太空飛行器煙幕干擾遮蔽消光特性研究 *

張磊

(北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094)

0 引言

煙幕遮蔽是眾多隱身技術(shù)中的一種，已有數(shù)十年的軍事應(yīng)用歷史。目前，紅外煙幕廣泛應(yīng)用于大氣層內(nèi)對紅外制導(dǎo)及紅外偵察設(shè)備的干擾，對于太空飛行器，煙幕遮蔽也是有效的隱身手段之一。太空飛行器的紅外輻射主要來自溫度引起的自發(fā)熱輻射，在空間中釋放煙幕，可以在其周圍形成一定濃度的粒子層，并且與飛行器伴飛較長時間。在此期間，飛行器的紅外輻射需要穿過粒子層才能被探測，由于粒子層具有對紅外光的吸收和散射能力，飛行器可被探測到的能量將減少，以達(dá)到隱身的效果[1-5]。

由于太空飛行器載荷有限，煙幕的拋撒方式、粒子的種類和濃度、粒子在空間中的擴(kuò)散情況都對其紅外隱身效果有巨大影響。本文通過建立光線穿過粒子層的輻射傳輸模型，分析不同擴(kuò)散情況、不同粒子，不同濃度下煙幕在不同波段的遮蔽效果，為煙幕遮蔽技術(shù)的發(fā)展提供基礎(chǔ)支撐。

1 基于MIE散射的煙幕消光理論模型

1.1 MIE散射理論

球形粒子的消光因子Qe,散射因子Qs,吸收因子Qa根據(jù)MIE散射理論得到[6-9]：

(1)

(2)

Qa(m,χ)=Qe-Qa,

(3)

式中：m為粒子復(fù)折射率，m=n-ik，n為折射指數(shù)，k為吸收指數(shù)；χ為尺度參數(shù)；an，bn為MIE散射系數(shù)。

散射相函數(shù)Φ采用線性各向異性相函數(shù)

Φ(Θ)=1+A1(cosΘ)，

(4)

式中：A1=1。

煙幕是具有一定厚度、一定濃度的粒子系，這里采用獨立散射假設(shè)計算粒子系輻射參數(shù)。

(5)

(6)

(7)

式中:β為消光系數(shù)；σs為散射系數(shù)；k為吸收系數(shù)；Ni為粒徑Di的粒子數(shù)密度，單位為m-3;Ce,i,Cs,i，Ca,i分別表示粒徑為Di的單粒子的消光截面、散射截面和吸收截面。

1.2 粒子系輻射傳輸計算

粒子屬于吸收、發(fā)射、散射性介質(zhì)，其輻射傳輸方程為

(8)

式中：Iη為光譜輻射強(qiáng)度；s為傳輸距離；η為波數(shù)，Ib,η為光譜黑體輻射強(qiáng)度；Ωi為第i個立體角。方程采用有限體積法進(jìn)行離散，共軛梯度法求解離散的輻射傳輸方程。

1.3 計算結(jié)果驗證

本文對單粒子輻射特性參數(shù)進(jìn)行計算，并與文獻(xiàn)[10]中的結(jié)果進(jìn)行對比，如圖1，2所示。其中粒子尺度χ=1，圖1為散射因子1a)為文獻(xiàn)結(jié)果，1b)為本文計算結(jié)果；圖2為吸收因子2a)為文獻(xiàn)結(jié)果，2b)為本文計算結(jié)果。計算結(jié)果與文獻(xiàn)中的結(jié)果吻合良好。

圖1 粒子散射因子Fig.1 Particle scattering factor

圖2 粒子吸收因子Fig.2 Particle absorption factor

2 煙幕紅外遮蔽影響因素理論分析

根據(jù)典型煙幕拋撒狀態(tài)，設(shè)定太空飛行器周圍均勻散布著一個煙幕層[11-12]，煙幕層呈球狀，厚度為1 m，煙幕層距飛行器40 m。如圖3所示煙幕半球截面示意圖。

圖3 煙幕系統(tǒng)建模示意圖Fig.3 Diagram of smoke modeling

煙幕層中粒子的復(fù)折射率為1+1i，數(shù)密度為1e12 m-3，粒子的直徑為1 μm，粒子自身的溫度為均勻的200 K[13-15]。在這種條件下，基于上述理論模型，計算了飛行器和煙幕層總的輻射輻射強(qiáng)度，表1給出了煙幕遮蔽前后飛行器輻射強(qiáng)度對比。

表1 煙幕遮蔽前后彈頭輻射強(qiáng)度對比Table 1 Comparison of radiation intensity withand without smoke

可以看出，經(jīng)過煙霧的遮蔽，飛行器在中波紅外的輻射急劇減小，說明煙幕在中波紅外波段具有較強(qiáng)的紅外隱身能力。

煙幕從太空飛行器拋撒出來后會向空間不斷擴(kuò)散，為了研究擴(kuò)散過程對煙幕消光特性的影響，分析了煙幕拋撒過程中，不同時刻的輻射強(qiáng)度，設(shè)定煙幕按均勻速度向空間均勻擴(kuò)散，煙幕的總質(zhì)量保持不變。

圖4給出了3～5 μm波段彈頭輻射強(qiáng)度隨擴(kuò)散距離的變化。彈頭及煙幕總體的紅外輻射都隨擴(kuò)散距離的增加而增大。這是因為隨著擴(kuò)散的增加，煙幕的密度下降，消光能力下降，而隨著煙幕投影面積的增加其自發(fā)輻射能量的比重在增加。

圖4 3～5 μm波段彈頭輻射強(qiáng)度隨擴(kuò)散距離的變化Fig.4 Variation of radiation intensity of warhead with diffusion distance in 3～5 μm

粒子光學(xué)屬性、粒徑、煙幕厚度、煙幕密度等參數(shù)是影響煙幕隱身效果的主要因素，下面分析這些參數(shù)對目標(biāo)中波紅外的隱身效果的影響。

2.1 復(fù)折射率對煙幕遮蔽效果影響分析

復(fù)折射率是粒子自身的光學(xué)性質(zhì)，其中復(fù)折射率的實部(折射指數(shù)n)影響粒子的散射能力，復(fù)折射率的虛部(吸收指數(shù)k)反應(yīng)粒子的吸收能力?？傮w輻射強(qiáng)度是綜合粒子復(fù)折射率、粒子尺度、濃度的復(fù)雜函數(shù)如圖5所示，粒子的折射指數(shù)對總體輻射的影響并不大。而吸收指數(shù)對總體輻射強(qiáng)度有較大影響，并且影響并不是線性的，根據(jù)粗略計算，輻射的最大值出現(xiàn)在k=1附近。

圖5 3～5 μm波段輻射隨復(fù)折射率的變化規(guī)律Fig.5 Variation of radiation with complex refractive index in 3～5 μm

2.2 粒徑對煙幕遮蔽效果影響分析

圖6給出了輻射隨粒徑的變化規(guī)律，結(jié)果表明，總輻射隨粒徑的變化規(guī)律較為復(fù)雜，在0.1～10 μm的范圍內(nèi)，在粒徑等于1 μm左右時具有最佳隱身效果，之后隨著粒徑的增加隱身效果有少許下降，但在粒徑<1 μm時，隱身效果驟減。另外，在中波紅外隱身效果最佳的粒徑尺度是會隨著粒子光學(xué)性質(zhì)(復(fù)折射率)而發(fā)生變化的。

圖6 3～5 μm波段輻射隨粒徑的變化規(guī)律Fig.6 Variation of radiation with particle size in 3～5 μm

2.3 粒子數(shù)密度對煙幕遮蔽效果影響分析

圖7給出了輻射隨粒子數(shù)密度的變化規(guī)律，隨著煙幕中粒子數(shù)密度的增大，煙幕吸收散射的衰減作用就越強(qiáng)。但當(dāng)粒子數(shù)密度達(dá)到一定數(shù)量時，煙幕粒子的隱身能力將不會變化。

圖7 3～5 μm波段輻射隨粒子數(shù)密度的變化規(guī)律Fig.7 Variation of radiation with particle number density in 3～5 μm

2.4 煙幕厚度對煙幕遮蔽效果影響分析

圖8為輻射隨煙幕厚度的變化規(guī)律，煙幕的隱身能力，在確定的邊界條件下，對煙幕層的厚度并不敏感。隨著厚度的增加彈頭和煙幕的總體輻射強(qiáng)度略有增大，但變化較小。

圖8 3～5 μm波段輻射隨煙幕厚度的變化規(guī)律Fig.8 Variation of radiation with smoke thickness in 3～5 μm

3 結(jié)論

在本文中，基于MIE散射理論求解粒子系輻射傳輸模型，針對太空飛行器被煙幕包裹的場景進(jìn)行了初步輻射計算。基于這些理論分析，在設(shè)定條件下，得到了以下幾點初步結(jié)論：

(1) 在特定的波段內(nèi)，煙幕對太空飛行器能夠起到較大隱身作用。在本文設(shè)定的邊界條件中，煙幕在3～5 μm波段紅外隱身效果較好，在最好的情況下，90%的飛行器自發(fā)輻射都無法穿過煙幕層。

(2) 煙幕拋撒出來之后，隨著擴(kuò)散進(jìn)行，煙幕的隱身效能呈下降趨勢，因此煙幕內(nèi)維持多久的隱身效能取決于煙幕擴(kuò)散的速度，也就是煙幕拋撒的技術(shù)。

(3) 按照初步計算，粒子的折射指數(shù)對煙幕隱身效果影響較小，吸收指數(shù)對煙幕隱身效果影響較大。通常粒子的折射指數(shù)比較穩(wěn)定，吸收指數(shù)隨相態(tài)變化而變化，可以通過改變粒子的相態(tài)改變吸收指數(shù)，已達(dá)到較好的效果。

(4) 粒子的尺度對隱身效果影響較大。煙幕光學(xué)性質(zhì)會影響最佳粒徑的選擇，因此在選擇粒徑和煙幕材料是要結(jié)合考慮。

(5) 煙幕的密度存在飽和值，超出飽和值后隱身效果不會增加；煙幕厚度對隱身效果沒有明顯改善；因此考慮飛行器載荷限制，理論上應(yīng)該存在最佳的煙幕拋灑量。