粉煤灰基沸石用于飛行器尾焰紅外抑制的分析與展望

薛海月,王連勇,2,劉向宇,韓建麗,楊義凡

（1.東北大學冶金學院,遼寧沈陽 110000；2.國家環(huán)境保護生態(tài)工業(yè)重點實驗室）

粉煤灰的產生主要源自火力發(fā)電廠（簡稱火電廠）。火電廠的運行離不開煤粉的燃燒?；痣姀S中的煤炭經過機械研磨成為煤粉,煤粉于燃燒爐中呈懸浮態(tài)燃燒,其不可燃部分受到表面張力形成液滴,在溫度驟降的爐尾處冷卻,形成較大的顆?；驂K狀物被爐膛底部收集,稱為爐底渣,而細小的球形顆粒被除塵器分離、收集,稱為粉煤灰。粉煤灰產量巨大,但綜合利用率不高,因此探索粉煤灰的資源化利用途徑是實現可持續(xù)發(fā)展的有效方式。目前,粉煤灰多被用于制備混凝土、充當填筑路基、制備土壤改良劑等,利用價值不高。粉煤灰的化學成分中SiO2及Al2O3占比總和為60%～85%,硅鋁元素豐富,且結構疏松多孔,吸附性能良好,與沸石相似,因此被廣泛用于制備沸石以實現其高附加值利用。粉煤灰基沸石相比于化學原料合成的工業(yè)沸石具有成本低廉、吸附能力強、處理效果理想等優(yōu)勢,通常因其特殊的結構被用于工業(yè)廢氣及廢水領域,但也局限于此。而粉煤灰基沸石中的硅鋁元素對紅外輻射有抑制作用,因此可被發(fā)掘用于飛行器尾焰紅外輻射的抑制材料。

飛行器的運用對于現代戰(zhàn)爭起著決定性作用,對國家的軍事力量和世界格局變化有著重大影響。飛行器的機動性能和安全性能顯得格外重要。飛行器通常面臨的威脅主要包括防守方的紅外、雷達和聲學等探測系統(tǒng)和制導導彈[1]。目前大多數探測器采用紅外探測,由于紅外探測為被動探測,隱蔽性較好,不易被飛行方發(fā)現,并且可以實現全天候持續(xù)工作[2],因此50%以上制導導彈采用紅外制導。根據資料表明,紅外制導的空空導彈與雷達制導的導彈相比其擊落的目標是后者的3倍,紅外探測跟蹤技術對飛行器帶來極大威脅[3]。通常而言,任何物體都具備紅外目標特性,而飛行器的紅外目標特性極為明顯。

飛行器的尾焰紅外輻射量隨著馬赫數的增大占總輻射的比重逐漸減小,但是在超高音速飛行器的紅外輻射中,尾焰輻射是紅外制導導彈的主要探測和追蹤目標。由于尾焰羽流在空中會形成近千米長的尾焰輻射,并且會在空中持續(xù)發(fā)出紅外輻射信號,容易被探測器捕捉和跟蹤,因此對飛行器尾焰紅外輻射抑制的研究具有較高的軍事價值,同時也是研究飛行器隱身的重要技術手段[1,4]。目前在飛行器尾焰紅外輻射的抑制材料研究方面,抗紅外煙幕氣溶膠應用較廣,但其同時具有成本較高、效率較低的缺點。并且,在國內外相關研究中,抗紅外顆粒介質也普遍存在污染環(huán)境、危害人類健康等問題,因此尋求一種價格低廉且不危害環(huán)境的抗紅外顆粒介質尤為重要。粉煤灰基沸石中的元素與部分抑制效果較好的紅外抑制材料相似,因此使得以粉煤灰這種固體廢棄物為原料制備高效紅外抑制材料成為可能,一方面可以降低紅外輻射抑制材料的成本預算,另一方面可以實現固體廢棄物粉煤灰的高值化利用。

筆者通過分析飛行器尾焰紅外抑制的本質和內涵,以顆粒系煙幕為線索,總結歸納了顆粒系紅外輻射抑制材料的研究進展,提出目前研究中所存在的問題,概述應用粉煤灰基沸石材料的優(yōu)勢,分析沸石應用的可行性,結合材料特點和紅外抑制內涵提出可行性方案,為后續(xù)的研究奠定基礎。

1 粉煤灰基沸石的研究進展

粉煤灰的主要化學成分為Al2O3及SiO2,二者占比總和達到60%～85%,除此之外還含有少量的Fe2O3、CaO、K2O、MgO等。粉煤灰合成沸石后,Fe2O3、CaO、K2O等雜質占比減少,硅鋁元素占比相應增加,元素種類變化不大。粉煤灰基沸石主要是以[SiO4]4-、[AlO4]5-四面體為骨架共享同一個氧原子而組成的具有規(guī)則孔道結構的無機晶體材料[5],其具體結構隨所合成沸石類型的不同而不同,也因此具有不同的理化性質。由于Al3+呈三價,因此使得[AlO4]5-四面體呈負電性,為實現守恒定律通常需要正電荷堿金屬等補位,也正是因為如此使得粉煤灰基沸石具有良好的吸附性能與離子交換性能[6]。

1985年H?LLER等[7]以堿液為添加劑、粉煤灰為原料水熱合成了沸石晶體,后來將這種方法稱為一步水熱法。一步水熱法合成沸石的過程操作簡單、設備要求較低,但也因此使得合成樣品的效果有限、結晶度不高。1999年HOLLMAN等[8]提出將一步水熱法中老化步驟后的混合體過濾,取濾液并通過加入硅鋁元素調節(jié)硅鋁比,再水熱合成沸石,即兩步水熱法。該方法合成的沸石相較于前者結晶度更好,并且過濾后使得雜質更少,但是會增加對水資源的浪費,而且步驟更加繁瑣。為進一步使粉煤灰中的難熔解有效成分更好地熔解,SHIGEMOTO等[9]先將粉煤灰固體與固體堿研磨、混合、高溫煅燒,將粉煤灰中的硅鋁元素充分活化,然后加水老化、水熱合成。相對于傳統(tǒng)的水熱法,堿熔融法可以使惰性物質熔解,從而增加了沸石的轉換率。目前最常用的方法就是堿熔融法。在以上方法合成沸石的過程中,反應時間最長的過程就是水熱過程,因此QUEROL等[10]提出在沸石合成過程中以微波輔助加熱可以大大縮短水熱反應的時間,提升反應速率,但是微波輻射對沸石的合成會造成一定的負面影響。除以上常用方法外,粉煤灰基沸石的合成方法還包括晶種誘導法[11]、超臨界水熱法[12]、固相法[13]、添加位阻劑法[14]等。

在粉煤灰合成沸石的過程中,粉煤灰的組成成分、堿濃度、堿熔融溫度及時間、晶化溫度及時間等均對合成沸石的結晶度、純度、類型等有所影響。粉煤灰的組成成分分為有益成分與有害成分,其中有益成分即硅鋁元素,硅鋁元素含量的不同會導致硅鋁比的不同,從而大大影響合成沸石的類型,而有害成分即含鐵氧化物與碳等雜質,它們的存在會影響沸石的結晶度與純度[15]。粉煤灰合成沸石過程中需要與堿液或固體堿進行反應,以達到活化粉煤灰的目的,堿濃度過低則導致粉煤灰活化程度不夠,堿濃度過高則會造成成本的大幅增加,因此應該在保證粉煤灰被充分活化的前提下適當控制活性堿的濃度[16]。堿熔融法合成沸石時需要將粉煤灰與固體堿混合均勻然后進行高溫熔融,此時堿熔融溫度過低、時間過短會導致粉煤灰中石英等元素熔解不完全、硅鋁元素溶出率不高、沸石合成率較低,而堿熔融溫度過高、時間過長則會造成資源的浪費與成本的增加,并且反應物會發(fā)生結塊現象,從而影響沸石的合成效果[17]。在水熱反應過程中水熱溫度與水熱時間的把控也十分關鍵,晶化時間短、晶化溫度低則會導致沸石的合成率不高、結晶度不高,晶化時間長、晶化溫度高則會一方面增加成本,另一方面形成雜晶,導致產品純度下降[18]。

粉煤灰基沸石表面粗糙,因此具有良好的吸附性能,可被廣泛用于處理廢水中的有害元素如氨、氮、磷、重金屬離子、染料分子、苯酚等,也可用于處理工業(yè)廢氣中的CO2、NOx、Hg、SO2等。LI等[19]采用堿熔融水熱法合成了粉煤灰基沸石,證明了粉煤灰合成沸石后離子交換能力大大增加,對N、P去除率分別為65.5%、91.4%。MA等[20]在超臨界條件下制備了粉煤灰基沸石,在200℃條件下便可將煙氣中的Hg 100%去除。粉煤灰基沸石因具有多孔道結構可被用作催化劑載體,解決了納米級催化劑不好回收的問題。NATALIA等[21]以粉煤灰基沸石為載體將Ni負載上去,雖然Ni的負載造成了沸石孔道的堵塞,但比表面積仍舊理想。粉煤灰基沸石因含有對土壤有益的成分并且具有強離子交換能力,被廣泛用于制備土壤改良劑。CLAUDIA等[22]利用粉煤灰基沸石將土壤中的有毒物質固定,防止了它的擴散,從而降低了土壤的毒性,使土壤質量得到大大的改善。粉煤灰基沸石具有孔容積較大、導熱系數較小的特點,這使得它具有一定的隔熱保溫功能,因此可將其用于制備保溫隔熱材料。鄭楠[23]以粉煤灰基沸石為功能填料制備了建筑隔熱保溫涂料,并將這種材料與粉煤灰漂珠涂料、硅藻土涂料進行對比,結果表明粉煤灰基沸石涂料的性能最佳,與空白樣板之間的最大溫差達到14.7℃。

粉煤灰基沸石具有良好的吸附活性、離子交換能力、保溫能力等,因此被廣泛應用于廢水處理領域、廢氣處理領域、催化劑載體及保溫隔熱材料領域,但也僅僅局限于此。因此,探索粉煤灰基沸石的應用新領域是實現其高值化利用的最佳途徑之一。

2 紅外抑制顆粒材料的研究進展

2.1 顆粒材料的研究進展

國內外許多學者針對氣溶膠對紅外輻射的衰減規(guī)律也有研究,主要針對氣溶膠的折射與散射。如Herman、King、邱金桓等都對大氣氣溶膠的折射率虛部進行過大量的研究,他們所采用的窄譜遙感探測方法是目前遙感探測大氣氣溶膠折射率虛部的常用有效手段之一[24-25]。李放等[26]針對粒子復折射率的反演方法,認為Fymat消光比方法有潛在的反演不穩(wěn)定性,且僅對特殊粒子譜型較為有效。

懸浮離散顆粒衰減紅外輻射的機理（見圖1、圖2）主要包括吸收和散射。離散顆粒中存在著某些含特定基團和化學鍵的微粒,由于其鍵本身的振動、轉動對入射能量有吸收作用。由于顆粒介質中存在密度分布不均勻性,使射線偏離原方向而分散傳播的現象為散射。顆粒的折射也可引起散射,當入射光在粒子邊界折射時,由于內部的反射而發(fā)生方向的變化,造成傳播方向的變化。

圖1 紅外輻射衰減示意圖Fig.1 Diagramof infrared radiation attenuation

圖2 顆粒內紅外輻射衰減示意圖Fig.2 Diagramof infrared radiation attenuation in particles

復折射率影響較大的因素是顆粒介質的材料、顆粒分布方式、表面粗糙度等,其中材料的選擇起到決定性作用。近年來中國學者對不同材料的紅外抑制效果均進行了研究。霸書紅等[27]研究了微粉石墨在燃燒型抗紅外煙幕中的應用,得出微粉石墨粒徑越小其紅外抑制效果越好。李素芳等[28]研究了快速引爆石墨烯原材料的方法制備石墨烯煙幕,此方法形成的石墨烯煙幕對紅外光的干擾效果顯著,但是在石墨燃燒的同時也會發(fā)射紅外輻射。保石等[29]研究了碳化合物燃燒形成的炭黑煙幕對紅外輻射的遮蔽率,其在中、遠紅外探測窗口波段的遮蔽率均達80%以上。李旺昌等[30]制備了摻雜不同金屬元素的復合納米材料,在700℃焙燒后材料的紅外消光性能優(yōu)于鐵磁體/碳復合材料。白林等[31]研究了銅粉煙幕的紅外消光特性,并指出了干擾不同波段時銅粉煙幕粒子直徑的分布范圍。

基于上述理論分析,大多數具有良好紅外消光性能的抗紅外煙幕氣溶膠的生產成本普遍較高、費效比較大,因此需要探索成本低、效果好的材料進行應用。同時,各國使用的抗紅外顆粒介質容易附著在裝備表面；顆粒使用之后難回收降解,對環(huán)境存在污染；大多數顆粒為有機物和重金屬,對人類有毒害作用,并且在高溫尾焰處發(fā)生燃燒時,燃燒產物存在對人類健康有害的物質,對環(huán)境也會造成嚴重污染。因此,探索無毒無害、成本低廉、效果良好的抗紅外顆粒是研究的重點,其對尾焰紅外抑制的研究進展起到決定性作用。

2.2 顆粒應用方式的研究進展

針對抑制紅外輻射的措施而言,飛行器尾焰的紅外輻射削減主要應用兩種方案。首先,改變噴口的形狀,目的是改變發(fā)動機噴口處氣體流動狀態(tài)、噴射流型和阻斷紅外輻射的傳輸路徑,使發(fā)動機尾熱噴流對外發(fā)射的紅外輻射減少到較低水平。其次,采用氣溶膠紅外遮蔽技術將天然形成或者人工合成的顆粒介質隨氣流一起噴出,它們在空氣中形成懸浮,起到折射、散射紅外輻射的作用。由于保密原因,國外使用的具體材料及噴射方式均不清楚。

目前,大多數飛行器利用顆粒對輻射能的吸收與散射實現尾焰的隱身,通過改變紅外輻射的傳輸過程,降低到達探測器的紅外輻射強度,達到探測器無法準確識別目標的目的。如英法聯合研制的“女巫”系統(tǒng),采用吸收型從可見光到14μm紅外波段的煙幕在空中形成煙幕屏障,干擾紅外成像制導及非成像制導導彈。在排氣系統(tǒng)加入顆粒物質后,顆粒對尾焰動力的影響較小,在抑制尾焰紅外輻射的同時,對噴管結構散熱也起到遮蔽作用[32]。

現階段對飛行器尾部顆粒的噴射流型研究較少?，F有資料顯示[33],顆粒紅外遮蔽的實質是利用懸浮的粒子對紅外輻射進行散射和吸收,達到抑制高溫尾噴流紅外輻射的傳輸。目前紅外制導武器的探測窗口集中在中（3～5μm）、遠紅外（8～14μm）兩個窗口[34]。以色列航空工業(yè)部在20世紀80年代通過在試驗發(fā)動機噴射氣溶膠顆粒,形成顆粒遮蔽層,得到了各個角度的紅外輻射情況。還有武裝直升機上的應用,美國研制并裝備了M259型用于飛機防護的抗紅外煙幕彈,在飛機附近爆炸形成遮蔽的氣溶膠紅外煙幕[35]。瑞典研制裝備的飛機防護煙幕施放系統(tǒng),煙幕發(fā)射后在距機后100 m處形成煙幕屏障[36]。瑞典機載煙幕彈則使用了紅外投放器投放[37]。大多數顆粒煙幕形成方法采用噴射方法,可持續(xù)進行噴射,持續(xù)發(fā)揮作用。但是,也有部分飛行器采用將顆粒做成彈體,在飛行器周圍進行爆炸,形成遮蔽層。但是,這種方法有效時間較短,涉及面積較大,有效利用率較低。

針對氣溶膠煙霧的生成,一般氣溶膠煙霧的形成方法有爆炸法和噴射法[38]。爆炸法是將所用顆粒介質壓縮在彈體內,并在彈體內放置爆破管作為飛彈使用,在需要煙幕遮蔽目標附近進行爆破,將顆粒干擾物爆炸分散在目標周圍,實現遮蔽作用,但有效利用率較低。噴射法是將顆粒介質通過噴射結構噴射到需要隱身的目標周圍,實現特定目標的遮蔽作用,有效利用率較高。爆炸法通常用于運動速度較慢的軍事目標的氣溶膠生成方法,將紅外煙霧彈發(fā)射到空中,爆炸形成團狀煙霧,遮蔽紅外信號輻射,爆炸生成煙霧的方法已經在坦克上大量使用；飛機是高速運動的,爆炸產生的煙霧是靜態(tài)的,是團塊分布,不能跟蹤和包裹尾焰[39]。相比之下噴射法更適用于飛機的氣溶膠煙幕的生成,在尾噴管周圍適當布置顆粒物噴嘴,依靠氣動輸出噴射離散顆粒,產生均勻的遮蔽層,遮蔽尾焰?？v觀世界各國的氣溶膠隱身方法,基本都是以噴射的形式在尾噴流周圍形成氣溶膠遮蔽層。飛行器尾焰的紅外輻射應用較多的方法是采用粒子介質對紅外輻射通道進行阻礙遮蔽,并且此方法效果相對較好。

3 基于粉煤灰基沸石的紅外抑制方案

由現有理論探討分析,采用離散顆粒抑制熱噴流紅外輻射傳輸影響規(guī)律的因素可以歸納為兩大類:首先從顆粒散射理論出發(fā),可知主要的影響參數為顆粒的粒徑參數和復折射率；其次從氣固兩相流的換熱機理出發(fā),顆粒的粒徑、熱物性參數、噴射濃度、噴射速度、噴射位置的布置等均會對抑制規(guī)律產生不同程度的影響[40]。基于上述影響因素分析,沸石顆粒用于抑制紅外輻射具有以下優(yōu)勢:沸石顆粒具有孔隙結構,可以增強對紅外輻射的散射效果；沸石顆粒具有很強的吸附性,對輻射的吸收較強。沸石顆粒對于以上各種影響因素均有積極的作用,可為飛行器尾焰紅外輻射的抑制提供更有效的應用材料。

3.1 粉煤灰基沸石負載TiO2的可行性分析

粉煤灰由表面粗糙、棱角較多的蜂窩狀粒子組合而成,比表面積較大（2 500～7 000 cm2/g）[41]。粉煤灰的這種特殊結構決定了它具有良好的吸附性能。表1為粉煤灰基沸石合成各階段成分X射線熒光光譜（XRF）分析結果。由表1可見,粉煤灰中SiO2與Al2O3占比較大,與沸石結構相似,因此通常將粉煤灰合成沸石后再利用以實現其高附加值應用。粉煤灰基沸石是一種含硅（鋁）氧四面體的大分子晶體物質（SiO2和Al2O3）,其內部存在大量互相貫通的、均勻的狹孔與空穴,除個別幾種特殊結構類型外,它們都有很強的親水性,具有良好的吸附性能、催化性能和離子交換性能。粉煤灰基沸石具有較強的熱穩(wěn)定性,可將其作為催化劑載體通過熱熔融、浸漬法等負載不同的催化劑。粉煤灰基沸石具有成本低廉、以廢制寶的優(yōu)勢,在保護環(huán)境的同時又能促進可持續(xù)發(fā)展。

表1 粉煤灰基沸石合成各階段成分XRF分析結果Table 1 XRFanalysis resultsof fly ash-based zeolite in each stage of synthesis

將粉煤灰進行酸洗預處理、高溫堿熔融、老化、負載P25型TiO2、水熱合成后得到如圖3a所示的粉煤灰基Y型沸石-TiO2成品。由圖3a看出,樣品為粉末狀白色固體,通常樣品的顏色會隨粉煤灰原灰顏色的不同而不同。圖3b為Y型沸石-TiO2的SEM照片。由圖3b看出,合成的沸石呈六面體結構,為Y型沸石的標準結構,其中TiO2均勻地包裹在Y型沸石表面。因粉煤灰原材料的不同、合成方法及條件的不同,都會導致合成樣品的類型、樣貌的不同。筆者采用的沸石負載TiO2復合材料的合成方法,在老化與合成之間加入所要負載的催化劑,經實驗驗證負載效果更佳,對CO2和H2O的吸附效果較強。

圖3 粉煤灰基沸石-TiO2樣品照片（a）和SEM照片（b）Fig.3 Sample photo of fly ash-based zeolite and TiO2（a）and SEMimage（b）

在目前的研究中,僅有對負載TiO2的沸石各成分對尾焰紅外抑制的研究,效果均較為突出,為沸石應用的可行性奠定了基礎。利用粉煤灰基沸石抑制飛行器尾焰紅外輻射的研究暫無參考資料,但對沸石所含各成分對紅外輻射影響的研究有一定進展,見表2。

表2 粉煤灰基沸石各成分抑制紅外輻射的效果Table2 Effect of various componentsof fly ashbased zeolite on infrared radiation inhibition

通過分析各學者對SiO2、Al2O3等物質抑制紅外輻射的研究成果發(fā)現,沸石內各物質對紅外輻射的遮蔽率較高,充分證明了沸石應用于飛行器尾焰紅外抑制的可行性和有效性。

飛行器尾焰的輻射主要是氣體輻射,其中輻射紅外線最強的是H2O和CO2,其余組分無輻射吸收能力或吸收較弱。在大氣中傳輸時,紅外輻射的衰減水平取決于具有強烈輻射效應的氣體分子的種類及其含量、大氣環(huán)境中顆粒物的參數和粒徑以及輻射源到紅外探測器的距離等參數。

粉煤灰基沸石通過吸收紅外輻射以及吸附尾焰主要輻射氣體實現紅外輻射吸收。沸石作為晶體,內部為孔隙結構,紅外輻射會發(fā)生折射并伴隨大量散射,大量削弱紅外輻射能量,改變輻射方向。同時,由于沸石的蓄熱能力,可實現散射紅外輻射的波長位于探測器主要探測波段范圍之外,達到隱身的目的,尾焰輻射示意圖見圖4。

圖4 尾焰輻射示意圖Fig.4 Schematic diagramof tail flame radiation

對應用于高速飛行器尾焰紅外抑制的沸石,應采用人工合成的超穩(wěn)沸石。人工合成的超穩(wěn)沸石不僅具有一般沸石所擁有的特性,而且能在較高溫度下（高于1 000℃）保持不變,它在紅外吸收光譜1 640～3 700 cm-1附近有強的吸收[48]。人工合成的超穩(wěn)沸石顆?？蓪崿F飛行器紅外輻射的高散射率,其大迎光面在波段為2.7～6.1μm有較強的紅外吸收（飛行器尾噴流紅外輻射主要探測波段在3～5μm）。

粉煤灰基沸石制備成本低、吸附性能強,同時可實現以廢制寶,而且易于回收,對環(huán)境無污染、無毒無害。粉煤灰基沸石的性能符合飛行器尾焰抗紅外輻射的性能要求。沸石對二氧化碳與水的吸附能力很強,且沸石表面凹凸不平迎光面積較大、蓄熱能力較強,顆粒通過散射和吸收衰減的能量較大。可以通過改變合成工藝對沸石不斷地進行改性,并對其輻射波段進行探測,實現改性沸石發(fā)射波段利于大氣吸收。但是,目前國內外對超穩(wěn)沸石的研究鮮見,數據與方法資料較少。通過理論、實驗研究對篩選、研制最適合的離散顆粒提出指導或準則還有很多工作要做。超穩(wěn)沸石的紅外輻射性能及其作為抑制紅外輻射材料的研究在國內外文獻中鮮有報道。

3.2 沸石應用的方案設計

對于飛行器尾焰顆粒的研究,僅有部分研究者對沸石中所含有的某種成分有一定的研究,但是研究程度較淺。現有文獻僅局限于研究沸石中所含某種分子的抑制作用,并沒有吸附性能的研究。高翔[49]采用仿真的方式分析了固體粒子對發(fā)動機尾焰紅外輻射特性的影響,采用反向蒙特卡羅方法計算了含固體離散粒子的飛機尾焰中波紅外輻射強度,研究了SiO2粒子尾焰輻射抑制率隨粒子流量、粒子直徑、粒子噴射角度、粒子噴射速度的變化規(guī)律,但未分析粒子材料和探測譜段的變化情況。

沸石表面凹凸不平且存在大量孔隙,有利于負載催化劑,選用N改性二氧化鈦作為催化劑,可將飛行器尾焰中不充分燃燒產生的CO直接催化氧化為CO2,防止尾氣復燃,從而減小輻射。改性二氧化鈦在太陽光照射下具有催化氧化性能。圖5為改性二氧化鈦催化原理圖。通過實驗證明,二氧化鈦可大面積有效地負載在沸石上,充分發(fā)揮二氧化鈦的催化氧化作用。通過特定實驗方法可實現吸附和催化形成共同體,增強飛行器尾焰輻射的抑制效果。

圖5 沸石負載TiO2光催化氧化還原原理圖Fig.5 Principle diagramof zeolite supported TiO2 photocatalytic REDOX

由于沸石對CO2和H2O分子具有很強的吸附性,因此設計顆粒噴管需要考慮兩方面因素:首先設計顆粒噴管向尾焰中心噴射,使沸石顆粒與尾焰氣體充分混合,利用其強吸附性吸附尾焰的高發(fā)射率輻射氣體,改變其氣體輻射特性,達到輻射波段處于探測范圍之外,并通過光照負載二氧化鈦對未燃可燃氣體進行催化氧化,防止復燃；其次在尾焰外圍設計噴射顆粒結構,利用沸石顆粒的孔隙結構改變輻射路徑,增加紅外輻射的散射率、反射率和折射率,不僅對未被吸附的高輻射氣體起到二次吸附作用,同時通過遮蔽輻射削弱輻射強度（見圖6、圖7）。

圖6 飛行器尾部顆粒噴射仿真示意圖Fig.6 Simulation diagramof particle jet in aircraft tail

圖7 顆粒噴射流線示意圖Fig.7 Schematic diagramof particle jet streamline

通過利用粉煤灰基沸石的特性,結合飛行器尾焰成分、氣體噴射方式、尾部噴管結構等,不斷優(yōu)化顆粒系煙幕形成方式、顆粒噴射流型,對尾焰紅外抑制至關重要。以上研究方法與設計為后續(xù)研究奠定了基礎。

4 總結及展望

1）超高音速飛行器尾焰輻射占整機輻射的比例較小,并隨著速度的增加而減小,但是尾焰連續(xù)不斷的煙氣持續(xù)發(fā)射紅外輻射,為紅外探測系統(tǒng)提供了不斷的信號,也為紅外導彈提供了連續(xù)的追蹤信號。飛行器尾焰的紅外輻射研究具有極高的軍用價值。尾焰的紅外抑制主要內涵包括:改變輻射波長至探測窗口之外,模擬環(huán)境背景輻射,減小與環(huán)境輻射的差異性。較為有效的方法是采用顆粒系介質遮蔽紅外輻射,在紅外輻射傳輸過程中發(fā)生散射、折射和反射,從而削弱傳輸強度。

2）粉煤灰基沸石具備成本低、無污染的優(yōu)點,同時其熱穩(wěn)定性較強、不易團聚。沸石顆粒充滿孔隙,其形狀具有可控性,有利于紅外輻射傳輸過程中發(fā)生散射、折射和改變傳輸方向,從而削弱紅外輻射；沸石顆粒對二氧化碳和水吸附性強,可將高輻射氣體充分吸附,理論上可以重新改變輻射紅外波長區(qū)段,重新發(fā)出輻射；通過設計有效的顆粒噴射結構,結合顆粒系的吸附和遮蔽的顆粒特性,沸石顆粒從各方面都表現出抑制紅外輻射的巨大優(yōu)勢。同時,在沸石顆粒上負載N改性二氧化鈦,可實現對未燃盡氣體的光催化氧化,減小復燃所引起的紅外輻射。

3）飛行器尾部抗紅外輻射顆粒的布置方式有兩種:其一為將顆粒封存在彈體內,在飛行器周圍發(fā)生爆炸,形成顆粒煙幕,遮蔽紅外輻射,但是有效時間較短,顆粒利用率較低；其二為設計噴射結構,將顆粒介質噴射至飛行器尾焰周圍,吸收、散射和反射尾焰紅外輻射,使顆粒充分利用,顆粒采用噴射方式更有利于抑制飛行器尾焰的紅外輻射。為達到充分利用材料的抗紅外特性,筆者采用多重方向進行噴射,既達到遮蔽紅外輻射,又實現了吸附重新輻射的目的。

回顧飛行器尾焰的紅外輻射抑制方式與所用材料,對顆粒的布置方式研究較少,結構設計優(yōu)化參考資料較少,對顆粒材料的研究評價指標較為單一,抗紅外方式分析方法簡單,總體發(fā)展較為緩慢,主要研究方向均為削弱紅外輻射。未來探索方向應該以低成本、低污染、高遮蔽率、強熱穩(wěn)定性為基礎,結合紅外隱身內涵,將紅外抑制的本質發(fā)揮到最大,最終實現飛行器尾焰與環(huán)境輻射光譜高度融合,具備紅外光譜的模擬。