烏洛托品對(duì)MTV誘餌劑光譜輻射性能的影響

郜 永，關(guān) 華，宋東明，杜 珺

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

?

烏洛托品對(duì)MTV誘餌劑光譜輻射性能的影響

郜 永，關(guān) 華，宋東明，杜 珺

（南京理工大學(xué)化工學(xué)院，江蘇 南京，210094）

摘 要：為改善誘餌劑紅外輻射性能，在一種MTV型誘餌劑配方中加入烏洛托品，對(duì)其燃燒后性能進(jìn)行測(cè)試分析。結(jié)果表明：加入烏洛托品之后，藥劑燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，溫度降低，由于降溫作用以及烏洛托品燃燒產(chǎn)物的選擇性輻射使得誘餌劑光譜輻射亮度比L(3～5μm)/L(2.5～3.0μm)變大；當(dāng)添加量為15％時(shí)，藥劑燃燒時(shí)間從2.1s延長(zhǎng)到3.56s，燃燒的最高溫度從1 707.2℃降低到1 208.1℃，L(3～5μm)/L(2.5～3.0μm)從1.88提升至2.51，所以加入烏洛托品可以改善MTV誘餌劑紅外輻射性能。

關(guān)鍵詞：MTV誘餌劑；烏洛托品；燃燒性能；輻射亮度；紅外熱像

MTV紅外誘餌劑由于較高的費(fèi)效比仍廣泛應(yīng)用于誘餌彈中，但由于制導(dǎo)武器采用了抗干擾措施，只能從誘餌與目標(biāo)的輻射溫度和光譜輻射比差異中識(shí)別誘餌[1]，所以在傳統(tǒng)MTV誘餌劑基礎(chǔ)上應(yīng)進(jìn)一步降低輻射溫度和改變光譜輻射特征，以改善藥劑輻射特性。

目前，對(duì)于改善藥劑輻射特性的方法主要是通過(guò)調(diào)整MTV藥劑配方或添加具有選擇性輻射的物質(zhì)[2]。伍婷婷等[3]通過(guò)添加高溫相變材料，提高了藥劑在3～5μm和8～14μm波段的輻射性能，并延長(zhǎng)了藥劑干擾時(shí)間；樊雪峰[4]以MTV藥劑為基礎(chǔ)加入改性劑，并通過(guò)正交試驗(yàn)研制一種新型配方；陳明華等[5]研究Mg4Al3/PTFE體系發(fā)現(xiàn)，當(dāng)其質(zhì)量比為70/30時(shí)，15g藥柱在中、遠(yuǎn)紅外的輻射強(qiáng)度可以達(dá)到254.8W/sr和26.33W/sr；于志良[6]提出通過(guò)添加一些選擇性輻射體如石墨粉和SiC，以有效地提高藥劑在中紅外波段的輻射強(qiáng)度。Weiser等[7-8]用Al/Fe2O3鋁熱劑、Sr（NO3）2和含能有機(jī)物組成的誘餌劑可以提高3～5μm處輻射強(qiáng)度，同時(shí)降低1～3μm輻射強(qiáng)度。

為改善藥劑輻射特性，依據(jù)黑體輻射定律之Plank和Stefan-Boltzmann定律降低輻射溫度。由于烏洛托品（C6H16N4，六亞甲基四胺）在300℃時(shí)吸熱分解，并產(chǎn)生CO2、N2和H2O，CO2在4.3μm處有強(qiáng)吸收峰。所以本研究以烏洛托品為MTV誘餌劑添加劑，研究不同添加量對(duì)MTV誘餌劑光譜輻射特性的影響。

1　樣品制備及輻射特性燃燒試驗(yàn)

樣品制備：以鎂粉、聚四氟乙烯及其它功能添加成分為基礎(chǔ)配方，添加不同比例的烏洛托品，混合均勻并過(guò)80目篩，再用氟橡膠溶液濕混成藥漿，制成尺寸5cm×5cm、厚度均勻的薄片，晾干，待測(cè)試。

儀器設(shè)備及測(cè)試方法：（1）美國(guó)Flir公司SC7000型紅外熱像儀，光譜響應(yīng)頻段7.7～9.3μm；分辨率320×240；溫度分辨率<20mK；鏡頭25mm；主要用于測(cè)試研發(fā)應(yīng)用、紅外信號(hào)特征分析及紅外追蹤等領(lǐng)域。（2）德國(guó)Bruker公司OPAG33傅里葉變換紅外遙測(cè)光譜儀，分辨率優(yōu)于1cm-1，波數(shù)精度優(yōu)于0.03cm-1；等效噪聲光譜輻射亮度0.033mW/(m2·sr· cm-1)；最大掃描頻率40kHz，模數(shù)轉(zhuǎn)換96kHz，光譜范圍400～4 000cm-1。主要用于測(cè)試紅外輻射源的發(fā)射光譜。

測(cè)試時(shí)將樣品置于儀器正前方1.8m試驗(yàn)臺(tái)上固定位置，樣品燃燒面正對(duì)儀器采集鏡頭，測(cè)試時(shí)大氣背景溫度17℃，熱像儀發(fā)射率設(shè)置為1，采樣頻率50Hz，利用紅外熱像儀和紅外遙測(cè)光譜儀測(cè)試樣品燃燒時(shí)間、溫度及輻射光譜數(shù)據(jù)。

2　結(jié)果與討論

2.1誘餌劑燃燒性能

在MTV型基礎(chǔ)誘餌劑中分別加入3％、6％、9％、12％、15％、18％烏洛托品制成不同的樣品，當(dāng)烏洛托品含量18％時(shí)，樣品難于持續(xù)燃燒。圖1是添加不同含量烏洛托品的誘餌劑樣品燃燒后測(cè)得的紅外熱像圖，右側(cè)色條分別代表輻射溫度和輻射亮度。

對(duì)比右側(cè)顏色條可以看到藥劑燃燒熱像中的火焰輻射溫度、輻射亮度的分布，從圖1中可以看到，加入烏洛托品之后藥劑燃燒溫度、火焰面積和輻射亮度均降低，且隨著加入量的增加下降程度越明顯。為了更好地說(shuō)明藥劑燃燒性能變化程度，用紅外熱像儀自帶Altair軟件將不同烏洛托品含量的藥劑燃燒時(shí)間和最大溫度數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并分別做圖2～3。

圖1　不同含量烏洛托品誘餌劑燃燒的紅外熱像圖Fig.1 Infrared thermograph of decoy with different content of methenamine

圖2　不同含量烏洛托品誘餌劑燃燒時(shí)間Fig.2 Combustion time of decoy with different content of methenamine

圖3　不同含量烏洛托品誘餌劑最高火焰溫度Fig.3 The highest flame temperature of decoy with different content of methenamine

已知MTV型誘餌劑燃燒歷程可以分為煙火藥劑、受熱區(qū)、反應(yīng)區(qū)和燃燒產(chǎn)物區(qū)[9]，根據(jù)熱力學(xué)定律，熱量由高溫向低溫流動(dòng)，處于反應(yīng)區(qū)的Mg和PTFE反應(yīng)放出的熱量把未燃區(qū)的藥劑加熱至發(fā)火點(diǎn)從而使得反應(yīng)繼續(xù)下去。而烏洛托品在263℃時(shí)開(kāi)始熔化，當(dāng)超過(guò)此熔點(diǎn)即升華并分解，但不熔融，分解產(chǎn)生甲烷、氫氣和氮?dú)?。由于烏洛托品的分解吸熱以及產(chǎn)生N2的冷卻作用會(huì)延緩未燃區(qū)藥劑的反應(yīng)，從而延長(zhǎng)藥劑的燃燒時(shí)間，進(jìn)而降低藥劑的質(zhì)量燃速，導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)藥劑的放熱量減少，降低藥劑燃燒火焰溫度。從圖2～3可以看到，烏洛托品的加入會(huì)對(duì)藥劑燃燒性能產(chǎn)生明顯改變，隨著烏洛托品含量的增加，藥劑燃燒時(shí)間延長(zhǎng)，燃燒溫度降低。當(dāng)烏洛托品添加量增至15％時(shí)，誘餌劑燃燒時(shí)間從未添加時(shí)的2.1s增至3.56s，燃燒火焰溫度從1 707.2℃降低至1 208.1℃?？梢钥吹?，烏洛托品對(duì)于藥劑燃燒性能有著明顯影響，如果在15％基礎(chǔ)上再繼續(xù)添加會(huì)導(dǎo)致藥劑點(diǎn)火性能變差，燃燒斷續(xù)，嚴(yán)重影響藥劑使用性能，所以本文只對(duì)烏洛托品含量在15％以下進(jìn)行性能研究。

2.2誘餌劑紅外輻射光譜特征

圖4是用OPAG傅里葉變換紅外遙測(cè)光譜儀測(cè)定不同含量烏洛托品誘餌劑燃燒時(shí)的光譜輻射亮度。

圖4　不同烏洛托品含量藥劑燃燒光譜輻射亮度Fig.4 Combustion spectral radiance of decoy with different content of methenamine

從圖4可以看到，隨著烏洛托品含量的增加，光譜輻射亮度均有不同程度的降低，在2.5～3μm波段，藥劑燃燒的光譜輻射亮度峰值從8.4 W/(m2·sr·cm-1)降低到3.5W/(m2·sr·cm-1)，在中紅外的3～5μ m波段，光譜輻射亮度峰值從5.6 W/(m2·sr·cm-1)降到3.0 W/(m2· sr· cm-1)。根據(jù)Plank公式和Stefan-Boltzmann定律可以知道輻射出射度隨著溫度的降低而減少，文章上面提到，由于烏洛托品的分解冷卻作用導(dǎo)致藥劑的燃燒溫度隨著烏洛托品含量的增加而降低，所以測(cè)得的藥劑燃燒光譜輻射亮度也隨之降低。

表1　不同波段內(nèi)不同含量烏洛托品配方藥劑燃燒輻射亮度　(×103W·sr-1·m-2)Tab.1 Combustion spectral radiance of decoy with different content of methenamine in different wavelength

由表1可知，在誘餌劑中加入烏洛托品之后藥劑燃燒輻射亮度在2.5～3.0μm和3.0～5.0μm均降低，烏洛托品加入量在3％時(shí)由于沒(méi)有明顯降溫且烏洛托品的分解產(chǎn)生一些輻射物質(zhì)使得輻射亮度略有升高。但是隨著烏洛托品含量的增加，輻射亮度均開(kāi)始下降，當(dāng)加入量在15％時(shí)輻射亮度在2.5～3.0μm從3.10×103W·sr-1·m-2降至1.28×103W·sr-1·m-2，3～5μm輻射亮度從5.84×103W·sr-1·m-2降至3.21×103W·sr-1· m-2。而隨著烏洛托品含量的增加，L3.0～5.0/L2.5～3.0比值不斷變大，當(dāng)烏洛托品含量添加在6％以內(nèi)時(shí)，輻射亮度比值變大速率較慢，當(dāng)烏洛托品添加量大于9％時(shí)，比值的增加較為明顯，烏洛托品最大添加量在15％時(shí)比值為2.51，比未添加時(shí)增加了0.63。根據(jù)維恩位移定律，隨著加入烏洛托品之后藥劑燃燒溫度的降低，峰值波長(zhǎng)會(huì)朝向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，另一方面，由于烏洛托品燃燒產(chǎn)生的CO2在4.3μ m波段有很強(qiáng)的紅外吸收峰[10]，會(huì)提高藥劑燃燒中紅外的輻射亮度，所以加入烏洛托品可以改善誘餌劑的光譜特征。但是當(dāng)加入烏洛托品過(guò)多時(shí)會(huì)大大降低藥劑的紅外輻射性能，并對(duì)藥劑點(diǎn)火性能產(chǎn)生影響，所以在使用時(shí)應(yīng)控制烏洛托品的添加量以達(dá)到最佳效果。

3　結(jié)論

（1） 在MTV型紅外誘餌劑中添加烏洛托品可以降低藥劑燃燒火焰溫度，延長(zhǎng)燃燒時(shí)間，當(dāng)烏洛托品添加量在15％時(shí)溫度從1 707.2℃降低至1 208.1℃，燃燒時(shí)間從2.1s延長(zhǎng)至3.56s。

（2） 烏洛托品的加入會(huì)提高L3～5μm/L2.5～3μm，當(dāng)加入15％烏洛托品時(shí)L3～5μm/L2.5～3μm從1.88提高至2.51，從而改變紅外光譜比。

（3）在MTV型紅外誘餌劑中添加適量烏洛托品可改善紅外光譜輻射性能。

參考文獻(xiàn)：

[1]李寶寧,謝吉鵬,李朝榮.美國(guó)面源型紅外誘餌彈的發(fā)展分析[J].艦船電子工程,2009,29(7):35-39.

[2]張敬慧.MTV紅外誘餌劑改進(jìn)及應(yīng)用[J].艦船電子工程，2014,34(4):19-23.

[3]伍婷婷,陳昕,韓愛(ài)軍,等.高溫相變材料對(duì)紅外誘餌劑性能的影響[J].光譜學(xué)與光譜分析,2013,33(10):2 651-2 654.

[4]樊雪峰.鎂/聚四氟乙烯/氟橡膠（MTV）紅外誘餌劑的配方優(yōu)化研究[J].火工品,2015 (3):38-41.

[5]陳明華,焦清介,溫玉全,等.Mg4Al3/PTFE紅外誘餌劑的輻射性能研究[J].激光與紅外,2005,35(7):500-503.

[6]于志良.提高紅外誘餌3—5選擇輻射的途徑探討[J].光電對(duì)抗與無(wú)源干擾,1994(2):12-15.

[7]Campbell C.Twin screw extruder production of MTTP decoy flares SERDPWP-1240[R].ADA 451087,2005.

[8]Ray M A ,Ashcroft BN ,Blau RJ,et al.An example of magnesi-um-teflon-thermoplastic (MTTP),a viable blackbody emitting composition that has been produced via a solvent-free twin-screw extrusion process[C]//33rd Int.Pyrotech.SEm,Fort Collins:CO,2006.

[9]葉迎華.火工品技術(shù)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2007.

[10]翁詩(shī)甫.傅里葉變換紅外光譜分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2009.

[11]張建奇,方小平.紅外物理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2004.

Study on the Effect of Methenamine on the Radiation Spectrum Characteristics of Infrared Decoy

GAO Yong,GUAN Hua,SONG Dong-ming,DU Jun
（School of Chemical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing,210094）

Abstract：To improve the infrared radiation performance of the decoy,different content of methenamine was added in a kind of MTV,and the combustion performance was tested.The result showed that the reaction time of the decoy was prolonged and the combustion temperature was lowered.Since the cooling effect as well as a selective radiation,the spectral radiance ratio of L(3 ～ 5μm)/L(2.5 ～ 3μm)was increased.When adding 15％ methenamine,the burning time was prolonged from 2.1s to 3.56s,the maximum combustion temperature was reduced from 1 707.2 ℃ to 1 208.1℃ ,L(2.5 ～ 3μm)/L(3 ～ 5μm)was increased from 1.88 to 2.51.So a certain amount of methenamine can improve the infrared radiation property of MTV decoy.

Key words：MTV infrared decoy；Methenamine；Combustion characteristics；Radiance；Thermal imaging

基金項(xiàng)目：預(yù)研基金項(xiàng)目（9140A05070314BQ02076）

作者簡(jiǎn)介：郜永（1991-），男，在讀碩士研究生，主要從事光電對(duì)抗與無(wú)源干擾研究。

收稿日期：2015-10-29

中圖分類號(hào)：TQ567.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-1480（2016）01-0037-04