短切碳纖維云團(tuán)對(duì)毫米波/紅外復(fù)合干擾性能影響

劉志龍, 王玄玉, 董文杰, 孫文選, 白海濤

(防化學(xué)院煙火技術(shù)實(shí)驗(yàn)室, 北京 102205)

1 引 言

近年來(lái),隨著光電偵察和精確制導(dǎo)武器的發(fā)展,毫米波與紅外復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于各種光電武器系統(tǒng),極大提升了武器系統(tǒng)的抗干擾能力,同時(shí)對(duì)煙幕無(wú)源干擾技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。為此,國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了毫米波/紅外復(fù)合干擾技術(shù)的研究,并成功研制了以富碳化合物和膨脹石墨為主的多組分燃燒型復(fù)合干擾材料[1],但局限于通過(guò)燃燒分散的方式形成煙幕云團(tuán)使用。

碳纖維(Carbon Fiber, CF)是由有機(jī)纖維經(jīng)碳化及石墨化處理得到的微晶石墨材料[2],具有優(yōu)異的物理和化學(xué)性能[3],在航空航天、國(guó)防軍事等高科技領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[4]。短切碳纖維是由碳纖維長(zhǎng)絲根據(jù)需要長(zhǎng)度切制而成,長(zhǎng)度一般為毫米級(jí),具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、吸波性能高等特點(diǎn)。目前,短切碳纖維在光電對(duì)抗領(lǐng)域中的應(yīng)用主要集中在武器裝備結(jié)構(gòu)隱身[5]方面,如戰(zhàn)斧式巡航導(dǎo)彈殼體、B-2隱形轟炸機(jī)的機(jī)身、F117A隱形飛機(jī)的局部均采用了碳纖維改性的高分子吸波材料[6]。在煙幕無(wú)源干擾方面,美國(guó)專(zhuān)利US5148173[7]公布了通過(guò)爆炸分散形成碳纖維遮蔽云團(tuán),能有效干擾毫米波探測(cè)器的探測(cè)。目前在國(guó)內(nèi)光電對(duì)抗領(lǐng)域研究中,短切碳纖維主要應(yīng)用于復(fù)合隱身材料[8]方面,作為煙幕材料的研究多集中在材料表面改性和靜態(tài)方式下對(duì)毫米波干擾效應(yīng)的測(cè)試[9],而關(guān)于短切碳纖維爆炸分散云團(tuán)形成過(guò)程及對(duì)毫米波/紅外復(fù)合干擾性能動(dòng)態(tài)測(cè)試方面的研究尚未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道。

因此,為了進(jìn)一步探索短切碳纖維在煙幕無(wú)源干擾光電對(duì)抗領(lǐng)域中的應(yīng)用,本研究基于半波長(zhǎng)諧振理論[10],選擇1.5mm/4mm長(zhǎng)度碳纖維,采用爆炸的方式將其分散到大氣環(huán)境中形成煙幕云團(tuán),依托密閉爆炸實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建云團(tuán)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和毫米波/紅外復(fù)合干擾性能動(dòng)態(tài)測(cè)試平臺(tái),通過(guò)靜風(fēng)條件下的爆炸實(shí)驗(yàn),研究短切碳纖維爆炸分散云團(tuán)形成過(guò)程及煙幕云團(tuán)對(duì)毫米波/紅外的復(fù)合干擾性能變化規(guī)律,為復(fù)合干擾爆炸型短切碳纖維的后續(xù)應(yīng)用研究奠定基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

短切碳纖維: 長(zhǎng)度1.5mm/4mm,纖維直徑7 μm,拉伸強(qiáng)度3800 MPa,拉伸模量228 GPa,密度1.75 g·cm-3,電阻率1.0×10-3～1.6×10-3Ω·cm,鹽城市翔盛碳纖維制品有限公司。

實(shí)驗(yàn)樣彈: 設(shè)計(jì)并制作兩枚樣彈,分別記為1#彈和2#彈,均采用柱狀殼體中心爆管結(jié)構(gòu),中心裝藥為RDX,電雷管引爆,殼體為工程塑料材質(zhì),高10 cm,外徑6.4 cm,內(nèi)徑5.8 cm,碳纖維裝填量為75 g,裝填密度0.3 g·cm-3,裝藥比2%,其中1#彈裝填1.5 mm碳纖維,2#彈裝填4 mm碳纖維。

3 mm/8 mm波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng): 包括發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩部分,接收機(jī)由計(jì)算機(jī)控制,能進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和分析。工作溫度: 45～55 ℃; 測(cè)試距離: 室內(nèi)大于6 m,野外100～400 m。

高速攝像機(jī): Phantom LAB310,12位CMOS傳感器,靈敏度2000T(ISO12232 SAT),最小曝光時(shí)間1 μs,全幅分辨率(1280×860)下的拍攝速率為3260幀/s,最高拍攝速率可達(dá)650000幀/s,美國(guó)VRI公司。

紅外熱成像儀: HY6800型,非制冷焦平面探測(cè)器,工作波段8～14 μm,溫度分辨率: 0.08 ℃(在30 ℃時(shí)),測(cè)溫范圍-10～1000 ℃,廣州颯特電力紅外技術(shù)有限公司。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與方法

依托密閉球形爆炸實(shí)驗(yàn)室,構(gòu)建了短切碳纖維爆炸分散實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái),主要包括3 mm波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)、8 mm波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)、紅外熱成像儀、高速攝像機(jī)、照明系統(tǒng)、采樣裝置等,布局如圖1所示。爆炸室中心懸掛樣彈,地面自爆心投影位置每隔0.5 m放置采集樣板,可用于收集爆炸后碳纖維分散樣品觀察判斷分散效果; 利用爆炸室觀察窗口分別架設(shè)3mm/8mm波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)、紅外熱像儀和高速攝像機(jī)。為保證測(cè)試數(shù)據(jù)的有效性和實(shí)驗(yàn)的安全性,毫米波、紅外和高速攝像機(jī)測(cè)試窗口材料分別為泡沫板、多層塑料薄膜和防爆透明玻璃; 毫米波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)兩兩相對(duì),通過(guò)調(diào)整掛彈高度,使其處于毫米波測(cè)試光路的中間位置; 在爆炸室內(nèi)部靠近高速相機(jī)一側(cè)設(shè)置碘鎢燈提供高速攝像機(jī)拍攝所需燈光照明,并作為紅外熱成像靶標(biāo)(由于觀察窗口的限制,實(shí)驗(yàn)中的掛彈高度略高于紅外測(cè)試光路,可能會(huì)造成實(shí)驗(yàn)測(cè)得的紅外衰減數(shù)據(jù)略低于實(shí)際數(shù)據(jù),但該數(shù)據(jù)仍可供參考)。

圖1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)示意圖

Fig.1 Schematic diagram figure of experimental test platform

各測(cè)試儀器調(diào)試好后,除高速相機(jī)外,其它儀器首先啟動(dòng)測(cè)試本底,然后通過(guò)起爆器引爆樣彈,同時(shí)啟動(dòng)高速攝像機(jī)拍攝并記錄云團(tuán)膨脹過(guò)程,煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試云團(tuán)對(duì)3 mm波和8 mm波衰減性能,紅外熱成像儀采集紅外視頻,記錄爆炸前后不同時(shí)刻云團(tuán)對(duì)靶標(biāo)紅外圖像的遮蔽干擾效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 短切碳纖維爆炸分散云團(tuán)形成過(guò)程

采用高速攝像機(jī)以2000 fps的拍攝速率分別記錄了1#和2#彈短切碳纖維爆炸分散后云團(tuán)成形過(guò)程,典型分幅照片如圖2所示。對(duì)高速記錄圖像中云團(tuán)范圍進(jìn)行測(cè)量,可得到云團(tuán)擴(kuò)展直徑與時(shí)間關(guān)系曲線(xiàn)如圖3所示,進(jìn)而得到云團(tuán)擴(kuò)展速度與時(shí)間關(guān)系如圖4所示。由圖2～圖4可以看出,短切碳纖維爆炸以徑向拋散為主,云團(tuán)分布基本保持軸向?qū)ΨQ(chēng),其分散過(guò)程可以分為加速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)三個(gè)階段。加速運(yùn)動(dòng)階段,在中心高能炸藥爆炸作用下,殼體膨脹破裂,短切碳纖維隨破裂殼體碎片沿徑向和軸向向外噴射形成射流,此階段爆炸力起主導(dǎo)作用,2 ms時(shí)云團(tuán)擴(kuò)展速度達(dá)到最大值; 減速運(yùn)動(dòng)階段,爆炸作用力逐漸減弱,短切碳纖維受慣性力和空氣阻力的作用作減速運(yùn)動(dòng),云團(tuán)主要沿徑向進(jìn)一步擴(kuò)展,擴(kuò)展速度逐漸衰減; 大約40 ms后云團(tuán)徑向不再有明顯擴(kuò)展,開(kāi)始作擴(kuò)散運(yùn)動(dòng),此階段徑向范圍基本不變,軸向范圍稍有擴(kuò)展,且受湍流擴(kuò)散影響,云團(tuán)作局部翻滾,使碳纖維分散得更加均勻。從圖中還可看出,在相同裝藥結(jié)構(gòu)和裝填參數(shù)條件下,短切碳纖維長(zhǎng)度變化對(duì)云團(tuán)直徑、范圍和擴(kuò)展速度的影響很小。

a. 1#, 2 ms b. 1#, 4 ms c. 1#, 8 ms d. 1#, 20 ms e. 1#, 40 ms f. 1#, 80 ms

g. 2#, 2 ms h. 2#, 4 ms i. 2#, 8 ms j. 2#, 20 ms k. 2#, 40 ms l. 2#, 80 ms

圖2 短切碳纖維爆炸云團(tuán)高速攝像分幅圖像

Fig.2 Separation pictures from high-speed camera for explosion clouds of short carbon fibers

圖3 云團(tuán)擴(kuò)展直徑與時(shí)間關(guān)系

Fig.3 Clouds expanding diameter vs time

圖4 云團(tuán)擴(kuò)展速度與時(shí)間關(guān)系

Fig.4 Clouds expanding speed vs time

3.2 短切碳纖維云團(tuán)對(duì)毫米波衰減性能

利用3mm/8mm波煙幕插損測(cè)試系統(tǒng)分別測(cè)試了云團(tuán)對(duì)3 mm、8 mm波的動(dòng)態(tài)衰減性能,結(jié)果如圖5、圖6所示。由圖5、圖6可見(jiàn),短切碳纖維爆炸分散所形成煙幕云團(tuán)對(duì)3 mm和8 mm波有顯著的衰減效果。

圖5 云團(tuán)對(duì)3 mm波衰減測(cè)試曲線(xiàn)

Fig.5 The attenuation test curves of clouds to 3 mm wave

圖6 云團(tuán)對(duì)8 mm波衰減測(cè)試曲線(xiàn)

Fig.6 The attenuation test curves of clouds to 8 mm wave

為綜合評(píng)價(jià)短切碳纖維作為毫米波干擾煙幕材料的性能,用衰減分貝數(shù)達(dá)到5.2 dB(即單程衰減率為70%,雙程衰減率為90%)以上所持續(xù)時(shí)間作為短切碳纖維云團(tuán)干擾毫米波的有效作用時(shí)間,用達(dá)到最大衰減分貝數(shù)一半以上所持續(xù)時(shí)間作為留空時(shí)間,根據(jù)測(cè)試結(jié)果計(jì)算短切碳纖維云團(tuán)對(duì)3 mm波和8 mm波的最大衰減值、最大衰減率、有效作用時(shí)間和留空時(shí)間,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 短切碳纖維云團(tuán)對(duì)3mm/8mm波衰減測(cè)試結(jié)果

Table 1 The attenuation test results of chopped CF clouds to 3mm/8mm wave

bombnumber3mmwavemaximumattenuationdecibel/dBmaximumattenuationrate/%effectivetime/sdurationofstay/s8mmwavemaximumattenuationdecibel/dBmaximumattenuationrate/%effectivetime/sdurationofstay/s1#14.596.5106987.481.832372#13.695.6836015.797.33813

由表1結(jié)果可見(jiàn): (1)對(duì)于干擾3 mm波,1.5 mm長(zhǎng)度碳纖維的最大衰減率高于4 mm長(zhǎng)碳纖維,對(duì)于干擾8 mm波,4 mm長(zhǎng)碳纖維最大衰減率高于1.5mm長(zhǎng)碳纖維,測(cè)試結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了對(duì)于3 mm波和8 mm波,半波長(zhǎng)長(zhǎng)度的碳纖維的干擾效果較佳,與半波長(zhǎng)諧振理論[10]相符; 另外,碳纖維長(zhǎng)度的變化對(duì)8 mm波的衰減影響更為顯著; (2)云團(tuán)對(duì)3 mm波、8 mm波有效作用時(shí)間均大于30 s,對(duì)3 mm波的有效作用時(shí)間不小于1 min,再結(jié)合衰減率結(jié)果可以看出,短切碳纖維云團(tuán)對(duì)高頻電磁波(3 mm波)的衰減能力更強(qiáng)。從毫米波的衰減機(jī)理分析,毫米波在碳纖維中的傳輸距離越短,衰減越快,趨膚效應(yīng)[11]越顯著,其對(duì)毫米波的衰減越明顯; (3)1#彈云團(tuán)比2#彈云團(tuán)留空時(shí)間更長(zhǎng),原因是在同樣分散條件下,碳纖維長(zhǎng)度越大越不利于分散,而且受重力作用的影響,4 mm碳纖維沉降速度更快,因此相比1.5 mm碳纖維留空時(shí)間變短。

3.3 短切碳纖維云團(tuán)對(duì)紅外干擾性能

實(shí)驗(yàn)中,以照明碘鎢燈為紅外靶標(biāo)(靶標(biāo)成像溫度148 ℃),利用紅外熱成像儀采集了云團(tuán)對(duì)靶標(biāo)干擾過(guò)程的紅外視頻。圖7、圖8顯示了云團(tuán)對(duì)靶標(biāo)的遮蔽干擾效果,原始目標(biāo)圖像見(jiàn)圖7a、圖8a,由于短切碳纖維云團(tuán)的散射和吸收作用,熱像儀接受到的靶標(biāo)紅外圖像受到干擾,圖像變得模糊甚至完全消失(靶標(biāo)成像溫度35 ℃),如圖7b、圖8b所示; 隨著云團(tuán)沉降,靶標(biāo)重現(xiàn),見(jiàn)圖7c、圖8c,說(shuō)明短切碳纖維云團(tuán)對(duì)8～14 μm紅外成像系統(tǒng)有明顯的遮蔽干擾效果。

a. original image b. image screened by clouds c. image after clouds sedimentation

圖7 1#彈云團(tuán)對(duì)紅外目標(biāo)的遮蔽干擾效果

Fig.7 The obscuring and interfering effect of 1#bomb clouds on infrared target

a. original image b. image screened by clouds c. image after clouds sedimentation

圖8 2#彈云團(tuán)對(duì)紅外目標(biāo)的遮蔽干擾效果

Fig.8 The obscuring and interfering effect of 2#bomb clouds on infrared target

為定量評(píng)價(jià)煙幕云團(tuán)對(duì)紅外的干擾性能,一般通過(guò)計(jì)算衰減率來(lái)表示,其中,煙幕對(duì)紅外熱成像的衰減率可通過(guò)紅外視頻圖像的灰度值進(jìn)行計(jì)算[12],計(jì)算公式為:

(1)

式中,β為煙幕的紅外衰減率(%);h0為施放煙幕前目標(biāo)的灰度值;h1為施放煙幕前背景的灰度值;h0(t)為施放煙幕后目標(biāo)隨時(shí)間t變化的灰度值;h1(t)為施放煙幕后背景隨時(shí)間t變化的灰度值。

通過(guò)視頻編輯軟件將采集的紅外視頻轉(zhuǎn)換為不同時(shí)刻序列圖像,利用Matlab編寫(xiě)程序讀取序列圖像及選定目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域灰度值,并計(jì)算云團(tuán)形成前后目標(biāo)及背景的平均灰度值,經(jīng)式(1)計(jì)算即可得到不同時(shí)刻的紅外衰減率,如圖9所示。圖9顯示,在本實(shí)驗(yàn)測(cè)試條件下,短切碳纖維云團(tuán)對(duì)8～14 μm紅外呈現(xiàn)良好的干擾性能,最大衰減率分別為98%和99.8%,有效遮蔽時(shí)間(對(duì)8～14 μm紅外衰減率85%以上)分別為21 s和23 s,從最大衰減率和有效遮蔽時(shí)間分析,1.5 mm和4 mm碳纖維長(zhǎng)度變化對(duì)8～14 μm紅外干擾效果的影響不大。

a. 1# bomb

b. 2# bomb

圖9 短切碳纖維云團(tuán)在8～14 μm波段紅外衰減率曲線(xiàn)

Fig.9 Infraredattenuation rate at 8-14 μm of short CF

4 結(jié) 論

(1)通過(guò)爆炸的方式可以有效分散短切碳纖維,分散過(guò)程分為加速運(yùn)動(dòng)、減速運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)三個(gè)階段,并以徑向拋散為主,能夠形成較為穩(wěn)定的初始煙幕云團(tuán)。在同樣的裝藥結(jié)構(gòu)和裝填參數(shù)條件下,短切碳纖維長(zhǎng)度的變化對(duì)煙幕云團(tuán)參數(shù)影響很小。

(2)短切碳纖維云團(tuán)具備優(yōu)異的毫米波/紅外復(fù)合干擾性能。在本次爆炸分散實(shí)驗(yàn)條件下,云團(tuán)對(duì)3 mm波和8 mm波最大衰減在95%以上,單程衰減分貝數(shù)≥5.2 dB時(shí)的有效作用時(shí)間均能達(dá)到30 s以上,對(duì)3 mm波的有效作用時(shí)間不小于1 min; 對(duì)8～14 μm紅外成像系統(tǒng)最大衰減接近100%,衰減率≥85%時(shí)有效遮蔽時(shí)間可達(dá)20 s以上; 1.5 mm碳纖維具有更好的空中懸浮特性,短切碳纖維長(zhǎng)度的變化對(duì)8 mm波的衰減影響更為明顯。

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