基于颗粒系烟幕的高音速红外辐射抑制技术研究进展

基于颗粒系烟幕的高音速红外辐射抑制技术研究进展

粉煤灰的产生主要来自火力发电厂。火力发电厂的运行离不开煤粉的燃烧。火电厂的煤炭通过机械研磨成为煤粉，并在燃烧过程中随风飘动。其不燃料部分由表面张力形成液滴，并在炉尾冷却至一定温度突然下降的地方。大或大的颗粒从炉底收集，称为炉底渣，小的球形颗粒被分离和收集，称为粉煤灰。虽然煤产量很大，但综合利用率低。因此，调查磨损磨损的回收和利用是实现可持续发展的有效方法。目前粉煤灰多被用于制备混凝土、充当填筑路基、制备土壤改良剂等领域，但利用价值不高，因粉煤灰的化学成分中SiO飞行器的运用对于现代战争起着决定性的作用，对国家的军事力量和世界格局变化有着重大影响。飞行器的机动性能和安全性能显得格外重要，飞行器通常面临的威胁主要包括防守方的红外、雷达和声学等探测系统和制导导弹飞行器的尾焰红外辐射量随着马赫数的增大占总辐射的比重逐渐减小，但在超高音速飞行器红外辐射中，尾焰辐射是红外制导导弹的主要探测和追踪目标，由于尾焰羽流在空中会形成近千米长的尾焰辐射，并且会在空中持续发出红外辐射信号，容易被探测器捕捉和跟踪，因此对飞行器尾焰红外辐射抑制的研究具有较高的军事价值，同时也是研究飞行器隐身的重要技术手段本文通过提炼飞行器尾焰红外抑制的本质和内涵，以颗粒系烟幕为线索，总结归纳颗粒系红外辐射抑制材料的研究进展，提出目前研究中所存在的问题，概述应用粉煤灰基沸石材料的优势，分析沸石应用的可行性，结合材料特点和红外抑制内涵，提出可行方案，为后续研究奠定基础。1粉煤灰基沸石的性质粉煤灰的主要化学成分为Al1985年，Höller等在粉煤灰合成沸石的过程中，粉煤灰的组成成分、碱浓度、碱熔融温度及时间、晶化温度及时间等均对合成沸石的结晶度、纯度、类型等有所影响。粉煤灰的组成成分分为有益成分与有害成分，其中有益成分即硅铝元素，硅铝元素含量的不同会导致硅铝比的不同，从而大大影响合成沸石的类型，而有害成分即含铁氧化物与碳等杂质，它们的存在会影响到沸石的结晶度与纯度粉煤灰基沸石因其表面粗糙，因此具有良好的吸附性能，可被广泛用于处理废水中的有害元素如氨、氮、磷、重金属离子、染料分子、苯酚等，也可被用于处理工业废气中的CO粉煤灰基沸石具有良好的吸附活性、离子交换能力、保温能力等，因此被广泛应用于废水处理领域、废气处理领域、催化剂载体及保温隔热材料领域，但也仅仅局限于此，因此探索粉煤灰基沸石的应用新领域是实现其高值化利用的最佳途径之一。2促进红外材料的科学研究2.1颗粒介质的复折射率国内外许多学者对气溶胶对红外辐射的衰减规律也有研究，主要针对气溶胶的折射与散射，包括Herman、King、邱金桓和周秀骥等悬浮离散颗粒衰减红外辐射的机理（如图1、图2所示）主要包括吸收和散射。离散颗粒中存在着某些特定基团和化学键的微粒，由于键本身的振动、转动对入射能量有吸收作用。由于介质中颗粒介质系密度分布的不均匀性，使射线偏离原方向而分散传播的现象为散射。颗粒的折射也可引起散射：当入射光在粒子边界折射时，由于内部的反射而发生方向的变化，造成传播方向的变化。复折射率影响较大的因素是颗粒介质的材料、颗粒分布方式、表面粗糙度等，其中材料的选择起到决定性作用。近年来国内学者对不同材料的红外抑制效果均进行了研究，霸书红等基于上述理论分析，大多具有良好的红外消光性能抗红外烟幕气溶胶，生产成本普遍较高，费效比较大，需要探索成本低、效果好的材料进行应用。同时，各国使用的抗红外颗粒介质系容易附着在装备表面，颗粒利用之后，难回收降解，对环境存在污染，大多数颗粒为有机物和重金属，对人类有毒害作用，并且在高温尾焰处发生燃烧，燃烧产物存在对人类健康有害的物质，对环境也会造成严重污染，探索无毒无害、成本低廉、效果良好的抗红外颗粒是研究的重点，对尾焰红外抑制的研究进展起到决定性作用。2.2溶胶红外遮蔽技术针对抑制红外辐射的措施而言，飞行器尾焰的红外辐射削减主要应用两种方案。首先，改变喷口的形状，目的是改变发动机喷口处气体流动状态、喷射流型和阻断红外辐射传输路径，使发动机尾热喷流的对外发射的红外辐射减少到较低水平。其次，采用气溶胶红外遮蔽技术，将天然形成或者人工合成的颗粒介质随气流一起喷出，它们在空气中形成悬浮，起到折射、散射红外辐射的作用，由于保密原因，国外使用的具体材料及喷射方式均不清楚。目前，大多数飞行器利用颗粒对辐射能的吸收与散射实现尾焰的隐身，通过改变传输红外辐射的传输过程，降低到达探测器的红外辐射强度，达到探测器无法准确识别目标的目的，如英法联合研制的“女巫”系统，采用吸收型从可见光到14μm红外波段的烟幕，在空中形成烟幕屏障，干扰红外成像制导及非成像制导导弹。在排气系统加入颗粒物质后，颗粒对尾焰动力影响较小，在抑制尾焰红外辐射的同时，对喷管结构散热也起到遮蔽作用现阶段对飞行器尾部颗粒的喷射流型研究较少，现有资料显示针对气溶胶烟雾的生成，一般气溶胶烟雾的形成方法有爆炸法和喷射法3影响颗粒散射理论的因素由现有理论探讨分析，对采用离散颗粒抑制热喷流红外辐射传输影响规律的因素可以归纳为两大类:首先从颗粒散射理论出发，可知主要的影响参数为粒径参数和颗粒的复折射率；其次从气固两相流的换热机理出发，颗粒的粒径、热物性参数、喷射浓度、喷射速度、喷射位置的布置等均会对抑制规律产生不同程度的影响3.1沸石制备的方案设计粉煤灰由表面粗糙、棱角较多的蜂窝状粒子组合而成，其比表面积较大，一般在2500~7000cm将粉煤灰进行酸洗预处理、高温碱熔融、老化、负载P25型TiO在目前的研究中，仅有对负载TiO通过各学者对SiO飞行器尾焰的辐射主要是气体辐射，每种气体都有强烈的选择吸收特性，其中辐射红外线最强的是H粉煤灰基沸石通过吸收红外辐射以及吸附尾焰主要辐射气体实现红外辐射吸收，沸石作为晶体，内部为孔隙结构，红外辐射会发生折射并伴随大量散射，大量削弱红外辐射能量，改变辐射方向，同时由于沸石的蓄热能力，可实现散射红外辐射的波长位于探测器主要探测波段范围之外，达到隐身目的（如图4所示）。对应用于抑制高速飞行器尾焰红外抑制的沸石，应采用人工合成的超稳沸石，不仅具有一般沸石所拥有的特性，而且能在较高温度下（高于1000℃）保持不变，它在红外吸收光谱1640~3700cm粉煤灰基沸石制作原料为粉煤灰，成本低、吸附性能强，同时实现以废制宝，易于回收，可实现对环境无污染，无毒无害。其性能根据上述分析可知，符合飞行器尾焰抗红外辐射的性能要求。沸石对二氧化碳与水的吸附能力很强，且沸石表面凹凸不平迎光面积较大，蓄热能力较强，颗粒通过散射和吸收衰减的能量较大，通过改变合成工艺对沸石不断进行改性，并对其辐射波段进行探测，实现改性的沸石发射波段利于大气吸收。但目前国内外对超稳沸石的研究鲜见，数据与方法资料较少。通过理论、实验研究对筛选、研制最适合的离散颗粒提出指导或准则还有很多工作要做。超稳沸石的红外辐射性能及其作为抑制红外辐射材料的研究在国内外文献中鲜有报导。3.2缺少吸附性能对于飞行器尾焰颗粒的研究，仅有部分研究者对沸石中所有的某种成分有一定的研究，但是研究程度较浅，现有文献仅局限于研究沸石中所含某种分子的抑制作用，并没有吸附性能。高翔沸石表面凹凸不平且存在大量孔隙，有利于负载催化剂，选用N改性二氧化钛作为催化剂，将飞行器尾焰中存在不充分燃烧产生的CO直接催化为CO由于沸石对CO通过利用粉煤灰基沸石的特性，结合飞行器尾焰成分、气体喷射方式、尾部喷管结构等，不断优化颗粒系烟幕形成方式，不断优化颗粒喷射流型，对尾焰红外抑制至关重要。以上研究方法与设计为后续研究提供了基础。4抗红颗粒的作用机理及布置方式（1）超高音速飞行器尾焰辐射占整机辐射比例较小，并随着速度的增加而减小，但是尾焰连续不断的烟气持续发射红外辐射，为红外探测系统提供不断的信号，也为红外导弹提供连续的追踪信号。飞行器尾焰的红外辐射研究具有极高的军用价值。尾焰的红外抑制主要内涵包括：改变辐射波长至探测窗口之外、模拟环境背景辐射，减小与环境辐射的差异性。较为有效的方法是采用颗粒系介质遮蔽红外辐射，在红外辐射传输过程中发生散射、折射和反射，从而削弱传输强度。（2）粉煤灰基沸石具备成本低、无污染的优点，同时其热稳定性较强，不易团聚。沸石颗粒充满孔隙，其形状具有可控性，有利于红外辐射传输过程中发生散射、折射和改变传输方向，从而削弱红外辐射；沸石颗粒对二氧化碳和水吸附性强，可将高辐射气体充分吸附，理论上可以重新改变辐射红外波长区段，重新发出辐射；通过设计有效的颗粒喷射结构，结合颗粒系的吸附和遮蔽的颗粒特性，沸石颗粒从各方面都表现出抑制红外辐射的巨大优势。同时，在沸石颗粒上负载N改性二氧化钛，实现对未燃尽气体的光催化氧化，减小复燃所引起的红外辐射。（3）飞行器尾部抗红颗粒的布置方式有两种方式：其一为将颗粒封存在弹体内，在飞行器周围发生爆炸，形成颗粒烟幕，遮蔽红外辐射，但是有效时间较短，颗粒利用率较低；其二为设计喷射结构，将颗粒介质喷射至飞行器尾焰周围，吸收、散射和反射尾焰红外辐射，使颗粒充分利用，颗粒采用喷射方式更有利于抑制飞行器尾焰的红外辐射。本文为达到充分利用材料的抗红外特性，采用多重方向进行喷射，即达到遮蔽红