近年来, 随着光电侦察和精确制导武器的发展, 毫米波与红外复合制导技术越来越多地应用于各种光电武器系统, 极大提升了武器系统的抗干扰能力, 同时对烟幕无源干扰技术提出了新的挑战。为此, 国内外相继开展了毫米波/红外复合干扰技术的研究, 并成功研制了以富碳化合物和膨胀石墨为主的多组分燃烧型复合干扰材料^[1], 但局限于通过燃烧分散的方式形成烟幕云团使用。

碳纤维(Carbon Fiber, CF)是由有机纤维经碳化及石墨化处理得到的微晶石墨材料^[2], 具有优异的物理和化学性能^[3], 在航空航天、国防军事等高科技领域有着广泛的应用^[4]。短切碳纤维是由碳纤维长丝根据需要长度切制而成, 长度一般为毫米级, 具有质量轻、强度高、导电性好、吸波性能高等特点。目前, 短切碳纤维在光电对抗领域中的应用主要集中在武器装备结构隐身^[5]方面, 如战斧式巡航导弹壳体、B-2隐形轰炸机的机身、F117A隐形飞机的局部均采用了碳纤维改性的高分子吸波材料^[6]。在烟幕无源干扰方面, 美国专利US5148173^[7]公布了通过爆炸分散形成碳纤维遮蔽云团, 能有效干扰毫米波探测器的探测。目前在国内光电对抗领域研究中, 短切碳纤维主要应用于复合隐身材料^[8]方面, 作为烟幕材料的研究多集中在材料表面改性和静态方式下对毫米波干扰效应的测试^[9], 而关于短切碳纤维爆炸分散云团形成过程及对毫米波/红外复合干扰性能动态测试方面的研究尚未见文献报道。

因此, 为了进一步探索短切碳纤维在烟幕无源干扰光电对抗领域中的应用, 本研究基于半波长谐振理论^[10], 选择1.5mm/4mm长度碳纤维, 采用爆炸的方式将其分散到大气环境中形成烟幕云团, 依托密闭爆炸实验室构建云团在线监测和毫米波/红外复合干扰性能动态测试平台, 通过静风条件下的爆炸实验, 研究短切碳纤维爆炸分散云团形成过程及烟幕云团对毫米波/红外的复合干扰性能变化规律, 为复合干扰爆炸型短切碳纤维的后续应用研究奠定基础。

短切碳纤维:长度1.5mm/4mm, 纤维直径7 μm, 拉伸强度3800 MPa, 拉伸模量228 GPa, 密度1.75 g·cm^-3, 电阻率1.0×10^-3~1.6×10^-3Ω·cm, 盐城市翔盛碳纤维制品有限公司。

实验样弹:设计并制作两枚样弹, 分别记为1^#弹和2^#弹, 均采用柱状壳体中心爆管结构, 中心装药为RDX, 电雷管引爆, 壳体为工程塑料材质, 高10 cm, 外径6.4 cm, 内径5.8 cm, 碳纤维装填量为75 g, 装填密度0.3 g·cm^-3, 装药比2%, 其中1^#弹装填1.5 mm碳纤维, 2^#弹装填4 mm碳纤维。

3 mm/8 mm波烟幕插损测试系统:包括发射机和接收机两部分, 接收机由计算机控制, 能进行数据的采集和分析。工作温度: 45~55 ℃; 测试距离:室内大于6 m, 野外100~400 m。

高速摄像机: Phantom LAB310, 12位CMOS传感器, 灵敏度2000T(ISO12232 SAT), 最小曝光时间1 μs, 全幅分辨率(1280×860)下的拍摄速率为3260帧/s, 最高拍摄速率可达650000帧/s, 美国VRI公司。

红外热成像仪: HY6800型, 非制冷焦平面探测器, 工作波段8~14 μm, 温度分辨率: 0.08 ℃(在30 ℃时), 测温范围-10~1000 ℃, 广州飒特电力红外技术有限公司。

依托密闭球形爆炸实验室, 构建了短切碳纤维爆炸分散实验测试平台, 主要包括3 mm波烟幕插损测试系统、8 mm波烟幕插损测试系统、红外热成像仪、高速摄像机、照明系统、采样装置等, 布局如图 1所示。爆炸室中心悬挂样弹, 地面自爆心投影位置每隔0.5 m放置采集样板, 可用于收集爆炸后碳纤维分散样品观察判断分散效果; 利用爆炸室观察窗口分别架设3mm/8mm波烟幕插损测试系统、红外热像仪和高速摄像机。为保证测试数据的有效性和实验的安全性, 毫米波、红外和高速摄像机测试窗口材料分别为泡沫板、多层塑料薄膜和防爆透明玻璃; 毫米波烟幕插损测试系统的发射机和接收机两两相对, 通过调整挂弹高度, 使其处于毫米波测试光路的中间位置; 在爆炸室内部靠近高速相机一侧设置碘钨灯提供高速摄像机拍摄所需灯光照明, 并作为红外热成像靶标(由于观察窗口的限制, 实验中的挂弹高度略高于红外测试光路, 可能会造成实验测得的红外衰减数据略低于实际数据, 但该数据仍可供参考)。

图 1(Fig. 1)

图 1 实验测试平台示意图 Fig.1 Schematic diagram figure of experimental test platform

各测试仪器调试好后, 除高速相机外, 其它仪器首先启动测试本底, 然后通过起爆器引爆样弹, 同时启动高速摄像机拍摄并记录云团膨胀过程, 烟幕插损测试系统测试云团对3 mm波和8 mm波衰减性能, 红外热成像仪采集红外视频, 记录爆炸前后不同时刻云团对靶标红外图像的遮蔽干扰效果。

采用高速摄像机以2000 fps的拍摄速率分别记录了1^#和2^#弹短切碳纤维爆炸分散后云团成形过程, 典型分幅照片如图 2所示。对高速记录图像中云团范围进行测量, 可得到云团扩展直径与时间关系曲线如图 3所示, 进而得到云团扩展速度与时间关系如图 4所示。由图 2~图 4可以看出, 短切碳纤维爆炸以径向抛散为主, 云团分布基本保持轴向对称, 其分散过程可以分为加速运动、减速运动和扩散运动三个阶段。加速运动阶段, 在中心高能炸药爆炸作用下, 壳体膨胀破裂, 短切碳纤维随破裂壳体碎片沿径向和轴向向外喷射形成射流, 此阶段爆炸力起主导作用, 2 ms时云团扩展速度达到最大值; 减速运动阶段, 爆炸作用力逐渐减弱, 短切碳纤维受惯性力和空气阻力的作用作减速运动, 云团主要沿径向进一步扩展, 扩展速度逐渐衰减; 大约40 ms后云团径向不再有明显扩展, 开始作扩散运动, 此阶段径向范围基本不变, 轴向范围稍有扩展, 且受湍流扩散影响, 云团作局部翻滚, 使碳纤维分散得更加均匀。从图中还可看出, 在相同装药结构和装填参数条件下, 短切碳纤维长度变化对云团直径、范围和扩展速度的影响很小。

图 2(Fig. 2)

图 2 短切碳纤维爆炸云团高速摄像分幅图像 Fig.2 Separation pictures from high-speed camera for explosion clouds of short carbon fibers

图 3(Fig. 3)

图 3 云团扩展直径与时间关系 Fig.3 Clouds expanding diameter vs time

图 4(Fig. 4)

图 4 云团扩展速度与时间关系 Fig.4 Clouds expanding speed vs time

利用3mm/8mm波烟幕插损测试系统分别测试了云团对3 mm、8 mm波的动态衰减性能, 结果如图 5、图 6所示。由图 5、图 6可见, 短切碳纤维爆炸分散所形成烟幕云团对3 mm和8 mm波有显著的衰减效果。

图 5(Fig. 5)

图 5 云团对3 mm波衰减测试曲线 Fig.5 The attenuation test curves of clouds to 3 mm wave

图 6(Fig. 6)

图 6 云团对8 mm波衰减测试曲线 Fig.6 The attenuation test curves of clouds to 8 mm wave

为综合评价短切碳纤维作为毫米波干扰烟幕材料的性能, 用衰减分贝数达到5.2 dB(即单程衰减率为70%, 双程衰减率为90%)以上所持续时间作为短切碳纤维云团干扰毫米波的有效作用时间, 用达到最大衰减分贝数一半以上所持续时间作为留空时间, 根据测试结果计算短切碳纤维云团对3 mm波和8 mm波的最大衰减值、最大衰减率、有效作用时间和留空时间, 结果见表 1。

表 1(Tab. 1)

表 1 短切碳纤维云团对3mm/8mm波衰减测试结果 Tab. 1 The attenuation test results of chopped CF clouds to 3mm/8mm wave bomb number 3 mm wave 8 mm wave maximum attenuation decibel/dB maximum attenuation rate/% effective time/s duration of stay/s maximum attenuation decibel/dB maximum attenuation rate/% effective time/s duration of stay/s 1# 14.5 96.5 106 98 7.4 81.8 32 37 2# 13.6 95.6 83 60 15.7 97.3 38 13

表 1 短切碳纤维云团对3mm/8mm波衰减测试结果 Tab.1 The attenuation test results of chopped CF clouds to 3mm/8mm wave

由表 1结果可见: (1)对于干扰3 mm波, 1.5 mm长度碳纤维的最大衰减率高于4 mm长碳纤维, 对于干扰8 mm波, 4 mm长碳纤维最大衰减率高于1.5mm长碳纤维, 测试结果进一步验证了对于3 mm波和8 mm波, 半波长长度的碳纤维的干扰效果较佳, 与半波长谐振理论^[10]相符; 另外, 碳纤维长度的变化对8 mm波的衰减影响更为显著; (2)云团对3 mm波、8 mm波有效作用时间均大于30 s, 对3 mm波的有效作用时间不小于1 min, 再结合衰减率结果可以看出, 短切碳纤维云团对高频电磁波(3 mm波)的衰减能力更强。从毫米波的衰减机理分析, 毫米波在碳纤维中的传输距离越短, 衰减越快, 趋肤效应^[11]越显著, 其对毫米波的衰减越明显; (3)1^#弹云团比2^#弹云团留空时间更长, 原因是在同样分散条件下, 碳纤维长度越大越不利于分散, 而且受重力作用的影响, 4 mm碳纤维沉降速度更快, 因此相比1.5 mm碳纤维留空时间变短。

实验中, 以照明碘钨灯为红外靶标(靶标成像温度148 ℃), 利用红外热成像仪采集了云团对靶标干扰过程的红外视频。图 7、图 8显示了云团对靶标的遮蔽干扰效果, 原始目标图像见图 7a、图 8a, 由于短切碳纤维云团的散射和吸收作用, 热像仪接受到的靶标红外图像受到干扰, 图像变得模糊甚至完全消失(靶标成像温度35 ℃), 如图 7b、图 8b所示; 随着云团沉降, 靶标重现, 见图 7c、图 8c, 说明短切碳纤维云团对8~14 μm红外成像系统有明显的遮蔽干扰效果。

图 7(Fig. 7)

图 7 1#弹云团对红外目标的遮蔽干扰效果 Fig.7 The obscuring and interfering effect of 1# bomb clouds on infrared target

图 8(Fig. 8)

图 8 2#弹云团对红外目标的遮蔽干扰效果 Fig.8 The obscuring and interfering effect of 2# bomb clouds on infrared target

为定量评价烟幕云团对红外的干扰性能, 一般通过计算衰减率来表示, 其中, 烟幕对红外热成像的衰减率可通过红外视频图像的灰度值进行计算^[12], 计算公式为:

式中, β为烟幕的红外衰减率(%); h₀为施放烟幕前目标的灰度值; h₁为施放烟幕前背景的灰度值; h₀(t)为施放烟幕后目标随时间t变化的灰度值; h₁(t)为施放烟幕后背景随时间t变化的灰度值。

通过视频编辑软件将采集的红外视频转换为不同时刻序列图像, 利用Matlab编写程序读取序列图像及选定目标区域和背景区域灰度值, 并计算云团形成前后目标及背景的平均灰度值, 经式(1)计算即可得到不同时刻的红外衰减率, 如图 9所示。图 9显示, 在本实验测试条件下, 短切碳纤维云团对8~14 μm红外呈现良好的干扰性能, 最大衰减率分别为98%和99.8%, 有效遮蔽时间(对8~14 μm红外衰减率85%以上)分别为21 s和23 s, 从最大衰减率和有效遮蔽时间分析, 1.5 mm和4 mm碳纤维长度变化对8~14 μm红外干扰效果的影响不大。

图 9(Fig. 9)

图 9 短切碳纤维云团在8~14 μm波段红外衰减率曲线 Fig.9 Infraredattenuation rate at 8-14 μm of short CF

(1) 通过爆炸的方式可以有效分散短切碳纤维, 分散过程分为加速运动、减速运动和扩散运动三个阶段, 并以径向抛散为主, 能够形成较为稳定的初始烟幕云团。在同样的装药结构和装填参数条件下, 短切碳纤维长度的变化对烟幕云团参数影响很小。

(2) 短切碳纤维云团具备优异的毫米波/红外复合干扰性能。在本次爆炸分散实验条件下, 云团对3 mm波和8 mm波最大衰减在95%以上, 单程衰减分贝数≥5.2 dB时的有效作用时间均能达到30 s以上, 对3 mm波的有效作用时间不小于1 min; 对8~14 μm红外成像系统最大衰减接近100%, 衰减率≥85%时有效遮蔽时间可达20 s以上; 1.5 mm碳纤维具有更好的空中悬浮特性, 短切碳纤维长度的变化对8 mm波的衰减影响更为明显。