2.3.2.2 Термохимические составы

При термохимическом способе получения аэрозолеобразователя пиротехническое изделие является унитарным. Если химическая реакция происходит с участием компонентов состава, находящихся в конденсированном состоянии, образующееся вещество должно обладать высоким давлением насыщенного пара при температуре горения для его эффективного выноса. Если химическая реакция протекает в газовой фазе (после испарения компонентов реакции), образующее вещество может иметь любую упругость насыщенного пара. При низкой упругости пересыщение пара произойдет до смешения с воздухом, а при высокой – после смешения. Если химическое взаимодействие целевого продукта при температуре горения с воздухом нежелательно, аэрозольное изделие снабжается крышкой с отверстиями. В других случаях в процессе синтеза аэрозолеобразующего вещества могут участвовать кислород или влага воздуха, что способно увеличить выход дисперсной фазы.

2.3.2.3 Схема горения пиротехнического аэрозолеобразующего состава при унитарном заряжании

В общем виде образование аэрозоля при горении пиротехнического состава (ПС) в унитарном изделии можно представить схемой, приведенной на рисунке 15. В к-фазе 3 начинается разложение окислителя и взаимодействие его с горючим. В термовозгоночных составах они являются компонентами термической основы. В термохимических составах, в которых целевой продукт получается при взаимодействии двух компонентов, эти компоненты обычно одновременно выполняют роль термической основы. Если целевой продукт получается в результате разложения одного вещества, это вещество может являться или не являться компонентом термической основы. В этой же зоне может испаряться часть аэрозолеобразователя. Основная часть аэрозолеобразователя испаряется (или образуется в результате реакции) в более высокотемпературной зоне 8, в которую выносятся также продукты превращения других компонентов состава.

1 – ПС; 2 – зона прогрева; 3 – к-фаза; 4 – поверхность горения; 5 – поток атмосферного воздуха; 6 – зона набора влаги; 7 – зона аэрозолеобразования; 8 – реакционная зона Рисунок 15 – Схема образования аэрозоля при горении пиротехнического состава

Поступающий в струю продуктов сгорания атмосферный воздух снижает ее температуру, и в результате конденсации паров аэрозолеобразователя на ядрах конденсации в зоне 7 образуются первичные частицы аэрозоля. В силу турбулентного характера смешивания воздуха с продуктами горения в отдельных точках возникают большие пересыщения пара, во много раз превышающие среднюю степень пересыщения. В таких точках, как правило, и происходит зарождение ядер гомогенной конденсации. Кроме того, в продуктах горения обычно присутствуют конденсированные частицы, которые служат ядрами гетерогенной конденсации. Благодаря высокой концентрации в этой зоне происходит интенсивная коагуляция частиц. Они выносятся потоком в зону 6 с температурой ниже точки кипения воды, в которой на частицах начинает адсорбироваться атмосферный водяной пар. В том случае, когда частицы аэрозолеобразующего вещества являются водорастворимыми, на их поверхности появляется тончайшая пленка насыщенного раствора аэрозолеобразующего вещества частицы. Если давление водяного пара в среде, окружающей частицу, установится больше парциального давлении водяного пара над насыщенным раствором аэрозолеобразуюшего вещества (его гигроскопической точки), начинается диффузия атмосферной влаги в первичную дымовую частицу. Поглощение паров воды будет продолжаться до тех пор, пока весь аэрозолеобразователь не перейдет в состояние раствора, имеющего то же прациальное давление водяного пара, что и окружающий завесу воздух. Концентрацию водного раствора аэрозолеобразователя, находящегося в равновесии с окружающей воздушной средой, называют равновесной и обозначают С_р. Максимальную массу воды m_р (m_), которую может присоединить 1 г чистого эрозолеобразователя, определяют по формуле

.

При этом необходимо иметь в виду, что C_р кислот и солей, из которых состоят частицы дыма, изменяется в зависимости от относительной влажности воздуха и его температуры, и для каждого вещества характер изменения индивидуален. Если требуемое время образования аэрозоля очень малое, большое значение будет иметь скорость поглощения атмосферной влаги.

Целенаправленно воздействовать на процесс аэрозолеобразования, концентрацию и размеры частиц аэрозоля можно следующими способами:

• турбулизацией потока на начальном участке струи;

• изменением скорости истечения продуктов сгорания, например, путем диафрагмирования поверхности горения (уменьшения площади отверстий, через которые происходит отток продуктов сгорания);

• увеличением поверхности соприкосновения продуктов сгорания с окружающим воздухом путем рассредоточения единого потока на несколько более мелких потоков;

• инжекцией в поток продуктов сгорания, включающих гигроскопичные вещества, атмосферного воздуха.

2.3.3. Принципы разработки и свойства аэрозольных составов.

Основные требования к составам

2.3.3.1 Составы маскирующего и помехового действия

а) Основы маскирующего и помехового действия аэрозолей

Современные средства поражения отличаются высокой эффективностью и постоянно совершенствуются. Принципы наведения высокоточногое оружия (ВТО) базируются на использовании лазерных, инфракрасных и телевизионных систем наведения, функционирующих в видимой (0,4-0,76 мкм), ближней (0,76-1,5 мкм), средней (2-5,6 мкм) и дальней (8-14 мкм) ИК-областях спектра оптического излучения. Аэродисперсные системы, способные поглощать, излучать, рассеивать излучение в спектральных диапазонах функционирования ВТО, ставятся на суше, на море, в воздухе и являются одним из средств противодействия этому оружию.

Маскирующая и помеховая способность аэрозольных завес основана на использовании оптических явлений, происходящих в аэрозолях – рассеянии, поглощениии, отражении, ослаблении падающего излучения и собственном излучении. Для того чтобы различать предметы, необходимы источник излучения и детектор, принимающий и преобразующий энергию источника. Источником может быть собственный источник энергии (солнце, лампа, лазер, световое излучение ядерного взрыва и др.) или любой объект, рассеивающий излучение от других источников. Детектором может служить глаз или прибор. Наличие источника и детектора – необходимое, но недостаточное условие. Между наблюдаемым предметом (объектом) и окружающим фоном должен существовать контраст яркости, иначе детектор не может отличить этот объект от фона. Яркость объекта воспринимается по отношению к яркости фона и является контрастной. Контракт яркости К определяют по формуле

,

где B_о и B_ф – яркость объекта и фона, на котором наблюдается объект соответственно; B_max--максимальное значение B_о или B_ф.

Видимость объекта возможна в том случае, когда контраст яркости больше порога контрастной чувствительности . Порог контрастной чувствительности зависит также от размеров и формы объекта. За порог чувствительности человеческого глаза принята величина контраста, равная 0,02 (2%). Величина порога контрастной чувствительности при малых яркостях зависит также от цвета объекта. Цвет объекта обусловливается неодинаковым спектральным составом лучей, отраженных самим объектом и окружающим его фоном. Для ощущения цвета разница в спектральном составе лучей, отраженных объектом и фоном, должна быть не менее 3-6 нм. Кроме того, для ощущения цвета объекта необходимо, чтобы доля цветных лучей в общем потоке отраженных лучей (насыщенность потока) также достигала определенной минимальной величины.

Вследствие рассеяния падающего излучения аэрозоль сам становится источником излучения и имеет собственную яркость B_a. Его яркость прибавляется к яркости объекта и фона и тем самым уменьшает контраст:

.

Абсолютная разница яркостей объекта и фона остается той же самой, но относительная яркость (контраст) уменьшается и при достаточной яркости рассеивающего аэрозоля может стать меньше порога контрастной чувствительности детектора. Одновременно вследствие рассеяния и поглощения (ослабления) снижается интенсивность излучения, который рассеивается объектом и фоном, и понижается их яркость. Для оценки оптических свойств пиротехнических аэрозолей принято использовать значения объемных показателей рассеяния k_р, поглощения k_п и ослабления k_o, равные суммам соответствующих сечений частиц, содержащихся в единице объема аэрозоля, а также величину , независящую от количества частиц в аэрозоле. Она показывает, с какой вероятностью фотон выживает при столкновении с аэрозольной частицей, т. е. происходит рассеяние. Чем больше , тем аэрозоль больше рассеивает и меньше поглощает. Величина характеризует степень черноты дыма и получила название вероятности выживания фотона.

,

где L – толщина аэрозольной завесы.

Поскольку относительный контраст яркости объекта и фона изменяется в зависимости от оптических характеристик аэрозольной завесы, положения наблюдателя, характера и интенсивности излучения источника освещения, его спектральных характеристик и положения в пространстве, диаграммы направленности рассеянного излучения, то вероятности взаимного обнаружения для наблюдателей, находящихся с освещенной и теневой сторон аэрозольной завесы, различаются. Это должно приводить к одностороннему преимуществу для одного из наблюдателей.

При наблюдении в видимом диапазоне оптического излучения помимо уменьшения контраста яркости рассеянный аэрозолем свет понижает насыщенность лучей, отраженных от поверхности объекта. Объект становится белесоватым и, при достаточной яркости рассеянного света, разница в цвете предмета и окружающего его фона перестает ощущаться. Если объект наблюдения является собственным источником излучения, маскировка наступает при ослаблении его излучения до порога чувствительности детектора:

Чем больше концентрация частиц в аэрозольном облаке и его толщина, тем больше излучения отражается от его границы. При уменьшении резкости границы облака вследствие вихревых течений или диффузии аэрозоля в чистый воздух отражательная способность аэрозоля снижается. Отражение излучения от края создает дополнительную яркость аэрозоля, еще более понижающую контраст между предметом и фоном. Постановка аэрозоля в расположении противника или в помещении, занятом террористами, приводит к их «ослеплению».

Уводящая аэрозольная завеса, обеспечивающая защиту объектов путем увода средств поражения с головками самонаведения (ГСН) с траектории движения на завесу, т. е. перенацеливания па ложную цель (ЛЦ), должна имитировать оптические поля объектов (пространственно-частотный спектр). Для перенацеливания средств поражения с телевизионными ГСН необходимо, чтобы аэрозольное облако обладало резко контрастными по цвету и яркости зонами (положительным и отрицательным контрастами относительно фона). Имитация высокочастотной составляющей видеосигнала от объекта может быть осуществлена путем создания в поле зрения телевизионной ГСН аэрозольной завесы, состоящей из черной и белой зон с резкой границей между ними.

Аэрозольное противодействие средствам с лазерными системами наведения основывается на имитации защищаемого объекта по коэффициенту отражения лазерного излучения от его поверхности. Это может быть осуществлено либо постановкой завесы на пути лазерного луча, либо созданием ее на некотором расстоянии от объекта с «подсветкой» лучом лазера, расположенного на защищаемом объекте. В последнем случае перед ГСН создается поле излучения, аналогичное полю излучения, отражаемого от объекта луча лазерного целеуказателя, благодаря чему обеспечивается перенацеливание управляемого средства поражения. Помеха работе лазерной системе может быть достигнута дефокусировкой лазерного луча в аэрозоле (увеличение угла его расходимости) вследствие рассеяния излучения. При применении лазеров для управления собственными средствами подавления можно использовать аэрозольные завесы одностороннего преимущества, прозрачные только в узких участках длин волн, совпадающих со спектром излучения данных лазеров. Такую маскирующую аэрозольную завесу с окнами спектральной прозрачности позволяет создать наличие области аномальной дисперсии показателя преломления в требуемом участке спектрального диапазона (рисунок 16).

а	б
Рисунок 16 – Спектральная зависимость показателей преломления вещества частиц (а) и расчетного объемного показателя ослабления полидисперсного аэрозоля с модальным радиусом частиц 5 мкм

При наблюдении в видимом диапазоне излучения маскировка объекта может быть осуществлена постановкой аэрозольной завесы того же цвета, что и фон, на котором наблюдается объект. Для этого необходимо обеспечить снижение контраста цвета объекта и фона до величины, меньшей цветового порога чувствительности глаза, или различия в спектре излучения, отраженного от объекта и фона, до величины, меньшей порога чувствительности соответствующего прибора. Действие аэрозолей, предназначенных для защиты от поражения световым излучением ядерного взрыва (СИЯВ) и мощного лазерного излучения основывается на ослаблении излучения.

Аэрозольные завесы, использование которых основано на рассеянии и поглощении падающего излучения, называются пассивными (холодными) завесами. Аэрозольные завесы, действие которых основано на их излучении в ИК диапазоне называются активными (горячими), а переизлучающие излучение дискретных ИК-источников, например пластин составов ИК излучения, рассредоточенных по o6ъему завесы – переизлучающими.