多頻譜發煙組件結構設計與遮蔽性能

李笑楠 , 李天鵬 張開創, 陳浩, 郭愛強 高欣寶

(1. 陸軍工程大學 石家莊校區，河北 石家莊 050003; 2. 63936 部隊，北京 102202; 3. 軍事科學院 防化研究院，北京 102205)

0 引言

采用多模導引頭的精確制導武器抗干擾能力強、精度高、射程覆蓋范圍廣，對我方重要戰場目標構成了巨大威脅[1]。多模導引頭針對不同波段的無源或有源干擾可分別發揮其技術優勢，實現對目標的精確打擊，已經成為當前新一代精確制導技術發展的主流。現有的以煙幕為代表的無源干擾手段，如干擾紅外導引頭的HC 熱煙彈藥、干擾毫米波導引頭的箔條干擾彈，只能干擾采用單一制導體制的導引頭。為保護己方目標，發展能與不同工作波段的多模導引頭對抗的多頻譜干擾手段[2-3]，已經成為當前新一代無源干擾技術發展的一大發展趨勢[4]。

近年來，研究者對多頻譜干擾材料的制備及應用開展了一些研究。陳澤等[5]制備了以SiO2氣凝膠材料為骨架的復合型紅外干擾劑，將其摻雜到常規發煙劑中得到復合發煙劑，所形成的煙幕有較好的遮蔽效果，8~14 μm 波段紅外透過率最低為3.37%。彭文聯等[6]基于富碳型發煙劑設計制備納米石墨基煙幕干擾劑，實現了對紅外、可見光波段的高效遮蔽干擾。董文杰等[7]使用化學鍍膜法制備了鍍銅碳纖維，對3 mm 和8 mm 波的衰減值均大于10 dB。 李樂等[8]對真菌孢子生物材料的紅外消光性能進行了測試，發現制備的生物材料質量消光系數為 1.0 m2/g，優于常見的無機材料。陳文建等[9]對紅磷、銅粉復合固體發煙劑在可見光、激光、紅外波段的干擾性能進行了測試，在煙箱濃度為1 g/m3時各波段透過率<10%。馮長根等[10]介紹了當前先進煙幕彈藥的裝藥結構和成煙方式，介紹了寬波段煙幕劑的配方組成。張恩爽等[11]通過溶膠凝膠法制備了超輕質磁性石墨烯/炭氣凝膠，實現了對紅外、毫米波、可見光波段的有效遮蔽且漂浮性能良好，在實測中布撒30 min 后遮蔽率僅下降15%。暴麗霞等[12]采用一鍋水熱法制備出炭-鐵磁體復合材料，在 4~10 μm 范圍內消光性能較好，消光系數均大于 0.3 m2/g。江飛等[13]基于鋁熱反應分解富碳類物質，設計了一種燃燒型多頻譜干擾劑，對可見光、紅外、激光可基本實現完全遮蔽，對8~14 μm 遠紅外波段的消光系數達到了0.967 m2/g。張帥等[14]對煙幕顆粒的生成與擴散進行了Realizablek-ε模型狀態模擬，較好地表現了煙幕的生成過程，為煙幕彈的結構設計提供了參考。徐路程等[15]在煙幕擴散模擬中引入實際大氣邊界層復雜多變特點的影響，建立了基于計算流體力學的煙幕擴散仿真模型，對照實驗表明模型能較好地反映煙幕的形狀及變化規律。 文獻[16]采用了碳纖維作為毫米波干擾劑，碳纖維長度為3~15 mm，直徑為3~7 μm，可通過爆炸分散形成直徑約4~6 m 的煙幕云團，能有效干擾毫米波導引頭。文獻[17]公布了一種子母式煙幕彈拋撒技術，通過母彈的旋轉和拋射藥共同作用使子彈煙炬均勻拋撒于地面。文獻[18]研究了煙幕彈快速成煙技術，通過熱煙藥劑速燃在0.25 s 內迅速分散，所成煙幕對紅外、可見光波段有遮蔽效果。文獻[19]設計了一種子彈煙炬減速裝置，通過飄帶使下降速度由開艙后的82 m/s 減速至27 m/s，煙幕持續時間可達 55~75 s。文獻[20]公開了多層冷煙技術，拋射藥將 4 個分別裝填可見光、紅外、雷達波段干擾劑的子彈發煙罐體依次拋撒到空中，通過延期藥使各罐體同時起爆成煙，克服了線狀煙幕厚度不足的缺點。

上述研究針對干擾材料制備、復合配藥技術工藝、發煙裝置設計制造、子彈拋撒技術等進行了研究，突破了紅外、可見光、毫米波波段的多頻譜干擾技術，透過率、煙幕持續時間、煙幕寬度等參數也達到了較高的水平。

本文針對干擾材料難以實現毫米波(毫米級)與紅外、可見光(微米級)波段同時有效干擾、多種單波段的干擾劑復配后易團聚、在實際應用中通過爆炸法將干擾劑分散后無法發揮出干擾劑最優性能等尚未解決的問題開展研究。根據發煙組件的保護目標、使用環境特點，基于理論計算與試驗驗證，使用中碳合金鋼材料制造了多頻譜發煙組件子彈罐體；通過原位反應得到碳納米管/石墨烯/碳復合材料，然后使用復合配藥技術使其與短切碳纖維混制，制備出多頻譜干擾劑；通過煙箱，對多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾性能進行了測試并對多頻譜發煙組件進行了實爆實驗，驗證了發煙組件與多頻譜干擾劑的匹配效果及多頻譜發煙組件的遮蔽性能。結果表明，通過復合配藥技術制備的多頻譜干擾劑對紅外、毫米波、可見光波段有良好的干擾性能，發煙組件與多頻譜干擾劑匹配合理，遮蔽效果良好，相信這種性能優異的多頻譜發煙組件將在無源干擾領域得到廣泛應用。

1 多頻譜發煙組件設計、制造與測試

1.1 試劑與儀器

試劑：某型中碳合金鋼材料，河鋼集團石家莊鋼鐵有限責任公司產；KNG-150 石墨烯(平均粒徑為15 μm)、碳納米管(平均粒徑為20 nm)，蘇州碳豐石墨烯科技有限公司產；T700 短切碳纖維，(直徑為5 μm，長度為2 mm)，東麗碳纖維廣東有限責任公司產；瀝青(工業級)，保定中油瀝青有限公司產；乙醇(分析純)，天津市永大化學試劑有限公司產；氬氣(純度≥99.999%)，石家莊特種氣體有限公司產。所有使用的化學試劑均未進一步純化。

儀器：超聲波清洗機(KQ5200E)，昆山市超聲儀器有限公司產；鼓風干燥箱(DZF-6030A)，上海一恒科學儀器有限公司產；箱式氣氛爐(KBF-16Q)，南京博蘊通儀器科技有限公司產；JHF-I/II型紅外輻射計(紅外輻射計光譜范圍：1~ 3 μm、3~5 μm、8~14 μm，噪聲等效溫差0.2 K；紅外透過率測試系統透過率測量范圍：1%~100%，測量精度≤2%)，自研；3 mm 波和 8 mm 波測試系統(衰減值測量范圍：0~20 dB；測量精度≤-30 dBm)，電子科技集團第五十研究所產；ST 型寬量程可見光照度計(照度計照度測量范圍0.1~50000 lx，照度誤差±3%；可見光測試系統透過率測量范圍1%~100%，測量精度≤4%)，自研；DZQ-03B 便攜氣象儀，長春氣象儀器研究所產；DSR-600P 數字全景攝像機，索尼(中國)有限公司產。

1.2 發煙組件結構設計與制造

發煙組件主要由減速傘、子彈罐體、近炸引信及連接件等組成[21]。配用于裝甲車輛的發煙彈主要用于干擾敵方觀瞄和射擊、掩護己方裝甲車輛等技術裝備及人員作戰行動，所保護的目標高度一般不超過2 m[22]。本文研究的子母式發煙彈主要針對敵方可見光/紅外/激光偵察器材，在敵方陣地或我方裝備前形成煙幕來干擾敵方偵察。爆炸法形成的煙幕高度約為3 m，對FGM-148 標槍反坦克導彈這類采用攻頂設計的反坦克武器也可有效遮蔽，若發煙彈起爆高度過高則會在水平方向上露出保護目標；煙幕過低則爆炸分散過程中大量煙幕粒子直接沉降到地面，影響干擾效果，這就要求發煙彈所形成的煙幕要有一個合適且精確的高度。因此發煙組件設計時采用電容近炸引信，可精確控制爆高，保證了煙幕分散高度。其控制爆高的原理是利用在彈目接近過程中引信電極與目標間電容量的變化來控制引爆[23]。電容近炸引信定距精度高，在小炸高條件下尤為明顯。通過減旋、減速裝置設計，保證了各種彈道環境下母彈開艙后發煙組件的空中姿態正常，提高了近炸引信作用可靠性及多頻譜干擾劑利用效率。煙幕彈子彈采用中心爆炸分散結構，中心爆管裝填擴爆藥，四周壓制多頻譜干擾劑，結構簡單，作用可靠。

以單個子彈罐體為研究對象，基于子母式發煙彈的發射過載與應力計算對其尺寸進行設計。子彈罐體殼體選材為中碳合金鋼，根據戰斗部內部尺寸，確定子彈罐體外半徑為63.8 mm。作用于子彈罐體上的合力F表達式為

式中：m為整彈質量(kg)；a為干擾彈的加速度(m/s2)。

發射瞬間，干擾彈受到的力主要來自火藥燃氣推力，作用于子彈罐體上的合力還可表示為

式中：pf為發射時產生的火藥燃氣壓力(Pa)；r為干擾彈半徑(m)。

子彈罐體與干擾彈作為整體，其加速度相同，則由式(1)和式(2)可得子彈罐體加速度a的表 達式：

則子彈罐體受到的合力Ft可表示為

式中：mt為子彈罐體質量(kg)。

由于合力的作用方向為沿彈體軸向，子彈罐體薄弱處為殼體橫截面，則由式(4)可進一步得到殼體橫截面的應力σ表達式[24]：

式中：rc為子彈罐體的外半徑(m)；rt為子彈罐體的內半徑(m)。

要使子彈罐體能夠承受發射產生的高過載，則子彈罐體材料的極限應力應小于許用應力σs乘以安全系數(一般結構安全系數取1.4)[25]，關系式如下：

將式(5)代入式(6)，可得子彈罐體內徑rt需 滿足：

干擾彈發射時，其最大發射膛壓pf為 223.5 MPa，取子彈罐體的外半徑rc為63.8 mm，干擾彈半徑r為77.5 mm，子彈罐體的相關總質量mt為20.6 kg，干擾彈總質量m為45.5 kg，某型中碳合金鋼的許用應力σs為 600.0 MPa。根據 式(7) 可知，子彈罐體內半徑rt需小于 57.9 mm，在發煙組件的設計中取rt為55.8 mm，可滿足軸向抗過載強度要求。

在殼體設計中，材料為某型中碳合金鋼，厚度為8.0 mm，高為127.5 mm。為便于煙幕初始云團布散，在殼體四周對稱分布8 個V 形刻槽?？滩凵疃?.5 mm，夾角為90°。內部裝填多頻譜復合干擾材料，裝填密度為 0.80 g/cm3，裝藥半徑為 55.8 mm，裝填量為1 kg。中心為TNT 藥柱，裝填密度為1.64 g/cm3，裝藥半徑為9.0 mm。

為增大橫向煙寬，應盡量減小爆炸時干擾劑在軸向上的分散，使形成的煙幕云團盡可能沿著橫向分散。因此，殼體上下端的厚度應大于側壁厚度，為強化殼體結構并提高多頻譜干擾劑裝填量，采用一端開口的罐體結構，下端壁厚為8.0 mm，上端壓螺總壁厚25.0 mm，半徑為108.0 mm，其與殼體為過盈配合，配合厚度為5.0 mm。發煙組件子彈罐體正視圖如圖1 所示。

圖1 子彈罐體正視圖Fig. 1 Front view of the smoke canister

1.3 多頻譜干擾劑的制備

基于文獻[26-27]的研究成果，將瀝青、石墨烯和碳納米管按照一定質量比投料，制備出碳納米管/石墨烯/碳復合材料。首先，把50 mL 瀝青加入 150 mL 煤油溶劑中，攪拌并超聲震蕩4 h 使其溶解，使用雙層定性中速濾紙過濾除去雜質，得到淺棕色的瀝青溶液。第2 步為原位反應：將1 g 碳納米管和1 g 石墨烯加入瀝青溶液，在60 °C 水浴條件下不斷攪拌直至煤油完全揮發后放入鼓風干燥箱，在60 °C 下繼續干燥12 h，得到碳納米管/石墨烯/碳復合材料前驅體[28-29]。直接將復合材料前驅體放入氬氣氣氛的箱式氣氛爐中進行800 °C 碳化處理1 h，制備出碳納米管/石墨烯/碳復合材料[30]?？販爻绦驗椋阂? °C/min 的速率由室溫升至200 °C 后保溫30 min，接著以5 °C/min 的速率升至800 °C后保溫1 h，以5 °C/min 的速率降至250 °C 后隨爐冷卻。最后使用氣流粉碎機將制備的復合材料粉碎并分級，選取中值粒徑D50為3~5 μm 的樣品。

2 mm 短切碳纖維在生產過程中經過了上漿處理，上漿處理主要起到減少碳纖維起毛斷絲、提高加工性能的作用。然而短切碳纖維表面的上漿膠(主要為聚酰胺、環氧樹脂、聚乙烯等高分子材料)[31]易使多頻譜干擾劑在混制、裝填過程中團聚，不易分散。為提高多頻譜干擾劑中短切碳纖維的利用率，在800 °C 下對其熱處理2 min 除去表面的上漿膠。通過復合配藥技術，將D50為3～5 μm的碳納米管/石墨烯/碳復合材料與除膠后的2 mm短切碳纖維以85:15 的質量比在乙醇溶液中混制，得到多頻譜干擾劑。

上述碳納米管/石墨烯/碳復合材料D50、熱處理除膠溫度、復合材料與短切碳纖維的質量比、混制溶劑這4 個主要制備條件，是使用L9(34)正交表進行正交實驗確定的[27]。以干擾劑的遮蔽性能為評價指標，最終確定多頻譜干擾劑的最佳制備條件。圖2 為多頻譜干擾劑制備的流程圖。

圖2 多頻譜干擾劑制備流程圖Fig. 2 Preparation flow chart of the multi-spectral interfering agent

1.4 煙箱性能測試

為研究多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾特性，使用煙箱試驗系統(體積為 16.5 m3，光程為2.1 m，設有3 個攪拌風扇，內部襯有吸波海綿，可視為微波暗室)對多頻譜干擾劑進行了測試。紅外波段采用工作波段1~3 μm、3~ 5 μm 和8~14 μm 的紅外輻射計及100 W 鎢絲紅外光源進行測量，毫米波波段采用3 mm 波和8 mm波測試系統進行測量，可見光波段(0.4~0.8 μm)采用可見光照度計及100 W 鎢絲白熾燈光源進行測量。煙霧固態微粒質量濃度的測定采用濾膜稱重法，取直徑為 20 cm 的玻璃纖維濾膜在烘箱(120 °C)內烘干20 min，稱量濾膜質量后裝入濾膜質量濃度測試儀，煙幕穩定后啟動濾膜質量濃度測試儀，流量調節至2 m3/h 采集煙幕固態微粒。測試結束排煙后取出濾膜并放入烘箱(120 °C)烘干 20 min 后稱量濾膜質量，計算煙霧固態微粒質量濃度。

煙箱性能測試過程如下。按照國家軍用標準GJB 8684—2015 煙火藥性能試驗方法[32]中的試驗方法，將紅外測試系統、毫米波測試系統、可見光測試系統的發射端和接收端布設于煙箱光程兩端的光學窗口(見圖3)，對各測試系統的發射端進行調試使發射信號穩定后可施放煙幕。在0.7 MPa 下將多頻譜干擾劑噴入煙箱，同時啟動風扇攪拌使多頻譜干擾劑分散均勻、完全成煙。靜置穩定多頻譜干擾劑的濃度后測量多頻譜干擾劑的干擾性能，同時啟動濾膜質量濃度測試儀采集煙幕固態微粒。

圖3 煙箱測試系統Fig. 3 Smoke screen test system

1.5 實爆實驗

為驗證發煙組件與多頻譜干擾劑的匹配效果，使多頻譜干擾劑發揮出最優性能，本文在地面風速2~5 m/s、大氣垂直穩定度等溫或逆溫的氣象條件下，對裝填多頻譜干擾劑的發煙組件進行了實爆實驗，測量發煙組件的遮蔽寬度及持續時間。實爆實驗的時間選在日落后10 min，日落后由于地面溫度的降低，大氣開始出現輻射逆溫現象，可阻礙干擾劑因大氣垂直對流運動引起在垂直方向上的擴散。

圖4 為實爆實驗系統，發煙組件固定在掛架上，距地面高度為3.5 m，使用靜爆法模擬發煙組件在開艙后被拋撒至預定高度后起爆的靜態成煙過程。三組發煙組件間隔為15 m，軸向并聯一次性起爆，每個發煙組件干擾劑裝填量均為1 kg。按照國家軍用標準GJB 8670—2015 特種彈效應試驗方法[33]中的試驗方法，采用攝像法對發煙組件的有效煙幕寬度、時間特性進行測試。

圖4 實爆實驗系統Fig. 4 Explosion experiment system

2 實驗結果與討論

2.1 紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率

干擾劑在大氣中以氣溶膠或類似體系形成煙幕后才能具有有效的遮蔽、干擾效果，因為煙幕位于目標與探測器之間，所以通常用透過率這一電磁波衰減指標來評估干擾劑的干擾性能。透過率的計算公式如下：

式中：P為電磁波通過煙幕后的強度(W)；P0為電磁波通過煙幕前的強度(W)。

衰減值是針對毫米波波段進行評價的電磁波衰減指標，其原理是與透過率相同的，衰減值只是透過率的另一表達形式，其計算公式如下：

圖5 為多頻譜干擾劑的紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率曲線。干擾劑噴入煙箱時煙箱內部的溫度為18°C，濕度為46%。從圖5 中可以 發現，隨著多頻譜干擾劑的施放，在很短的時間內紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率降低到最小值。隨著氣流和攪拌風扇的作用，紅外、可見光透過率會在小范圍內波動。當多頻譜干擾劑分散穩定后，紅外、可見光透過率曲線趨于穩定。而毫米波衰減值降低到最小值后在較短時間(<15 s)內恢復到初始值，這是由多頻譜干擾劑中短切碳纖維的性質決定的。為有效干擾毫米波波段，根據半波諧振理論，把散射體長度設計為入射電磁波波長的0.5 倍、1.0 倍、1.5 倍、···時，散射體在電磁波的作用下形成偶極子，對毫米波產生干擾。這種尺度在毫米級別的纖維、箔條類材料不同于氣溶膠顆粒(粒徑<10 μm)，其自身在大氣中的浮力無法抵消重力作用[34]，釋放后在短時間內便會沉降，導致毫米波衰減值降低到最小值后不會持續較長時間。多頻譜干擾劑的紅外透過率在1~3 μm 為1.98%，在3~5 μm 為3.04%，在8~14 μm 為8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰減值可達-14.52 dB 和-11.76 dB；可見光透過率為6.96%，具有較好的多頻譜遮蔽能力。

圖5 多頻譜干擾劑的紅外透過率、毫米波衰減能力、可見光透過率曲線Fig. 5 Infrared transmittance, mm-Wave attenuation and visible transmittance spectra of the multi-spectral interfering agent

2.2 質量消光系數

為研究多頻譜干擾劑的遮蔽性能，本文測量了多頻譜干擾劑的質量消光系數αe。αe為干擾劑紅外/可見光干擾性能的核心指標，可由紅外/可見光透過率計算得到，干擾劑的質量消光系數越大表示相同條件下完成干擾任務消耗的干擾劑越少。根據朗伯比爾定律，透過率[35]可表示為

式中：c為煙幕測試系統中煙霧固態微粒質量濃度(g/m3)；l為光程(m)。則αe的計算公式[36]如下：

根據式(11)計算出多頻譜干擾劑在各波段下的αe，結果如表1 所示。

表1 多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質量消光系數Table 1 Mass extinction coefficient of the multi-spectral interfering agent at infrared and visible bands

目前常用的鱗片銅粉、超細石墨等干擾劑的質量消光系數約為0.2~0.7 m2/g，大部分研究實測值介于0.2~0.5 m2/g 之間[2,12,37-38]。由表1 可知，多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質量消光系數均大于0.8 m2/g，在近、中紅外波段大于1.1 m2/g，具有理想的紅外、可見光干擾性能。綜合紅外透過率、毫米波衰減值、可見光透過率和質量消光系數分析，本文研究制備的多頻譜干擾劑具有較好的多波段遮蔽能力，有望廣泛應用于無源干擾領域。

2.3 動態干擾性能

為驗證發煙組件與多頻譜干擾劑的匹配性與分散效果，測試多頻譜干擾劑的動態干擾性能，根據國家軍用標準GJB 8670—2015 的測試要求，開展了2 次發煙組件實爆實驗(其中預實驗、正式實驗各1 次)。正式實驗各時段風速、風向見表2，可見現場風速較小且風向平穩，主要靠發煙組件爆炸分散實現干擾劑的擴散。截取1 s、10 s、20 s、 60 s 時全景攝像機和紅外熱像儀拍攝的煙幕云團圖像，如表3 所示。

表2 實爆實驗各時段風速、風向Table 2 Time series of wind speed and wind direction in the smoke module explosion experiment

表3 發煙組件實爆實驗Table 3 Images of the smoke module explosion experiment

在0 s 起爆后，TNT 藥柱爆炸產生大量高溫、高壓氣體帶動裝填的多頻譜干擾劑迅速向外部擠壓，發煙組件爆炸成煙。由表3 可知：多頻譜干擾劑所成煙幕對可見光波段有良好的遮蔽效果，從可見光與紅外圖像可以發現煙幕在兩個波段的擴散過程具有一致性；煙幕在1 s 內快速形成連成一體的初始煙幕云團，滿足發煙組件快速成煙的應用需求。從20~60 s 的圖像可以發現，初始煙幕云團在2.5 m/s 的南風作用下，隨風向下風向擴散形成氣溶膠煙云。另外，起爆后煙幕云團主要沿橫向分散，表明發煙組件的結構較利于煙幕云團擴散，從而形成穩定的干擾煙幕。

有效煙幕寬度、持續時間的計算參照國家軍用標準GJB 8670—2015特種彈效應試驗方法進行，2次實爆實驗中3組發煙組件軸向并聯一次性起爆形成的煙幕，紅外、可見光波段平均持續時間大于60 s，平均有效煙幕寬度大于60 m，平均煙高2.6 m，發煙組件與多頻譜干擾劑達到了較好的匹配效果。

3 結論

本文采用原位反應與復合配藥技術，制備了多頻譜干擾劑并通過煙箱測試了多頻譜干擾劑的紅外、毫米波、可見光波段干擾性能；基于理論計算與試驗驗證，設計了多頻譜發煙組件并對其進行了實爆實驗，驗證了多頻譜干擾劑的動態干擾性能。得到主要結論如下：

1)通過原位反應與復合配藥技術制備的多頻譜干擾劑對紅外、毫米波、可見光波段具有良好的干擾性能。多頻譜干擾劑在紅外、可見光波段的質量消光系數均大于0.8 m2/g；紅外透過率在1~3 μm為1.98%，在3~5 μm 為3.04%，在8~14 μm 為8.11%；3 mm 和8 mm 波的衰減值最大為-14.52 dB和-11.76 dB；可見光透過率為6.96%，均優于目前常用的鱗片銅粉、超細石墨等干擾材料。

2)為了驗證多頻譜發煙組件的可行性與動態干擾性能，開展了實爆實驗。起爆后干擾劑在1 s 內快速成煙并連成一體，紅外、可見光波段持續時間大于60 s，有效煙幕寬度大于60 m，平均煙高 2.6 m。證明發煙組件與多頻譜干擾劑匹配合理，分散效果良好。