一種紅外誘餌藥劑輻射特性研究

孟 浩，阮文俊

(南京理工大學 能源與動力工程學院， 南京 210094)

1 引言

紅外誘餌彈是一種能夠有效對抗紅外制導武器的防御裝備,目前紅外誘餌彈最常用的紅外誘餌藥劑是MTV(鎂/聚四氟乙烯)[1-3]。雖然MTV燃燒火焰紅外輻射強度巨大，但由于其紅外輻射光譜與保護目標不匹配，且缺乏推力性能，在重力、風阻等條件的影響下，可能導致干擾彈與真實目標脫離較遠，難以對抗日益精確的紅外制導武器[4-5]。

為解決常規紅外誘餌彈存在的問題，相關人員提出可以設計一種具有一定推力特性的紅外干擾彈。HTPB燃燒時能夠產生大量氣體，是目前常用的固體火箭發動機推進劑組分[6]；同時，HTPB的完全燃燒產物為CO2和H2O，與航空燃料燃燒尾氣類似，因此兩者的紅外輻射光譜更加相近[7-8]，非常適合作為新型紅外干擾彈的誘餌藥劑。但與飛機尾焰紅外輻射相比，HTPB藥劑需要增強其燃燒火焰在遠紅外(8～14 μm)波段區間內的輻射強度[9]。Posson等[10]發現在AP/HTPB藥劑中添加22%的鎂粉，其紅外光譜與飛機尾焰更加相近；Nielson D.B[11]提出在AP/HTPB藥劑中加入一定量的高碳含量添加劑可以在熱解過程中產生石墨化碳顆粒，可以提高燃燒火焰的近紅外輻射強度，但仍未解決其遠紅外輻射強度較弱的問題。由于二氧化硅在8.2 μm處具有很強的選擇性輻射[12]，雎健[13]等提出在AP/HTPB藥劑中添加硅粉以生成二氧化硅，結果發現，藥劑燃燒火焰遠紅外輻射強度隨著硅比例的增加而變強，其遠紅外輻射強度峰值為6.12 W·sr-1(7.7～9.3 μm)；張靜惠[14]等提出在傳統的MTV誘餌藥劑中添加硼粉以產生選擇性輻射體氧化硼、偏硼酸等物質，以改善其與飛機尾焰輻射光譜的差異。目前對于紅外誘餌藥劑的研究內容絕大部分還是關于MTV及其衍生藥劑上，而關于HTPB體系藥劑，尤其是KP藥劑的紅外輻射強度的研究較少；同時，大部分紅外誘餌藥劑都是直接裸露在空氣中燃燒，而并未考慮其在燃燒室等壓強較大環境下工作時對藥劑燃燒性能的影響。

為了研究一種能夠在低壓環境下穩定燃燒，同時具備一定推力性能的紅外誘餌藥劑，提出一種新的配方。針對藥劑在發動機燃燒室內的燃燒過程，建立了內彈道數值模型，對其進行內彈道性能進行數值計算，并進行了試驗驗證；根據紅外輻射理論，比較分析不同組分對誘餌藥劑燃燒火焰遠紅外輻射特性的影響，為某型紅外干擾彈誘餌藥劑的研究設計提供參考。

2 配方設計

藥柱的制備過程為：首先將一定質量比的氧化劑(KP)和硼粉顆粒加入HTPB與添加劑混合物基體中，充分攪拌均勻，避免產生氣孔，半固化后倒入30 mm內徑的金屬模具內，壓實后放置60 ℃的干燥箱內固化12 h，使其完全固化。最后從模具中取出樣品并用機械加工手段獲得30 mm高的藥柱，藥柱內徑為10 mm，密度約為1.59 g/cm3。制成的藥柱如圖1所示，藥劑配方如表1所示。

圖1 藥柱示意圖

表1 藥劑配方

誘餌藥劑主要由氧化劑、高分子粘接劑和金屬添加劑組成。氧化劑和金屬添加劑都是細微顆粒，共同填充于黏結劑基體中，形成具有一定機械強度的均勻混合體。

氧化劑為藥劑燃燒提供所需的氧，其含量最多，對藥劑性能和工藝影響重大，KP的生成焓低，氣體生成量少，但是密度大、燃速高、低壓條件下燃速快。黏結劑主要作用是黏結氧化劑和金屬添加劑等固體粒子成為彈性基體，使藥劑成為具有必要力學性能的整體結構。端羥基聚丁二烯(HTPB)具有優良的力學性能和穩定的燃燒特性，同時燃燒產物為CO2和H2O，在提供推力的同時也可以改善火焰的紅外光譜。金屬添加劑不僅可以提高火焰燃燒溫度，其燃燒產物還可以增加遠紅外輻射強度。

為了改善其在燃燒室內工作時的穩定性，加上少量的固化劑和增塑劑來改善藥柱結構強度和低壓燃燒穩定性。固化劑作用是使黏結劑組元的線形預聚物變成網狀結構高聚物，形成基體，實現固化，提高藥柱機械強度。增塑劑主要用來降低未固化推進劑的黏度，增加其流動性，防止藥柱生成氣孔，增加燃燒穩定性。

3 理論計算模型

做出如下假設：

1) 藥柱裸露的初始燃面被點火藥瞬時全部點燃；

2) 燃燒過程服從平行層燃燒規律，為穩態燃燒，不考慮包括侵蝕燃燒在內的非正常燃燒；

3) 燃燒室內的壓強均勻一致；

4) 混合燃氣服從完全氣體狀態方程，燃氣混合過程等熵絕熱，不發生化學變化；

5) 誘餌藥劑的比沖在燃燒過程中為一定值，不隨燃燒室壓強等條件變化而變化；

6) 燃燒室內不考慮熱損失，溫度保持為藥柱的絕熱燃燒溫度。

根據質量守恒原理，有燃燒室內燃氣生成率mb、流經噴管的燃氣質量流率md和燃燒室內燃氣質量變化率d(ρcVc)/dt有如下關系：

(1)

其中，

mb=ρbAbr

(2)

md=pcAt/c*

(3)

(4)

式中：t為時間；ρc為燃燒室內燃氣平均密度；ρb為藥柱密度；Ab為藥柱燃面面積；r為裝藥燃速；pc為燃燒室內平均壓強；At為噴管喉部截面積；c*為藥劑特征速度；Vc為燃燒室的自由容積。

Vcdρc/dt表示單位時間內，裝藥燃燒不斷向燃燒室內充填燃氣而使得燃燒室內讓其密度增加所需要的燃氣質量；ρcdVc/dt表示單位時間內，充填由于裝藥燃燒而引起的燃燒室容積增加部分說需要的燃氣質量，所以有：

(5)

將式(2)、式(3)、式(4)、式(5)代入式(1)，得：

(6)

根據理想氣體狀態方程：

pc=ρcRTc

(7)

引入藥劑燃速方程：

(8)

同時由于燃氣密度遠遠小于誘餌藥劑固相密度，所以有：

ρc≤ρb

(9)

將式(7)、式(8)、式(9)代入式(6)，有：

(10)

式中：a藥劑的燃速系數；n為藥劑的燃速壓強指數；R為燃氣平均氣體常數；Tc為燃氣平均溫度。

藥柱采用全表面燃燒方式，因此式中初始燃面

(11)

其中，D、d、L分別為藥柱的外徑、內徑和高度。

由于藥劑配方是自行調配的，因此需要對藥劑的主要特征參數進行理論計算。根據質量守恒、能量守恒以及化學平衡方程對藥劑在燃燒室內絕熱燃燒過程進行熱力學計算，求解出熱絕燃燒溫度以及燃燒產物；利用NIST-JANAF熱力學性質表算出最終燃氣的熱力學參數，主要熱力參數如表2所示。

表2 藥劑燃氣部分熱力參數

理論特征速度c*由式(11)求得：

(11)

同時，通過發動機測速法擬合出該藥劑在低壓條件下的燃速公式為r=10.191 76P0.578 97(mm/s)，壓強單位為MPa。

4 試驗方案

設計了試驗發動機,其結構如圖2所示。測試時儀器連接情況如圖3所示。試驗儀器包括：紅外熱像儀(美國Flir公司SC7000型，光譜響應波段為7.7～9.3 μm，發射率設置為1)；高速攝像機；壓強傳感器；推力傳感器。布置儀器時要保證燃燒過程在儀器的視場范圍內。為減少外界環境對試驗結果的影響，試驗選擇在遮光室內進行，試驗裝置如圖4所示。

圖2 燃燒室結構示意圖

圖3 測試儀器連接方案示意圖

圖4 試驗裝置圖

試驗過程中，發動機垂直于地面，噴管向上，通過安裝在燃燒室壁面的測壓孔中的壓強傳感器記錄燃燒室內的壓強變化；通過固定在發動機正下方的推力傳感器記錄的推力變化；通過高速攝像機觀察噴管火焰的形狀變化；利用紅外熱像儀記錄火焰的紅外輻射強度變化。

5 試驗結果及其分析

5.1 燃燒穩定性及推力壓強

圖5和圖6分別為某一常規紅外誘餌藥劑和新型誘餌藥劑在發動機燃燒室內的燃燒過程。由結果可知，常規紅外誘餌藥劑在燃燒室內燃燒時火焰面積大，顆粒多，但燃燒極不穩定，燃燒過程中甚至出現了爆燃現象；而新型誘餌藥劑燃燒穩定，燃燒可以分為3個階段：點火藥的燃燒，由于點火藥為粉末藥，裝藥量較小，所以這一階段時間很短，火焰狀態不穩定；主裝藥的燃燒，這一階段火焰大小保持不變，且無明顯燃燒不穩定現象，說明藥劑燃燒穩定；主裝藥燃燒完畢后，剩余的藥渣最后噴射出來，火焰呈現明顯青綠色，通過焰色反應可以判斷主要是硼元素及其化合物的燃燒。

圖5 常規紅外誘餌藥劑燃燒過程高速攝像圖

圖6 新型誘餌藥劑燃燒過程高速攝像圖

圖7為試驗與計算P-t曲線。從圖7中可看出，新型藥劑燃燒壓強峰值為0.68 MPa，對應時刻發動機最大推力為36.1 N；計算壓強峰值為0.64 MPa,與試驗結果誤差僅為5.88%；而常規紅外誘餌藥劑由于主要燃燒產物是固相顆粒，建立不了燃燒室壓強并提供推力，僅有爆燃階段出現約0.021 MPa的壓強峰值。試驗測得的P-t曲線在減面燃燒過程階段與理論計算結果一致，說明建立的計算模型和數值模擬是合理的。但在燃燒前后兩個階段仍與實際情況有所區別：一是在燃燒開始階段，由于實際燃燒時，藥柱的初始燃面不可能瞬間同時燃燒，具有一定的延遲性；二是在燃燒末尾階段，試驗曲線出現一個上升峰，這是由于隨著燃燒的進行，藥柱的機械強度隨著厚度的縮小而減小，出現了碎藥現象，導致藥柱燃燒時間相比于理論燃燒時間較短；而理論模型并沒有考慮這一現象。

圖7 試驗與計算P-t曲線

5.2 紅外輻射強度

為了研究不同組分對火焰遠紅外輻射強度的影響，對3種不同配方藥劑進行遠紅外輻射強度測試對比試驗，分別為AP-HTPB-Mg藥、KP-HTPB-Mg藥以及KP-HTPB-B藥，其質量比均相同。

根據BDP模型假[15]，AP-HTPB體系藥劑燃燒火焰是由基于3個反應式(12)～(14)的3個不同火焰組成的。在反應式(12)中，首先由氧化劑AP在900～1 000 ℃開始自行熱解燃燒產生O2、H2O、HCl和N2，并釋放大量熱量；隨著溫度和壓強升高，藥劑中的HTPB基體開始與AP反應，生成CO2和H2O等最終燃燒產物，形成一次擴散火焰(PDF)；由于AP熱解速率很快，HTPB開始和反應式(12)中生成的O2進行燃燒形成最終火焰(FDF)。

AP: NH4ClO4→O2+H2O+HCl+N2

(12)

PDF: HTPB+NH4ClO4→ CO2+H2O+HCl+N2

(13)

FDF: HTPB+O2→H2O+CO2

(14)

由于AP-HTPB-Mg藥劑中添加了部分鎂粉，因此對式(12)～式(14)進行了部分修正，新的火焰模型如式(15)～式(17)所示。鎂粉主要參與了PDF和FDF火焰的反應。

AP: NH4ClO4→O2+H2O+HCl+N2

(15)

PDF: HTPB+Mg+NH4ClO4→ MgO+CO2+

H2O+HCl+N2

(16)

FDF: HTPB+Mg+O2→MgO+H2O+CO2

(17)

由圖8數據可知，對于AP-HTPB-Mg藥劑遠紅外熱像儀測量出火焰峰值紅外輻射強度為2.77 W·sr-1，大于中文獻[13]中無金屬添加劑的AP-HTPB藥劑的測量值0.45 W·sr-1，但仍弱于同質量比的AP-HTPB-Si藥劑測量值3.96 W·sr-1。

圖8 藥柱燃燒火焰遠紅外輻射強度-時間曲線

對KP-HTPB-Mg藥的BDP模型進行修正，得：

KP: KClO4→O2+KCl

(18)

PDF: HTPB+Mg+KClO4→MgO+CO2+

H2O+KCl

(19)

FDF: HTPB+Mg+O2→MgO+H2O+CO2

(20)

對KP-HTPB-B藥的BDP模型進行修正，得：

KP: KClO4→O2+KCl

(21)

PDF: HTPB+B+KClO4→nBO+CO2+H2O+KCl

(22)

FDF: HTPB+Mg+O2→nBO+H2O+CO2

(23)

由于硼的耗氧量極大，可能會出現氧化不完全現象，因此式中，nBO表示硼及其氧化物的混合物。

相對于AP藥，KP藥燃燒火焰中減少了N2和大量H2O，HCl氣體，同時增加了大量KCl。由于KCl的熔沸點處于常溫與火焰溫度范圍區間內(熔點770 ℃、沸點1 420 ℃)，火焰中的KCl是三相共存狀態。

根據煙火藥紅外輻射原理，火焰紅外輻射能量主要由兩部分組成：一是凝相(固相和液相)產物的熱輻射，二是氣體產物的選擇性輻射。凝相產物的熱輻射可以近似為灰色體，遵循普朗克定律。隨著溫度的升高，熱輻射能量增加，峰值向短波方向移動。氣體產物選擇性輻射的輻射機理主要是極性分子的振動和旋轉過渡。不同氣體在不同的波段內輻射強度不同。氣體的輻射強度不僅與單位時間物質的數量有關，而且與溫度有關，溫度越高，輻射強度越強。

表3為相同質量比藥劑燃燒火焰的最大遠紅外輻射強度數值。結果發現，雖然KP藥燃燒產物中的極性氣體分子較少，在氣體產物輻射方面弱于AP藥火焰，但是火焰總體的紅外輻射強度是AP藥的二三十余倍，說明在煙火藥遠紅外輻射中，凝相產物的熱輻射起到決定性作用。

表3 同質量比藥柱火焰與文獻中記錄參數對比

6 結論

1) 設計了一種能在低壓環境下穩定燃燒，提供一定推力且具有較強紅外輻射強度的新型紅外誘餌藥劑配方，通過驗證，滿足設計需求；

2) 對新型誘餌藥劑燃燒室內燃燒的內彈道過程進行了數值計算以及試驗研究，數值計算壓強峰值與試驗壓強峰值誤差為5.88%，說明該研究方法和計算模型是合理的；

3) 在經典BDP火焰模型的基礎上，建立了新型誘餌藥劑的火焰燃燒模型。通過試驗發現，煙火藥燃燒火焰在遠紅外波段內的紅外輻射主要受凝相產物輻射影響；與不同配方藥劑和文獻記錄對比發現，該配方的遠紅外輻射強度最大，為57.7 W·sr-1。