一种靶标弹的红外剂研究∗

（海军驻齐齐哈尔地区某部 齐齐哈尔 161041）

1 引言

靶标弹主要用于模拟典型反舰导弹的速度特性、雷达反射特性、红外辐射特性等目标特征，满足水面舰艇反导武器系统搜索、捕获、跟踪和目标指示等训练使用要求［1］。

靶标弹弹丸主要由雷达信号增强装置和红外炬组成。红外炬主要由红外剂装药、炬壳、中性药、和绝热层等组成［2］。

红外炬的红外辐射性能由红外剂决定，红外剂主要由可燃金属粉、远红外特征辐射物质、氧化剂、催化剂、粘合剂和阻旋剂等组成［3］。可燃金属粉与氧化剂燃烧时在3μm～5μm内有辐射峰值；远红外特征辐射物质燃烧时在8μm～14μm波段内有辐射峰值，红外辐射强度高，燃烧时间长，具有较高的辐射率；催化剂起到加速反应调节燃烧速度并提高红外辐射输出率的作用；高分子粘合剂使红外剂具有足够的机械强度，以满足红外炬动态抗旋及抗高过载要求；阻旋剂可减少红外炬的动态燃烧时间损失。

2 国内外研究现状

2.1 国外研究现状

随着防空反导武器系统性能的日益提高，世界各主要国家都十分重视部队训练靶标的研制与装备。20世纪90年代前，防空训练用靶标的主要发展方向是靶机和靶弹。典型的靶标弹有美国的“草原狼”靶弹系统和俄罗斯的“宠臣”靶弹系列。“草原狼”靶弹系统是美国海军航空系统司令部计划研发的可模拟反舰巡航导弹的超音速掠海飞行靶标，能满足美国海军舰空导弹武器系统试验、舰队训练和新武器系统的测试需求［4～5］。该靶弹采用4进气道固体燃料涵道火箭冲压发动机，全长5.5m，直径0.35m，以MK70固体火箭助推器为第1级，获得超音速起飞速度，在该助推器分离之后保持马赫数2.8的巡航速度，可模拟众多反舰巡航导弹。“宠臣”靶弹系列主要由C-300Ⅱ型多通道防空导弹系统5B55导弹改装而成，该系统在飞行速度、高度、机动性能、有效反射面积方面能模拟现代化空袭兵器的广泛性、多样性［6］。

2.2 国内研究现状

1）莱斯顿拖靶

从英国引进的莱斯顿拖靶系统可以根据高度、飞行速度和牵引长度（最长可达12km）提供各种拖靶系统以满足各类导弹的射击训练。目前国内主要用于857和万发炮定型。其主要缺点是只能模拟亚音速导弹飞行特性，价格昂贵，约30万/枚，且不可重复使用［7］。

2）退役导弹改装型靶弹

目前用于海上防空反导训练的主要是SY2号和YJ的改装型，该弹属于亚音速导弹。缺点是辐射面积太大，速度太低，不能真实模拟防空反导武器系统所抗击的目标特性［8］。

3）航模或飞机拖靶

航模或飞机拖靶由于受飞行动力学的影响，其飞行高度较高，速度低，难以模拟高速低空飞行的海上目标，与我水面舰艇编队所要应对的目标特性差异较大［9］。

3 红外辐射的基本定律

1）普朗克定律

普朗克定律给出了黑体辐射的光谱分布，其数据表达式为

式中：Eλ为光谱辐射通量密度，单位为W·m-2·μm-1；T为绝对温度，单位K；λ为波长，单位μm；C为光速，值为2.997925×108m·s-1；K为波尔兹曼常数，值为1.38×10-23W·s·K-1；e为自然对数的底，值为2.718；h为普朗克常数，h=6.63×10-34J/S；C1为为第一辐射常数，值为3.74×104W·μm4·m-2；C2为为第二辐射常数，值为1.438×104μm·K。

由普朗克定律可知，当温度T不变时，Eλ是λ的函数。

2）斯蒂芬—波尔兹曼定律

斯蒂芬—波尔兹曼定律表示普朗克公式从零到无穷大的波长范围内积分，得到的辐射通量密度。即从1cm2面积的黑体，辐射到半球空间里的总辐射通量密度，其表达式：

式中：E为辐射通量密度，单位为W·m-2；σ为斯蒂芬常数，值为5.67×10-8·m-2·K-4；T为温度。

3）维恩位移定律

普朗克定律指出，当提高黑体温度时，辐射谱向短波方向移动。维恩位移定律则以简单形式给出了这种变化的定量关系。维恩位移定律表示对普朗克公式微分，就求得黑体温度与光谱辐射通量密度的峰值波长的关系：

式中：λm为光谱通量密度的峰值波长，单位为μm；b为维恩位移常数，值为b=2.898×103μm·K。

黑体辐射定律是对黑体而言的，若增加一个因子，就可以用于烟火火焰发光中的固体、液体微粒的热辐射，此因子即发射率，它是在同一温度下任一物体辐射出射度E与黑体的辐射出射度Eb之比

有了发射率ε，就可以计算出发光剂的辐射强度I：

式中：I为发光剂的辐射强度，W/sr；A为发光剂的火焰辐射面积，cm2。

由式（5）可知，欲使红外剂的辐射强度提高，在技术上可以采取三种途径：一是提高燃温T的办法（它能以4次方的指数规律影响着发光剂的辐射强度变化），二是通过增大火焰辐射面积A，三是提高发射率ε［10］。但是，由式（3）又发现，燃温T的提高，会带来辐射峰值波长移向短波，由于峰值波长移向短波后，相应的光谱能量分布会降低。因此，对于8μm～14μm波段的红外辐射，不能一味地靠燃温的提高来提高其红外辐射强度。另外，由于红外炬外形尺寸的限制，很难通过增大火焰面积A来提高红外剂的辐射强度。

由式（5）可知，若加入能发射特定波长的特征辐射物质（即提高发射率ε），将此作为辐射剂，使其参与燃烧反应过程，并生成相应的8μm～14μm的辐射体，以此构成能量叠加；或是特征辐射物质自身部分在燃烧反应过程中被活化，其分子旋转振动或其原子外层电子发生能级跃迁产生了在8μm～14μm波段内的红外辐射，构成能量叠加，这样就可以提高总体辐射效能。

因此，在该靶标弹红外剂研究时应选择燃烧温度较高的基础配方，并在其中加入远红外特征辐射物质，提高8μm～14μm波段的辐射输出。

4 红外剂研究

4.1 远红外特征辐射物质对红外剂性能影响研究

通过查找资料可知，SiO2、TiO2、MoO3、WO3等在远红外波段有一定的红外活性，预提高红外剂在远红外波段的辐射强度应保证这些物质激发所需要的能量供给，或者采用相应的物质燃烧生成上述特征辐射物质。在保证药剂氧平衡基本不变的前提下，对远红外特征辐射物质进行了一系列试验研究［11］。远红外特征辐射物质对红外剂性能影响试验结果见表1。

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表1 远红外特征辐射物质对红外剂性能的影响

由试验结果可以看出，含有远红外特征辐射物质的2号配方与不含远红外特征辐射物质的1号配方相比，其燃烧时间基本保持不变（增加了0.7%），而3μm～5μm波段红外辐射强度增加了53.2%，8μm～14μm波段红外辐射强度增加幅度更大，达266.2%。这说明远红外特征辐射物质的加入对3μm～5μm波段红外辐射强度的提高有一定作用，特别是对8μm～14μm波段红外辐射强度的提高有较大作用。加入远红外特征辐射物质后，该红外剂在8μm～14μm波段红外辐射强度大于指标要求的200W/sr；而未加入远红外特征辐射物质时，8μm～14μm波段红外辐射强度只有71 W/sr。

4.2 粘合剂种类对红外剂性能影响研究

在保证其它成分配比不变的前提下，选择两种不同种类的粘合剂，进行红外剂性能试验研究，试验统计结果见表2。

表2 粘合剂种类对红外剂性能影响试验研究

由上表数据可以看出，粘合剂为环氧树脂的红外剂与粘合剂为清油的红外剂相比，3μm～5μm波段红外辐射强度增加了40.4%，8μm～14μm波段红外辐射强度增加了20%，抗压强度增加了35.9%，燃烧时间减少了8.4%。这说明选用环氧树脂粘合剂3μm～5μm和8μm～14μm波段红外辐射强度均有大幅提高，抗压强度也有明显提高，但燃烧时间稍短。说明以环氧树脂为粘合剂的红外剂能同时满足8μm～14μm波段红外辐射强度要求和抗高过载要求。

4.3 粘合剂含量对红外剂性能影响试验研究

粘合剂的加入使红外剂具有一定的机械强度，以满足发射时的过载。其含量的变化对红外剂性能的影响试验结果见表3。

表3 粘合剂含量对红外剂性能的影响

4.4 阻旋剂对红外炬动态燃烧时间影响研究

靶标弹弹丸高速旋转时，红外剂的燃速比静态时急剧加快。燃速和转速成正比关系：

式中：υ为燃速，cm/s；ω 为转速，r/min；a为静态燃烧速率，cm/s；b为燃速随转速改变时的变化梯度。

动态燃速的增加将导致动态燃烧时间较静态时变短。我们对含阻旋剂的红外剂和不含阻旋剂的红外剂进行了红外炬动态性能试验［12］，并测试了红外炬的静态辐射强度和燃烧时间，试验统计结果见表4。

由试验结果可以看出，含阻旋剂的红外炬动态燃烧时间损失率为29.3%；不含阻旋剂的红外炬动态燃烧时间损失率为46.1%。这说明阻旋剂的加入能有效地减少动态燃烧时间的损失。

4.5 红外炬高、低、常温静态性能测试

按确定配方、混药工艺混制红外剂；压制红外炬，分别做高、低、常温静态性能测试，测试统计结果见表5。

表5 红外炬静态性能测试统计结果

由试验结果可以看出，红外炬高、低、常温，红外辐射性能波动不大，燃烧时间按高、常、低温顺序逐渐增加，增加幅度较小，符合规律。说明该红外剂性能比较稳定，波动不大。

5 结语

1）远红外特征辐射物质的加入能有效地增加8μm～14μm波段的红外辐射强度。

2）在其它成分配比不变的情况下，粘合剂的种类不同对红外炬的燃烧时间和抗压强度均有较大影响。

3）在红外剂中加入阻旋剂，能有效地减少动态燃烧时间的损失，红外炬的动态燃烧时间损失率只有30.0%。而不加阻旋剂时红外炬的动态燃烧时间损失达46.1%。

4）红外炬高、低、常温红外辐射性能稳定，燃烧时间波动小。