李笑楠 , 李天鵬 張開創(chuàng), 陳浩, 郭愛強(qiáng) 高欣寶

(1. 陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū)，河北 石家莊 050003; 2. 63936 部隊(duì)，北京 102202; 3. 軍事科學(xué)院 防化研究院，北京 102205)

0 引言

采用多模導(dǎo)引頭的精確制導(dǎo)武器抗干擾能力強(qiáng)、精度高、射程覆蓋范圍廣，對我方重要戰(zhàn)場目標(biāo)構(gòu)成了巨大威脅[1]。多模導(dǎo)引頭針對不同波段的無源或有源干擾可分別發(fā)揮其技術(shù)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的精確打擊，已經(jīng)成為當(dāng)前新一代精確制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展的主流?，F(xiàn)有的以煙幕為代表的無源干擾手段，如干擾紅外導(dǎo)引頭的HC 熱煙彈藥、干擾毫米波導(dǎo)引頭的箔條干擾彈，只能干擾采用單一制導(dǎo)體制的導(dǎo)引頭。為保護(hù)己方目標(biāo)，發(fā)展能與不同工作波段的多模導(dǎo)引頭對抗的多頻譜干擾手段[2-3]，已經(jīng)成為當(dāng)前新一代無源干擾技術(shù)發(fā)展的一大發(fā)展趨勢[4]。

近年來，研究者對多頻譜干擾材料的制備及應(yīng)用開展了一些研究。陳澤等[5]制備了以SiO2氣凝膠材料為骨架的復(fù)合型紅外干擾劑，將其摻雜到常規(guī)發(fā)煙劑中得到復(fù)合發(fā)煙劑，所形成的煙幕有較好的遮蔽效果，8~14 μm 波段紅外透過率最低為3.37%。彭文聯(lián)等[6]基于富碳型發(fā)煙劑設(shè)計制備納米石墨基煙幕干擾劑，實(shí)現(xiàn)了對紅外、可見光波段的高效遮蔽干擾。董文杰等[7]使用化學(xué)鍍膜法制備了鍍銅碳纖維，對3 mm 和8 mm 波的衰減值均大于10 dB。 李樂等[8]對真菌孢子生物材料的紅外消光性能進(jìn)行了測試，發(fā)現(xiàn)制備的生物材料質(zhì)量消光系數(shù)為 1.0 m2/g，優(yōu)于常見的無機(jī)材料。陳文建等[9]對紅磷、銅粉復(fù)合固體發(fā)煙劑在可見光、激光、紅外波段的干擾性能進(jìn)行了測試，在煙箱濃度為1 g/m3時各波段透過率<10%。馮長根等[10]介紹了當(dāng)前先進(jìn)煙幕彈藥的裝藥結(jié)構(gòu)和成煙方式，介紹了寬波段煙幕劑的配方組成。張恩爽等[11]通過溶膠凝膠法制備了超輕質(zhì)磁性石墨烯/炭氣凝膠，實(shí)現(xiàn)了對紅外、毫米波、可見光波段的有效遮蔽且漂浮性能良好，在實(shí)測中布撒30 min 后遮蔽率僅下降15%。暴麗霞等[12]采用一鍋水熱法制備出炭-鐵磁體復(fù)合材料，在 4~10 μm 范圍內(nèi)消光性能較好，消光系數(shù)均大于 0.3 m2/g。江飛等[13]基于鋁熱反應(yīng)分解富碳類物質(zhì)，設(shè)計了一種燃燒型多頻譜干擾劑，對可見光、紅外、激光可基本實(shí)現(xiàn)完全遮蔽，對8~14 μm 遠(yuǎn)紅外波段的消光系數(shù)達(dá)到了0.967 m2/g。張帥等[14]對煙幕顆粒的生成與擴(kuò)散進(jìn)行了Realizablek-ε模型狀態(tài)模擬，較好地表現(xiàn)了煙幕的生成過程，為煙幕彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了參考。徐路程等[15]在煙幕擴(kuò)散模擬中引入實(shí)際大氣邊界層復(fù)雜多變特點(diǎn)的影響，建立了基于計算流體力學(xué)的煙幕擴(kuò)散仿真模型，對照實(shí)驗(yàn)表明模型能較好地反映煙幕的形狀及變化規(guī)律。 文獻(xiàn)[16]采用了碳纖維作為毫米波干擾劑，碳纖維長度為3~15 mm，直徑為3~7 μm，可通過爆炸分散形成直徑約4~6 m 的煙幕云團(tuán)，能有效干擾毫米波導(dǎo)引頭。文獻(xiàn)[17]公布了一種子母式煙幕彈拋撒技術(shù)，通過母彈的旋轉(zhuǎn)和拋射藥共同作用使子彈煙炬均勻拋撒于地面。文獻(xiàn)[18]研究了煙幕彈快速成煙技術(shù)，通過熱煙藥劑速燃在0.25 s 內(nèi)迅速分散，所成煙幕對紅外、可見光波段有遮蔽效果。文獻(xiàn)[19]設(shè)計了一種子彈煙炬減速裝置，通過飄帶使下降速度由開艙后的82 m/s 減速至27 m/s，煙幕持續(xù)時間可達(dá) 55~75 s。文獻(xiàn)[20]公開了多層冷煙技術(shù)，拋射藥將 4 個分別裝填可見光、紅外、雷達(dá)波段干擾劑的子彈發(fā)煙罐體依次拋撒到空中，通過延期藥使各罐體同時起爆成煙，克服了線狀煙幕厚度不足的缺點(diǎn)。

上述研究針對干擾材料制備、復(fù)合配藥技術(shù)工藝、發(fā)煙裝置設(shè)計制造、子彈拋撒技術(shù)等進(jìn)行了研究，突破了紅外、可見光、毫米波波段的多頻譜干擾技術(shù)，透過率、煙幕持續(xù)時間、煙幕寬度等參數(shù)也達(dá)到了較高的水平。

本文針對干擾材料難以實(shí)現(xiàn)毫米波(毫米級)與紅外、可見光(微米級)波段同時有效干擾、多種單波段的干擾劑復(fù)配后易團(tuán)聚、在實(shí)際應(yīng)用中通過爆炸法將干擾劑分散后無法發(fā)揮出干擾劑最優(yōu)性能等尚未解決的問題開展研究。根據(jù)發(fā)煙組件的保護(hù)目標(biāo)、使用環(huán)境特點(diǎn)，基于理論計算與試驗(yàn)驗(yàn)證，使用中碳合金鋼材料制造了多頻譜發(fā)煙組件子彈罐體；通過原位反應(yīng)得到碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料，然后使用復(fù)合配藥技術(shù)使其與短切碳纖維混制，制備出多頻譜干擾劑；通過煙箱，對多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾性能進(jìn)行了測試并對多頻譜發(fā)煙組件進(jìn)行了實(shí)爆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑的匹配效果及多頻譜發(fā)煙組件的遮蔽性能。結(jié)果表明，通過復(fù)合配藥技術(shù)制備的多頻譜干擾劑對紅外、毫米波、可見光波段有良好的干擾性能，發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑匹配合理，遮蔽效果良好，相信這種性能優(yōu)異的多頻譜發(fā)煙組件將在無源干擾領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1 多頻譜發(fā)煙組件設(shè)計、制造與測試

1.1 試劑與儀器

試劑：某型中碳合金鋼材料，河鋼集團(tuán)石家莊鋼鐵有限責(zé)任公司產(chǎn)；KNG-150 石墨烯(平均粒徑為15 μm)、碳納米管(平均粒徑為20 nm)，蘇州碳豐石墨烯科技有限公司產(chǎn)；T700 短切碳纖維，(直徑為5 μm，長度為2 mm)，東麗碳纖維廣東有限責(zé)任公司產(chǎn)；瀝青(工業(yè)級)，保定中油瀝青有限公司產(chǎn)；乙醇(分析純)，天津市永大化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)；氬氣(純度≥99.999%)，石家莊特種氣體有限公司產(chǎn)。所有使用的化學(xué)試劑均未進(jìn)一步純化。

儀器：超聲波清洗機(jī)(KQ5200E)，昆山市超聲儀器有限公司產(chǎn)；鼓風(fēng)干燥箱(DZF-6030A)，上海一恒科學(xué)儀器有限公司產(chǎn)；箱式氣氛爐(KBF-16Q)，南京博蘊(yùn)通儀器科技有限公司產(chǎn)；JHF-I/II型紅外輻射計(紅外輻射計光譜范圍：1~ 3 μm、3~5 μm、8~14 μm，噪聲等效溫差0.2 K；紅外透過率測試系統(tǒng)透過率測量范圍：1%~100%，測量精度≤2%)，自研；3 mm 波和 8 mm 波測試系統(tǒng)(衰減值測量范圍：0~20 dB；測量精度≤-30 dBm)，電子科技集團(tuán)第五十研究所產(chǎn)；ST 型寬量程可見光照度計(照度計照度測量范圍0.1~50000 lx，照度誤差±3%；可見光測試系統(tǒng)透過率測量范圍1%~100%，測量精度≤4%)，自研；DZQ-03B 便攜氣象儀，長春氣象儀器研究所產(chǎn)；DSR-600P 數(shù)字全景攝像機(jī)，索尼(中國)有限公司產(chǎn)。

1.2 發(fā)煙組件結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造

發(fā)煙組件主要由減速傘、子彈罐體、近炸引信及連接件等組成[21]。配用于裝甲車輛的發(fā)煙彈主要用于干擾敵方觀瞄和射擊、掩護(hù)己方裝甲車輛等技術(shù)裝備及人員作戰(zhàn)行動，所保護(hù)的目標(biāo)高度一般不超過2 m[22]。本文研究的子母式發(fā)煙彈主要針對敵方可見光/紅外/激光偵察器材，在敵方陣地或我方裝備前形成煙幕來干擾敵方偵察。爆炸法形成的煙幕高度約為3 m，對FGM-148 標(biāo)槍反坦克導(dǎo)彈這類采用攻頂設(shè)計的反坦克武器也可有效遮蔽，若發(fā)煙彈起爆高度過高則會在水平方向上露出保護(hù)目標(biāo)；煙幕過低則爆炸分散過程中大量煙幕粒子直接沉降到地面，影響干擾效果，這就要求發(fā)煙彈所形成的煙幕要有一個合適且精確的高度。因此發(fā)煙組件設(shè)計時采用電容近炸引信，可精確控制爆高，保證了煙幕分散高度。其控制爆高的原理是利用在彈目接近過程中引信電極與目標(biāo)間電容量的變化來控制引爆[23]。電容近炸引信定距精度高，在小炸高條件下尤為明顯。通過減旋、減速裝置設(shè)計，保證了各種彈道環(huán)境下母彈開艙后發(fā)煙組件的空中姿態(tài)正常，提高了近炸引信作用可靠性及多頻譜干擾劑利用效率。煙幕彈子彈采用中心爆炸分散結(jié)構(gòu)，中心爆管裝填擴(kuò)爆藥，四周壓制多頻譜干擾劑，結(jié)構(gòu)簡單，作用可靠。

以單個子彈罐體為研究對象，基于子母式發(fā)煙彈的發(fā)射過載與應(yīng)力計算對其尺寸進(jìn)行設(shè)計。子彈罐體殼體選材為中碳合金鋼，根據(jù)戰(zhàn)斗部內(nèi)部尺寸，確定子彈罐體外半徑為63.8 mm。作用于子彈罐體上的合力F表達(dá)式為

式中：m為整彈質(zhì)量(kg)；a為干擾彈的加速度(m/s2)。

發(fā)射瞬間，干擾彈受到的力主要來自火藥燃?xì)馔屏?，作用于子彈罐體上的合力還可表示為

式中：pf為發(fā)射時產(chǎn)生的火藥燃?xì)鈮毫?Pa)；r為干擾彈半徑(m)。

子彈罐體與干擾彈作為整體，其加速度相同，則由式(1)和式(2)可得子彈罐體加速度a的表 達(dá)式：

則子彈罐體受到的合力Ft可表示為

式中：mt為子彈罐體質(zhì)量(kg)。

由于合力的作用方向?yàn)檠貜楏w軸向，子彈罐體薄弱處為殼體橫截面，則由式(4)可進(jìn)一步得到殼體橫截面的應(yīng)力σ表達(dá)式[24]：

式中：rc為子彈罐體的外半徑(m)；rt為子彈罐體的內(nèi)半徑(m)。

要使子彈罐體能夠承受發(fā)射產(chǎn)生的高過載，則子彈罐體材料的極限應(yīng)力應(yīng)小于許用應(yīng)力σs乘以安全系數(shù)(一般結(jié)構(gòu)安全系數(shù)取1.4)[25]，關(guān)系式如下：

將式(5)代入式(6)，可得子彈罐體內(nèi)徑rt需 滿足：

干擾彈發(fā)射時，其最大發(fā)射膛壓pf為 223.5 MPa，取子彈罐體的外半徑rc為63.8 mm，干擾彈半徑r為77.5 mm，子彈罐體的相關(guān)總質(zhì)量mt為20.6 kg，干擾彈總質(zhì)量m為45.5 kg，某型中碳合金鋼的許用應(yīng)力σs為 600.0 MPa。根據(jù) 式(7) 可知，子彈罐體內(nèi)半徑rt需小于 57.9 mm，在發(fā)煙組件的設(shè)計中取rt為55.8 mm，可滿足軸向抗過載強(qiáng)度要求。

在殼體設(shè)計中，材料為某型中碳合金鋼，厚度為8.0 mm，高為127.5 mm。為便于煙幕初始云團(tuán)布散，在殼體四周對稱分布8 個V 形刻槽?？滩凵疃?.5 mm，夾角為90°。內(nèi)部裝填多頻譜復(fù)合干擾材料，裝填密度為 0.80 g/cm3，裝藥半徑為 55.8 mm，裝填量為1 kg。中心為TNT 藥柱，裝填密度為1.64 g/cm3，裝藥半徑為9.0 mm。

為增大橫向煙寬，應(yīng)盡量減小爆炸時干擾劑在軸向上的分散，使形成的煙幕云團(tuán)盡可能沿著橫向分散。因此，殼體上下端的厚度應(yīng)大于側(cè)壁厚度，為強(qiáng)化殼體結(jié)構(gòu)并提高多頻譜干擾劑裝填量，采用一端開口的罐體結(jié)構(gòu)，下端壁厚為8.0 mm，上端壓螺總壁厚25.0 mm，半徑為108.0 mm，其與殼體為過盈配合，配合厚度為5.0 mm。發(fā)煙組件子彈罐體正視圖如圖1 所示。

圖1 子彈罐體正視圖Fig. 1 Front view of the smoke canister

1.3 多頻譜干擾劑的制備

基于文獻(xiàn)[26-27]的研究成果，將瀝青、石墨烯和碳納米管按照一定質(zhì)量比投料，制備出碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料。首先，把50 mL 瀝青加入 150 mL 煤油溶劑中，攪拌并超聲震蕩4 h 使其溶解，使用雙層定性中速濾紙過濾除去雜質(zhì)，得到淺棕色的瀝青溶液。第2 步為原位反應(yīng)：將1 g 碳納米管和1 g 石墨烯加入瀝青溶液，在60 °C 水浴條件下不斷攪拌直至煤油完全揮發(fā)后放入鼓風(fēng)干燥箱，在60 °C 下繼續(xù)干燥12 h，得到碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料前驅(qū)體[28-29]。直接將復(fù)合材料前驅(qū)體放入氬氣氣氛的箱式氣氛爐中進(jìn)行800 °C 碳化處理1 h，制備出碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料[30]。控溫程序?yàn)椋阂? °C/min 的速率由室溫升至200 °C 后保溫30 min，接著以5 °C/min 的速率升至800 °C后保溫1 h，以5 °C/min 的速率降至250 °C 后隨爐冷卻。最后使用氣流粉碎機(jī)將制備的復(fù)合材料粉碎并分級，選取中值粒徑D50為3~5 μm 的樣品。

2 mm 短切碳纖維在生產(chǎn)過程中經(jīng)過了上漿處理，上漿處理主要起到減少碳纖維起毛斷絲、提高加工性能的作用。然而短切碳纖維表面的上漿膠(主要為聚酰胺、環(huán)氧樹脂、聚乙烯等高分子材料)[31]易使多頻譜干擾劑在混制、裝填過程中團(tuán)聚，不易分散。為提高多頻譜干擾劑中短切碳纖維的利用率，在800 °C 下對其熱處理2 min 除去表面的上漿膠。通過復(fù)合配藥技術(shù)，將D50為3～5 μm的碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料與除膠后的2 mm短切碳纖維以85:15 的質(zhì)量比在乙醇溶液中混制，得到多頻譜干擾劑。

上述碳納米管/石墨烯/碳復(fù)合材料D50、熱處理除膠溫度、復(fù)合材料與短切碳纖維的質(zhì)量比、混制溶劑這4 個主要制備條件，是使用L9(34)正交表進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)確定的[27]。以干擾劑的遮蔽性能為評價指標(biāo)，最終確定多頻譜干擾劑的最佳制備條件。圖2 為多頻譜干擾劑制備的流程圖。

圖2 多頻譜干擾劑制備流程圖Fig. 2 Preparation flow chart of the multi-spectral interfering agent

1.4 煙箱性能測試

為研究多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾特性，使用煙箱試驗(yàn)系統(tǒng)(體積為 16.5 m3，光程為2.1 m，設(shè)有3 個攪拌風(fēng)扇，內(nèi)部襯有吸波海綿，可視為微波暗室)對多頻譜干擾劑進(jìn)行了測試。紅外波段采用工作波段1~3 μm、3~ 5 μm 和8~14 μm 的紅外輻射計及100 W 鎢絲紅外光源進(jìn)行測量，毫米波波段采用3 mm 波和8 mm波測試系統(tǒng)進(jìn)行測量，可見光波段(0.4~0.8 μm)采用可見光照度計及100 W 鎢絲白熾燈光源進(jìn)行測量。煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度的測定采用濾膜稱重法，取直徑為 20 cm 的玻璃纖維濾膜在烘箱(120 °C)內(nèi)烘干20 min，稱量濾膜質(zhì)量后裝入濾膜質(zhì)量濃度測試儀，煙幕穩(wěn)定后啟動濾膜質(zhì)量濃度測試儀，流量調(diào)節(jié)至2 m3/h 采集煙幕固態(tài)微粒。測試結(jié)束排煙后取出濾膜并放入烘箱(120 °C)烘干 20 min 后稱量濾膜質(zhì)量，計算煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度。

煙箱性能測試過程如下。按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 8684—2015 煙火藥性能試驗(yàn)方法[32]中的試驗(yàn)方法，將紅外測試系統(tǒng)、毫米波測試系統(tǒng)、可見光測試系統(tǒng)的發(fā)射端和接收端布設(shè)于煙箱光程兩端的光學(xué)窗口(見圖3)，對各測試系統(tǒng)的發(fā)射端進(jìn)行調(diào)試使發(fā)射信號穩(wěn)定后可施放煙幕。在0.7 MPa 下將多頻譜干擾劑噴入煙箱，同時啟動風(fēng)扇攪拌使多頻譜干擾劑分散均勻、完全成煙。靜置穩(wěn)定多頻譜干擾劑的濃度后測量多頻譜干擾劑的干擾性能，同時啟動濾膜質(zhì)量濃度測試儀采集煙幕固態(tài)微粒。

圖3 煙箱測試系統(tǒng)Fig. 3 Smoke screen test system

1.5 實(shí)爆實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑的匹配效果，使多頻譜干擾劑發(fā)揮出最優(yōu)性能，本文在地面風(fēng)速2~5 m/s、大氣垂直穩(wěn)定度等溫或逆溫的氣象條件下，對裝填多頻譜干擾劑的發(fā)煙組件進(jìn)行了實(shí)爆實(shí)驗(yàn)，測量發(fā)煙組件的遮蔽寬度及持續(xù)時間。實(shí)爆實(shí)驗(yàn)的時間選在日落后10 min，日落后由于地面溫度的降低，大氣開始出現(xiàn)輻射逆溫現(xiàn)象，可阻礙干擾劑因大氣垂直對流運(yùn)動引起在垂直方向上的擴(kuò)散。

圖4 為實(shí)爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，發(fā)煙組件固定在掛架上，距地面高度為3.5 m，使用靜爆法模擬發(fā)煙組件在開艙后被拋撒至預(yù)定高度后起爆的靜態(tài)成煙過程。三組發(fā)煙組件間隔為15 m，軸向并聯(lián)一次性起爆，每個發(fā)煙組件干擾劑裝填量均為1 kg。按照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 8670—2015 特種彈效應(yīng)試驗(yàn)方法[33]中的試驗(yàn)方法，采用攝像法對發(fā)煙組件的有效煙幕寬度、時間特性進(jìn)行測試。

圖4 實(shí)爆實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig. 4 Explosion experiment system

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率

干擾劑在大氣中以氣溶膠或類似體系形成煙幕后才能具有有效的遮蔽、干擾效果，因?yàn)闊熌晃挥谀繕?biāo)與探測器之間，所以通常用透過率這一電磁波衰減指標(biāo)來評估干擾劑的干擾性能。透過率的計算公式如下：

式中：P為電磁波通過煙幕后的強(qiáng)度(W)；P0為電磁波通過煙幕前的強(qiáng)度(W)。

衰減值是針對毫米波波段進(jìn)行評價的電磁波衰減指標(biāo)，其原理是與透過率相同的，衰減值只是透過率的另一表達(dá)形式，其計算公式如下：

圖5 為多頻譜干擾劑的紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率曲線。干擾劑噴入煙箱時煙箱內(nèi)部的溫度為18°C，濕度為46%。從圖5 中可以 發(fā)現(xiàn)，隨著多頻譜干擾劑的施放，在很短的時間內(nèi)紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率降低到最小值。隨著氣流和攪拌風(fēng)扇的作用，紅外、可見光透過率會在小范圍內(nèi)波動。當(dāng)多頻譜干擾劑分散穩(wěn)定后，紅外、可見光透過率曲線趨于穩(wěn)定。而毫米波衰減值降低到最小值后在較短時間(<15 s)內(nèi)恢復(fù)到初始值，這是由多頻譜干擾劑中短切碳纖維的性質(zhì)決定的。為有效干擾毫米波波段，根據(jù)半波諧振理論，把散射體長度設(shè)計為入射電磁波波長的0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍、···時，散射體在電磁波的作用下形成偶極子，對毫米波產(chǎn)生干擾。這種尺度在毫米級別的纖維、箔條類材料不同于氣溶膠顆粒(粒徑<10 μm)，其自身在大氣中的浮力無法抵消重力作用[34]，釋放后在短時間內(nèi)便會沉降，導(dǎo)致毫米波衰減值降低到最小值后不會持續(xù)較長時間。多頻譜干擾劑的紅外透過率在1~3 μm 為1.98%，在3~5 μm 為3.04%，在8~14 μm 為8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰減值可達(dá)-14.52 dB 和-11.76 dB；可見光透過率為6.96%，具有較好的多頻譜遮蔽能力。

圖5 多頻譜干擾劑的紅外透過率、毫米波衰減能力、可見光透過率曲線Fig. 5 Infrared transmittance, mm-Wave attenuation and visible transmittance spectra of the multi-spectral interfering agent

2.2 質(zhì)量消光系數(shù)

為研究多頻譜干擾劑的遮蔽性能，本文測量了多頻譜干擾劑的質(zhì)量消光系數(shù)αe。αe為干擾劑紅外/可見光干擾性能的核心指標(biāo)，可由紅外/可見光透過率計算得到，干擾劑的質(zhì)量消光系數(shù)越大表示相同條件下完成干擾任務(wù)消耗的干擾劑越少。根據(jù)朗伯比爾定律，透過率[35]可表示為

式中：c為煙幕測試系統(tǒng)中煙霧固態(tài)微粒質(zhì)量濃度(g/m3)；l為光程(m)。則αe的計算公式[36]如下：

根據(jù)式(11)計算出多頻譜干擾劑在各波段下的αe，結(jié)果如表1 所示。

表1 多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質(zhì)量消光系數(shù)Table 1 Mass extinction coefficient of the multi-spectral interfering agent at infrared and visible bands

目前常用的鱗片銅粉、超細(xì)石墨等干擾劑的質(zhì)量消光系數(shù)約為0.2~0.7 m2/g，大部分研究實(shí)測值介于0.2~0.5 m2/g 之間[2,12,37-38]。由表1 可知，多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質(zhì)量消光系數(shù)均大于0.8 m2/g，在近、中紅外波段大于1.1 m2/g，具有理想的紅外、可見光干擾性能。綜合紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率和質(zhì)量消光系數(shù)分析，本文研究制備的多頻譜干擾劑具有較好的多波段遮蔽能力，有望廣泛應(yīng)用于無源干擾領(lǐng)域。

2.3 動態(tài)干擾性能

為驗(yàn)證發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑的匹配性與分散效果，測試多頻譜干擾劑的動態(tài)干擾性能，根據(jù)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 8670—2015 的測試要求，開展了2 次發(fā)煙組件實(shí)爆實(shí)驗(yàn)(其中預(yù)實(shí)驗(yàn)、正式實(shí)驗(yàn)各1 次)。正式實(shí)驗(yàn)各時段風(fēng)速、風(fēng)向見表2，可見現(xiàn)場風(fēng)速較小且風(fēng)向平穩(wěn)，主要靠發(fā)煙組件爆炸分散實(shí)現(xiàn)干擾劑的擴(kuò)散。截取1 s、10 s、20 s、 60 s 時全景攝像機(jī)和紅外熱像儀拍攝的煙幕云團(tuán)圖像，如表3 所示。

表2 實(shí)爆實(shí)驗(yàn)各時段風(fēng)速、風(fēng)向Table 2 Time series of wind speed and wind direction in the smoke module explosion experiment

表3 發(fā)煙組件實(shí)爆實(shí)驗(yàn)Table 3 Images of the smoke module explosion experiment

在0 s 起爆后，TNT 藥柱爆炸產(chǎn)生大量高溫、高壓氣體帶動裝填的多頻譜干擾劑迅速向外部擠壓，發(fā)煙組件爆炸成煙。由表3 可知：多頻譜干擾劑所成煙幕對可見光波段有良好的遮蔽效果，從可見光與紅外圖像可以發(fā)現(xiàn)煙幕在兩個波段的擴(kuò)散過程具有一致性；煙幕在1 s 內(nèi)快速形成連成一體的初始煙幕云團(tuán)，滿足發(fā)煙組件快速成煙的應(yīng)用需求。從20~60 s 的圖像可以發(fā)現(xiàn)，初始煙幕云團(tuán)在2.5 m/s 的南風(fēng)作用下，隨風(fēng)向下風(fēng)向擴(kuò)散形成氣溶膠煙云。另外，起爆后煙幕云團(tuán)主要沿橫向分散，表明發(fā)煙組件的結(jié)構(gòu)較利于煙幕云團(tuán)擴(kuò)散，從而形成穩(wěn)定的干擾煙幕。

有效煙幕寬度、持續(xù)時間的計算參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 8670—2015特種彈效應(yīng)試驗(yàn)方法進(jìn)行，2次實(shí)爆實(shí)驗(yàn)中3組發(fā)煙組件軸向并聯(lián)一次性起爆形成的煙幕，紅外、可見光波段平均持續(xù)時間大于60 s，平均有效煙幕寬度大于60 m，平均煙高2.6 m，發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑達(dá)到了較好的匹配效果。

3 結(jié)論

本文采用原位反應(yīng)與復(fù)合配藥技術(shù)，制備了多頻譜干擾劑并通過煙箱測試了多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾性能；基于理論計算與試驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計了多頻譜發(fā)煙組件并對其進(jìn)行了實(shí)爆實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了多頻譜干擾劑的動態(tài)干擾性能。得到主要結(jié)論如下：

1)通過原位反應(yīng)與復(fù)合配藥技術(shù)制備的多頻譜干擾劑對紅外、毫米波、可見光波段具有良好的干擾性能。多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質(zhì)量消光系數(shù)均大于0.8 m2/g；紅外透過率在1~3 μm為1.98%，在3~5 μm 為3.04%，在8~14 μm 為8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰減值最大為-14.52 dB和-11.76 dB；可見光透過率為6.96%，均優(yōu)于目前常用的鱗片銅粉、超細(xì)石墨等干擾材料。

2)為了驗(yàn)證多頻譜發(fā)煙組件的可行性與動態(tài)干擾性能，開展了實(shí)爆實(shí)驗(yàn)。起爆后干擾劑在1 s 內(nèi)快速成煙并連成一體，紅外、可見光波段持續(xù)時間大于60 s，有效煙幕寬度大于60 m，平均煙高 2.6 m。證明發(fā)煙組件與多頻譜干擾劑匹配合理，分散效果良好。