煙火型紅外藥劑的改進(jìn)

趙 亮,巨秀芝

(九江國科遠(yuǎn)大機(jī)電有限公司，江西 九江 332000)

0 引言

隨著光電對抗技術(shù)的不斷發(fā)展，紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈也在不斷的發(fā)展和更新，紅外成像和非成像系統(tǒng)逐漸取代了早期的紅外點(diǎn)源系統(tǒng)。日趨完善的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈日益顯示出對飛機(jī)、艦船、坦克、戰(zhàn)斗車輛等軍事目標(biāo)的極大威脅,為了抵御這些威脅，早在19世紀(jì)后期，在紅外導(dǎo)彈獲得應(yīng)用的同時也開展了煙火型紅外誘餌的研制。紅外成像技術(shù)的應(yīng)用，使紅外成像系統(tǒng)能夠從外形上識別一般紅外誘餌和被保護(hù)目標(biāo)，從而使紅外誘餌失效。如何對抗具有紅外成像或亞成像功能以及具有光譜識別能力的導(dǎo)彈，為紅外誘餌劑的研究和發(fā)展提出了新的課題。

MTV紅外誘餌劑是一種在燃燒時能夠在紅外波段產(chǎn)生強(qiáng)烈輻射的煙火藥，用于裝填各類紅外誘餌彈及紅外干擾器材，已經(jīng)成為對抗紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的重要手段。

1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的研制始于二戰(zhàn)期間的德國。最初發(fā)明了一種被稱為“Madrid”的硫化鉛紅外尋的頭，將其應(yīng)用于空對空紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈上，但因反應(yīng)時間過長而無法服役于部隊。

二戰(zhàn)后，“響尾蛇”計劃推動了制導(dǎo)導(dǎo)彈在美國的研制和發(fā)展。與此同時，前蘇聯(lián)(USSR)開始根據(jù)西方導(dǎo)彈設(shè)計的情報信息自行研制防空導(dǎo)彈。紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈已成為軍用飛機(jī)的主要威脅。據(jù)阿富汗戰(zhàn)場的最新報道，前南斯拉夫已經(jīng)展示了單兵便攜式空防系統(tǒng)，諸如：紅外制導(dǎo)Stringer(FIM-92B/C), Strela(SA-7/9/13/14)和Igla(SA-16/18/26)導(dǎo)彈，這些導(dǎo)彈對于低空飛行的飛機(jī)以及直升機(jī)是最為有效的毀傷武器。自19世紀(jì)60年代以來，各國戰(zhàn)斗機(jī)、直升機(jī)、轟炸機(jī)甚至加油機(jī)都陸續(xù)裝備了紅外誘餌彈系統(tǒng)。19世紀(jì)80年代初，德國推出76 mm“熱狗”紅外誘餌彈，誘餌彈的戰(zhàn)術(shù)地位迅速被人們所認(rèn)識。法國研制的170 mm近程紅外誘餌彈較為先進(jìn)，能夠同時產(chǎn)生3～5 μm、8～14 μm的紅外輻射。

國外典型的紅外干擾彈有美國的AN/ALE-29A干擾物投放系統(tǒng)及其改進(jìn)型AN/ALE-39A，配備MJU-7/B紅外誘餌彈，自投產(chǎn)以來，先后裝備了2000余架戰(zhàn)斗機(jī)和戰(zhàn)術(shù)偵察機(jī)，可同時釋放紅外誘餌彈和箔條彈。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國機(jī)載紅外干擾彈研制取得了一定進(jìn)展，但國內(nèi)無源干擾彈技術(shù)研究起步較晚，紅外干擾彈干擾技術(shù)相對落后，只是在點(diǎn)源的質(zhì)心式紅外干擾彈方面比較成熟。目前側(cè)重于研究紅外成像和毫米波的干擾。面源紅外誘餌技術(shù)研究也取得了一定的進(jìn)度和發(fā)展。國內(nèi)有對分布式面源誘餌建模研究和研制紅外和毫米波復(fù)合誘餌的報道。

在仿真誘餌技術(shù)方面，開展了利用便攜式簡易一次性發(fā)射筒拋射，形成具有保護(hù)目標(biāo)多頻譜特性和形體特征的仿真誘餌體的預(yù)研工作。

2 紅外誘餌劑

2.1 基型紅外誘餌劑

早期的紅外誘餌劑由鎂和聚四氟乙烯組成。作為紅外誘餌劑，鎂/聚四氟乙烯在燃燒過程中，其燃燒產(chǎn)物有氟化鎂、氧化鎂和碳等高溫?zé)霟峁腆w微粒，在近、中和遠(yuǎn)紅外三個波段內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的紅外輻射，作為點(diǎn)輻射的紅外誘餌，它可以用來對抗紅外點(diǎn)源制導(dǎo)的導(dǎo)彈。在飛機(jī)、艦艇等目標(biāo)受到紅外制導(dǎo)武器的跟蹤威脅時就施放點(diǎn)紅外輻射型紅外誘餌，當(dāng)被保護(hù)目標(biāo)和誘餌同處于導(dǎo)引頭的視場時，點(diǎn)源制導(dǎo)的導(dǎo)引頭將跟蹤目標(biāo)和誘餌輻射能量的中心。隨著紅外誘餌和被保護(hù)目標(biāo)的分離，由于誘餌輻射出的能量大于被保護(hù)目標(biāo)的輻射能量，按照質(zhì)心導(dǎo)引規(guī)律跟蹤目標(biāo)的導(dǎo)引頭就會逐漸偏離目標(biāo)，轉(zhuǎn)而跟蹤誘餌，從而起到保護(hù)目標(biāo)的作用。

典型的紅外誘餌劑是由鎂/聚四氟乙烯/氟橡膠組成的混合物(MTV)。其基本燃燒反應(yīng)為：

2Mg+(C2F4)→2MgF4+2C+hυ

(1)

MTV紅外輻射誘餌劑能夠產(chǎn)生很強(qiáng)的紅外輻射是基于反應(yīng)產(chǎn)物氟化鎂產(chǎn)生較高的生成熱將碳黑加熱(2000 K左右)，碳黑(ελ<2.8 μm≈0.85)受熱激發(fā)產(chǎn)生高強(qiáng)度紅外輻射。

在實(shí)際反應(yīng)中，由于空氣中的氧參與反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物中還將產(chǎn)生氧化鎂以及反應(yīng)所產(chǎn)生的碳進(jìn)一步氧化生成二氧化碳，從而產(chǎn)生更大的紅外輻射能量。有氧燃燒反應(yīng)為：

4Mg+(C2F4)+3O2→2MgF2+2MgO+2CO2+hυ

(2)

MTV紅外誘餌劑在空中運(yùn)動狀態(tài)下燃燒時，其溫度具有較大的波動性，紅外輻射能量隨時間變化較快。對于機(jī)載紅外誘餌彈，在其起燃時間(約0.5 s)之內(nèi)，誘餌的溫度急劇上升，紅外輻射能量快速增加，經(jīng)過有效燃燒時間(3～5 s)后，誘餌的溫度迅速降低，紅外輻射能量快速下降并消失。

表1為早期紅外藥劑與典型MTV藥劑的對比，可以看出早期紅外誘餌劑與MTV紅外誘餌劑在成分、燃燒產(chǎn)物、輻射波段、輻射性能、作用對象、溫度波動等方面均有差異。

表1 紅外誘餌劑對比

2.2 紅外誘餌劑的改進(jìn)

利用聚氟化碳取代MTV紅外誘餌劑中的聚四氟乙烯制成的新紅外輻射誘餌劑(MPV)與MTV紅外誘餌劑相比，紅外輻射性能明顯提高。MPV紅外誘餌劑燃燒同樣生成氟化鎂和碳黑：

Mg+2(-CF-)→MgF2+2C+hυ

(3)

當(dāng)鎂的比率一定時，MPV紅外誘餌劑的紅外輻射強(qiáng)度要高出MTV近10倍[3]。

在MTV紅外誘餌劑中添加超細(xì)鋁粉之類高能燃料添加劑可以增加燃速使紅外輻射強(qiáng)度提高。

在MTV紅外輻射誘餌劑中添加高導(dǎo)熱石墨纖維可以提高燃速。將2%的石墨纖維加入到石墨纖維(Mg=63%)中，燃速提高了1.12倍。

在MTV紅外誘餌劑中添加10%的鋯粉，可以使MTV的燃速提高1.5倍。

在MTV紅外誘餌劑中添加納米級特性材料，可使燃速增加以及表面積增大，導(dǎo)致紅外輻射強(qiáng)度提高，同時可以利用其特征輻射的特性改善輻射光譜。

紅外誘餌劑在實(shí)際使用中動態(tài)特性參數(shù)與地面靜態(tài)特性參數(shù)有很大區(qū)別，隨著紅外誘餌劑的投放環(huán)境不同，其特性參數(shù)有所不同。動態(tài)輻射特性主要受投放高度和載機(jī)速度影響。

由于大氣密度和壓力是高度的函數(shù)，而紅外誘餌劑的燃燒速度與壓力有關(guān)，所以在不同高度下，紅外誘餌劑的燃燒速度是不一樣的，輻射強(qiáng)度也不一樣。

MTV以及類似煙火誘餌劑燃速與壓力的關(guān)系為：

r=aPn

(4)

式中，r是線性燃速(mm·s-1)；a=常數(shù)(mm·s-1·MPa-n)，描述溫度對燃速的影響；P=壓力(MPa)，n=壓力指數(shù)，描述壓力對燃速的影響。對于MTV藥劑，壓力指數(shù)隨鎂的質(zhì)量百分率ξ(Mg)上升而下降，隨鎂的粒徑增大而減小。對于ξ(Mg)=0.5，ξ(PTFE)=0.45，ξ(Viton?)=0.05的誘餌，在海平面的α波段(2～3 μm)輻射強(qiáng)度約為0.125 kW·sr-1，在海拔10000 m高度時，燃速是海平面燃速的0.43倍，因此海拔10000 m高度產(chǎn)生的輻射強(qiáng)度等于0.053 kW·sr-1。

載機(jī)速度對紅外輻射強(qiáng)度的影響是氣動冷卻。紅外誘餌劑的輻射強(qiáng)度隨風(fēng)速的增加按指數(shù)律地下降，當(dāng)飛行速度Ma數(shù)為1時輻射強(qiáng)度僅為靜態(tài)時的10%。

3 紅外誘餌劑對紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾

傳統(tǒng)的MTV紅外誘餌劑，可以有效地干擾單波段紅外非成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，但對于雙波段紅外非成像制導(dǎo)或紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈，其干擾效果明顯下降，原因是雙波段紅外非成像制導(dǎo)導(dǎo)彈可以區(qū)分紅外誘餌彈和目標(biāo)，如何有效地對抗先進(jìn)的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈要求紅外誘餌彈能更逼真地模擬目標(biāo)，彌補(bǔ)紅外誘餌彈與目標(biāo)在上述三個方面的差異。就MTV類紅外誘餌劑而言，主要是通過添加一些特性輻射材料，使藥劑燃燒反應(yīng)產(chǎn)物的輻射特性更接近目標(biāo)的輻射特性。如MTV紅外誘餌劑與另一種藥劑的混合物，這種藥劑含硼、鋁、烏洛托品、硝酸鉀和過氯酸銨。鋁和硼燃燒產(chǎn)生選擇性輻射體，包括BO、HBO2和AL2O3。HBO2、AL2O3和BO分別在5 μm、1.5 μm和2.5 μm波段產(chǎn)生輻射，輻射強(qiáng)度比θ2～3 μm/3～5 μm的平均值≈0.56；烏洛托品及其衍生物所施放的氨氣作為冷卻劑，火焰的冷卻有助于輻射光譜與目標(biāo)的輻射光譜匹配，但與目標(biāo)的輻射特性完全一致是很難做到的，所以，裝填MTV類紅外誘餌劑的誘餌彈，要完全模擬目標(biāo)的特性是有一定的困難的，也只能在一定程度上提高對先進(jìn)紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的干擾效果。

4 結(jié)束語

MTV紅外誘餌劑自從問世以來，以其很高的效費(fèi)比在對抗紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈、保護(hù)目標(biāo)安全中被廣泛應(yīng)用，并且發(fā)揮了重要作用，雖然在對抗先進(jìn)的紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈中顯出許多不足，但經(jīng)過改進(jìn)，特別是其具備的紅外輻射強(qiáng)度高、價格低廉、使用方便的特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用空間。隨著技術(shù)的發(fā)展，紅外誘餌劑性能不斷完善，將會給紅外誘餌劑帶來更大的應(yīng)用空間。