铝氟碳聚合物成分红外光谱对喷气发动机热特征的影响

摘要

耀斑是一种高能物质，它可以产生热信号，从而干扰红外制导导弹。耀斑热特征应与飞机相似，但强度更高;这一特征取决于放热反应以及燃烧产物的化学性质。铝是在高能系统中使用的最常见的活性金属燃料，因为它可以提供高热量输出(32000 J/g)以及优越的化学稳定性。在这项研究中，以铝为燃料，氟碳聚合物(特氟龙)为氧化剂，Viton为粘合剂(燃料百分比从40:70 wt%开始)为基础，通过造粒和随后的压制，开发了不同的火炬配方。利用FT-MIR 2-6 μm分光光度计对所研制配方的光谱性能进行了评价，并对飞机喷气发动机的热特征进行了表征。喷气发动机的热特征在α (2-3 μm)和β (3-5 μm)波段上有两个特征峰;这一特征与690℃时热喷嘴发射的黑体有关。发展的耀斑具有相似的热特征，但强度更高。铝/聚四氟乙烯/Viton (ATV)耀斑的α带和β带强度分别提高了6倍和1.5倍。 The developed ATV flare offered characteristic intensity ratio Ɵ (Iα/Iβ) (the main spectral parameter) of 0.73; this value was found to be in good accordance with literature. Quantification of infrared emitting species as well as combustion temperature was conducted using the ICT thermodynamic code. ATV flare (50 wt% Al) offered the highest percentage (78.1 wt%) of AlF the main IR emitting species as well as 12.1 wt% of C soot which is an ideal black body emitter. This is manuscript would open the route for the development of flares with tailored spectral performance.

关键字

诱饵耀斑，ATV，红外，光谱学，热特征

介绍

红外制导导弹是军用飞机的主要威胁;它们造成了90%的飞机损坏[1]。红外导引头可以探测红外辐射;随后，它可以将飞机识别为潜在目标[2，3.]。飞机的热信号是通过几个部件产生的，包括:金属外壳、喷气发动机和排气。由于太阳辐射或空气摩擦，机身辐射在8 ~ 10 μm之间。在3-5 μm范围内的排放是由热废气(H₂哦，来，来₂)。热喷气发动机的辐射范围为2 ~ 2.5 μm(图1)［2]。

热寻导弹对飞机在α (2-3 μm)和β (4-5 μm)波段上释放的辐射按相对强度比进行搜索。4]。诱饵照明弹是可用于保护飞机免受热探测器攻击的主要对抗技术[5]。

标准耀斑主要由镁(燃料)、特氟龙(氧化剂)和Viton(粘合剂);它们通常被称为MTV耀斑[2，6]。如今，铝因其高热量输出(32000 J/g)和高化学稳定性而成为各种烟火配方的热门燃料[7-10]。而铝金属燃料可以形成保护氧化层，延长储存时间而不损失反应性(图2);镁燃料缺乏化学稳定。Mg易受酸和湿度的影响，形成Mg(OH)。₂失去反应性[11]。

铝可以作为高能量密度材料;它在不同的能量系统中有广泛的应用[12]。直接增加总释放能量的方法，可以通过掺入反应物来实现金属燃料(即Al)进入能量系统[13-15]。铝不仅能与氧化剂中的游离氧化元素(氧/氟)发生反应;但它也可以反应惰性气体，增加大量的热量输出[16]。

2 al_(年代)+ 3/2 O₂→艾尔₂O_3.(年代)+1700 KJ/mol (1)

2 al_(年代)+ 3公司_(g)→艾尔₂O_3.+3C+1251 kJ/mol (2)

2 al_(年代)+ 3 h₂O (g)→Al₂O_3(年代)+ 3 h_{2 (g)}+866 kJ/mol (3)

2 al_(年代)+ 3公司_{2 (g)}→艾尔₂O_3.+3CO+741 kJ/mol (4)

2 al_(年代)+ N₂(g)→2AlN+346 kJ/mol

这组反应可以提供大量的热量输出。此外，铝在铝热反应中有广泛的应用。铝热剂颗粒组成的Al/Fe₂O_3., Sr(不_3.）₂，与高能粘合剂结合，形成所谓的“热有机”耀斑配方;这个耀斑显示出一个有希望的相对强度比(ɵ)在动态条件下[17]。

相对强度比(θ)定义为α波段(2 ~ 3 μm)的平均强度与β波段(3 ~ 5 μm)的平均强度之比(Eqn;(6))。

ɵ=我_α/我_β(6)

对于红外发射照明弹来说，不仅要提供与飞机相似的热特征，而且相对强度比也要与飞机相当。因此，有效发展诱饵耀斑的主要参数包括:

•高发射率值。

•燃烧温度高。

•θ值在0.5-0.8之间。

对于飞机，θ值在0.7范围内;最近的诱饵耀斑提供的θ值为1.3-1.4 [2，4]。本研究致力于有效开发具有高发射率、高燃烧温度、Ɵ值与飞机相近的新型诱饵照明弹。具有这种特性的照明弹可以作为对抗红外导弹攻击的有效手段。研制具有可控辐射强度的诱饵耀斑需要采用物理和化学手段[1，18-28]。

对铝/特氟龙/Viton混合物进行的研究仅限于燃烧温度和燃烧速度，没有关于热特征的资料报道[29，30.]。本文采用FT-MIR 1-6 μm分光光度计对喷气发动机(jet cat p200sx)的热特征进行了测量。计算了该发动机的特征强度比。制备了不同燃料百分比的ATV耀斑，并按要求尺寸进行压制。测量了开发耀斑的光谱性能，并与喷气发动机热特征进行了比较。使用ICT热力学代码(德国化学技术研究所，virgin 2008)对燃烧火焰中的燃烧温度和主要活性排放物(c烟灰(近理想排放物)、AlF(分子排放物)和Al(热源))进行了量化。在α波段(2-3 μm)和β波段(2-3 μm)上，添加50 wt% Al的ATV耀斑强度分别提高了6倍和1.5倍。这项研究的主要结果是这种新型耀斑提供了0.73的Ɵ值。

实验工作

喷气发动机喷管的热特征

采用FT-MIR 2-6分光光度计对喷气发动机喷管(配备重型起动器的喷气机P200 SX涡轮)的热特征进行了测量(图3)．

诱饵照明弹配方

化学品和材料:制造火炬的主要成分包括氧化剂、金属燃料和粘合剂。聚四氟乙烯可以作为氧化剂;Viton A可以作为增塑剂和粘合剂。表1将本研究中使用的化学物质列成表格。

表1:不同使用过的化学品的功能和结构。

进行了一项有效的研究，以开发具有改进光谱性能的ATV耀斑。本研究包括以下主要步骤:

●燃料百分比范围(40:70)wt%

●氧化剂百分比范围(25:55)wt%

●粘合剂百分比5 wt%

表2总结了不同研究ATV配方的化学成分。

表2:已开发的诱饵照明弹的化学成分。

诱饵照明弹的开发技术，应强调不同成分的混合和均匀性到分子水平，以及被接受机械属性。

诱饵照明弹是通过造粒和随后的压制制成的。这种方法可以保证良好的同质性和完整性;它包括以下5个主要阶段:

1.300 μm以下的细粉，Al粒度分布为80 wt% (250 ~ 300 μm)和20 wt% (<250 μm)。聚四氟乙烯白色粉末，粒径10 wt%<2 μm, 90 wt%<20 μm。

2.氧化剂、燃料和粘合剂的完美混合

3.进行造粒以保持组成的均匀性。另外，轻质材料和致密材料可能在运输、加工和储存过程中分离。

4.灌装，将25g的成分装入直径2.5 cm的金属圆筒中。

5.最终产品是通过施加约200 atm的压力获得的。

图4介绍了生产亚视照明弹的主要步骤。

所有研究的组合物都采用相同的方法制备，以避免任何可能影响性能的变化。

热特征测量

利用光谱范围为1 ~ 6 μm的FT-MIR分光光度计对发育的耀斑进行热特征测量。采用的光谱测量装置包括燃烧室、光学光纤，分光光度计，数据接收和记录系统(图5)．

光纤入口固定在距离被测耀斑1.5 m处。热每个波长的特征以计数/秒记录。获取数据后，利用MATLABR2014 b软件对α、β波段的平均强度进行评价。

结果与讨论

飞机发动机热特征

航空发动机的热特征在α波段(2 ~ 3 μm)和β波段(3 ~ 5 μm)上有两个主要特征峰。在690°C时，喷气发动机的热特征与喷管的黑体发射有关。

空气对红外辐射的吸收(CO)₂和H₂CO在3 ~ 4 μm范围内对信号有衰减作用₂和H₂O红外线吸收[31，32]。这台喷气发动机的θ值约为0.3。图6演示了喷气发动机喷管的热特征。

ATV耀斑的热特征

热特征测量表明，随着Al含量的增加，α和β波段的强度增加。图7在1 ~ 6 μm波段内，ATV组成物的红外光谱随Al含量的变化。

含铝量为50%的ATV耀斑在α和β两个波段的平均强度最高。α和β波段的平均强度分别提高了6倍和1.5倍。相对强度比θ为0.73。这种优异的光谱性能可以归因于优化的燃烧过程，可以最大限度地形成主要的红外发射物质(主要是AlF)。

假定三氟化铝(al_3.)是在铝与聚四氟乙烯反应时形成的[33，34]。燃烧温度达到1275℃;在如此高的温度下形成的AlF_3.可按当量汽化。(7)30.]：

2 al(金属)+ 3/2C₂F₄→2阿尔夫_3.(g)+3C (s) (7)

在高温下_3.能与金属Al反应生成一氟化铝(AlF)(气体)。(8) (35，37]：

阿尔夫_3.(C)+2Al(金属)→3AlF(g) (8)

AlF是火焰区的活跃发射物质。ATV配方(50% Al)提供了最高百分比(78 wt%)的气体AlF(主要红外发射物质)，0.022 wt%的Al(金属燃料)和12.14 wt%的碳烟。表3演示了燃烧产物的量化以及燃烧温度使用ICT热力学代码。

表3:燃料百分比对活性排放物形成的影响。

AlF是一种会在红外区域发射的分子。这种活性物质可以在靠近燃烧表面的初级火焰区(1)中形成(图8)．

这一初级区域的特点是燃烧温度高，被初级燃烧产物(即AlF)加热的(碳烟)密度高。这种(碳烟)在高温下是接近理想的排放物(ε=0.9)。与主反应区相邻的是次级反应区(2)(火花)，其中Al燃料(气相中的百分比很小)可以被空气氧化形成Al₂O_3.．外区(3)显示了热发光的碳质颗粒，它们经过燃烧形成CO₂．此外，形成的CO₂在2 μm处有强发射峰，在4.3 μm处有强发射带。在这个区域(3)燃烧完全氧化，可以产生产物。

ATV耀斑对喷气发动机喷管的热特征

对具有最高光谱性能的喷气发动机喷管和ATV耀斑的热特征进行了对比研究。喷气发动机的热特征在α和β波段上有两个特征峰。喷气发动机的平均强度比(θ) =0.3。ATV耀斑具有相似的α和β波段，但由于在燃烧火焰中形成了活跃的红外发射物质而具有更高的强度。添加50 wt% Al的ATV耀斑使α和β波段强度分别提高了6倍和1.5倍。该公式的θ值为0.73。图9演示了喷气发动机对含50 wt%铝的ATV耀斑的热特征。

铝含量对Α和Β波段平均强度的影响

利用mat lab软件分析了α、β谱带平均强度随铝含量的变化规律。图10论证了铝含量对α和β带平均强度的影响。

铝含量的影响可分为三个主要区域:

•α和β带随Al含量(40:50 wt%)的变化存在不稳定燃烧。

•铝含量为50%时，平均强度最大。

•随着Al含量从50%下降到70%，平均强度有所下降。

结论

耀斑应该有一个富燃料系统，以提高可燃性和燃烧稳定性。主要燃烧产物有AlF(暂态)、AlF_3.， Al (L)，少量Al₂O_3.碳烟和二氧化碳。Al质量分数为50%的ATV耀斑，其α和β波段的强度分别是实际喷管的6倍和1.5倍。这种增强的光谱性能归因于燃烧产物中AlF(主要红外发射体)的高含量。碳灰氧化成一氧化碳₂在2 μm处产生强发射峰，在4.3 μm处产生强发射带。本文将为开发具有定制光谱性能的ATV信号弹作为对抗红外导引头的有效手段开辟道路。

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