多频谱发烟组件结构设计与遮蔽性能

李笑楠 , 李天鹏 张开创, 陈浩, 郭爱强 高欣宝

(1. 陆军工程大学 石家庄校区，河北 石家庄 050003; 2. 63936 部队，北京 102202; 3. 军事科学院 防化研究院，北京 102205)

0 引言

采用多模导引头的精确制导武器抗干扰能力强、精度高、射程覆盖范围广，对我方重要战场目标构成了巨大威胁[1]。多模导引头针对不同波段的无源或有源干扰可分别发挥其技术优势，实现对目标的精确打击，已经成为当前新一代精确制导技术发展的主流。现有的以烟幕为代表的无源干扰手段，如干扰红外导引头的HC 热烟弹药、干扰毫米波导引头的箔条干扰弹，只能干扰采用单一制导体制的导引头。为保护己方目标，发展能与不同工作波段的多模导引头对抗的多频谱干扰手段[2-3]，已经成为当前新一代无源干扰技术发展的一大发展趋势[4]。

近年来，研究者对多频谱干扰材料的制备及应用开展了一些研究。陈泽等[5]制备了以SiO2气凝胶材料为骨架的复合型红外干扰剂，将其掺杂到常规发烟剂中得到复合发烟剂，所形成的烟幕有较好的遮蔽效果，8~14 μm 波段红外透过率最低为3.37%。彭文联等[6]基于富碳型发烟剂设计制备纳米石墨基烟幕干扰剂，实现了对红外、可见光波段的高效遮蔽干扰。董文杰等[7]使用化学镀膜法制备了镀铜碳纤维，对3 mm 和8 mm 波的衰减值均大于10 dB。 李乐等[8]对真菌孢子生物材料的红外消光性能进行了测试，发现制备的生物材料质量消光系数为 1.0 m2/g，优于常见的无机材料。陈文建等[9]对红磷、铜粉复合固体发烟剂在可见光、激光、红外波段的干扰性能进行了测试，在烟箱浓度为1 g/m3时各波段透过率<10%。冯长根等[10]介绍了当前先进烟幕弹药的装药结构和成烟方式，介绍了宽波段烟幕剂的配方组成。张恩爽等[11]通过溶胶凝胶法制备了超轻质磁性石墨烯/炭气凝胶，实现了对红外、毫米波、可见光波段的有效遮蔽且漂浮性能良好，在实测中布撒30 min 后遮蔽率仅下降15%。暴丽霞等[12]采用一锅水热法制备出炭-铁磁体复合材料，在 4~10 μm 范围内消光性能较好，消光系数均大于 0.3 m2/g。江飞等[13]基于铝热反应分解富碳类物质，设计了一种燃烧型多频谱干扰剂，对可见光、红外、激光可基本实现完全遮蔽，对8~14 μm 远红外波段的消光系数达到了0.967 m2/g。张帅等[14]对烟幕颗粒的生成与扩散进行了Realizablek-ε模型状态模拟，较好地表现了烟幕的生成过程，为烟幕弹的结构设计提供了参考。徐路程等[15]在烟幕扩散模拟中引入实际大气边界层复杂多变特点的影响，建立了基于计算流体力学的烟幕扩散仿真模型，对照实验表明模型能较好地反映烟幕的形状及变化规律。 文献[16]采用了碳纤维作为毫米波干扰剂，碳纤维长度为3~15 mm，直径为3~7 μm，可通过爆炸分散形成直径约4~6 m 的烟幕云团，能有效干扰毫米波导引头。文献[17]公布了一种子母式烟幕弹抛撒技术，通过母弹的旋转和抛射药共同作用使子弹烟炬均匀抛撒于地面。文献[18]研究了烟幕弹快速成烟技术，通过热烟药剂速燃在0.25 s 内迅速分散，所成烟幕对红外、可见光波段有遮蔽效果。文献[19]设计了一种子弹烟炬减速装置，通过飘带使下降速度由开舱后的82 m/s 减速至27 m/s，烟幕持续时间可达 55~75 s。文献[20]公开了多层冷烟技术，抛射药将 4 个分别装填可见光、红外、雷达波段干扰剂的子弹发烟罐体依次抛撒到空中，通过延期药使各罐体同时起爆成烟，克服了线状烟幕厚度不足的缺点。

上述研究针对干扰材料制备、复合配药技术工艺、发烟装置设计制造、子弹抛撒技术等进行了研究，突破了红外、可见光、毫米波波段的多频谱干扰技术，透过率、烟幕持续时间、烟幕宽度等参数也达到了较高的水平。

本文针对干扰材料难以实现毫米波(毫米级)与红外、可见光(微米级)波段同时有效干扰、多种单波段的干扰剂复配后易团聚、在实际应用中通过爆炸法将干扰剂分散后无法发挥出干扰剂最优性能等尚未解决的问题开展研究。根据发烟组件的保护目标、使用环境特点，基于理论计算与试验验证，使用中碳合金钢材料制造了多频谱发烟组件子弹罐体；通过原位反应得到碳纳米管/石墨烯/碳复合材料，然后使用复合配药技术使其与短切碳纤维混制，制备出多频谱干扰剂；通过烟箱，对多频谱干扰剂的红外、毫米波、可见光波段干扰性能进行了测试并对多频谱发烟组件进行了实爆实验，验证了发烟组件与多频谱干扰剂的匹配效果及多频谱发烟组件的遮蔽性能。结果表明，通过复合配药技术制备的多频谱干扰剂对红外、毫米波、可见光波段有良好的干扰性能，发烟组件与多频谱干扰剂匹配合理，遮蔽效果良好，相信这种性能优异的多频谱发烟组件将在无源干扰领域得到广泛应用。

1 多频谱发烟组件设计、制造与测试

1.1 试剂与仪器

试剂：某型中碳合金钢材料，河钢集团石家庄钢铁有限责任公司产；KNG-150 石墨烯(平均粒径为15 μm)、碳纳米管(平均粒径为20 nm)，苏州碳丰石墨烯科技有限公司产；T700 短切碳纤维，(直径为5 μm，长度为2 mm)，东丽碳纤维广东有限责任公司产；沥青(工业级)，保定中油沥青有限公司产；乙醇(分析纯)，天津市永大化学试剂有限公司产；氩气(纯度≥99.999%)，石家庄特种气体有限公司产。所有使用的化学试剂均未进一步纯化。

仪器：超声波清洗机(KQ5200E)，昆山市超声仪器有限公司产；鼓风干燥箱(DZF-6030A)，上海一恒科学仪器有限公司产；箱式气氛炉(KBF-16Q)，南京博蕴通仪器科技有限公司产；JHF-I/II型红外辐射计(红外辐射计光谱范围：1~ 3 μm、3~5 μm、8~14 μm，噪声等效温差0.2 K；红外透过率测试系统透过率测量范围：1%~100%，测量精度≤2%)，自研；3 mm 波和 8 mm 波测试系统(衰减值测量范围：0~20 dB；测量精度≤-30 dBm)，电子科技集团第五十研究所产；ST 型宽量程可见光照度计(照度计照度测量范围0.1~50000 lx，照度误差±3%；可见光测试系统透过率测量范围1%~100%，测量精度≤4%)，自研；DZQ-03B 便携气象仪，长春气象仪器研究所产；DSR-600P 数字全景摄像机，索尼(中国)有限公司产。

1.2 发烟组件结构设计与制造

发烟组件主要由减速伞、子弹罐体、近炸引信及连接件等组成[21]。配用于装甲车辆的发烟弹主要用于干扰敌方观瞄和射击、掩护己方装甲车辆等技术装备及人员作战行动，所保护的目标高度一般不超过2 m[22]。本文研究的子母式发烟弹主要针对敌方可见光/红外/激光侦察器材，在敌方阵地或我方装备前形成烟幕来干扰敌方侦察。爆炸法形成的烟幕高度约为3 m，对FGM-148 标枪反坦克导弹这类采用攻顶设计的反坦克武器也可有效遮蔽，若发烟弹起爆高度过高则会在水平方向上露出保护目标；烟幕过低则爆炸分散过程中大量烟幕粒子直接沉降到地面，影响干扰效果，这就要求发烟弹所形成的烟幕要有一个合适且精确的高度。因此发烟组件设计时采用电容近炸引信，可精确控制爆高，保证了烟幕分散高度。其控制爆高的原理是利用在弹目接近过程中引信电极与目标间电容量的变化来控制引爆[23]。电容近炸引信定距精度高，在小炸高条件下尤为明显。通过减旋、减速装置设计，保证了各种弹道环境下母弹开舱后发烟组件的空中姿态正常，提高了近炸引信作用可靠性及多频谱干扰剂利用效率。烟幕弹子弹采用中心爆炸分散结构，中心爆管装填扩爆药，四周压制多频谱干扰剂，结构简单，作用可靠。

以单个子弹罐体为研究对象，基于子母式发烟弹的发射过载与应力计算对其尺寸进行设计。子弹罐体壳体选材为中碳合金钢，根据战斗部内部尺寸，确定子弹罐体外半径为63.8 mm。作用于子弹罐体上的合力F表达式为

式中：m为整弹质量(kg)；a为干扰弹的加速度(m/s2)。

发射瞬间，干扰弹受到的力主要来自火药燃气推力，作用于子弹罐体上的合力还可表示为

式中：pf为发射时产生的火药燃气压力(Pa)；r为干扰弹半径(m)。

子弹罐体与干扰弹作为整体，其加速度相同，则由式(1)和式(2)可得子弹罐体加速度a的表 达式：

则子弹罐体受到的合力Ft可表示为

式中：mt为子弹罐体质量(kg)。

由于合力的作用方向为沿弹体轴向，子弹罐体薄弱处为壳体横截面，则由式(4)可进一步得到壳体横截面的应力σ表达式[24]：

式中：rc为子弹罐体的外半径(m)；rt为子弹罐体的内半径(m)。

要使子弹罐体能够承受发射产生的高过载，则子弹罐体材料的极限应力应小于许用应力σs乘以安全系数(一般结构安全系数取1.4)[25]，关系式如下：

将式(5)代入式(6)，可得子弹罐体内径rt需 满足：

干扰弹发射时，其最大发射膛压pf为 223.5 MPa，取子弹罐体的外半径rc为63.8 mm，干扰弹半径r为77.5 mm，子弹罐体的相关总质量mt为20.6 kg，干扰弹总质量m为45.5 kg，某型中碳合金钢的许用应力σs为 600.0 MPa。根据 式(7) 可知，子弹罐体内半径rt需小于 57.9 mm，在发烟组件的设计中取rt为55.8 mm，可满足轴向抗过载强度要求。

在壳体设计中，材料为某型中碳合金钢，厚度为8.0 mm，高为127.5 mm。为便于烟幕初始云团布散，在壳体四周对称分布8 个V 形刻槽。刻槽深度4.5 mm，夹角为90°。内部装填多频谱复合干扰材料，装填密度为 0.80 g/cm3，装药半径为 55.8 mm，装填量为1 kg。中心为TNT 药柱，装填密度为1.64 g/cm3，装药半径为9.0 mm。

为增大横向烟宽，应尽量减小爆炸时干扰剂在轴向上的分散，使形成的烟幕云团尽可能沿着横向分散。因此，壳体上下端的厚度应大于侧壁厚度，为强化壳体结构并提高多频谱干扰剂装填量，采用一端开口的罐体结构，下端壁厚为8.0 mm，上端压螺总壁厚25.0 mm，半径为108.0 mm，其与壳体为过盈配合，配合厚度为5.0 mm。发烟组件子弹罐体正视图如图1 所示。

图1 子弹罐体正视图Fig. 1 Front view of the smoke canister

1.3 多频谱干扰剂的制备

基于文献[26-27]的研究成果，将沥青、石墨烯和碳纳米管按照一定质量比投料，制备出碳纳米管/石墨烯/碳复合材料。首先，把50 mL 沥青加入 150 mL 煤油溶剂中，搅拌并超声震荡4 h 使其溶解，使用双层定性中速滤纸过滤除去杂质，得到浅棕色的沥青溶液。第2 步为原位反应：将1 g 碳纳米管和1 g 石墨烯加入沥青溶液，在60 °C 水浴条件下不断搅拌直至煤油完全挥发后放入鼓风干燥箱，在60 °C 下继续干燥12 h，得到碳纳米管/石墨烯/碳复合材料前驱体[28-29]。直接将复合材料前驱体放入氩气气氛的箱式气氛炉中进行800 °C 碳化处理1 h，制备出碳纳米管/石墨烯/碳复合材料[30]。控温程序为：以5 °C/min 的速率由室温升至200 °C 后保温30 min，接着以5 °C/min 的速率升至800 °C后保温1 h，以5 °C/min 的速率降至250 °C 后随炉冷却。最后使用气流粉碎机将制备的复合材料粉碎并分级，选取中值粒径D50为3~5 μm 的样品。

2 mm 短切碳纤维在生产过程中经过了上浆处理，上浆处理主要起到减少碳纤维起毛断丝、提高加工性能的作用。然而短切碳纤维表面的上浆胶(主要为聚酰胺、环氧树脂、聚乙烯等高分子材料)[31]易使多频谱干扰剂在混制、装填过程中团聚，不易分散。为提高多频谱干扰剂中短切碳纤维的利用率，在800 °C 下对其热处理2 min 除去表面的上浆胶。通过复合配药技术，将D50为3～5 μm的碳纳米管/石墨烯/碳复合材料与除胶后的2 mm短切碳纤维以85:15 的质量比在乙醇溶液中混制，得到多频谱干扰剂。

上述碳纳米管/石墨烯/碳复合材料D50、热处理除胶温度、复合材料与短切碳纤维的质量比、混制溶剂这4 个主要制备条件，是使用L9(34)正交表进行正交实验确定的[27]。以干扰剂的遮蔽性能为评价指标，最终确定多频谱干扰剂的最佳制备条件。图2 为多频谱干扰剂制备的流程图。

图2 多频谱干扰剂制备流程图Fig. 2 Preparation flow chart of the multi-spectral interfering agent

1.4 烟箱性能测试

为研究多频谱干扰剂的红外、毫米波、可见光波段干扰特性，使用烟箱试验系统(体积为 16.5 m3，光程为2.1 m，设有3 个搅拌风扇，内部衬有吸波海绵，可视为微波暗室)对多频谱干扰剂进行了测试。红外波段采用工作波段1~3 μm、3~ 5 μm 和8~14 μm 的红外辐射计及100 W 钨丝红外光源进行测量，毫米波波段采用3 mm 波和8 mm波测试系统进行测量，可见光波段(0.4~0.8 μm)采用可见光照度计及100 W 钨丝白炽灯光源进行测量。烟雾固态微粒质量浓度的测定采用滤膜称重法，取直径为 20 cm 的玻璃纤维滤膜在烘箱(120 °C)内烘干20 min，称量滤膜质量后装入滤膜质量浓度测试仪，烟幕稳定后启动滤膜质量浓度测试仪，流量调节至2 m3/h 采集烟幕固态微粒。测试结束排烟后取出滤膜并放入烘箱(120 °C)烘干 20 min 后称量滤膜质量，计算烟雾固态微粒质量浓度。

烟箱性能测试过程如下。按照国家军用标准GJB 8684—2015 烟火药性能试验方法[32]中的试验方法，将红外测试系统、毫米波测试系统、可见光测试系统的发射端和接收端布设于烟箱光程两端的光学窗口(见图3)，对各测试系统的发射端进行调试使发射信号稳定后可施放烟幕。在0.7 MPa 下将多频谱干扰剂喷入烟箱，同时启动风扇搅拌使多频谱干扰剂分散均匀、完全成烟。静置稳定多频谱干扰剂的浓度后测量多频谱干扰剂的干扰性能，同时启动滤膜质量浓度测试仪采集烟幕固态微粒。

图3 烟箱测试系统Fig. 3 Smoke screen test system

1.5 实爆实验

为验证发烟组件与多频谱干扰剂的匹配效果，使多频谱干扰剂发挥出最优性能，本文在地面风速2~5 m/s、大气垂直稳定度等温或逆温的气象条件下，对装填多频谱干扰剂的发烟组件进行了实爆实验，测量发烟组件的遮蔽宽度及持续时间。实爆实验的时间选在日落后10 min，日落后由于地面温度的降低，大气开始出现辐射逆温现象，可阻碍干扰剂因大气垂直对流运动引起在垂直方向上的扩散。

图4 为实爆实验系统，发烟组件固定在挂架上，距地面高度为3.5 m，使用静爆法模拟发烟组件在开舱后被抛撒至预定高度后起爆的静态成烟过程。三组发烟组件间隔为15 m，轴向并联一次性起爆，每个发烟组件干扰剂装填量均为1 kg。按照国家军用标准GJB 8670—2015 特种弹效应试验方法[33]中的试验方法，采用摄像法对发烟组件的有效烟幕宽度、时间特性进行测试。

图4 实爆实验系统Fig. 4 Explosion experiment system

2 实验结果与讨论

2.1 红外透过率、毫米波衰减值、可见光透过率

干扰剂在大气中以气溶胶或类似体系形成烟幕后才能具有有效的遮蔽、干扰效果，因为烟幕位于目标与探测器之间，所以通常用透过率这一电磁波衰减指标来评估干扰剂的干扰性能。透过率的计算公式如下：

式中：P为电磁波通过烟幕后的强度(W)；P0为电磁波通过烟幕前的强度(W)。

衰减值是针对毫米波波段进行评价的电磁波衰减指标，其原理是与透过率相同的，衰减值只是透过率的另一表达形式，其计算公式如下：

图5 为多频谱干扰剂的红外透过率、毫米波衰减值、可见光透过率曲线。干扰剂喷入烟箱时烟箱内部的温度为18°C，湿度为46%。从图5 中可以 发现，随着多频谱干扰剂的施放，在很短的时间内红外透过率、毫米波衰减值、可见光透过率降低到最小值。随着气流和搅拌风扇的作用，红外、可见光透过率会在小范围内波动。当多频谱干扰剂分散稳定后，红外、可见光透过率曲线趋于稳定。而毫米波衰减值降低到最小值后在较短时间(<15 s)内恢复到初始值，这是由多频谱干扰剂中短切碳纤维的性质决定的。为有效干扰毫米波波段，根据半波谐振理论，把散射体长度设计为入射电磁波波长的0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍、···时，散射体在电磁波的作用下形成偶极子，对毫米波产生干扰。这种尺度在毫米级别的纤维、箔条类材料不同于气溶胶颗粒(粒径<10 μm)，其自身在大气中的浮力无法抵消重力作用[34]，释放后在短时间内便会沉降，导致毫米波衰减值降低到最小值后不会持续较长时间。多频谱干扰剂的红外透过率在1~3 μm 为1.98%，在3~5 μm 为3.04%，在8~14 μm 为8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰减值可达-14.52 dB 和-11.76 dB；可见光透过率为6.96%，具有较好的多频谱遮蔽能力。

图5 多频谱干扰剂的红外透过率、毫米波衰减能力、可见光透过率曲线Fig. 5 Infrared transmittance, mm-Wave attenuation and visible transmittance spectra of the multi-spectral interfering agent

2.2 质量消光系数

为研究多频谱干扰剂的遮蔽性能，本文测量了多频谱干扰剂的质量消光系数αe。αe为干扰剂红外/可见光干扰性能的核心指标，可由红外/可见光透过率计算得到，干扰剂的质量消光系数越大表示相同条件下完成干扰任务消耗的干扰剂越少。根据朗伯比尔定律，透过率[35]可表示为

式中：c为烟幕测试系统中烟雾固态微粒质量浓度(g/m3)；l为光程(m)。则αe的计算公式[36]如下：

根据式(11)计算出多频谱干扰剂在各波段下的αe，结果如表1 所示。

表1 多频谱干扰剂在红外、可见光波段的质量消光系数Table 1 Mass extinction coefficient of the multi-spectral interfering agent at infrared and visible bands

目前常用的鳞片铜粉、超细石墨等干扰剂的质量消光系数约为0.2~0.7 m2/g，大部分研究实测值介于0.2~0.5 m2/g 之间[2,12,37-38]。由表1 可知，多频谱干扰剂在红外、可见光波段的质量消光系数均大于0.8 m2/g，在近、中红外波段大于1.1 m2/g，具有理想的红外、可见光干扰性能。综合红外透过率、毫米波衰减值、可见光透过率和质量消光系数分析，本文研究制备的多频谱干扰剂具有较好的多波段遮蔽能力，有望广泛应用于无源干扰领域。

2.3 动态干扰性能

为验证发烟组件与多频谱干扰剂的匹配性与分散效果，测试多频谱干扰剂的动态干扰性能，根据国家军用标准GJB 8670—2015 的测试要求，开展了2 次发烟组件实爆实验(其中预实验、正式实验各1 次)。正式实验各时段风速、风向见表2，可见现场风速较小且风向平稳，主要靠发烟组件爆炸分散实现干扰剂的扩散。截取1 s、10 s、20 s、 60 s 时全景摄像机和红外热像仪拍摄的烟幕云团图像，如表3 所示。

表2 实爆实验各时段风速、风向Table 2 Time series of wind speed and wind direction in the smoke module explosion experiment

表3 发烟组件实爆实验Table 3 Images of the smoke module explosion experiment

在0 s 起爆后，TNT 药柱爆炸产生大量高温、高压气体带动装填的多频谱干扰剂迅速向外部挤压，发烟组件爆炸成烟。由表3 可知：多频谱干扰剂所成烟幕对可见光波段有良好的遮蔽效果，从可见光与红外图像可以发现烟幕在两个波段的扩散过程具有一致性；烟幕在1 s 内快速形成连成一体的初始烟幕云团，满足发烟组件快速成烟的应用需求。从20~60 s 的图像可以发现，初始烟幕云团在2.5 m/s 的南风作用下，随风向下风向扩散形成气溶胶烟云。另外，起爆后烟幕云团主要沿横向分散，表明发烟组件的结构较利于烟幕云团扩散，从而形成稳定的干扰烟幕。

有效烟幕宽度、持续时间的计算参照国家军用标准GJB 8670—2015特种弹效应试验方法进行，2次实爆实验中3组发烟组件轴向并联一次性起爆形成的烟幕，红外、可见光波段平均持续时间大于60 s，平均有效烟幕宽度大于60 m，平均烟高2.6 m，发烟组件与多频谱干扰剂达到了较好的匹配效果。

3 结论

本文采用原位反应与复合配药技术，制备了多频谱干扰剂并通过烟箱测试了多频谱干扰剂的红外、毫米波、可见光波段干扰性能；基于理论计算与试验验证，设计了多频谱发烟组件并对其进行了实爆实验，验证了多频谱干扰剂的动态干扰性能。得到主要结论如下：

1)通过原位反应与复合配药技术制备的多频谱干扰剂对红外、毫米波、可见光波段具有良好的干扰性能。多频谱干扰剂在红外、可见光波段的质量消光系数均大于0.8 m2/g；红外透过率在1~3 μm为1.98%，在3~5 μm 为3.04%，在8~14 μm 为8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰减值最大为-14.52 dB和-11.76 dB；可见光透过率为6.96%，均优于目前常用的鳞片铜粉、超细石墨等干扰材料。

2)为了验证多频谱发烟组件的可行性与动态干扰性能，开展了实爆实验。起爆后干扰剂在1 s 内快速成烟并连成一体，红外、可见光波段持续时间大于60 s，有效烟幕宽度大于60 m，平均烟高 2.6 m。证明发烟组件与多频谱干扰剂匹配合理，分散效果良好。