基于顆粒系煙幕的高音速紅外輻射抑制技術(shù)研究進(jìn)展

基于顆粒系煙幕的高音速紅外輻射抑制技術(shù)研究進(jìn)展

粉煤灰的產(chǎn)生主要來自火力發(fā)電廠?；鹆Πl(fā)電廠的運(yùn)行離不開煤粉的燃燒?；痣姀S的煤炭通過機(jī)械研磨成為煤粉，并在燃燒過程中隨風(fēng)飄動(dòng)。其不燃料部分由表面張力形成液滴，并在爐尾冷卻至一定溫度突然下降的地方。大或大的顆粒從爐底收集，稱為爐底渣，小的球形顆粒被分離和收集，稱為粉煤灰。雖然煤產(chǎn)量很大，但綜合利用率低。因此，調(diào)查磨損磨損的回收和利用是實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的有效方法。目前粉煤灰多被用于制備混凝土、充當(dāng)填筑路基、制備土壤改良劑等領(lǐng)域，但利用價(jià)值不高，因粉煤灰的化學(xué)成分中SiO飛行器的運(yùn)用對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭起著決定性的作用，對(duì)國家的軍事力量和世界格局變化有著重大影響。飛行器的機(jī)動(dòng)性能和安全性能顯得格外重要，飛行器通常面臨的威脅主要包括防守方的紅外、雷達(dá)和聲學(xué)等探測(cè)系統(tǒng)和制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行器的尾焰紅外輻射量隨著馬赫數(shù)的增大占總輻射的比重逐漸減小，但在超高音速飛行器紅外輻射中，尾焰輻射是紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的主要探測(cè)和追蹤目標(biāo)，由于尾焰羽流在空中會(huì)形成近千米長的尾焰輻射，并且會(huì)在空中持續(xù)發(fā)出紅外輻射信號(hào)，容易被探測(cè)器捕捉和跟蹤，因此對(duì)飛行器尾焰紅外輻射抑制的研究具有較高的軍事價(jià)值，同時(shí)也是研究飛行器隱身的重要技術(shù)手段本文通過提煉飛行器尾焰紅外抑制的本質(zhì)和內(nèi)涵，以顆粒系煙幕為線索，總結(jié)歸納顆粒系紅外輻射抑制材料的研究進(jìn)展，提出目前研究中所存在的問題，概述應(yīng)用粉煤灰基沸石材料的優(yōu)勢(shì)，分析沸石應(yīng)用的可行性，結(jié)合材料特點(diǎn)和紅外抑制內(nèi)涵，提出可行方案，為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。1粉煤灰基沸石的性質(zhì)粉煤灰的主要化學(xué)成分為Al1985年，H?ller等在粉煤灰合成沸石的過程中，粉煤灰的組成成分、堿濃度、堿熔融溫度及時(shí)間、晶化溫度及時(shí)間等均對(duì)合成沸石的結(jié)晶度、純度、類型等有所影響。粉煤灰的組成成分分為有益成分與有害成分，其中有益成分即硅鋁元素，硅鋁元素含量的不同會(huì)導(dǎo)致硅鋁比的不同，從而大大影響合成沸石的類型，而有害成分即含鐵氧化物與碳等雜質(zhì)，它們的存在會(huì)影響到沸石的結(jié)晶度與純度粉煤灰基沸石因其表面粗糙，因此具有良好的吸附性能，可被廣泛用于處理廢水中的有害元素如氨、氮、磷、重金屬離子、染料分子、苯酚等，也可被用于處理工業(yè)廢氣中的CO粉煤灰基沸石具有良好的吸附活性、離子交換能力、保溫能力等，因此被廣泛應(yīng)用于廢水處理領(lǐng)域、廢氣處理領(lǐng)域、催化劑載體及保溫隔熱材料領(lǐng)域，但也僅僅局限于此，因此探索粉煤灰基沸石的應(yīng)用新領(lǐng)域是實(shí)現(xiàn)其高值化利用的最佳途徑之一。2促進(jìn)紅外材料的科學(xué)研究2.1顆粒介質(zhì)的復(fù)折射率國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)氣溶膠對(duì)紅外輻射的衰減規(guī)律也有研究，主要針對(duì)氣溶膠的折射與散射，包括Herman、King、邱金桓和周秀驥等懸浮離散顆粒衰減紅外輻射的機(jī)理（如圖1、圖2所示）主要包括吸收和散射。離散顆粒中存在著某些特定基團(tuán)和化學(xué)鍵的微粒，由于鍵本身的振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)入射能量有吸收作用。由于介質(zhì)中顆粒介質(zhì)系密度分布的不均勻性，使射線偏離原方向而分散傳播的現(xiàn)象為散射。顆粒的折射也可引起散射：當(dāng)入射光在粒子邊界折射時(shí)，由于內(nèi)部的反射而發(fā)生方向的變化，造成傳播方向的變化。復(fù)折射率影響較大的因素是顆粒介質(zhì)的材料、顆粒分布方式、表面粗糙度等，其中材料的選擇起到?jīng)Q定性作用。近年來國內(nèi)學(xué)者對(duì)不同材料的紅外抑制效果均進(jìn)行了研究，霸書紅等基于上述理論分析，大多具有良好的紅外消光性能抗紅外煙幕氣溶膠，生產(chǎn)成本普遍較高，費(fèi)效比較大，需要探索成本低、效果好的材料進(jìn)行應(yīng)用。同時(shí)，各國使用的抗紅外顆粒介質(zhì)系容易附著在裝備表面，顆粒利用之后，難回收降解，對(duì)環(huán)境存在污染，大多數(shù)顆粒為有機(jī)物和重金屬，對(duì)人類有毒害作用，并且在高溫尾焰處發(fā)生燃燒，燃燒產(chǎn)物存在對(duì)人類健康有害的物質(zhì)，對(duì)環(huán)境也會(huì)造成嚴(yán)重污染，探索無毒無害、成本低廉、效果良好的抗紅外顆粒是研究的重點(diǎn)，對(duì)尾焰紅外抑制的研究進(jìn)展起到?jīng)Q定性作用。2.2溶膠紅外遮蔽技術(shù)針對(duì)抑制紅外輻射的措施而言，飛行器尾焰的紅外輻射削減主要應(yīng)用兩種方案。首先，改變噴口的形狀，目的是改變發(fā)動(dòng)機(jī)噴口處氣體流動(dòng)狀態(tài)、噴射流型和阻斷紅外輻射傳輸路徑，使發(fā)動(dòng)機(jī)尾熱噴流的對(duì)外發(fā)射的紅外輻射減少到較低水平。其次，采用氣溶膠紅外遮蔽技術(shù)，將天然形成或者人工合成的顆粒介質(zhì)隨氣流一起噴出，它們?cè)诳諝庵行纬蓱腋。鸬秸凵?、散射紅外輻射的作用，由于保密原因，國外使用的具體材料及噴射方式均不清楚。目前，大多數(shù)飛行器利用顆粒對(duì)輻射能的吸收與散射實(shí)現(xiàn)尾焰的隱身，通過改變傳輸紅外輻射的傳輸過程，降低到達(dá)探測(cè)器的紅外輻射強(qiáng)度，達(dá)到探測(cè)器無法準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)的目的，如英法聯(lián)合研制的“女巫”系統(tǒng)，采用吸收型從可見光到14μm紅外波段的煙幕，在空中形成煙幕屏障，干擾紅外成像制導(dǎo)及非成像制導(dǎo)導(dǎo)彈。在排氣系統(tǒng)加入顆粒物質(zhì)后，顆粒對(duì)尾焰動(dòng)力影響較小，在抑制尾焰紅外輻射的同時(shí)，對(duì)噴管結(jié)構(gòu)散熱也起到遮蔽作用現(xiàn)階段對(duì)飛行器尾部顆粒的噴射流型研究較少，現(xiàn)有資料顯示針對(duì)氣溶膠煙霧的生成，一般氣溶膠煙霧的形成方法有爆炸法和噴射法3影響顆粒散射理論的因素由現(xiàn)有理論探討分析，對(duì)采用離散顆粒抑制熱噴流紅外輻射傳輸影響規(guī)律的因素可以歸納為兩大類:首先從顆粒散射理論出發(fā)，可知主要的影響參數(shù)為粒徑參數(shù)和顆粒的復(fù)折射率；其次從氣固兩相流的換熱機(jī)理出發(fā)，顆粒的粒徑、熱物性參數(shù)、噴射濃度、噴射速度、噴射位置的布置等均會(huì)對(duì)抑制規(guī)律產(chǎn)生不同程度的影響3.1沸石制備的方案設(shè)計(jì)粉煤灰由表面粗糙、棱角較多的蜂窩狀粒子組合而成，其比表面積較大，一般在2500~7000cm將粉煤灰進(jìn)行酸洗預(yù)處理、高溫堿熔融、老化、負(fù)載P25型TiO在目前的研究中，僅有對(duì)負(fù)載TiO通過各學(xué)者對(duì)SiO飛行器尾焰的輻射主要是氣體輻射，每種氣體都有強(qiáng)烈的選擇吸收特性，其中輻射紅外線最強(qiáng)的是H粉煤灰基沸石通過吸收紅外輻射以及吸附尾焰主要輻射氣體實(shí)現(xiàn)紅外輻射吸收，沸石作為晶體，內(nèi)部為孔隙結(jié)構(gòu)，紅外輻射會(huì)發(fā)生折射并伴隨大量散射，大量削弱紅外輻射能量，改變輻射方向，同時(shí)由于沸石的蓄熱能力，可實(shí)現(xiàn)散射紅外輻射的波長位于探測(cè)器主要探測(cè)波段范圍之外，達(dá)到隱身目的（如圖4所示）。對(duì)應(yīng)用于抑制高速飛行器尾焰紅外抑制的沸石，應(yīng)采用人工合成的超穩(wěn)沸石，不僅具有一般沸石所擁有的特性，而且能在較高溫度下（高于1000℃）保持不變，它在紅外吸收光譜1640~3700cm粉煤灰基沸石制作原料為粉煤灰，成本低、吸附性能強(qiáng)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)以廢制寶，易于回收，可實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境無污染，無毒無害。其性能根據(jù)上述分析可知，符合飛行器尾焰抗紅外輻射的性能要求。沸石對(duì)二氧化碳與水的吸附能力很強(qiáng)，且沸石表面凹凸不平迎光面積較大，蓄熱能力較強(qiáng)，顆粒通過散射和吸收衰減的能量較大，通過改變合成工藝對(duì)沸石不斷進(jìn)行改性，并對(duì)其輻射波段進(jìn)行探測(cè)，實(shí)現(xiàn)改性的沸石發(fā)射波段利于大氣吸收。但目前國內(nèi)外對(duì)超穩(wěn)沸石的研究鮮見，數(shù)據(jù)與方法資料較少。通過理論、實(shí)驗(yàn)研究對(duì)篩選、研制最適合的離散顆粒提出指導(dǎo)或準(zhǔn)則還有很多工作要做。超穩(wěn)沸石的紅外輻射性能及其作為抑制紅外輻射材料的研究在國內(nèi)外文獻(xiàn)中鮮有報(bào)導(dǎo)。3.2缺少吸附性能對(duì)于飛行器尾焰顆粒的研究，僅有部分研究者對(duì)沸石中所有的某種成分有一定的研究，但是研究程度較淺，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅局限于研究沸石中所含某種分子的抑制作用，并沒有吸附性能。高翔沸石表面凹凸不平且存在大量孔隙，有利于負(fù)載催化劑，選用N改性二氧化鈦?zhàn)鳛榇呋瘎瑢w行器尾焰中存在不充分燃燒產(chǎn)生的CO直接催化為CO由于沸石對(duì)CO通過利用粉煤灰基沸石的特性，結(jié)合飛行器尾焰成分、氣體噴射方式、尾部噴管結(jié)構(gòu)等，不斷優(yōu)化顆粒系煙幕形成方式，不斷優(yōu)化顆粒噴射流型，對(duì)尾焰紅外抑制至關(guān)重要。以上研究方法與設(shè)計(jì)為后續(xù)研究提供了基礎(chǔ)。4抗紅顆粒的作用機(jī)理及布置方式（1）超高音速飛行器尾焰輻射占整機(jī)輻射比例較小，并隨著速度的增加而減小，但是尾焰連續(xù)不斷的煙氣持續(xù)發(fā)射紅外輻射，為紅外探測(cè)系統(tǒng)提供不斷的信號(hào)，也為紅外導(dǎo)彈提供連續(xù)的追蹤信號(hào)。飛行器尾焰的紅外輻射研究具有極高的軍用價(jià)值。尾焰的紅外抑制主要內(nèi)涵包括：改變輻射波長至探測(cè)窗口之外、模擬環(huán)境背景輻射，減小與環(huán)境輻射的差異性。較為有效的方法是采用顆粒系介質(zhì)遮蔽紅外輻射，在紅外輻射傳輸過程中發(fā)生散射、折射和反射，從而削弱傳輸強(qiáng)度。（2）粉煤灰基沸石具備成本低、無污染的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)其熱穩(wěn)定性較強(qiáng)，不易團(tuán)聚。沸石顆粒充滿孔隙，其形狀具有可控性，有利于紅外輻射傳輸過程中發(fā)生散射、折射和改變傳輸方向，從而削弱紅外輻射；沸石顆粒對(duì)二氧化碳和水吸附性強(qiáng)，可將高輻射氣體充分吸附，理論上可以重新改變輻射紅外波長區(qū)段，重新發(fā)出輻射；通過設(shè)計(jì)有效的顆粒噴射結(jié)構(gòu)，結(jié)合顆粒系的吸附和遮蔽的顆粒特性，沸石顆粒從各方面都表現(xiàn)出抑制紅外輻射的巨大優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，在沸石顆粒上負(fù)載N改性二氧化鈦，實(shí)現(xiàn)對(duì)未燃盡氣體的光催化氧化，減小復(fù)燃所引起的紅外輻射。（3）飛行器尾部抗紅顆粒的布置方式有兩種方式：其一為將顆粒封存在彈體內(nèi)，在飛行器周圍發(fā)生爆炸，形成顆粒煙幕，遮蔽紅外輻射，但是有效時(shí)間較短，顆粒利用率較低；其二為設(shè)計(jì)噴射結(jié)構(gòu)，將顆粒介質(zhì)噴射至飛行器尾焰周圍，吸收、散射和反射尾焰紅外輻射，使顆粒充分利用，顆粒采用噴射方式更有利于抑制飛行器尾焰的紅外輻射。本文為達(dá)到充分利用材料的抗紅外特性，采用多重方向進(jìn)行噴射，即達(dá)到遮蔽紅