1 引言

红外诱饵剂是一种在燃烧过程中能产生强烈红外辐射的烟火药剂，用于对红外制导、探测及观瞄系统实施诱骗干扰。由于第一代和第二代红外制导导弹的工作波段基本上都在近、中红外波段，因此，与之对抗的红外诱饵药剂主要集中在近、中红外波段。随着远红外成像制导技术的广泛应用，对远红外诱饵剂的研究迫在眉睫^[1]。

目前，国内外对红外诱饵剂的研究主要以镁/聚四氟乙烯(Mg/PTFE，MTV)为基本组分，通过调整药剂配方来研究光谱及辐射特性。如，陈明华^[2-3]等用10~15 g药柱进行实验，结果显示当Mg/PTFE质量比为50/50时，红外辐射强度最大，3~5 μm/8~14 μm处分别为66.10/5.60 W·sr^-1; 而Mg₄Al₃/PTFE质量比为70/30时药剂的中、远红外辐射强度最大，分别为254.8 W·sr^-1和26.33 W·sr^-1。Campbell^[4-5]利用热塑粘合剂将TSE-MTV频谱效率由E_{2-3 μm}=185 J·g^-1·sr^-1提高至215~330 J·g^-1·sr^-1。于志良^[6]提出添加选择性辐射体如石墨粉、SiC等可有效提高3~5 μm红外辐射强度。另外，Weiser等^[7-8]用以Al/Fe₂O₃为基础的铝热剂与Sr(NO₃)₂和含能有机物结合制成诱饵剂，可提高3~5 μm处辐射强度同时降低1~3 μm辐射强度。MTV诱饵剂的光谱比为2~3 μm /3~5 μm=1.33，而真实目标光谱比为0.5≤2~3 μm /3~5 μm≤0.8(随发动机不同而不同)^[9]，而且在提高诱饵剂远红外辐射时，3~5 μm的辐射会随之显著提高。

为了满足诱饵剂2~3 μm/3~5 μm光谱比与真实目标相近，研究了以KNO₃/Mg-Al为基础配方的红外诱饵剂，结果显示KNO₃/Mg-Al光谱比为2~3 μm /3~5 μm=0.77，同时KNO₃/Mg-Al在远红外的辐射比MTV略强。为进一步提高药剂红外辐射，本研究选择在KNO₃/Mg-Al诱饵剂中添加具有较强热效应的硼粉(B)，研究不同比例B粉对药剂的质量燃速、燃烧温度和辐射亮度等燃烧及红外辐射特性影响规律，以获得提高诱饵剂远红外辐射强度的合适B比例。

2 提高诱饵剂红外辐射强度的理论分析

红外诱饵剂燃烧时的辐射强度主要取决于质量燃速、燃烧温度和燃烧产物成分，其中红外辐射强度与质量燃速之间的关系^[9]为:

$ I={{E}_{\rm{m}}}\dot{m} $

(1)

式中，I为红外辐射强度，W·sr^-1; E_m为比辐射能，J·g^-1·sr^-1; $\dot{m}$为质量燃速，g·s^-1。

由式(1)可知，红外辐射强度与药剂质量燃速成正比，由于药剂组成基本一致，比辐射能近似相等，因此，比辐射能变化可忽略不计，增加红外诱饵剂的质量燃速可提高辐射强度。

诱饵剂燃烧产生一定温度，其温度与红外辐射一般符合斯蒂芬-玻尔兹曼定律^[10] :

$ M=\sigma {{T}^{4}} $

(2)

式中，M为辐射出射度，W·m^-2；σ为斯蒂芬常数；T为燃烧温度，K。

辐射出射度M定义式为^[10] :

$ m = \frac{{{\rm{d}}\mathit{P}}}{{{\rm{d}}A}} = \int_{2{\rm{ \mathit{ π} 球面度}}} {L\cos \theta {\rm{d}}\mathit{\Omega }} $

(3)

式中，dP是dA向半球空间发射的辐射功率; dA是源面上的小面源；L是辐射亮度，W·m^-2·sr^-1; θ是与面源的法向夹角; dΩ是θ方向上的小立体角元。

根据式(2)和式(3)可推导出红外辐射亮度与燃烧温度的关系:

$ \sigma {T^4} = \int_{2{\rm{ \mathit{ π} 球面度}}} {L\cos \theta {\rm{d}}\mathit{\Omega }} $

(4)

因此，由式(4)可以看出，红外辐射亮度与燃烧温度的四次方成正比，提高燃烧温度可显著提高红外辐射亮度。

辐射强度与辐射亮度存在以下关系^[10] :

$ I = \int_{\Delta A} {L{\rm{d}}\mathit{A}{\rm{cos}}\theta } $

(5)

式中，ΔA是辐射面积，m²。

测试时样品燃烧面与测试仪器法相垂直，面源充满整个视场且辐射均匀，ΔA在位置、角度上不变，所以，公式(5)可简化为:

$ I = L\Delta A\cos \theta $

(6)

由此得出辐射强度与燃烧温度关系为:

$ \sigma {T^4} = \int_{2{\rm{ \mathit{ π} 球面度}}} {\frac{I}{{\Delta A}}{\rm{d}}\mathit{\Omega }} $

(7)

由式(7)可知，辐射强度与燃烧温度的四次方成正比，因此，提高诱饵剂燃烧温度可有效提高诱饵剂红外辐射性能。

3 药剂燃烧及红外辐射特性实验

主要原材料:硝酸钾(KNO₃)，分析纯，西陇化工股份有限公司；镁铝合金粉(Mg-Al)，东北轻合金; 硼(B)，活性B含量为86%~89%;氟橡胶为晨光氟橡胶FPM2603。

样品制备:实验采用80目筛下主要成分KNO₃/Mg-Al质量配比为58:29的诱饵剂作为基础配方，分别添加质量比为1%，2%，3%……10%的B粉，湿混后制成药浆，制成3 cm×3 cm相同质量的箔片，厚度均匀，约为1 mm。

测试仪器设备:美国Flir公司SC7000型远红外热像仪，光谱响应波段7.7~9.3 μm; 分辨率320×240像素; 温度分辨率＜20 mK; 测试镜头25 mm，背景、大气温度12 ℃，室温17 ℃，辐射率设为1。

测试时，将试验样品置于仪器镜头正前方1.1 m试验台，样品燃烧面正对仪器，点燃样品表面点火药后，样品迅速全面呈面源燃烧，测试样品燃烧过程。利用远红外热像仪测试样品燃烧时间、燃烧温度、辐射面积、辐射亮度。

4 实验结果与讨论 4.1 B粉对诱饵剂燃烧特性的影响

利用远红外热像仪测定燃烧时间和燃烧温度，结果取平均值。硼粉添加剂对药剂燃速和燃烧温度的影响结果如图 1所示。其中质量燃速${\dot m}$定义为${\dot m}$ =M/t，M为样品质量，g；t为燃烧时间，s。

从图 1可见，添加B粉后药剂质量燃速、燃烧温度均显著提高，随着B粉含量的增加燃速逐渐加快，当增加到2%时，燃速由0.394 g·s^-1增加到0.564 g·s^-1，之后燃速开始减慢; 当B粉含量增加到4%时，燃烧温度从727.71 ℃升高到1046.19 ℃的极值，之后继续增加B粉，燃烧温度逐渐降低，当B粉含量为10%时，燃烧温度为841.12 ℃。诱饵剂中添加B粉后燃速和燃烧温度增加，主要是因为B与KNO₃发生氧化还原反应产生大量反应热。

已知B在327 ℃时开始缓慢氧化，477 ℃时B表面的氧化层B₂O₃开始由固态变为液态，777~1227 ℃时B₂O₃与B进一步反应生成气态B₂O₂。其反应式依次为:

4B+3O₂→2B₂O₃+Q₁

2B₂O₃+2B→3B₂O₂↑+Q₂

其中，Q₁＞0为放热反应，Q₂＜0为吸热反应^[11]。药剂点燃后，B粉受热氧化释放热量，促进了基础配方KNO₃/Mg-Al的燃烧，从而同时提高了质量燃速和燃烧温度。但是随B粉含量的进一步增加，促进了B₂O₃的分解，导致反应吸收的热量增加; 另一方面，Mg-Al合金与B粉存在竞争氧化反应^[12]，B粉含量的增加阻碍了Mg-Al合金的氧化还原反应，导致药剂的燃烧反应热减少，因此药剂质量燃速和燃烧温度随着B粉含量的进一步增加呈现下降趋势。

4.2 B粉对诱饵剂红外辐射特性的影响

利用远红外热像仪可测得B粉含量不同时药剂燃烧某一时刻的红外热图如图 2所示。

利用热像仪自带Altair软件沿图 2中蓝色(约500 ℃)选择读取数据的范围，直接获得所选范围的辐射亮度和辐射面积，并由此按公式(6)计算辐射强度(由于热像仪记录结果为样品垂直方向辐射特性，因此式中θ=0°)，硼粉添加剂对药剂辐射强度的影响测定及计算结果如表 1和图 3所示。

从图 3可见，随着B粉含量的增加，药剂红外辐射亮度由995.68 W·m^-2·sr^-1提高到1681.59 W·m^-2·sr^-1 (此时B粉含量为4%)后逐渐降低。4.1结果显示，添加B后，药剂燃烧温度增加，由公式(4)可知药剂辐射亮度主要与燃烧温度有关，因此B粉的加入有效增加了热辐射，另外B粉燃烧可能生成B₂O₃^[11]，从而进一步提高辐射亮度。当B粉含量大于4%时，随着B粉含量的进一步增加可能导致Mg-Al氧化反应受阻，从而反应产生的辐射源减少。因此，随着B粉含量增加辐射亮度先增后减。

同时从图 3还可以明显地看出，随着药剂中B粉含量的增加，药剂红外辐射强度由1.10 W·sr^-1提高到2.64 W·sr^-1后(B粉含量为4%)快速降低，当B粉所占比例大于6%时，药剂辐射强度较未添加B粉的基础配方略低。由公式(6)可知，这主要是因为辐射亮度和辐射面积的影响。相较于辐射亮度，辐射面积变化较大，随着B粉含量的增加辐射面积从1099.99×10^-6 m²增加到1216.80×10^-6 m²极值后快速减小。原因是药剂燃烧生成大量固体和液体颗粒，同时B燃烧反应可能生成B₂O₂气体，增加了反应体系中气体量，从而增大了辐射面积，但随着B粉的进一步增加，B与Mg/Al竞争关系加剧，Mg/Al在燃面附近气相反馈减少，同时氧化生成的MgO、Al₂O₃等固体辐射源减少，导致辐射面积快速减小^[12]。因此，随着B粉含量增加辐射强度先增后减。

5 结论

(1) 添加B粉可有效提高KNO₃/Mg-Al诱饵剂的燃烧速度、燃烧温度。当B粉含量为2%时药剂燃烧速度达到极大值0.564 g·s^-1，B粉含量为4%时药剂燃烧温度达到极大值1046.19 ℃。

(2) 在KNO₃/Mg-Al诱饵剂中添加B粉后，B粉含量为4%时药剂辐射亮度和辐射强度均达到极大值，分别为1681.59 W·m^-2·sr^-1、2.64 W·sr^-1。这是由于添加B粉增加了体系中固体组分含量，产生大量燃烧反应热，从而提高了燃烧温度，进而提高了红外辐射。