一種靶標彈的紅外劑研究?

（海軍駐齊齊哈爾地區某部 齊齊哈爾 161041）

1 引言

靶標彈主要用于模擬典型反艦導彈的速度特性、雷達反射特性、紅外輻射特性等目標特征，滿足水面艦艇反導武器系統搜索、捕獲、跟蹤和目標指示等訓練使用要求［1］。

靶標彈彈丸主要由雷達信號增強裝置和紅外炬組成。紅外炬主要由紅外劑裝藥、炬殼、中性藥、和絕熱層等組成［2］。

紅外炬的紅外輻射性能由紅外劑決定，紅外劑主要由可燃金屬粉、遠紅外特征輻射物質、氧化劑、催化劑、粘合劑和阻旋劑等組成［3］?？扇冀饘俜叟c氧化劑燃燒時在3μm～5μm內有輻射峰值；遠紅外特征輻射物質燃燒時在8μm～14μm波段內有輻射峰值，紅外輻射強度高，燃燒時間長，具有較高的輻射率；催化劑起到加速反應調節燃燒速度并提高紅外輻射輸出率的作用；高分子粘合劑使紅外劑具有足夠的機械強度，以滿足紅外炬動態抗旋及抗高過載要求；阻旋劑可減少紅外炬的動態燃燒時間損失。

2 國內外研究現狀

2.1 國外研究現狀

隨著防空反導武器系統性能的日益提高，世界各主要國家都十分重視部隊訓練靶標的研制與裝備。20世紀90年代前，防空訓練用靶標的主要發展方向是靶機和靶彈。典型的靶標彈有美國的“草原狼”靶彈系統和俄羅斯的“寵臣”靶彈系列?！安菰恰卑袕椣到y是美國海軍航空系統司令部計劃研發的可模擬反艦巡航導彈的超音速掠海飛行靶標，能滿足美國海軍艦空導彈武器系統試驗、艦隊訓練和新武器系統的測試需求［4～5］。該靶彈采用4進氣道固體燃料涵道火箭沖壓發動機，全長5.5m，直徑0.35m，以MK70固體火箭助推器為第1級，獲得超音速起飛速度，在該助推器分離之后保持馬赫數2.8的巡航速度，可模擬眾多反艦巡航導彈?！皩櫝肌卑袕椣盗兄饕蒀-300Ⅱ型多通道防空導彈系統5B55導彈改裝而成，該系統在飛行速度、高度、機動性能、有效反射面積方面能模擬現代化空襲兵器的廣泛性、多樣性［6］。

2.2 國內研究現狀

1）萊斯頓拖靶

從英國引進的萊斯頓拖靶系統可以根據高度、飛行速度和牽引長度（最長可達12km）提供各種拖靶系統以滿足各類導彈的射擊訓練。目前國內主要用于857和萬發炮定型。其主要缺點是只能模擬亞音速導彈飛行特性，價格昂貴，約30萬/枚，且不可重復使用［7］。

2）退役導彈改裝型靶彈

目前用于海上防空反導訓練的主要是SY2號和YJ的改裝型，該彈屬于亞音速導彈。缺點是輻射面積太大，速度太低，不能真實模擬防空反導武器系統所抗擊的目標特性［8］。

3）航?；蝻w機拖靶

航?；蝻w機拖靶由于受飛行動力學的影響，其飛行高度較高，速度低，難以模擬高速低空飛行的海上目標，與我水面艦艇編隊所要應對的目標特性差異較大［9］。

3 紅外輻射的基本定律

1）普朗克定律

普朗克定律給出了黑體輻射的光譜分布，其數據表達式為

式中：Eλ為光譜輻射通量密度，單位為W·m-2·μm-1；T為絕對溫度，單位K；λ為波長，單位μm；C為光速，值為2.997925×108m·s-1；K為波爾茲曼常數，值為1.38×10-23W·s·K-1；e為自然對數的底，值為2.718；h為普朗克常數，h=6.63×10-34J/S；C1為為第一輻射常數，值為3.74×104W·μm4·m-2；C2為為第二輻射常數，值為1.438×104μm·K。

由普朗克定律可知，當溫度T不變時，Eλ是λ的函數。

2）斯蒂芬—波爾茲曼定律

斯蒂芬—波爾茲曼定律表示普朗克公式從零到無窮大的波長范圍內積分，得到的輻射通量密度。即從1cm2面積的黑體，輻射到半球空間里的總輻射通量密度，其表達式：

式中：E為輻射通量密度，單位為W·m-2；σ為斯蒂芬常數，值為5.67×10-8·m-2·K-4；T為溫度。

3）維恩位移定律

普朗克定律指出，當提高黑體溫度時，輻射譜向短波方向移動。維恩位移定律則以簡單形式給出了這種變化的定量關系。維恩位移定律表示對普朗克公式微分，就求得黑體溫度與光譜輻射通量密度的峰值波長的關系：

式中：λm為光譜通量密度的峰值波長，單位為μm；b為維恩位移常數，值為b=2.898×103μm·K。

黑體輻射定律是對黑體而言的，若增加一個因子，就可以用于煙火火焰發光中的固體、液體微粒的熱輻射，此因子即發射率，它是在同一溫度下任一物體輻射出射度E與黑體的輻射出射度Eb之比

有了發射率ε，就可以計算出發光劑的輻射強度I：

式中：I為發光劑的輻射強度，W/sr；A為發光劑的火焰輻射面積，cm2。

由式（5）可知，欲使紅外劑的輻射強度提高，在技術上可以采取三種途徑：一是提高燃溫T的辦法（它能以4次方的指數規律影響著發光劑的輻射強度變化），二是通過增大火焰輻射面積A，三是提高發射率ε［10］。但是，由式（3）又發現，燃溫T的提高，會帶來輻射峰值波長移向短波，由于峰值波長移向短波后，相應的光譜能量分布會降低。因此，對于8μm～14μm波段的紅外輻射，不能一味地靠燃溫的提高來提高其紅外輻射強度。另外，由于紅外炬外形尺寸的限制，很難通過增大火焰面積A來提高紅外劑的輻射強度。

由式（5）可知，若加入能發射特定波長的特征輻射物質（即提高發射率ε），將此作為輻射劑，使其參與燃燒反應過程，并生成相應的8μm～14μm的輻射體，以此構成能量疊加；或是特征輻射物質自身部分在燃燒反應過程中被活化，其分子旋轉振動或其原子外層電子發生能級躍遷產生了在8μm～14μm波段內的紅外輻射，構成能量疊加，這樣就可以提高總體輻射效能。

因此，在該靶標彈紅外劑研究時應選擇燃燒溫度較高的基礎配方，并在其中加入遠紅外特征輻射物質，提高8μm～14μm波段的輻射輸出。

4 紅外劑研究

4.1 遠紅外特征輻射物質對紅外劑性能影響研究

通過查找資料可知，SiO2、TiO2、MoO3、WO3等在遠紅外波段有一定的紅外活性，預提高紅外劑在遠紅外波段的輻射強度應保證這些物質激發所需要的能量供給，或者采用相應的物質燃燒生成上述特征輻射物質。在保證藥劑氧平衡基本不變的前提下，對遠紅外特征輻射物質進行了一系列試驗研究［11］。遠紅外特征輻射物質對紅外劑性能影響試驗結果見表1。

安：當然是范·克萊本的演繹！關于你說的解構，我認為他是第一個拋開此曲極其復雜的技術，而以更高的視角審視此曲完整藝術價值的演奏家！這樣的視角也是極有前瞻性的。他的演奏不追求極致速度，卻是滿滿的音樂性、歌唱性。他無須用這首曲子證明什么，也并未因為其中的技術而歇斯底里。他把“拉三”當成純粹的音樂。

表1 遠紅外特征輻射物質對紅外劑性能的影響

由試驗結果可以看出，含有遠紅外特征輻射物質的2號配方與不含遠紅外特征輻射物質的1號配方相比，其燃燒時間基本保持不變（增加了0.7%），而3μm～5μm波段紅外輻射強度增加了53.2%，8μm～14μm波段紅外輻射強度增加幅度更大，達266.2%。這說明遠紅外特征輻射物質的加入對3μm～5μm波段紅外輻射強度的提高有一定作用，特別是對8μm～14μm波段紅外輻射強度的提高有較大作用。加入遠紅外特征輻射物質后，該紅外劑在8μm～14μm波段紅外輻射強度大于指標要求的200W/sr；而未加入遠紅外特征輻射物質時，8μm～14μm波段紅外輻射強度只有71 W/sr。

4.2 粘合劑種類對紅外劑性能影響研究

在保證其它成分配比不變的前提下，選擇兩種不同種類的粘合劑，進行紅外劑性能試驗研究，試驗統計結果見表2。

表2 粘合劑種類對紅外劑性能影響試驗研究

由上表數據可以看出，粘合劑為環氧樹脂的紅外劑與粘合劑為清油的紅外劑相比，3μm～5μm波段紅外輻射強度增加了40.4%，8μm～14μm波段紅外輻射強度增加了20%，抗壓強度增加了35.9%，燃燒時間減少了8.4%。這說明選用環氧樹脂粘合劑3μm～5μm和8μm～14μm波段紅外輻射強度均有大幅提高，抗壓強度也有明顯提高，但燃燒時間稍短。說明以環氧樹脂為粘合劑的紅外劑能同時滿足8μm～14μm波段紅外輻射強度要求和抗高過載要求。

4.3 粘合劑含量對紅外劑性能影響試驗研究

粘合劑的加入使紅外劑具有一定的機械強度，以滿足發射時的過載。其含量的變化對紅外劑性能的影響試驗結果見表3。

表3 粘合劑含量對紅外劑性能的影響

4.4 阻旋劑對紅外炬動態燃燒時間影響研究

靶標彈彈丸高速旋轉時，紅外劑的燃速比靜態時急劇加快。燃速和轉速成正比關系：

式中：υ為燃速，cm/s；ω 為轉速，r/min；a為靜態燃燒速率，cm/s；b為燃速隨轉速改變時的變化梯度。

動態燃速的增加將導致動態燃燒時間較靜態時變短。我們對含阻旋劑的紅外劑和不含阻旋劑的紅外劑進行了紅外炬動態性能試驗［12］，并測試了紅外炬的靜態輻射強度和燃燒時間，試驗統計結果見表4。

由試驗結果可以看出，含阻旋劑的紅外炬動態燃燒時間損失率為29.3%；不含阻旋劑的紅外炬動態燃燒時間損失率為46.1%。這說明阻旋劑的加入能有效地減少動態燃燒時間的損失。

4.5 紅外炬高、低、常溫靜態性能測試

按確定配方、混藥工藝混制紅外劑；壓制紅外炬，分別做高、低、常溫靜態性能測試，測試統計結果見表5。

表5 紅外炬靜態性能測試統計結果

由試驗結果可以看出，紅外炬高、低、常溫，紅外輻射性能波動不大，燃燒時間按高、常、低溫順序逐漸增加，增加幅度較小，符合規律。說明該紅外劑性能比較穩定，波動不大。

5 結語

1）遠紅外特征輻射物質的加入能有效地增加8μm～14μm波段的紅外輻射強度。

2）在其它成分配比不變的情況下，粘合劑的種類不同對紅外炬的燃燒時間和抗壓強度均有較大影響。

3）在紅外劑中加入阻旋劑，能有效地減少動態燃燒時間的損失，紅外炬的動態燃燒時間損失率只有30.0%。而不加阻旋劑時紅外炬的動態燃燒時間損失達46.1%。

4）紅外炬高、低、常溫紅外輻射性能穩定，燃燒時間波動小。