СПОСОБ ЭКРАНИРОВКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2008 года по МПК C06D3/00 

Актуальна задача экранировки инфракрасного излучения движущихся объектов (самолеты, вертолеты, корабли, танки и пр.), причем наиболее важно экранировать излучение относительно небольших наиболее горячих зон от приемника инфракрасного излучения для всех длин волн λ из рабочего диапазона приемника λ_min...λ_max. Для затруднения обнаружения объекта недостаточно снизить контрастность горячих зон или создать диффузное излучающее облако, наиболее предпочтительно создать вокруг горячих зон объекта аэрозольный экран, обеспечивающий снижение общего излучения.

Давно известен способ экранировки излучения объекта от обнаружения и идентификации приемником (приемниками) электромагнитного излучения, при котором в воздухе между объектом и приемниками излучения формируют объем V, заполненный аэрозолем из микро- или наночастиц. Чтобы экранировать излучение в каждом направлении l_i от каждой излучающей зоны объекта до каждого приемника электромагнитного излучения, необходимо обеспечить достаточно высокую оптическую плотность τ_iλ для всех длин волн λ из диапазона λ_min...λ_max работы приемника электромагнитного излучения, т.е. выполнить условие

τ_iλ>>1,

где τ_iλ=∫(κ_rλ+κ_sλ)dl_i - оптическая плотность заполненного аэрозолем объема, κ_rλ=nσ_rλ - коэффициент поглощения для длины волны λ в диапазоне работы приемника излучения, σ_rλ - сечение поглощения для длины волны λ, κ_sλ=nσ_sλ - коэффициент рассеяния для длины волны λ, σ_rλ, - сечение рассеяния для длины волны λ, n - локальная концентрация частиц. Из-за этого условия суммарное количество частиц аэрозоля N=∫ndV, следовательно, и суммарная масса частиц аэрозоля М_Σ ограничены снизу. Значительная суммарная масса аэрозоля существенно ограничивает его применение, особенно на летательных аппаратах, у которых значительна относительная скорость воздуха (т.е. велик объем V), а ограничения по массе особенно жесткие. Поэтому важно обеспечить наибольшее отношение сечения рассеяния частицы σ к ее массе М.

Известен способ экранировки инфракрасного излучения объекта путем формирования объема V, заполненного аэрозолем из микро- или наночастиц, при горении или взрыве пиротехнических средств. Сажевые частицы, образующиеся при горении обычных дымовых пиротехнических средств, плохо рассеивают инфракрасное излучение (т.е. имеют относительно малое значение σ/М), т.к. их размеры оказываются слишком малы по сравнению с длиной полуволны указанного излучения λ_ИК/2. Чтобы повысить эффективность рассеяния инфракрасного излучения, в состав пиротехнических средств в [CZ 283604] добавляют диэлектрические частицы (кристаллы хлористого натрия, хлористого аммония и др.) с размерами во всех направлениях Δх≈Δу≈Δz≈λ_ИК/2. Сечение σ при этом растет, но значение σ/М оказывается все же еще относительно велико за счет большого объема частицы ΔV≈(λ_ИК/2)³. Кроме того, при горении выделяется тепловая энергия, и само облако аэрозоля оказывается источником инфракрасного излучения. Эти недостатки существенно ограничивают применение данного способа на транспортных средствах, особенно на летательных аппаратах.

Известен способ [US 4704966] экранировки инфракрасного излучения объекта путем формирования объема V, заполненного аэрозолем из микро- или наночастиц, при взрыве пиротехнических средств, причем для повышения эффективности рассеяния инфракрасного излучения в состав аэрозоля добавляют частицы латунной или бронзовой фольги с размерами К₁Δх≈Δу≈Δz≈λ_ИК/2, К₁=5...200. Указанные частицы предварительно компактируют и обеспечивают их диспергирование при взаимодействии с газовыми потоками при взрыве пиротехнических средств. Сечение рассеяния при ориентации плоскости частицы фольги нормально к направлению колебания Е-поля падающей электромагнитной волны мало, но при других ориентациях оно оказывается порядка или больше, чем у соответствующей диэлектрической квазисферической частицы, т.к. проводящие частицы более эффективны как излучающие диполи. Объем же частицы фольги ΔV в К₁ раз меньше, чем у соответствующей квазисферической частицы. В результате значение σ/М и эффективность ослабления инфракрасного излучения оказываются существенно выше, чем в рассматриваемых выше случаях. Это обусловило применение данного способа, например, в пиротехнических средствах армии США.

Однако значение σ/М при данном способе все еще достаточно велико. При этом способе из-за импульсного характера формирования объема, заполненного аэрозолем, трудно обеспечить непрерывную экранировку, и из-за взрывного действия трудно обеспечить наиболее надежную экранировку излучения относительно небольших наиболее горячих зон. Кроме того, при взрыве выделяется тепловая энергия, и само облако аэрозоля оказывается источником инфракрасного излучения. Эти недостатки ограничивают применение данного способа на транспортных средствах, особенно на летательных аппаратах.

Известен способ [US 2004074980] экранировки инфракрасного излучения объекта путем формирования объема V, заполненного аэрозолем из микро- или наночастиц, при котором формируют высокоскоростной поток воздуха и инжектируют образующую аэрозоль массу (жидкость, в частности воду, с добавками или без них) в указанный поток воздуха, причем обеспечивают относительную скорость потока воздуха и образующей аэрозоль массы, достаточную для диспергирования этой массы до формирования рассеивающих частиц оптимальных размеров (порядка λ/2). Образованный таким образом поток аэрозоля непрерывно выпускают с транспортного средства в воздух, формируя маскирующий экран. К преимуществам такого способа для применения на движущихся объектах относится непрерывный характер генерации аэрозоля, отсутствие взрывных перегрузок, возможность наиболее надежной экранировки излучения относительно небольших наиболее горячих зон. Наиболее привлекательно данный способ выглядит для маскировки судов, когда имеется возможность неограниченного забора забортной воды. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Однако значение σ/М оказывается относительно велико за счет большого объема частицы ΔV≈(λ_ИК/2)³. В результате для маскировки движущегося объекта в течение значительного промежутка времени требуется большая масса воды. Этот недостаток ограничивает применение данного способа на других транспортных средствах, кроме судов, особенно на летательных аппаратах.

С другой стороны, известен [US 4704966] способ маскировки излучения объекта от обнаружения и идентификации приемником (приемниками) микроволнового (длины полуволн λ_РЛ/2=1...10 мм) электромагнитного излучения, с формированием объема V при взрыве боеприпаса, содержащего нити электропроводного углеволокна (с металлическим покрытием или без него), причем Δх≈Δу≈7 мкм, Δz≈λ_РЛ/2, т.е. К₂=Δz/Δx=120...1200. Подобный способ реализован в принятой на вооружение в США и НАТО 66-мм гранате М81, обеспечивающей экранировку от электромагнитного излучения миллиметрового диапазона. Приведенные в [US 4704966] эксперименты демонстрируют высокую эффективность рассеяния радиоизлучения миллиметрового диапазона протяженными частицами.

Однако для рассеяния инфракрасного излучения в [US 4704966] опять применяются вышеописанные частицы фольги. При этом способе из-за импульсного характера формирования объема, заполненного аэрозолем, трудно обеспечить непрерывную экранировку, и из-за взрывного действия трудно обеспечить наиболее надежную экранировку излучения относительно небольших наиболее горячих зон. Кроме того, при взрыве выделяется тепловая энергия, и само облако аэрозоля оказывается источником инфракрасного излучения. Эти недостатки ограничивают применение данного способа для ослабления инфракрасного излучения на транспортных средствах, особенно на летательных аппаратах.

Цель изобретения - обеспечение возможности применения аэрозоля для ослабления инфракрасного излучения на транспортных средствах, особенно на летательных аппаратах, за счет повышения эффективности рассеяния σ/М

Идея изобретения состоит в применении для ослабления инфракрасного излучения рассеивателей, близких к резонансным штыревым антеннам - протяженных (К₂Δх≈К₂Δу≈Δz, К₂=100...3000) проводящих частиц с длиной порядка полуволны (Δz≈λ_ИК/2). Для ослабления спектра не одной длины волны λ_ИК, а в диапазоне длин волн λ_min...λ_max, длины частиц должны быть в диапазоне Δz=0.25λ_min...λ_max. При этом поперечный размер Δх≈Δу оказывается характерным для нанотрубок и нитевидных монокристаллов металлов (например, W, Fe). Следует отметить, что у углеродных нанотрубок может быть обеспечена высокая электропроводность, многократно превышающая электропроводность металлов, например меди. По крайней мере, можно обеспечить электропроводность, которая заведомо намного больше поперечной электропроводности графита, т.е. больше 10⁴ 1/(Ом·м).

Сущность изобретения заключается в способе экранировки инфракрасного излучения объекта (например, летательного аппарата, наземного транспортного средства и др.) от обнаружения, по крайней мере, одним приемником инфракрасного излучения, при котором, как и в прототипе, в воздух между объектом и приемниками излучения непрерывно инжектируют образующую аэрозоль массу и формируют объем, заполненный аэрозолем, содержащим рассеивающие излучение частицы. Однако, в отличие от прототипа, в составе аэрозоля обеспечивают заметное (более 5 массовых процентов) содержание рассеивающих и поглощающих излучение частиц, каждая из которых содержит, по крайней мере, одну протяженную электропроводную часть с характерными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях Δx, Δу, Δz, удовлетворяющими условиям К₀Δ_х≈К₀Δу=Δz, К₀=100...3000, Δz=0.25λ_min...λ_max, где λ_min...λ_max - диапазон длин волн работы приемника электромагнитного излучения. Эти частицы могут иметь на конце протяженной части квазисферическую часть, или несколько соединенных между собой протяженных частей, и т.п., но существенно именно наличие протяженных электропроводных частей. Этими частицами могут быть монокристаллы металла (Fe, W) или электропроводные углеродные нанотрубки. Нанотрубки могут соединяться в пучки, на которых также происходит рассеяние, но с несколько сниженной эффективностью σ/М Чтобы препятствовать соединению нанотрубок в пучки, может применяться покрытие нанотрубки слоем, снижающим адгезию ее поверхности к другим нанотрубкам (например, поверхностно-активного вещества). Так же - путем покрытия слоем, снижающим адгезию поверхности к другим частицам - можно препятствовать соединению монокристаллов металла. Для создания в воздухе экранирующего объема аэрозоля можно формировать, например, внутри объекта высокоскоростной поток воздуха и инжектировать в него образующую аэрозоль массу. При достаточно высокой их относительной скорости происходит диспергирование этой массы до формирования аэрозоля, который выпускается в воздух. Возможен и другой способ создания в воздухе экранирующего объема аэрозоля, при котором формируют суспензию протяженных электропроводных частиц в жидкости и диспергируют указанную суспензию из объекта в воздух через форсунки. По крайней мере, в одной части объема, заполненного аэрозолем, для повышения эффективности взаимодействия инфракрасного излучения рассеивающих излучение частиц их протяженные электропроводные части (все или, по крайней мере, более 50%) могут ориентировать в направлениях, составляющих малые (не более 30°) углы с плоскостью, нормальной к преимущественному направлению распространения инфракрасного излучения: именно в этой плоскости происходят колебания электрического поля электромагнитной волны. Ориентацию могут обеспечивать, например, дополнительные электрические поля, наложенные на указанную часть объема, заполненного аэрозолем (протяженные частицы могут поляризоваться и ориентироваться параллельно локальному направлению вектора напряженности дополнительного электрического поля).

Эффективность изобретения обосновывается следующим. Закономерности рассеяния оптического излучения на малой частице описываются в терминах распространения, поглощения и испускания электромагнитных волн на основе уравнений Максвелла (см., например, [Kreibig U., Volmer M. Optical properties of metal clusters. - Berlin: Springer-Verlag, 1995]). Падающая волна возбуждает на поверхности и в объеме частицы переменные электрические и магнитные поля, которые излучают рассеянную электромагнитную волну. Эти процессы подобны процессам излучения и рассеяния радиоволн антеннами и взаимодействия радиоизлучения с макроскопическими телами. Известно, что при заданной форме и материале наиболее эффективно (т.е. с наибольшим σ/М) рассеивают излучение тела, имеющие размер порядка λ/2 в направлении колебания Е-поля падающей электромагнитной волны (см., например, [Воскресенский Д.И., Гостюхин В.Л., Максимов В.М., Пономарев Л.И. Антенны и устройства СВЧ. - M.: МАИ, 1999. - 526 с.]). Естественно, что наиболее эффективно испускают и рассеивают излучение тела с характеристиками вещества и формой, специально выбранной для радиоантенн, в частности, полуволновые штыревые антенны - протяженные в направлении Е-поля волны (К₀Δх≈К₀Δу=Δz, К₀=100...3000) электропроводные тела с максимальным размером Δz≈λ/2. В них реализуется резонансное с внешним полем колебательное движение свободных носителей заряда вдоль z, которое эффективно реализует дипольный механизм генерации электромагнитного излучения. Дискообразные (К₁Δx≈Δу≈Δz, К₁>>1) и квазисферические (Δx≈Δу≈Δz) электропроводные тела с максимальным размером Δz≈λ\2 в направлении Е-поля имеют несколько большие значения σ, чем штыревые антенны, но еще больше (в К₀ ²/К₁ и К₀ ² раз соответственно) их объемы по сравнению с этими антеннами, а потому у последних наименьшие значения σ/М, т.е. эффективность у протяженных рассеивателей многократно выше, чем у квазисферических и плоских. В результате становится реальным экранирование даже высокоскоростных летательных аппаратов: например, чтобы надежно (τ_iλ=10) заэкранировать сопло диаметром 1 м при полете в течение 1 часа со скоростью 300 м/с, потребуется всего около 200 г рассеивающих частиц (считалось λ=10 мкм, <σ>=0,1 (λ/2)², Δz=5 мкм, Δx≈Δу≈7 нм, погонная масса нанотрубки 0,3.10^-14 кг/м).

Технический результат - многократное снижение расходуемой массы маскирующего аэрозоля, увеличение времени маскировки, повышение надежности маскировки за счет повышения оптической плотности.

Изобретение относится к способам защиты объектов (например, летательный аппарат, наземное транспортное средство) от обнаружения и/или определения точного местоположения по исходящему от них инфракрасному излучению. Способ экранировки инфракрасного излучения объекта от обнаружения, по крайней мере, одним приемником инфракрасного излучения включает непрерывное инжектирование в воздух между объектом и приемником излучения образующей аэрозоль массы с формированием объема, заполненного аэрозолем, содержащим рассеивающие излучение частицы. Аэрозоль содержит более 5 массовых процентов рассеивающих излучение частиц, каждая из которых содержит, по крайней мере, одну протяженную электропроводную часть с характерными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях Δх, Δу, Δz, удовлетворяющими условиям K₀Δх≈K₀Δу=Δz, где K₀=100...3000, Δz=0.25λ_min...λ_max, где λ_min...λ_max - диапазон длин волн работы приемника инфракрасного излучения. В качестве рассеивающих излучение частиц могут быть использованы углеродные нанотрубки, пучки углеродных нанотрубок или протяженные монокристаллы металла. Изобретение направлено на повышение эффективности рассеяния инфракрасного излучения, исходящего от объекта, позволяет снизить расход массы маскирующего аэрозоля, увеличить время маскировки и повысить оптическую плотность аэрозоля. 11 з.п. ф-лы.

1. Способ экранировки инфракрасного излучения объекта от обнаружения, по крайней мере, одним приемником инфракрасного излучения, включающий непрерывное инжектирование в воздух между объектом и приемником излучения образующей аэрозоль массы с формированием объема, заполненного аэрозолем, содержащим рассеивающие излучение частицы, отличающийся тем, что аэрозоль содержит более 5 мас.% рассеивающих излучение частиц, каждая из которых содержит, по крайней мере, одну протяженную электропроводную часть с характерными размерами во взаимно перпендикулярных направлениях Δх, Δу, Δz, удовлетворяющими условиям K₀Δх≈K₀Δу=Δz, где K₀=100...3000, Δz=0,25λ_min...λ_max, где λ_min...λ_max - диапазон длин волн работы приемника инфракрасного излучения.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рассеивающих излучение частиц используют углеродные нанотрубки.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рассеивающих излучение частиц используют углеродные нанотрубки, каждая из которых покрыта слоем, снижающим адгезию ее поверхности к другим нанотрубкам.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рассеивающих излучение частиц используют пучки углеродных нанотрубок.5. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рассеивающих излучение частиц используют протяженные монокристаллы металла.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве рассеивающих излучение частиц используют протяженные монокристаллы металла, каждый из которых покрыт слоем, снижающим адгезию его поверхности к другим монокристаллам металла.7. Способ по п.1, отличающийся тем, что непрерывное инжектирование в воздух между объектом и приемником излучения образующей аэрозоль массы осуществляют в сформированный поток воздуха с обеспечением относительной его скорости, достаточной для диспергирования этой массы с формированием объема, заполненного аэрозолем.8. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве образующей аэрозоль массы используют суспензию рассеивающих излучение частиц в жидкости, а непрерывное ее инжектирование в воздух между объектом и приемником излучения осуществляют через, по крайней мере, одну форсунку.9. Способ по п.1, отличающийся тем, что объектом является летательный аппарат.10. Способ по п.1, отличающийся тем, что объектом является наземное транспортное средство.11. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одной части объема, заполненного аэрозолем, более 50% протяженных электропроводных частей рассеивающих излучение частиц ориентируют в направлениях, составляющих углы не более 30° с плоскостью, нормальной к преимущественному направлению распространения инфракрасного излучения.12. Способ по п.1, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одной части объема, заполненного аэрозолем, протяженные электропроводные части рассеивающих излучение частиц ориентируют путем создания электрического поля, нормального к преимущественному направлению распространения инфракрасного излучения.