氣溶膠抑制紅外輻射研究綜述

劉光猛，鄧海飛，汪衛華

(中國人民解放軍陸軍軍官學院，安徽合肥230031)

1 引言

現代戰場光電武器系統的快速發展給紅外特征明顯的空中目標帶來巨大威脅，精確制導武器等現代武器的運用已經達到了“目標只要被發現，就能被擊中，只要被擊中，就能被擊毀”的水平。因此，降低目標紅外輻射強度，減少紅外探測系統和紅外制導導彈威脅變得尤為重要［1］。20世紀80年代中期以來，紅外隱身技術的作用日趨突出，主要體現在:①當前使用的各類探測系統中，紅外探測器約占30%;各國使用的精確制導武器中，紅外制導約占60%。②在對空作戰中，紅外制導導彈擊落的飛機約占被擊落的飛機總數的70% ～80%［2－3］。因此，紅外隱身技術被廣泛應用于高科技武器裝備尤其是高價值空中作戰平臺上。

以飛機為例，作為紅外探測器探測的目標，其紅外特征主要包括發動機熱部件輻射、飛機蒙皮由于氣動加熱產生的輻射、蒙皮對外界輻射的反射和飛機的尾噴流輻射。針對飛機的紅外特征，各國發展的隱身技術主要有［4］:①對飛機的發動機采用遮擋措施(美國的YF—23A戰斗機采用槽溝伏尾噴排氣道，使其尾噴口被后機身從下面遮擋);②改進發動機結構設計(采用復合材料制造的S型二元噴管和排氣口紅外抑制擋板等);③采用紅外隱身燃料和反紅外探測涂料;④利用氣溶膠屏蔽發動機尾焰的紅外輻射。

氣溶膠紅外隱身技術是針對發動機排出的高溫燃氣及飛機發動機噴口的熱部件在3～5μm及8～14μm波段的紅外輻射而研究的一種有效的隱身方法。其作戰方式為:利用氣溶膠在高溫尾噴流周圍形成的氣溶膠屏蔽層對紅外輻射進行散射和吸收，同時在尾噴管周圍形成的固體顆粒層對紅外輻射也有很好的屏蔽作用。

相對于其他各類隱身技術，氣溶膠抑制紅外輻射傳輸技術的優勢在于:①對發動機的推力損失較小;②不改變飛機的氣動特性;③在發動機噴口施放的氣溶膠粒子對尾噴流進行包裹的同時，形成的氣溶膠粒子層對尾噴口紅外輻射也有一定的散射作用;④隨著石墨烯、二氧化硅氣凝膠等新型氣溶膠材料的研制，氣溶膠抑制紅外輻射傳輸技術針對發動機尾流在3～5μm及8～14μm兩個波段的紅外輻射均能起到較好的抑制作用，對新型紅外制導導彈具有較好的針對性;⑤該技術可以直接應用于已經列裝的武器裝備上［5］。

2 基本原理

氣溶膠是由液體或固體小質點分散、懸浮在氣體介質中形成的膠體分散體系，又稱氣體分散體系。其分散相為液體或固體小質點，其大小為0．001～100μm，分散介質為氣體［6］。氣溶膠抑制紅外輻射的基本原理如圖1所示，由圖可以看出氣溶膠對紅外輻射的抑制主要體現在［7］:氣溶膠粒子對被保護目標發射或反射的紅外信號具有較強的吸收和散射能力;氣溶膠本身可以發射紅外輻射將目標和背景的紅外輻射覆蓋。

圖1 氣溶膠抑制紅外輻射基本原理圖

氣溶膠紅外隱身技術就是將微米或納米級的固體粒子噴射在尾噴流的周圍，由于受到空氣浮力和湍流的作用而懸浮在空氣中，形成氣溶膠遮蔽層，對發動機尾噴流形成包裹，使透過的光能量大大減少，光電探測系統因不能拾取足夠的光輻射能量而失效，以此達到紅外隱身的效果［8－9］。朗伯－比爾定律系統地描述了消光效應的實際意義，其表達式為:

式中，T為透過率;I為透過的光強度;I0為入射的光強度;N為氣溶膠顆粒粒子濃度;σe為消光截面;L為傳輸距離。

由上式可知，消光截面越大，氣溶膠顆粒濃度越大，則消光或衰減效果越好。

3 國內外研究現狀

3．1 國外研究現狀

氣溶膠紅外隱身技術在軍事上的應用得到各個軍事大國青睞，國外自20世紀以來開展了大量相關工作，并已經在坦克和戰機上得到了實際應用。由于軍事保密等原因，從公開發表的文獻中得知，美國猶他州立大學紅外物理實驗室早在20世紀60年代就做了氣溶膠紅外隱身技術機理方面的研究，但所寫論文均未公開發表。60年代以來，美國空軍與約翰·霍普金大學、美國鮑林空軍基地、航天總公司及猶他州立大學等合作開展了通過在機身后噴射煙云的方法衰減紅外輻射，做了大量實驗，實驗結果表明:固體顆粒氣溶膠抑制效果為最好，不同材料的氣溶膠粒子對熱噴流紅外輻射的吸收、散射作用差別較大［10－11］。除美國外，以色列航空工業部在20世紀80年代通過在模型發動機四周噴射氣溶膠，形成氣溶膠遮蔽層，測量了各個角度上的紅外輻射衰減情況。結果表明，碳粒形成的氣溶膠遮蔽層對尾噴流的紅外抑制最高可達85%以上［12－13］。氣溶膠紅外隱身技術已經在國外的武裝直升機上得到實際應用，如美軍研制并裝備的用于飛機防護的M259型抗紅外煙幕彈，該彈用火箭發射，距飛機32 m處形成遮蔽紅外輻射的氣溶膠煙幕，持續時間約為5 min，寬度達數公里。國外在氣溶膠紅外隱身技術方面的研究逐步得到重視并取得大量成果，隨著無人機在未來戰場上的作用日趨重要，在無人機上應用氣溶膠紅外隱身技術卻尚未見報道，相信未來幾年在無人機上應用氣溶膠紅外隱身技術必將成為現實。

3．2 國內研究現狀

國內關于氣溶膠抑制紅外輻射的研究始于20世紀90年代初，在坦克部隊的煙霧干擾中有了實際應用。90年代，我國學者針對某種粉末材料開展過抑制熱噴流紅外輻射的實驗研究，得到了一些有益的實驗結果［14］。聶傳虹［15］等通過測試不同厚度的氣溶膠紅外抑制效果，得出了紅外抑制量隨著氣溶膠粒子濃度的增加而增大的結論，在其實驗條件下，抑制量最高可達91%。韓啟祥［14］等搭建了一套發動機尾噴口的模型實驗臺及氣溶膠噴射系統，通過氣溶膠噴射系統在尾噴流四周形成的環形氣溶膠遮蔽層，以此降低尾噴口的紅外輻射。實驗結果表明，粒子濃度越大，紅外抑制效果越好，當耗粉量達到10 g/s時，氣溶膠粒子的紅外抑制量可達90%以上。黃朝軍［16］等通過理論分析和數值計算相結合的方法對氣溶膠凝聚粒子散射特性進行研究，分析得出不同尺寸參數下的氣溶膠凝聚粒子散射特點。劉亞鋒［17］等對紅外波段下影響氣溶膠粒子光學特性的主要因素分別進行分析計算，得出的結論為紅外輻射在氣溶膠中的傳輸特性提供參考依據。王紅霞［18］等基于Mie和DDA方法分別計算了三種形狀粒子對近紅外波段入射光單次散射的消光參量，得出了透過率與粒子形狀之間的關系。劉香翠［19］等對煙幕粒子遮蔽性能的兩個特征參數進行定量表征為實驗室篩選發煙劑提供依據。

國內在研究氣溶膠抑制紅外輻射方面最具代表性的是南京航空航天大學以常海萍教授為首的課題組，在“十五”、“十一五”期間，以離散顆粒抑制熱噴流紅外輻射傳輸特性為研究對象，從粒子的消光機理出發，利用CFD數值模擬和地面實驗相結合的方法，在氣溶膠材料的選取、離散顆粒消光效率因子的計算、噴射系統的設計等方面開展了深入系統的研究，總結出了氣溶膠抑制紅外輻射技術在噴氣式飛機上應用的規律方法，為該技術的實際應用打下了堅實的理論基礎［20－28］。

4 氣溶膠抑制紅外輻射關鍵技術

作為一種軍用技術，如何將其應用于實際是問題的關鍵。國外已經將該技術在戰機上得到了實際應用，但由于保密等原因，具體應用手段不得而知。國內該方面的研究起步較晚，對機載氣溶膠抑制紅外輻射技術的研究還停留在機理研究和實驗上。而有效氣溶膠紅外抑制效果取決于兩個重要因素:①合理的氣溶膠屏蔽層形成方法，即采用何種手段形成均勻、穩定的氣溶膠屏蔽層;②氣溶膠材料的物理、化學性質，即對紅外射線的折射、散射、透過和吸收等。

4．1 氣溶膠材料的選取

國內學者在氣溶膠材料的選取上做了大量的研究并得到一些有益的結果。其中姚永平［29］利用煙箱測試了膨脹石墨煙幕對3～5μm，8～12μm兩個波段紅外透過率與時間的關系曲線，用濾膜稱重法測量了膨脹石墨煙幕在不同時刻的質量濃度，計算了膨脹石墨煙幕在兩個紅外波段的平均質量消光系數，分別為 0．8013 m2·g－1和 0．6187 m2·g－1。結果表明，膨脹石墨煙幕具有良好的紅外消光和干擾效果。韓朝江［30］等利用X射線衍射，掃描電子顯微鏡，氮吸附－脫附和傅里葉紅外吸收光譜對二氧化硅復合氣凝膠紅外隱身性能進行了表征，結果表明二氧化硅復合氣凝膠具備一定的隱身性能。劉本利［31］等基于T矩陣理論和Mie散射理論，在10．6μm波段，利用朗伯－比爾定律分別對回轉橢圓體和球形碳黑粒子組成的煙幕干擾特性進行了分析。分析結果表明，等體積情況下，回轉橢圓體組成煙幕的干擾效果更好，并且當粒徑不變時，煙幕濃度和煙幕干擾效果成正比。類成新［32］等采用蒙特卡羅方法對隨機分布的混合凝聚粒子的空間結構進行了仿真模擬，利用Bruggeman有效介質理論得到了占有不同體積份額黑碳的內混合凝聚粒子的等效復折射率。采用離散偶極子近似方法對隨機分布混合凝聚粒子在內外混合狀態下的吸收、散射和消光效率因子等消光特性參量進行了數值計算，比較深入的探討了基本粒子粒徑和數量對混合凝聚粒子消光特性的影響規律。結果表明，隨著凝聚粒子尺度參數的增大，混合方式對散射和消光效率因子的影響逐漸顯著。內外混合方式下，隨著黑碳體積比的增大隨機分布混合凝聚粒子的吸收、散射和消光效率因子均近似線性增大，并且增大的幅度隨著粒子尺度參數的增大而增大。李麗芳［33］等對三種氣溶膠粒子在近紅外波段的消光和散射能力進行了仿真計算，得出了消光特性與粒子半徑之間的關系。吳慧［34］等對石墨烯基納米復合材料在紅外波段消光特性進行測試，測試結果表明石墨烯基復合材料對紅外熱像儀和紅外激光系統均有一定干擾作用。

從以上研究可以看出，石墨、二氧化硅、黑碳三種材料的消光特性較為明顯，可以作為抑制紅外輻射的氣溶膠材料，而材料的粒徑、濃度、混合方式對材料的消光特性是有一定影響的，如何確定合理的粒徑、濃度和混合方式對抑制紅外輻射的效果有直接影響。

4．2 氣溶膠屏蔽層生成方式

氣溶膠煙霧的生成方式主要有爆炸法和噴射法［35］。采用爆炸法時，物質被壓實在一個密封的彈體內，彈體中心有一個擴爆管，爆炸后粉末干擾物分散到空中，發煙劑則被爆炸的火焰點燃。采用噴射法時，要求固態材料必須是事先經過粉碎的小顆粒，在流化狀態下經過噴射裝置噴射到大氣中，對于液態材料必須先進行霧化。爆炸法是軍艦、坦克、裝甲車等運動速度較慢的軍事目標采用的氣溶膠生成方法，其方法是將紅外煙霧彈發射到空中，利用爆炸生成大量的煙霧將目標淹沒包圍，使敵方導彈失去導引信號，該方法已經在坦克上大量使用。由于飛機是高速運動的，爆炸產生的煙霧是靜態的團塊分布，不能對尾焰進行跟蹤和包裹。對比之下噴射法生成的氣溶膠煙霧更適用于飛機，即在尾噴管四周布置適當的氣固兩相噴嘴，利用氣體攜帶離散顆粒，產生穩定均勻的氣溶膠遮蔽層，包裹尾焰［36］。

4．3 氣溶膠抑制紅外輻射數值模擬研究

由于氣溶膠抑制紅外輻射研究中材料的選取，材料濃度、粒徑、噴射角度對于紅外輻射抑制效果均有一定的影響，廣泛開展實驗研究周期太長，耗資巨大，數值模擬研究成了探索氣溶膠抑制紅外輻射研究規律的重要手段之一。計算氣溶膠粒子包裹的尾噴流紅外輻射主要包括以下兩個部分［27］:

(1)含離散顆粒熱噴流流場的數值計算。主要采用商用CFD軟件進行數值模擬，選擇合適的輻射模型、兩相模型以及組分模型等，旨在得到不同條件下的熱噴流(含離散相)溫度場、組分濃度場以及離散顆粒的分布特征，為后面的紅外輻射傳輸計算提供接口數據。

(2)紅外輻射傳輸計算。在此前數值模擬獲得的接口數據基礎上，以大氣紅外輻射傳輸計算方法為基礎，同時考慮計算單元體內離散顆粒對入射能量的衰減，采用射線蹤跡法編制計算程序，求解不同探測點探測到的輻射強度，計算得到噴射氣溶膠前后尾噴流(含熱空腔)的紅外輻射強度，從而獲得氣溶膠的紅外抑制效果。

4．4 地面實驗平臺搭建

開展地面實驗對氣溶膠紅外輻射抑制效果進行驗證是非常必要的。早在20世紀90年代韓啟祥［14］等就建立了一套發動機尾噴口模型試驗臺及氣溶膠施放系統，通過氣溶膠施放系統在尾噴流四周形成環形氣溶膠層，降低尾噴口向外的紅外輻射，試驗對不同流速的尾噴流及二股流、不同的氣溶膠施放位置、施放量及在不同的方位角上的氣溶膠紅外抑制效果作了測量與分析。胡路平［37］搭建了一套氣溶膠消光實驗裝置，整套實驗裝置由發射系統、接收系統、氣溶膠輸送系統三部分構成，對吸濕率對氣溶膠材料紅外消光特性效果的影響進行了評估，其中發射系統部分可以作為氣溶膠生成方式提供參考。潘金棟［38］在 Beer－Lambert定律的基礎上，將7種顆粒樣品分別均勻懸浮于具有高透光性的背景溶劑中，利用傅立葉紅外光譜儀來測量顆粒系的透射率光譜，并計算了顆粒的質量消光系數，可用于衡量顆粒材料的消光性能。常海萍［39］等搭建了由熱噴流實驗臺、氣溶膠發生裝置以及測量系統組成的實驗裝置，對兩種氣溶膠材料在三個方位上的氣溶膠紅外抑制效果進行了測量，對氣溶膠抑制紅外輻射的規律研究有著重要意義。李卉薈［27］搭建了一套完整的氣溶膠施放系統，制作了噴粉環并和噴管進行了組裝，采用FT－IR紅外光譜輻射儀對顆粒包裹的尾噴流紅外輻射強度進行了測量，實驗結果與數值模擬結果吻合。

5 總結與展望

目前針對氣溶膠抑制紅外輻射的研究主要集中在氣溶膠材料的消光特性、材料的選取、粒徑的確定、噴射方式的選擇以及含離散顆粒尾噴流紅外輻射特性計算方法上，這個過程中涉及到粒子消光效率因子的計算，計算流體力學，計算傳熱學和計算輻射學等綜合性數值分析，進而獲得氣溶膠抑制紅外輻射的效果，為氣溶膠抑制紅外輻射實際應用奠定基礎。

鑒于研究大部分集中在高空高速飛機尾噴流紅外輻射抑制上面，而隨著無人機在未來戰場上的作用日趨重要，無人機的作戰方式決定無人機面臨的威脅日益增多，紅外隱身技術在無人機上的應用變的更加迫切。氣溶膠抑制紅外輻射技術作為有效的紅外隱身技術之一，如何運用已經取得的研究進展對氣溶膠抑制紅外輻射技術在無人機上的應用進行系統的規律性研究是無人機紅外隱身重要的課題之一。由于無人機和其他飛機對推力的要求不同，機體結構、發動機、燃料均有不同，發動機噴口部件和尾噴流的紅外輻射特征差異較大，螺旋槳發動機由于螺旋槳的旋轉對尾噴流的擾動，如何形成穩定、有效的氣溶膠屏蔽層對尾噴流進行包裹等新問題既是氣溶膠抑制紅外輻射技術在無人機上的應用面臨的挑戰，同時也對豐富無人機紅外隱身技術具有重要意義。因此，在無人機上開展氣溶膠抑制尾噴流紅外輻射技術具有重要的軍事應用價值。

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