scientific Research Institute, North Hua’an Industry Group Co., Ltd., Qiqihar, 161006)

For improving the sight distance of LLL (low-level-light) night vision device and enhancing the night combat capability of the troops, an IR illuminating ammunition technique was studied, the formulation of illuminating composition was experimental investigated, from the selection of oxidizers, combustible agents, appropriate combustion temperature and reducing mechanical sensitivity of agents, the ideal formulation was obtained. The field sight distance test indicated the designed IR illuminating ammunition can increase the sight distance of the night vision device by 3.9 times.

IR illuminating composition；IR illuminating Ammunition；LLL night vision device；Sight distance

1003-1480（2018）02-0013-04

TQ567.3

A

10.3969/j.issn.1003-1480.2018.02.004

2017-11-28

張鵬（1980-），男，高級(jí)工程師，主要從事特種彈藥設(shè)計(jì)工作。