Шидловский. Основы пиротехники. А. А. Шидловский основы пиротехники издание четвертое, переработанное и дополненное
 Скачать 2.26 Mb.
|
|
§ 8. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ ИК-ИЗЛУЧАТЕЛЯХ Пиротехнические инфракрасные излучатели нашли применение в ракетно-космической технике на беспилотных мишенях, используемых для испытания ракет с ИК-головками самонаведения, в системах слежения за ракетами, спутниками и другими космическими аппаратами для определения их положения и траектории. Пиротехнические ИК- излучатели широко применяются в качестве ложных целей и оптических ловушек, которые выстреливаются с самолетов, боевых головок баллистических ракет, кораблей, крылатых ракет и других теплоизлучающих объектов для отвлечения от них ракет, имеющих инфракрасные головки самонаведения. Пиротехнические ИК-излучатели также, как и осветительные средства, должны обеспечивать определенную интенсивность излучения в течение заданного промежутка времени. Кроме того, задается спектральный состав излучения, который определяется спектральной чувствительностью применяемого приемника или спектр альнымл характеристиками излучения имитируемого объекта (для ложных целей. 134 На рис. 11.14 представлена типичная конструкция пиротехнического ИК-излучателя для систем слежения за целью. Он представляет собой цилиндрическую металлическую оболочку, запрессованную в несколько приемов пиротехническим составом. Воспламеняется ИК-излучатель либо при помощи электрозалалов, либо путем передачи огня от внешнего источника. На рис. 11.15 представлен пиротехнический ИК-излучатель, моделирующий абсолютно черное тело. В нем для нагревания графитовых стенок конической полости используется малогазовый пиротехнический состав термитного типа (алюминий+ окись железа + бор +хромат бария + связующее). Рис. 11.14. ИК-излучатели для систем слежения за целью Ас лучевым воспламенением б-с электрозапалами: стальной или алюминиевый корпус основной состав;3—запальные отверстия;4- крышкапластмассовая;5—заполнитель из пенопласта;6—воспламенительный состав;7— промежуточный состав;8—отверстие для крепежного болта;9—резьбовый хвостовик для крепления;10— электрозапал Рис. 11. 15. Пиротехнический ИК-излучатель, моделирующий абсолютно черное тело излучающий конус 2— втулка из графита, сапфира или плавленого кварца малогазовый пиротехнический термитный состав В табл. 11.13 приведены характеристики некоторых стандартных американских ИК- излучателей. Таблица 11.13 Характеристики пиротехнических ИК-излучателей Размеры, мм Выходной по Индекс Количество ток излучения, Время состава, кг единице телес горения, с диаметр длина ного угла, Вт/стер* W111A и В W112A и В; 0,45 25,4 225— 256 150—250 40 W211A и В W212A и В J 0,90 * Для интервала длин волн мкм. 50,8 334— 377 1000 90 W137 0,68 35 228 450 40 W138 0,68 36 238 900 20 135 W203A 0,45 50 197 1000 40 W203B 0,5 50 222 1000 60 W203C 1,13 50 420 1000 40 Видимое и инфракрасное излучение Видимый человеческим глазом свет занимает лишь часть всего диапазона электромагнитных колебаний, как это показано на рис. 11.16. Инфракрасные лучи имеют длины волн от 0.76 .ттп Рис. 11.16. Положение инфракрасного излучения в общем спектре электромагнитных колебаний 1000 мкм, те. больше, чем видимый свети меньше, чем ультракороткие радиоволны. В настоящее время весь диапазон инфракрасных волн условно делят на два участка на собственно инфракрасные волны и тепловые. Лучистая энергия в инфракрасной области спектра испускается при колебаниях атомов, групп атомов и молекула также при изменении вращения молекул газообразных, жидких и твердых веществ. Поэтому одним из способов генерирования инфракрасного излучения является простое повышение температуры тела, выбранного в качестве излучателя. Каждое тело в зависимости от его температуры и состояния поверхности обладает тем или иным излучением. Большая часть этого излучения при температуре, не большей чем 2000 —3000° С, лежит, как показано а на рис. 11.8, в инфракрасной области. Свойства инфракрасного излучения в основном не отличаются от свойств видимого света; оно подчиняется приведенным выше (гл. VI) законам излучения АЧТ. ИК-лучи лучше, чем видимый свет, проходят через атмосферу при наличии дымки, дождя, снегопада, слабого тумана. Эти особенности инфракрасных лучей учитываются при их практическом применении. 136 Рис. 11.17. График излучения раскаленной газовой струи реактивного двигателя и струи углекислого газа Объекты, имеющие высокую температуру, сами являются мощными источниками инфракрасного (теплового) излучения. К таким объектам относятся двигатели самолетов, танков, кораблей, тепловые электростанции и т. п. Так как пиротехнические источники инфракрасного излучения в последнее время используются для имитации ИК-излучения подобного рода объектов, то следует коротко сказать об излучении самолетов и ракет. На рис. 11.17 приведен график излучения раскаленной газовой струи реактивного самолетного двигателя. Кинетический нагрев обшивки самолетов и ракет, летающих с большими скоростями, обусловливает их значительное инфракрасное излучение. Так, например,. бомбардировщик, летящий на высоте 30 км со скоростью, соответствующей М=3, излучает впереди себя вдоль продольной оси Ю Вт/стер, а головная часть баллистической ракеты, летящая со скоростью, соответствующей М, на высоте 40 км излучает впереди себя вдоль оси 6-104 Вт/стер [50]. Энергетические характеристики пиротехнических источников ИК-излучения Если лучистая энергия видимого излучения обычно измеряется в описанных выше светотехнических единицах, то инфракрасное излучение, которое невидимо и интенсивность зрительного восприятия которого равна нулю, оценивается в энергетических единицах. В табл. 1.1.14 приведены основные энергетические характеристики ИК-излучения. Таблица 11.14 Энергетические величины и единицы Термин Определение Единица измерения Энергия излечения (лу Энергия, переносимая излучением Дж чистая энергия) Объемная плотность Количество энергии излучения, при Дж/мз энергии излучения ходящейся на единицу объема, в котором распространяются электромагнитные волны Поток излучения (мощ Мощность лучистой энергии или Вт ность потока излучения) количество энергии, излучаемой, поглощаемой или переносимой в единицу времени Энергетическая сила Излучаемый лучистый поток, при Вт/стер 137 света (сила излучения) Энергетическая осве ходящийся на единицу телесного угла Лучистый поток, падающий на еди Вт/м2 щенность (облученность ницу поверхности или плотность облучения поверхности) Энергетическая свет- Лучистый поток, излучаемый или Вт/м9 ность (плотность излуче отражаемый единицей поверхности во ния поверхности) всех направлениях Энергетическая яркость (лучистость) Излучение лучистой энергии в определенном направлении с единицы Вт/стер-м2 поверхности Количество облучения Произведение энергетической осве ДЖ/М2 щенности на длительность облучения, равное количеству лучистой энергии, упавшей на единицу площади поверхности за время t Выход излучения Выход лучистой энергии на единицу подведенной мощности другого вида энергии О методах экспериментального измерения инфракрасного излучения будет сказано ниже. Имея полученные экспериментально данные о средней энергетической силе света и времени гореняя И К-источник а (факела, заездки, излучателя, можно рассчитать характеристики, относящиеся непосредственно к составам ИК-излучения: удельное количество излучения, выход излучения, энергетическую яркость и энергетический кпд. § 9. ФОТОМЕТРИРОВАНИЕ И РАДИОМЕТРИРОВАНИЕ ПЛАМЕН ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ Основой практического фотометрирования и радиометрирова-ния пламен является измерение освещенности или энергетической освещенности (облученности) Е соответствующих приемников. По освещенности или облученности рассчитывают силу света (излучения, пользуясь уравнением I=ER2 Рис. 11.18. Кривые спектральной чувствительности фотоэлементов / —селеновый:2—сернисто-висмутовый;3—сернисто-свинцовый; 4—селенисто-свинцовый; термоэлемент 138 Приемниками лучистой энергии для видимой части спектра в основном служат фотоэлементы. Для ИК-излучения наряду с фотоэлементами и фотосопротивлениями применяют термоэлементы, болометры и оптико-акустические приемники. Для наиболее точных измерений ИК-излучения пользуются спектрометрами с быстрой разверткой спектров во времени. Основными характеристиками любого приемника излучения являются его спектральная и интегральная чувствительность, а также их стабильность во времени- Спектральная чувствительность — это чувствительность приемника к излучению с различной длиной волны она определяется природой вещества, из которого сделан в приборе светочувствительный слой, и может изменяться в широких пределах от 0,3 до мкм (рис. 11.18). Такие приемники лучистой энергии, как термоэлементы, болометры, оптико-акустические приемники, не обладают избирательной чувствительностью к излучению ъ различных участках спектра. Вместе стемна практике часто требуется измерить силу излучения не в широком диапазоне, воспринимаемом приемником, а на узком участке, соответствующем чувствительности человеческого глаза, фотоматериала или оптической системы. Для осуществления этой задачи применяются светофильтры, представляющие собой пластинки, пропускающие только излучение определенного спектрального состава. Для видимой части спектра используются цветные стекла, для ИК-фильтров — специальные стекла, слюда, фтористый литий, каменная соль, сильвин, бромистый калий и др. Фотоэлементы непосредственно преобразуют лучистую энергию в электрическую это явление называется фотоэлектрическим эффектом. Величина фотоэффекта характеризуется двумя законами. 1. Законом Столетова фотоэлектрический ток прямо пропорционален падающему на фотоэлемент лучистому потоку. 2. Законом Эйнштейна максимальная энергия фотоэлектронов возрастает с увеличением частоты падающего света независимо от его интенсивности. Измеряя фототек, образующийся в фотоэлементе, можно определить освещеяность (облученность) у создаваемую источником излучения. В настоящее время силу ювета осветительных средств измеряют при помощи различных объективных, фотоэлектрических приборов (люксметров. Фотоэлектрический люксметр состоит из двухосновных частей светоприемника (состоящего из одного или нескольких фотоэлементов, снабженных соответствующими светофильтрами) и прибора для измерения фототоков. Рис. 11.19. Кривые спектральной чувствительности селенового фотоэлемента (/), человеческого глаза (2) и селенового фотоэлемента с компенсационным светофильтром (3) 139 При фотометрировании пиротехнических пламен широкое применение нашли селеновые фотоэлементы. При освещении селенового фотоэлемента, замкнутого на какой-либо измерительный прибор, вцепи возникает электрический ток, сила которого сравнительно продолжительное время остается пропорциональной количеству падающего на фотоэлемент света. Сила фототока определяется общей или интегральной чувствительностью и спектральной чувствительностью фотоэлемента. Интегральная чувствительность это отношение силы тока, полученной вцепи фотоэлемента, к вызывающей ее световой мощности. Для современных селеновых фотоэлементов она составляет 400—500мка/лм (микроампер на люмен) при площади фотоэлемента см. Как видно из графика (рис. 11.19), спектральная чувствительность селенового фотоэлемента (кривая /) близка к спектральной чувствительности 'среднего человеческого глаза (кривая 2). Для точного приведения чувствительности фотоэлемента к чувствительности человеческого глаза пользуются желто-зелеными компенсационными светофильтрами (кривая 3). Эти светофильтры подбирают индивидуально к каждому фотоэлементу с таким расчетом, чтобы значительное ослабление силы света приходилось на область длин волн и 0,58—0,70 мкм. Для удобства пользования фотоэлемент со светофильтрами вставляют в оправку, которая имеет оптический визир для точной наводки фотоэлемента, контактные винты для подключения проводов и резьбовое отверстие для установки фотоэлемента на штатив. Электроизмерительные приборы, применяемые при фотометрировании (радиометрировании), конструктивно оформляются или в виде стрелочного гальванометра или в виде шлейфного осциллографа. Схема установки для измерения силы света изображена на рис. 11.20. Луч света от осветителя 2 через диафрагму 3 попа- Рис. 11.20. Схема измерения силы света /—светоприемник; осветитель диафрагма шлейф цилиндрическая линза фотобумага дает на зеркало 4. Отраженный луч фокусируется линзой 5 и попадает на движущуюся фотобумагу или фотопленку 6. При равномерном движении фотоматериала и при изменении величины фототока вследствие изменения освещенности фотоэлемента в процессе горения факела на фотоматериале записывается осциллограмма процесса горения. 140 Для того чтобы перейти от электрических величин к световым (или энергетическим), необходимо приемник с электроизмерительным прибором лроградуировать по эталонному источнику излучения. Градуировка заключается в определении цены деления шкалы гальванометра или цены мм высоты осциллограммы в лк или Вт/м2. В качестве эталонных источников видимого излучения применяют светоизмерительные лампы, в качестве эталонов инфракрасного излучения — различные модели абсолютного черного тела. В последнее время созданы высокотемпературные эталоны абсолютного черного тела (3000° К, поскольку этот режим является наиболее характерным для большинства пиротехнических ИК- излучателей. Применение при градуировке подобного эталона позволяет исключить радиометрическую ошибку, связанную с тарировкой при низких температурах. Размер и форма пламени зависят также от условий горения состава. Особенно большое влияние насилу излучения оказывают обдув пламени воздухом с большой скоростью (более 100 мс, горение составов в вакууме или под давлением и поглощение излучения остывшими продуктами горения составом (дымом. Отражение излучения окружающими предметами, прозрачность воздуха, температура и влажность атмосферы могут вносить значительные погрешности в результаты измерения характеристик излучения. Поэтому в полевых условиях невозможно обеспечить воспроизводимость результатов измерений. Для измерения силы света и времени горения пиротехнических изделий пользуются фотометрическими камерами, в которых устраняется влияй внешних условий, обеспечивается удаление дыма и создается возможность проведения испытаний в дневное время. Типовая фотометрическая камера большой модели (рис. 11, 21) имеет вид коридора прямоугольного сечения шириной 2—Зм высотой 2,5—4 ми длиной 40—50 м, на одном конце которого имеются помещения для аппаратуры и персонала, а на другом — горн для сжигания и вентиляционная система. рис. 11.21. Схема фотометрической камеры l—ocцилограф 2—светоприемник; жалюзи для подачи воздуха подъемник вентилятор дымовая труба Горн для сжигания представляет собой вертикальную шахту круглого или прямоугольного сечения, футерованную изнутри огнеупорным кирпичом и снабженную воздуховодами для подачи воздуха и отсоса продутое горения с определенной скоростью. Стены горна в процессе эксплуатации покрываются белыми шлаками, многократно отражают световой поток, идущий от пламени, и создающими на приемнике лучистой энергии дополнительную облученность, которая в некоторых случаях может превышать основную. Это приводит к значительным погрешностям в результатах измерения. Поэтому вовремя испытаний с помощью люксметра и эталонной лампы определяют отражательную способность (коэффициент многократного отражения n) горна и вносят затем соответствующую поправку. 141 В зависимости от назначения пиротехнического изделия его устанавливают соответствующим образом в потоке воздуха в камере (рис. 11.22). Это имеет значение, так как пламя пиротехнического изделия излучает в различных направлениях различное количество света. Вовремя сжигания изделий фиксируют не только силу света, но также время и характер горения (равномерность, пульсация и т. д. Рис. 11.22. Расположение осветительных изделий при фотометрировании а—сжигание беспарашютных звездок; б—сжигание парашютных факелов в—сжигание факелов артиллерийских снарядов и мин ГЛАВА XII ФОТООСВЕТИТЕЛЬНЫЕ СОСТАВЫ Эти составы применяются для получения кратковременных световых вспышек с силой света от нескольких миллионов до нескольких миллиардов свечей и продолжительностью до десятых долей секунды. В отличие от других пиротехнических составов фотоооставы, как правило, используются почти всегда в порошкообразном состоянии. Основное назначение фотосоставов — использование в фото-авиабомбах и фотопатронах, которые применяются в качестве искусственных источников света при ночном воздушном фотографировании для разведки 'или контроля результатов бомбометания и т. п. Кроме этого, фотосоставы широко используются в тех случаях, когда требуется получить короткую и яркую вспышку света, а иногда и сильный резкий звук например, для имитации вcпышек при стрельбе из орудий, атомных взрывов, разрывов снарядов, для корректировки стрельбы, для обозначения траекторий ракета также в качестве световых имитаторов, отмечающих срабатывание отдельных узлов ракет (боевых частей, взрыватель-ных устройств и т. п. § 1. НОЧНОЕ ВОЗДУШНОЕ ФОТОГРАФИРОВАНИЕ Весьма важными являются работы по созданию новых высокоэффективных средств разведки. Известно, что за рубежом создаются комплексные системы разведки, включающие различные технические средства фотографические, радиолокадионные, оптические, акустические, сейсмографические, радиологичеокие, инфракрасные, лазерные, телевизионные и др. Современные самолеты-разведчики летают на больших (до 30 км) или малых (менее км) высотах co скоростью до 3 М, радиус действия их достигает 4000 юм. На борту устанавливается сложная аппаратура для поиска и опознавания объектов одновременно по нескольким признакам. 142 Стратегический разведчик зач полета со скоростью, соответствующей М, на высоте более 27 км может разведать территорию площадью более 260000 км2; аэрофотоаппаратура обеспечивает разрешающую способность до 100 линии на 1 мм. В процессе воздушной разведки осуществляется автоматическое управление экспозицией, работой осветительных систем и автоматическая компенсация сдвига изображения. На некоторых самолетах имеется система съема информации в реальном масштабе времени и передачи данных на наземные пункты. По достоверности, объему и качеству информации аэрофоторазведка превосходит все другие способы воздушной разведки. Особую ценность представляет ночное воздушное фотографирование так как перепруппировка войск и техники, накопление сил на исходных рубежах и т. п. осуществляются преимущественно под покровом темноты, в ночное время. В качестве источников света три ночном воздушном фотографировании использовались — мощные прожекторы с газонаполненными (ксеноновыми) импульсными лампами или с ртутными лампами непрерывного свечения пиротехнические источники (фотоавиабомбы, фотопатроны, осветительные авиабомбы. В лазерных системах используют световой луч генерируемый газовым лазером непрерывного излучения. Луч сканирует местность в направлении, перпендикулярном направлению полета самолета. Отраженное от местности излучение фиксируется на аэропленке. В настоящее время в авиации в качестве искусственных источников света используют фотоосветительные авиабомбы (ФОТАБ) — для фотографирования с больших высот и осветительные фотопатроны (ОФП) — для съемки с малых высот. Современный комплекс ночного воздушного фотографирования состоит из следующих элементов 1 Носитель—пилотируемый или беспилотный самолет. 2. Источник света — ФОТАБ или ОФП с устройствами для их транспортиротаки на самолете и сбрасывания. 3. Ночные аэрофотоаппараты (НАФА). 4. Фотоматериалы. 5. Устройства для управления работой НАФА. Первоначально пользовались фотоаппаратами с затвором Приближенной синхронизации, который открывался за 2,5 с до срабатывания фотобомбы и закрывался через 2,5 с после вспышки Время экспонирования фотопленки в этом случае равнялось продолжительности вспышки. Аэрофотоснимки, полученные таким способом, имели большой сдвиг изображения в результате перемещения аэрофотоаппарата относительно земной поверхности, а также часто оказывались засвеченными наземными источниками света (пожары, разрывы снарядов и др, которые оставляли на пленке продольные следы. Вследствие этого часто нельзя было добиться детального дешифрования аэрофотонегативов. 143 Поэтому в дальнейшем стали применять НАФА с затворами точной синхронизации, которые открывались автоматически при помощи фотоэлектрических устройств, срабатывающих под действием света фотобомбы. Так как интенсивность излучения фотовспышки изменяется во времени — быстро нарастает до максимума, а затем сравнительно медленно падает, — то затвор НАФА и фотоэлектрический автоспуск настраивают так, чтобы объектив фотоаппарата был открыт как разв период наибольшей силы света вспышки. На рис. 12.1 приведены совреместные графики работы затворов НАФА и изменения силы света вспышки фотобомбы [80]. Для экспонирования аэропленки используется только часть световой энергии вспышки, пропорциональная незаштрихованной площади кривой «свет—время» (см. рис. 12.1). Рис. 12.1. Совместные графики работы затвора НАФА и излучения вспышки фотобомбы: д—для затвора приближенной синхронизации (отверстие затвора открыто в течение всего времени вспышки б—для затвора, работающего на открывание в—для затвора, работающего на открывание и закрывание время экспозиции На рис. 12.2 схематически представлено оборудование самолета-разведчика для ночного фотографирования. Рис. 12.2. Оборудование американского самолета-разведчика для ночного фотографирования установка стремя НАФА; 2—фотобомбы; кассеты для выстреливания фотопатронов; одиночный НАФА: бомбодержатель |