粉煤灰基沸石用于飞行器尾焰红外抑制的分析与展望

薛海月,王连勇,2,刘向宇,韩建丽,杨义凡

（1.东北大学冶金学院,辽宁沈阳 110000；2.国家环境保护生态工业重点实验室）

粉煤灰的产生主要源自火力发电厂（简称火电厂）。火电厂的运行离不开煤粉的燃烧。火电厂中的煤炭经过机械研磨成为煤粉,煤粉于燃烧炉中呈悬浮态燃烧,其不可燃部分受到表面张力形成液滴,在温度骤降的炉尾处冷却,形成较大的颗粒或块状物被炉膛底部收集,称为炉底渣,而细小的球形颗粒被除尘器分离、收集,称为粉煤灰。粉煤灰产量巨大,但综合利用率不高,因此探索粉煤灰的资源化利用途径是实现可持续发展的有效方式。目前,粉煤灰多被用于制备混凝土、充当填筑路基、制备土壤改良剂等,利用价值不高。粉煤灰的化学成分中SiO2及Al2O3占比总和为60%～85%,硅铝元素丰富,且结构疏松多孔,吸附性能良好,与沸石相似,因此被广泛用于制备沸石以实现其高附加值利用。粉煤灰基沸石相比于化学原料合成的工业沸石具有成本低廉、吸附能力强、处理效果理想等优势,通常因其特殊的结构被用于工业废气及废水领域,但也局限于此。而粉煤灰基沸石中的硅铝元素对红外辐射有抑制作用,因此可被发掘用于飞行器尾焰红外辐射的抑制材料。

飞行器的运用对于现代战争起着决定性作用,对国家的军事力量和世界格局变化有着重大影响。飞行器的机动性能和安全性能显得格外重要。飞行器通常面临的威胁主要包括防守方的红外、雷达和声学等探测系统和制导导弹[1]。目前大多数探测器采用红外探测,由于红外探测为被动探测,隐蔽性较好,不易被飞行方发现,并且可以实现全天候持续工作[2],因此50%以上制导导弹采用红外制导。根据资料表明,红外制导的空空导弹与雷达制导的导弹相比其击落的目标是后者的3倍,红外探测跟踪技术对飞行器带来极大威胁[3]。通常而言,任何物体都具备红外目标特性,而飞行器的红外目标特性极为明显。

飞行器的尾焰红外辐射量随着马赫数的增大占总辐射的比重逐渐减小,但是在超高音速飞行器的红外辐射中,尾焰辐射是红外制导导弹的主要探测和追踪目标。由于尾焰羽流在空中会形成近千米长的尾焰辐射,并且会在空中持续发出红外辐射信号,容易被探测器捕捉和跟踪,因此对飞行器尾焰红外辐射抑制的研究具有较高的军事价值,同时也是研究飞行器隐身的重要技术手段[1,4]。目前在飞行器尾焰红外辐射的抑制材料研究方面,抗红外烟幕气溶胶应用较广,但其同时具有成本较高、效率较低的缺点。并且,在国内外相关研究中,抗红外颗粒介质也普遍存在污染环境、危害人类健康等问题,因此寻求一种价格低廉且不危害环境的抗红外颗粒介质尤为重要。粉煤灰基沸石中的元素与部分抑制效果较好的红外抑制材料相似,因此使得以粉煤灰这种固体废弃物为原料制备高效红外抑制材料成为可能,一方面可以降低红外辐射抑制材料的成本预算,另一方面可以实现固体废弃物粉煤灰的高值化利用。

笔者通过分析飞行器尾焰红外抑制的本质和内涵,以颗粒系烟幕为线索,总结归纳了颗粒系红外辐射抑制材料的研究进展,提出目前研究中所存在的问题,概述应用粉煤灰基沸石材料的优势,分析沸石应用的可行性,结合材料特点和红外抑制内涵提出可行性方案,为后续的研究奠定基础。

1 粉煤灰基沸石的研究进展

粉煤灰的主要化学成分为Al2O3及SiO2,二者占比总和达到60%～85%,除此之外还含有少量的Fe2O3、CaO、K2O、MgO等。粉煤灰合成沸石后,Fe2O3、CaO、K2O等杂质占比减少,硅铝元素占比相应增加,元素种类变化不大。粉煤灰基沸石主要是以[SiO4]4-、[AlO4]5-四面体为骨架共享同一个氧原子而组成的具有规则孔道结构的无机晶体材料[5],其具体结构随所合成沸石类型的不同而不同,也因此具有不同的理化性质。由于Al3+呈三价,因此使得[AlO4]5-四面体呈负电性,为实现守恒定律通常需要正电荷碱金属等补位,也正是因为如此使得粉煤灰基沸石具有良好的吸附性能与离子交换性能[6]。

1985年HÖLLER等[7]以碱液为添加剂、粉煤灰为原料水热合成了沸石晶体,后来将这种方法称为一步水热法。一步水热法合成沸石的过程操作简单、设备要求较低,但也因此使得合成样品的效果有限、结晶度不高。1999年HOLLMAN等[8]提出将一步水热法中老化步骤后的混合体过滤,取滤液并通过加入硅铝元素调节硅铝比,再水热合成沸石,即两步水热法。该方法合成的沸石相较于前者结晶度更好,并且过滤后使得杂质更少,但是会增加对水资源的浪费,而且步骤更加繁琐。为进一步使粉煤灰中的难熔解有效成分更好地熔解,SHIGEMOTO等[9]先将粉煤灰固体与固体碱研磨、混合、高温煅烧,将粉煤灰中的硅铝元素充分活化,然后加水老化、水热合成。相对于传统的水热法,碱熔融法可以使惰性物质熔解,从而增加了沸石的转换率。目前最常用的方法就是碱熔融法。在以上方法合成沸石的过程中,反应时间最长的过程就是水热过程,因此QUEROL等[10]提出在沸石合成过程中以微波辅助加热可以大大缩短水热反应的时间,提升反应速率,但是微波辐射对沸石的合成会造成一定的负面影响。除以上常用方法外,粉煤灰基沸石的合成方法还包括晶种诱导法[11]、超临界水热法[12]、固相法[13]、添加位阻剂法[14]等。

在粉煤灰合成沸石的过程中,粉煤灰的组成成分、碱浓度、碱熔融温度及时间、晶化温度及时间等均对合成沸石的结晶度、纯度、类型等有所影响。粉煤灰的组成成分分为有益成分与有害成分,其中有益成分即硅铝元素,硅铝元素含量的不同会导致硅铝比的不同,从而大大影响合成沸石的类型,而有害成分即含铁氧化物与碳等杂质,它们的存在会影响沸石的结晶度与纯度[15]。粉煤灰合成沸石过程中需要与碱液或固体碱进行反应,以达到活化粉煤灰的目的,碱浓度过低则导致粉煤灰活化程度不够,碱浓度过高则会造成成本的大幅增加,因此应该在保证粉煤灰被充分活化的前提下适当控制活性碱的浓度[16]。碱熔融法合成沸石时需要将粉煤灰与固体碱混合均匀然后进行高温熔融,此时碱熔融温度过低、时间过短会导致粉煤灰中石英等元素熔解不完全、硅铝元素溶出率不高、沸石合成率较低,而碱熔融温度过高、时间过长则会造成资源的浪费与成本的增加,并且反应物会发生结块现象,从而影响沸石的合成效果[17]。在水热反应过程中水热温度与水热时间的把控也十分关键,晶化时间短、晶化温度低则会导致沸石的合成率不高、结晶度不高,晶化时间长、晶化温度高则会一方面增加成本,另一方面形成杂晶,导致产品纯度下降[18]。

粉煤灰基沸石表面粗糙,因此具有良好的吸附性能,可被广泛用于处理废水中的有害元素如氨、氮、磷、重金属离子、染料分子、苯酚等,也可用于处理工业废气中的CO2、NOx、Hg、SO2等。LI等[19]采用碱熔融水热法合成了粉煤灰基沸石,证明了粉煤灰合成沸石后离子交换能力大大增加,对N、P去除率分别为65.5%、91.4%。MA等[20]在超临界条件下制备了粉煤灰基沸石,在200℃条件下便可将烟气中的Hg 100%去除。粉煤灰基沸石因具有多孔道结构可被用作催化剂载体,解决了纳米级催化剂不好回收的问题。NATALIA等[21]以粉煤灰基沸石为载体将Ni负载上去,虽然Ni的负载造成了沸石孔道的堵塞,但比表面积仍旧理想。粉煤灰基沸石因含有对土壤有益的成分并且具有强离子交换能力,被广泛用于制备土壤改良剂。CLAUDIA等[22]利用粉煤灰基沸石将土壤中的有毒物质固定,防止了它的扩散,从而降低了土壤的毒性,使土壤质量得到大大的改善。粉煤灰基沸石具有孔容积较大、导热系数较小的特点,这使得它具有一定的隔热保温功能,因此可将其用于制备保温隔热材料。郑楠[23]以粉煤灰基沸石为功能填料制备了建筑隔热保温涂料,并将这种材料与粉煤灰漂珠涂料、硅藻土涂料进行对比,结果表明粉煤灰基沸石涂料的性能最佳,与空白样板之间的最大温差达到14.7℃。

粉煤灰基沸石具有良好的吸附活性、离子交换能力、保温能力等,因此被广泛应用于废水处理领域、废气处理领域、催化剂载体及保温隔热材料领域,但也仅仅局限于此。因此,探索粉煤灰基沸石的应用新领域是实现其高值化利用的最佳途径之一。

2 红外抑制颗粒材料的研究进展

2.1 颗粒材料的研究进展

国内外许多学者针对气溶胶对红外辐射的衰减规律也有研究,主要针对气溶胶的折射与散射。如Herman、King、邱金桓等都对大气气溶胶的折射率虚部进行过大量的研究,他们所采用的窄谱遥感探测方法是目前遥感探测大气气溶胶折射率虚部的常用有效手段之一[24-25]。李放等[26]针对粒子复折射率的反演方法,认为Fymat消光比方法有潜在的反演不稳定性,且仅对特殊粒子谱型较为有效。

悬浮离散颗粒衰减红外辐射的机理（见图1、图2）主要包括吸收和散射。离散颗粒中存在着某些含特定基团和化学键的微粒,由于其键本身的振动、转动对入射能量有吸收作用。由于颗粒介质中存在密度分布不均匀性,使射线偏离原方向而分散传播的现象为散射。颗粒的折射也可引起散射,当入射光在粒子边界折射时,由于内部的反射而发生方向的变化,造成传播方向的变化。

图1 红外辐射衰减示意图Fig.1 Diagramof infrared radiation attenuation

图2 颗粒内红外辐射衰减示意图Fig.2 Diagramof infrared radiation attenuation in particles

复折射率影响较大的因素是颗粒介质的材料、颗粒分布方式、表面粗糙度等,其中材料的选择起到决定性作用。近年来中国学者对不同材料的红外抑制效果均进行了研究。霸书红等[27]研究了微粉石墨在燃烧型抗红外烟幕中的应用,得出微粉石墨粒径越小其红外抑制效果越好。李素芳等[28]研究了快速引爆石墨烯原材料的方法制备石墨烯烟幕,此方法形成的石墨烯烟幕对红外光的干扰效果显著,但是在石墨燃烧的同时也会发射红外辐射。保石等[29]研究了碳化合物燃烧形成的炭黑烟幕对红外辐射的遮蔽率,其在中、远红外探测窗口波段的遮蔽率均达80%以上。李旺昌等[30]制备了掺杂不同金属元素的复合纳米材料,在700℃焙烧后材料的红外消光性能优于铁磁体/碳复合材料。白林等[31]研究了铜粉烟幕的红外消光特性,并指出了干扰不同波段时铜粉烟幕粒子直径的分布范围。

基于上述理论分析,大多数具有良好红外消光性能的抗红外烟幕气溶胶的生产成本普遍较高、费效比较大,因此需要探索成本低、效果好的材料进行应用。同时,各国使用的抗红外颗粒介质容易附着在装备表面；颗粒使用之后难回收降解,对环境存在污染；大多数颗粒为有机物和重金属,对人类有毒害作用,并且在高温尾焰处发生燃烧时,燃烧产物存在对人类健康有害的物质,对环境也会造成严重污染。因此,探索无毒无害、成本低廉、效果良好的抗红外颗粒是研究的重点,其对尾焰红外抑制的研究进展起到决定性作用。

2.2 颗粒应用方式的研究进展

针对抑制红外辐射的措施而言,飞行器尾焰的红外辐射削减主要应用两种方案。首先,改变喷口的形状,目的是改变发动机喷口处气体流动状态、喷射流型和阻断红外辐射的传输路径,使发动机尾热喷流对外发射的红外辐射减少到较低水平。其次,采用气溶胶红外遮蔽技术将天然形成或者人工合成的颗粒介质随气流一起喷出,它们在空气中形成悬浮,起到折射、散射红外辐射的作用。由于保密原因,国外使用的具体材料及喷射方式均不清楚。

目前,大多数飞行器利用颗粒对辐射能的吸收与散射实现尾焰的隐身,通过改变红外辐射的传输过程,降低到达探测器的红外辐射强度,达到探测器无法准确识别目标的目的。如英法联合研制的“女巫”系统,采用吸收型从可见光到14μm红外波段的烟幕在空中形成烟幕屏障,干扰红外成像制导及非成像制导导弹。在排气系统加入颗粒物质后,颗粒对尾焰动力的影响较小,在抑制尾焰红外辐射的同时,对喷管结构散热也起到遮蔽作用[32]。

现阶段对飞行器尾部颗粒的喷射流型研究较少。现有资料显示[33],颗粒红外遮蔽的实质是利用悬浮的粒子对红外辐射进行散射和吸收,达到抑制高温尾喷流红外辐射的传输。目前红外制导武器的探测窗口集中在中（3～5μm）、远红外（8～14μm）两个窗口[34]。以色列航空工业部在20世纪80年代通过在试验发动机喷射气溶胶颗粒,形成颗粒遮蔽层,得到了各个角度的红外辐射情况。还有武装直升机上的应用,美国研制并装备了M259型用于飞机防护的抗红外烟幕弹,在飞机附近爆炸形成遮蔽的气溶胶红外烟幕[35]。瑞典研制装备的飞机防护烟幕施放系统,烟幕发射后在距机后100 m处形成烟幕屏障[36]。瑞典机载烟幕弹则使用了红外投放器投放[37]。大多数颗粒烟幕形成方法采用喷射方法,可持续进行喷射,持续发挥作用。但是,也有部分飞行器采用将颗粒做成弹体,在飞行器周围进行爆炸,形成遮蔽层。但是,这种方法有效时间较短,涉及面积较大,有效利用率较低。

针对气溶胶烟雾的生成,一般气溶胶烟雾的形成方法有爆炸法和喷射法[38]。爆炸法是将所用颗粒介质压缩在弹体内,并在弹体内放置爆破管作为飞弹使用,在需要烟幕遮蔽目标附近进行爆破,将颗粒干扰物爆炸分散在目标周围,实现遮蔽作用,但有效利用率较低。喷射法是将颗粒介质通过喷射结构喷射到需要隐身的目标周围,实现特定目标的遮蔽作用,有效利用率较高。爆炸法通常用于运动速度较慢的军事目标的气溶胶生成方法,将红外烟雾弹发射到空中,爆炸形成团状烟雾,遮蔽红外信号辐射,爆炸生成烟雾的方法已经在坦克上大量使用；飞机是高速运动的,爆炸产生的烟雾是静态的,是团块分布,不能跟踪和包裹尾焰[39]。相比之下喷射法更适用于飞机的气溶胶烟幕的生成,在尾喷管周围适当布置颗粒物喷嘴,依靠气动输出喷射离散颗粒,产生均匀的遮蔽层,遮蔽尾焰。纵观世界各国的气溶胶隐身方法,基本都是以喷射的形式在尾喷流周围形成气溶胶遮蔽层。飞行器尾焰的红外辐射应用较多的方法是采用粒子介质对红外辐射通道进行阻碍遮蔽,并且此方法效果相对较好。

3 基于粉煤灰基沸石的红外抑制方案

由现有理论探讨分析,采用离散颗粒抑制热喷流红外辐射传输影响规律的因素可以归纳为两大类:首先从颗粒散射理论出发,可知主要的影响参数为颗粒的粒径参数和复折射率；其次从气固两相流的换热机理出发,颗粒的粒径、热物性参数、喷射浓度、喷射速度、喷射位置的布置等均会对抑制规律产生不同程度的影响[40]。基于上述影响因素分析,沸石颗粒用于抑制红外辐射具有以下优势:沸石颗粒具有孔隙结构,可以增强对红外辐射的散射效果；沸石颗粒具有很强的吸附性,对辐射的吸收较强。沸石颗粒对于以上各种影响因素均有积极的作用,可为飞行器尾焰红外辐射的抑制提供更有效的应用材料。

3.1 粉煤灰基沸石负载TiO2的可行性分析

粉煤灰由表面粗糙、棱角较多的蜂窝状粒子组合而成,比表面积较大（2 500～7 000 cm2/g）[41]。粉煤灰的这种特殊结构决定了它具有良好的吸附性能。表1为粉煤灰基沸石合成各阶段成分X射线荧光光谱（XRF）分析结果。由表1可见,粉煤灰中SiO2与Al2O3占比较大,与沸石结构相似,因此通常将粉煤灰合成沸石后再利用以实现其高附加值应用。粉煤灰基沸石是一种含硅（铝）氧四面体的大分子晶体物质（SiO2和Al2O3）,其内部存在大量互相贯通的、均匀的狭孔与空穴,除个别几种特殊结构类型外,它们都有很强的亲水性,具有良好的吸附性能、催化性能和离子交换性能。粉煤灰基沸石具有较强的热稳定性,可将其作为催化剂载体通过热熔融、浸渍法等负载不同的催化剂。粉煤灰基沸石具有成本低廉、以废制宝的优势,在保护环境的同时又能促进可持续发展。

表1 粉煤灰基沸石合成各阶段成分XRF分析结果Table 1 XRFanalysis resultsof fly ash-based zeolite in each stage of synthesis

将粉煤灰进行酸洗预处理、高温碱熔融、老化、负载P25型TiO2、水热合成后得到如图3a所示的粉煤灰基Y型沸石-TiO2成品。由图3a看出,样品为粉末状白色固体,通常样品的颜色会随粉煤灰原灰颜色的不同而不同。图3b为Y型沸石-TiO2的SEM照片。由图3b看出,合成的沸石呈六面体结构,为Y型沸石的标准结构,其中TiO2均匀地包裹在Y型沸石表面。因粉煤灰原材料的不同、合成方法及条件的不同,都会导致合成样品的类型、样貌的不同。笔者采用的沸石负载TiO2复合材料的合成方法,在老化与合成之间加入所要负载的催化剂,经实验验证负载效果更佳,对CO2和H2O的吸附效果较强。

图3 粉煤灰基沸石-TiO2样品照片（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,仅有对负载TiO2的沸石各成分对尾焰红外抑制的研究,效果均较为突出,为沸石应用的可行性奠定了基础。利用粉煤灰基沸石抑制飞行器尾焰红外辐射的研究暂无参考资料,但对沸石所含各成分对红外辐射影响的研究有一定进展,见表2。

表2 粉煤灰基沸石各成分抑制红外辐射的效果Table2 Effect of various componentsof fly ashbased zeolite on infrared radiation inhibition

通过分析各学者对SiO2、Al2O3等物质抑制红外辐射的研究成果发现,沸石内各物质对红外辐射的遮蔽率较高,充分证明了沸石应用于飞行器尾焰红外抑制的可行性和有效性。

飞行器尾焰的辐射主要是气体辐射,其中辐射红外线最强的是H2O和CO2,其余组分无辐射吸收能力或吸收较弱。在大气中传输时,红外辐射的衰减水平取决于具有强烈辐射效应的气体分子的种类及其含量、大气环境中颗粒物的参数和粒径以及辐射源到红外探测器的距离等参数。

粉煤灰基沸石通过吸收红外辐射以及吸附尾焰主要辐射气体实现红外辐射吸收。沸石作为晶体,内部为孔隙结构,红外辐射会发生折射并伴随大量散射,大量削弱红外辐射能量,改变辐射方向。同时,由于沸石的蓄热能力,可实现散射红外辐射的波长位于探测器主要探测波段范围之外,达到隐身的目的,尾焰辐射示意图见图4。

图4 尾焰辐射示意图Fig.4 Schematic diagramof tail flame radiation

对应用于高速飞行器尾焰红外抑制的沸石,应采用人工合成的超稳沸石。人工合成的超稳沸石不仅具有一般沸石所拥有的特性,而且能在较高温度下（高于1 000℃）保持不变,它在红外吸收光谱1 640～3 700 cm-1附近有强的吸收[48]。人工合成的超稳沸石颗粒可实现飞行器红外辐射的高散射率,其大迎光面在波段为2.7～6.1μm有较强的红外吸收（飞行器尾喷流红外辐射主要探测波段在3～5μm）。

粉煤灰基沸石制备成本低、吸附性能强,同时可实现以废制宝,而且易于回收,对环境无污染、无毒无害。粉煤灰基沸石的性能符合飞行器尾焰抗红外辐射的性能要求。沸石对二氧化碳与水的吸附能力很强,且沸石表面凹凸不平迎光面积较大、蓄热能力较强,颗粒通过散射和吸收衰减的能量较大。可以通过改变合成工艺对沸石不断地进行改性,并对其辐射波段进行探测,实现改性沸石发射波段利于大气吸收。但是,目前国内外对超稳沸石的研究鲜见,数据与方法资料较少。通过理论、实验研究对筛选、研制最适合的离散颗粒提出指导或准则还有很多工作要做。超稳沸石的红外辐射性能及其作为抑制红外辐射材料的研究在国内外文献中鲜有报道。

3.2 沸石应用的方案设计

对于飞行器尾焰颗粒的研究,仅有部分研究者对沸石中所含有的某种成分有一定的研究,但是研究程度较浅。现有文献仅局限于研究沸石中所含某种分子的抑制作用,并没有吸附性能的研究。高翔[49]采用仿真的方式分析了固体粒子对发动机尾焰红外辐射特性的影响,采用反向蒙特卡罗方法计算了含固体离散粒子的飞机尾焰中波红外辐射强度,研究了SiO2粒子尾焰辐射抑制率随粒子流量、粒子直径、粒子喷射角度、粒子喷射速度的变化规律,但未分析粒子材料和探测谱段的变化情况。

沸石表面凹凸不平且存在大量孔隙,有利于负载催化剂,选用N改性二氧化钛作为催化剂,可将飞行器尾焰中不充分燃烧产生的CO直接催化氧化为CO2,防止尾气复燃,从而减小辐射。改性二氧化钛在太阳光照射下具有催化氧化性能。图5为改性二氧化钛催化原理图。通过实验证明,二氧化钛可大面积有效地负载在沸石上,充分发挥二氧化钛的催化氧化作用。通过特定实验方法可实现吸附和催化形成共同体,增强飞行器尾焰辐射的抑制效果。

图5 沸石负载TiO2光催化氧化还原原理图Fig.5 Principle diagramof zeolite supported TiO2 photocatalytic REDOX

由于沸石对CO2和H2O分子具有很强的吸附性,因此设计颗粒喷管需要考虑两方面因素:首先设计颗粒喷管向尾焰中心喷射,使沸石颗粒与尾焰气体充分混合,利用其强吸附性吸附尾焰的高发射率辐射气体,改变其气体辐射特性,达到辐射波段处于探测范围之外,并通过光照负载二氧化钛对未燃可燃气体进行催化氧化,防止复燃；其次在尾焰外围设计喷射颗粒结构,利用沸石颗粒的孔隙结构改变辐射路径,增加红外辐射的散射率、反射率和折射率,不仅对未被吸附的高辐射气体起到二次吸附作用,同时通过遮蔽辐射削弱辐射强度（见图6、图7）。

图6 飞行器尾部颗粒喷射仿真示意图Fig.6 Simulation diagramof particle jet in aircraft tail

图7 颗粒喷射流线示意图Fig.7 Schematic diagramof particle jet streamline

通过利用粉煤灰基沸石的特性,结合飞行器尾焰成分、气体喷射方式、尾部喷管结构等,不断优化颗粒系烟幕形成方式、颗粒喷射流型,对尾焰红外抑制至关重要。以上研究方法与设计为后续研究奠定了基础。

4 总结及展望

1）超高音速飞行器尾焰辐射占整机辐射的比例较小,并随着速度的增加而减小,但是尾焰连续不断的烟气持续发射红外辐射,为红外探测系统提供了不断的信号,也为红外导弹提供了连续的追踪信号。飞行器尾焰的红外辐射研究具有极高的军用价值。尾焰的红外抑制主要内涵包括:改变辐射波长至探测窗口之外,模拟环境背景辐射,减小与环境辐射的差异性。较为有效的方法是采用颗粒系介质遮蔽红外辐射,在红外辐射传输过程中发生散射、折射和反射,从而削弱传输强度。

2）粉煤灰基沸石具备成本低、无污染的优点,同时其热稳定性较强、不易团聚。沸石颗粒充满孔隙,其形状具有可控性,有利于红外辐射传输过程中发生散射、折射和改变传输方向,从而削弱红外辐射；沸石颗粒对二氧化碳和水吸附性强,可将高辐射气体充分吸附,理论上可以重新改变辐射红外波长区段,重新发出辐射；通过设计有效的颗粒喷射结构,结合颗粒系的吸附和遮蔽的颗粒特性,沸石颗粒从各方面都表现出抑制红外辐射的巨大优势。同时,在沸石颗粒上负载N改性二氧化钛,可实现对未燃尽气体的光催化氧化,减小复燃所引起的红外辐射。

3）飞行器尾部抗红外辐射颗粒的布置方式有两种:其一为将颗粒封存在弹体内,在飞行器周围发生爆炸,形成颗粒烟幕,遮蔽红外辐射,但是有效时间较短,颗粒利用率较低；其二为设计喷射结构,将颗粒介质喷射至飞行器尾焰周围,吸收、散射和反射尾焰红外辐射,使颗粒充分利用,颗粒采用喷射方式更有利于抑制飞行器尾焰的红外辐射。为达到充分利用材料的抗红外特性,笔者采用多重方向进行喷射,既达到遮蔽红外辐射,又实现了吸附重新辐射的目的。

回顾飞行器尾焰的红外辐射抑制方式与所用材料,对颗粒的布置方式研究较少,结构设计优化参考资料较少,对颗粒材料的研究评价指标较为单一,抗红外方式分析方法简单,总体发展较为缓慢,主要研究方向均为削弱红外辐射。未来探索方向应该以低成本、低污染、高遮蔽率、强热稳定性为基础,结合红外隐身内涵,将红外抑制的本质发挥到最大,最终实现飞行器尾焰与环境辐射光谱高度融合,具备红外光谱的模拟。