Аэрозолеобразующий состав

Изобретение относится к средствам маскировки в военном деле при ведении наступательных или оборонительных действий, а именно к образованию аэрозольных (дымовых) завес диспергированием в атмосферу частиц твердого вещества. Такие аэрозольные завесы используются для активного противодействия оптико-электронным средствам разведки и управления оружием, работающим в инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного спектра излучения. Техническая задача изобретения заключается в создании аэрозолеобразующего состава с высокой маскирующей способностью в спектральном диапазоне Δλ=3,0-14,0 мкм, простого и технологичного при изготовлении, создающего долгоживущую в атмосфере аэрозольную завесу. Описывается аэрозолеобразующий состав порошка графита, удельная внешняя поверхность которого находится в диапазоне 26500-33500 см²/г, а массовое распределение по размеру частиц лежит в пределах, мас.%: 72-81% частиц с d=5-14 мкм, 15-20% частиц с d=2,5-5 мкм, 2-8% частиц с d=1,0-2,5 мкм, частицы с диаметром d больше 14 мкм и меньше 1,0 мкм - остальное. 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к средствам маскировки в военном деле при ведении наступательных или оборонительных действий, а именно к способам и устройствам для образования аэрозольных (дымовых) завес с применением аэрозолей, полученных методом диспергирования в атмосферу частиц твердого вещества. Такие аэрозольные завесы используются для активного противодействия оптико-электронным средствам разведки и управления оружием, работающим в инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного спектра излучения (Δλ=3.0-14.0 мкм). Согласно общепринятой классификации такие аэрозольные завесы относятся к номенклатуре маскирующих дымов.

Известны различные технические решения для получения дымов: горение и термовозгонка с последующей конденсацией, распыление твердых частиц сжатым газом или взрывом. К веществам, дающим дым в результате возгонки и последующей конденсации, относятся хлористый аммоний, ароматические углеводороды (нафталин, антрацен, фенантрацен и др.) и некоторые углеводороды жирного ряда. К пиротехническим дымовым составам, применяемым в дымовых шашках и гранатах, относят металлохлоридные смеси на основе порошкообразных окислов металлов (цинка, железа) и различных галогенированных углеводородов (четыреххлористого углерода, гексахлорэтана). Известно использование фосфора в качестве аэрозолеобразующего вещества (Соловьев Н.К. Дымовые и огнеметно-зажигательные средства. М.: ВИВМ СССР, 1951).

Известны также способы образования дымов в результате испарения и последующей конденсации паров в атмосфере. В таких способах в качестве исходных веществ используются различные нефтепродукты (дизельное топливо, мазут, соляровое масло) и пенообразующие смолы, постановка аэрозолей осуществляется с помощью генераторов или дымовых машин различных конструкций. Пенообразующие смолы впрыскивают в поток газов, температура которых выше температуры образования пенопластов, при этом капельки смолы приобретают ячеистую структуру и затвердевают в мелкие частицы, образуя дым (Шидловский А.А., Сидоров А.И., Силин Н.А. Пиротехника в народном хозяйстве. М.: Машиностроение, 1978. Шидловский А.А. Основы пиротехники. М.: ГИОП, 1954).

Рассмотренные аэрозолеобразующие составы (АОС) применяются в штатных дымовых средствах, обеспечивают маскировку в видимом и ближнем ИК-диапазонах спектра электромагнитного излучения (Δλ=0.3-1.8 мкм). Аэрозоли такого типа можно использовать в качестве «матрицы» в составе перспективных средств. Недостатком известных аэрозольных (дымовых) завес является их низкая маскирующая способность в инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного спектра излучения (особенно Δλ=3.0-5.0 мкм и Δλ=8.0-14.0 мкм), т.е. в диапазонах, в которых работают основные средства разведки, наблюдения и управления оружием, включая тепловизионную аппаратуру.

Возможность повышения маскирующего действия в ИК-диапазоне связана с использованием частиц, характерные размеры которых сравнимы с длиной волны излучения. Такие частицы могут использоваться в качестве порошкового аэрозолеобразующего состава, обеспечивающего при диспергации (распылении) образование аэрозольной завесы, маскирующей в ИК-диапазоне, или могут быть введены в «матрицу» путем распыления порошковых составов одновременно со штатным составом, придавая ей маскирующие свойства в ИК-диапазоне.

Для увеличения маскирующей способности штатных дымовых составов предложены способы получения аэрозоля, включающие введение в основной пиротехнический АОС газогенерирующих смесей, при сгорании которых выделяется большое количество газов, что позволяет осуществлять дробление (диспергирование) твердых частиц горячих шлаков основного состава при выбросе их в атмосферу (Патент RU 2102689, кл. F41Н 9/00, С06D 3/00, опубл. 20.01.1998; патент RU 2102691, кл. F41Н 9/00, С06D 3/00, опубл. 20.01.1998).

Известен способ защиты личного состава, вооружения и военной техники перед передним краем противника и боеприпас для его осуществления, в котором наряду с постановкой тепловой завесы посредством горючих материалов предварительно рассеивают порошки из графита (патент RU 2278347, кл. F42В 5/15, F42B 12/46, опубл. 20.06.2006).

Известен аэрозолеобразующий состав, где для придания аэрозольной завесе маскирующей способности в инфракрасном диапазоне длин волн электромагнитного спектра излучения (Δλ=3.0-14.0 мкм) предложен метод экранирования инфракрасной радиации, предусматривающий одновременное создание аэрозольной завесы из штатного термоконденсационного (нефть, масло) АОС и алюминиевых частиц, обладающих размерами от 2 до 20 микронов и толщиной меньше чем 3/10 микрона, которые соизмеримы с длиной волны ИК-диапазона. Алюминиевые частицы вводятся в горячий газовый поток одновременно с парами нефти и вместе с ними выбрасываются в атмосферу, возможно создание аэрозольной завесы только из алюминиевых частиц (патент US 3975292, кл. B01D 1/14; С09К 3/30; B01D 1/00; С09К 3/30; опубл. 1976.08.17).

Недостатком известных аэрозолей является недостаточно высокое значение маскирующей способности компонентов и невозможность влияния на степень дробления продуктов окисления. Недостатком является также неблагоприятное воздействие продуктов горения на людей, находящихся в зоне применения аэрозоля. А в случае использования алюминиевого порошка, который относится к классу взрывоопасных веществ, аэрозольные завесы приобретают повышенную горючесть и взрывоопасность. Следует отметить, что кратковременность постановки данных типов аэрозолей является их характерным и принципиальным общим недостатком.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому объекту является аэрозолеобразующий состав для формирования аэрозольной завесы, которая является непрозрачной при наблюдении в инфракрасном диапазоне. Аэрозолеобразующий состав представляет собой порошок естественного (природного) микрокристаллического графита, распределение по размеру частиц которого выбрано в зависимости от спектрального диапазона (длины волны) электромагнитного излучения, в котором производится наблюдение. Для достижения равномерного поглощения по спектру (Δλ=0.3-14 мкм) порошок графита имеет следующее распределение по размеру частиц:

приблизительно 50% частиц со средним диаметром d=14 мкм,

приблизительно 25% частиц со средним диаметром d=5 мкм,

приблизительно 25% частиц со средним диаметром d=2.5 мкм.

Этот аэрозолеобразующий состав принят за прототип (Заявка на патент Франции FR 2730742, МПК C06D 3/00; С09К 3/30; F41H 9/00; H01Q 17/00; C06D 3/00; С09К 3/30; F41H 9/00; H01Q 17/00; опубл. 1996.08.23).

К недостаткам известного состава следует отнести низкое значение маскирующей способности создаваемой аэрозольной завесы в спектральном диапазоне Δλ=3.0-14.0 мкм, что вызвано предложенным распределением по размеру частиц порошка графита. Порошок графита, имеющий приблизительно 50% частиц со средним диаметром d=14 мкм имеет высокую массу. Это неизбежно ведет к сокращению времени маскирующего действия завесы в результате быстрого оседания частиц на землю под действием силы тяжести (седиментации).

Техническая задача изобретения заключается в создании аэрозолеобразующего состава с высокой маскирующей способностью в спектральном диапазоне Δλ=3.0-14.0 мкм, создающего долгоживущую в атмосфере аэрозольную завесу.

Поставленная задача решается применением порошка графита, удельная внешняя поверхность которого находится в пределах 26500-33500 см²/г, а массовое распределение по размеру частиц лежит в пределах, мас.%:

72-81% частиц с диаметром d=5-14 мкм,

15-20% частиц с диаметром d=2.5-5 мкм,

2-8% частиц с диаметром d=1.0-2.5 мкм,

0,5-1.5% остальное (больше 14 микрон и меньше 1.0 микрона).

Предлагаемые аэрозолеобразующие составы существенно отличаются по своим маскирующим характеристикам от аналогов и прототипа.

Изобретательский уровень и новизна по сравнению с известными решениями обеспечиваются конкретными свойствами порошка графита с выбранными пределами удельной внешней поверхности и массовым распределением по размеру частиц.

Расчет ослабления излучения аэрозолями, т.е. его маскирующей способности или коэффициента эффективности ослабления, сводится к определению сечений ослабления частиц, входящих в состав аэрозоля. При этом сечения ослабления, имеющие размерность площади, характеризуют ослабление излучения конкретными частицами и их величина зависит как от длины волны излучения, так и от размеров, формы и вещества частиц.

Строгий теоретический подход к определению сечения ослабления излучения частицами возможен лишь в случае их однородной сферической поверхности, он достаточно широко изложен в литературе под общепринятым названием «Теория Ми» / Борен К., Кафман Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. Перевод с англ. М.: Мир, 1986/.

На практике маскирующую способность М_Δλ определяют в лабораторных камерах, измеряя непосредственно ослабление электромагнитного излучения (оптическую толщину аэрозолей в камере τ_Δλ):

где U и U₀ сигнал от объекта при наличии и отсутствии завесы соответственно;

и массовую концентрацию аэрозолей (интеграл массовой концентрации аэрозоля I_с):

I_c=C*L г/м²,

где С (г/м³) - концентрация аэрозоля на трассе наблюдения;

L (м) - длина трассы наблюдения.

Тогда маскирующая способность аэрозоля в диапазоне Δλ, по которой можно сравнивать аэрозолеобразующие составы:

М(Δλ)=τ_Δλ/C*L (м²/г).

Примеры реализации заявленного изобретения

Для оптимизации удельной поверхности порошка графита в предлагаемом аэрозолеобразующем составе проводились эксперименты в лабораторных условиях.

Из графита был изготовлен порошок с измеренным распределением по счетному размеру частиц в соответствии с прототипом:

приблизительно 50% частиц со средним диаметром d=14 мкм,

приблизительно 25% частиц со средним диаметром d=5 мкм,

приблизительно 25% частиц со средним диаметром d=2.5 мкм.

Такое распределение по счетным размерам соответствует массовому распределению по размеру частиц в пределах, мас.%:

85-95% частиц с диаметром d=5-14 мкм,

4-14% частиц с диаметром d=2.5-5 мкм,

около 1% частиц с диаметром d=1.0-2.5 мкм,

в зависимости от колебания процентного содержания среднего размера частиц в указанных пределах распределения, связанного с технологией изготовления и методами измерения дисперсного состава порошка.

Удельная внешняя поверхность порошка графита прототипа лежала в пределах 20000-23000 см²/г в зависимости от колебания массового процентного содержания среднего размера частиц в указанных пределах распределения.

Из графита были изготовлены порошки согласно изобретению с массовым распределением по размеру частиц в пределах, мас.%:

72-81% частиц с диаметром d=5,0-14,0 мкм,

15-20% частиц с диаметром d=2.5-5,0 мкм,

2-8% частиц с диаметром d=1.0-2.5 мкм,

0,5-1,5% остальное (частицы с диаметром больше 14 мкм и меньше 1,0 мкм).

Удельная внешняя поверхность порошка графита лежала в пределах 26500-33500 см²/г в зависимости от колебания массового процентного содержания среднего размера частиц (порядка 30000 см²/г) в указанных пределах распределения.

Диапазон процентного распределения частиц (плюс-минус 5%) определяется технологической целесообразностью, допускается ГОСТом, но может быть сужен за счет увеличения циклов циркуляции.

В частности, один из опытов проводился с порошком, полученным 10-кратным центрифугированием со следующим массовым распределением:

80% частиц с диаметром d=5-14 мкм,

16% частиц с диаметром d=2.5-5 мкм,

3,5% частиц с диаметром d=1.0-2.5 мкм,

0,5% - остальные частицы.

Удельная внешняя поверхность порошка графита в этом случае составляла величину порядка 30500 см²/г в указанных пределах распределения.

Из графита были также изготовлены опытные составы из порошка с удельной внешней поверхностью около 36000 см²/г и массовым распределением по размеру частиц в пределах, мас.%:

75% частиц с диаметром d=5-14 мкм,

16% частиц с диаметром d=2.5-5 мкм,

8% частиц с диаметром d=1.0-2.5 мкм,

1% - остальные частицы.

Удельная внешняя поверхность порошка графита лежала в пределах 35000-37000 см²/г в зависимости от колебания массового процентного содержания среднего размера частиц в указанных пределах распределения.

Распределение по размерам изготовленных порошков определялось по ГОСТ 17818.7-90 ГРАФИТ Метод определения дисперсного состава, а удельная внешняя поверхность - прибором ПСХ-10А и по ГОСТ 13144-79 ГРАФИТ Методы определения удельной внешней поверхности.

Приготовленные образцы аэрозолеобразующих составов распылялись в аэрозольной камере объемом 12 м³. Масса навесок бралась в количестве 3.5 г. После распыления испытуемых АОС проводилось определение маскирующей способности, массовой концентрации аэрозолей в камере и изменение массовой концентрации аэрозоля во времени. Определение этих параметров в лабораторных условиях осуществлялось с использованием апробированных методик по ГОСТ В26283.1-84 и ГОСТ В26283.2-84. Распыление составов осуществлялось пневматическим устройством, входящим в диспергационную установку.

Схема проведения испытаний, средства испытаний и измерений соответствовали ГОСТ В26283.0-84.

В ходе экспериментов определялись следующие параметры: интенсивность инфракрасного излучения А₀ при работе с чистой аэрозольной камерой, интенсивность инфракрасного излучения с исследуемым аэрозолем А_a, масса фильтра до и после отбора проб аэрозоля соответственно, скорость прокачки воздуха, время опыта, температура и влажность воздуха. Для определения маскирующей способности АОС в качестве источника излучения в диапазоне Δλ=3.0-14.0 мкм использовался коллимированный источник света с температурой 1850°С (глобар), приемник-измеритель прозрачности спектральный с регистрирующей аппаратурой (диапазон измерений Δλ=3.0-14.0 мкм).

Массовая концентрация аэрозолей в камере, определяемая весовым методом, рассчитывалась по формуле:

C=m/Vt, г/м³,

где m - привес на аэрозольном фильтре, г,

С - массовая концентрация аэрозоля, г/м³,

V - объем прокаченного воздуха,

t - время отбора пробы, с.

Спектральная прозрачность μ_(λ) аэрозольного образования в аэрозольной камере (диапазон измерений Δλ=3.0-14.0 мкм) в течение времени эксперимента и приведенная маскирующая способность рассчитывались по формулам:

μ_(λ)=Ln(A₀/A_a)/L 1/м;

М(Δλ)=μ_(λ)/С м²/г,

где L=3 м - диаметр аэрозольной камеры.

В ходе лабораторных исследований испытываемых АОС с каждым составом были проведены опыты при температуре от 20 до 22°С и относительной влажности 46.6% исходя из требований относительной погрешности среднего результата 5% при доверительной вероятности 0.95. Сравнительные результаты лабораторных исследований прототипа, заявляемого и опытного АОС представлены на фиг.1-2 и в табл.1.

Результаты сравнительной оценки прототипа и предлагаемого АОС свидетельствуют о превосходстве последнего над прототипом по маскирующей способности в спектральном диапазоне Δλ=3.0-14.0 мкм.

Т.о., заявляемое изобретение позволяет увеличить маскирующую способность до 60%, а время существования аэрозольной завесы до 30%.

Сравнение с опытным АОС указывает на то, что превышение удельной поверхности над заявляемой снижает маскирующую способность в исследуемом диапазоне до 25%.

Производство предлагаемого аэрозолеобразующего состава может быть осуществлено как из естественного графита, так и из термографита, которые широко выпускаются отечественной промышленностью. Технологии по производству графитовых порошков различной дисперсности хорошо отработаны при производстве сухих коллоидных графитовых препаратов для изготовления смазочных материалов.

Таблица 1
Сравнительная оценка предлагаемого АОС и прототипа
Удельная внешняя поверхность, см2/г	Критерий оценки
Маскирующая способность для ИК-диапазона спектра ЭМИ Δλ=3.0-14.0 мкм, м2/г	Доступность компонентов	Технология снаряжения и использования	Падение массовой концентрации во времени
Прототип 20000-23000	1,11	Неизвестно	Сложна	Высокое
Предлагаемый состав 26500-33500	1,78	Доступны (выпускаются отечественной промышленностью)	Проста и доступна	Низкое
Опытный состав 35000-37000	1,57	-		Низкое
Доступны (выпускаются отечественной промышленностью

Аэрозолеобразующий состав для формирования воздушной завесы в инфракрасном спектральном диапазоне Δλ=3,0-14,0 мкм, характеризующийся тем, что он содержит порошок графита с удельной внешней поверхностью 26500-33500 см²/г, имеющий массовое распределение размера частиц в следующих пределах, мас.%:

частицы с диаметром d=5,0-14,0 мкм	72-81
частицы с диаметром d=2,5-5,0 мкм	15-20
частицы с диаметром d=1,0-2,5 мкм	2-8
частицы с диаметром больше 14 мкм
и меньше 1,0 мкм	остальное