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1、浅谈硬质聚氨酯泡沫塑料在军事伪装中的应用贺 伟 张冬梅 于烨平(空军后勤学院油料系 徐州221000)摘 要:论述了硬质聚氨酯泡沫塑料在军事伪装中的使用性能,指出该材料在防光学侦察、 防热红 外侦察和防雷达侦察方面具有良好的伪装效果。 关键词:伪装技术;聚氨酯;迷彩伪装军事目标如地面油罐、 飞机洞库及各种仓库等 表现出与周围环境明显不一致的目标外形特征,这 些特征是光学仪器、 热红外侦察设备和雷达侦察设 备用以识别的依据。随着现代科学技术特别是高新 技术的发展,军事侦察与监视的能力和水平有了突 飞猛进的进步,侦察监视技术和精确制导武器的广 泛应用,使得这些军事目标遭攻击的概率成倍增加。 为了适
2、应战争中实施伪装的需要,许多国家在 军队中编有专门的伪装部队或分队,大力开展反侦 察监视系统的伪装技术研究和伪装器材试验工作。 十多年来,在迷彩等伪装技术方面不断取得新的进 展,逐步建立起能够对付现代侦察监视与目标捕获 系统的伪装材料与伪装器材装备系列,比如迷彩作 业车,能较好地实施伪装工程。 目前已研制出的伪装材料,主要是伪装涂料、 防 护网等,虽然能起到一定的伪装效果,但是在对防护 工程、 阵地工程等固定大型目标进行伪装时,成本较 高,并且对涂敷工艺的要求较高。由于聚氨酯泡沫 塑料具有优良的物理机械性能、 电学性能和耐化学 品性能,使得以聚氨酯为基体、 添加不同助剂和填料 而得到的防光学侦
3、察、 防热红外侦察和防雷达侦察 的材料,受到了极大的关注。本文对聚氨酯泡沫塑 料在防光学侦察、 防热红外侦察和防雷达侦察方面 的应用进行了探讨。1 聚氨酯泡沫塑料的性能特点硬质聚氨酯泡沫塑料是将有机异氰酸酯、 多元 醇化合物和各种助剂按一定比例混合反应而制得的 高分子材料。其特征是相对密度小,密度大小及软 硬程度均可随原料及配方的不同而改变;耐温,耐老化,具有较高的比强度;材料施工方便,发泡速度快, 可在常温常压下现场发泡成型;发泡器材操作简单, 可进行浇注或喷涂施工;对金属、 木材、 玻璃、 砖石等 具有很强的粘附性,可在任意物体上进行发泡1。 正是由于硬质聚氨酯泡沫塑料有上述理化特性,因
4、此将经过颜色调配的硬质聚氨酯泡沫塑料喷涂于防 护工程或阵地工程等地下工程外部设施的出口、 天 线堡、 山体护坡、 电站、 洞库洞口等目标,可模拟天然 地表状态,达到 “隐真示假” 的伪装目的。2 聚氨酯泡沫塑料防光学侦察的伪装性能光学伪装是为对付工作频段在0. 38m以下的 紫外线、0. 380. 76m的可见光以及0. 761. 2m 的近红外侦察所实施的伪装。伪装的目的不仅应使 目标在可见光范围内与背景尽可能一致,而且应具 有在近红外波长范围与背景相似的特性。目标所处 的背景分为植物背景和非植物背景。非植物背景如 土壤、 岩石、 混凝土等的光谱发射特性模拟不存在较 大的技术难度。由于聚氨酯
5、的染色性较好,根据实 验,选用的防光学侦察无机颜料主要有红色颜料、 黄 色颜料、 绿色颜料和黑色颜料。考虑到颜料对硬质 聚氨酯泡沫塑料性能的影响,红色颜料一般选用氧 化铁红和硫化镉(红) ,黄色颜料选用铁黄和钛黄,绿 色颜料选用氧化铬绿、 叶绿素和酞青绿,黑色颜料选 用钛黑或炭黑1。在聚醚组合料中加入5 %的无机 颜料粉末,就可达到伪装要求,而对粘度影响不大, 并且在满足机械性能的前提下,还可添加适量的发 泡剂来调节粘度,因此加颜料对聚氨酯的喷涂发泡 施工的影响不大。选用市售的普通颜料如二氧化 钛、 炭黑、 氧化铁红等颜料可构成的合适的颜料体522003年第18卷第3期 2003.Vo1.18
6、 No.3聚 氨 酯 工 业 POLY URETHANE INDUSTRY系。植物背景包括绿色植物、 森林、 农田作物等,伪 装的关键是模拟绿色植物叶绿素光谱反射特征(图1曲线1为叶绿素标准光谱反射曲线) ,叶绿素光谱 反射特性曲线的特点是在波长550 nm附近存在一个小的峰值,所以呈现绿色;在650 nm附近光谱反射存在一个谷值,是由于叶绿素的吸收所造成的;波长在700 nm以上的光谱反射系数迅速增大,是因为 植物对红光及近红外光的反射都很强。因为伪装目标必须具有与背景同谱同色性,即在从可见光到近红外波长范围内须使目标与背景具有近似的光谱曲线2。1 叶绿素 2 绿色聚氨酯硬泡图1 叶绿素和绿
7、色聚氨酯泡沫塑料的标准光谱反射曲线三氧化铬是绿色的,且拥有与叶绿素相似的光谱反射特性,在可见光范围内是理想的颜料,但是在 近红外区域它的反射率不能急剧升高,单独使用不能满足相关要求。一般采用多种颜料混合,以便取长补短,更好地发挥各种颜料的性能,通过将氧化铬 绿与炭黑、 铁红、 铬黄等颜料,添加到聚醚多元醇组料中,研磨混合均匀,再进行发泡获得绿色硬质聚氨 酯泡沫塑料制品。图1中曲线2是用这种绿色颜料制备的绿色硬质聚氨酯泡沫塑料制品的光谱反射曲线。从图中可以看出,在400500 nm的波段范围内,绿色聚氨酯塑料与实际绿色植物有相似的光谱 反射曲线特性,尤其是在670750 nm间的反射率陡然上升,
8、在近红外段的反射达到50 %以上,并且在绿色检验镜下,呈现出与绿色植物相一致的橙红色。满足了伪装的技术要求。3 聚氨酯泡沫塑料防热红外侦察的伪装性能由于热红外侦察是通过探测目标自身发出的红外辐射能量来发现、 识别目标的。随着光、 电技术的 飞速发展,未来战场的热红外威胁正在逐步升级,热红外侦察与监视系统、 热红外目标捕获与火控系统 以及热红外制导与寻的系统的广泛使用,使远红外波段被侦察目标(包括温度接近于背景温度的目标) 的热图像更加清晰。目前最先进的热成像仪的热分 辨力可以达到0. 1,空间分辨力可以达到0. 1mrad。此外由于红外辐射的时刻存在,热红外侦察 器材受天气影响小,既可以在白天
9、工作,又可在晚上使用,在小雨、 小雪和烟雾的条件下能够正常地发挥 功效,并且不受火炮、 烟尘与闪光的干扰,实现了真 正意义上的全天候侦察监视,军事目标同普通地面 背景具有明显不同的辐射特性,使得战场上的目标 时刻处于热红外侦察监视之中。热红外伪装是消除、 减少、 改变或模拟目标和背 景之间中远红外波段两个大气窗口(地球大气对电 磁波传输不产生强烈吸收和散射衰减作用,透过率 较高的一些特定的电磁波段,即35m、814m)辐射特性的差别,以对付热红外探测所实施的伪装。影响物体红外辐射能量的主要因素是物体的表面温 度和发射率。因此,实现热红外伪装的技术途径有 两种:一是控制表面发射率,二是控制表面温
10、度。涉 及到的材料主要有两类:具有不同发射率的材料和 大热惯量材料。发射率是指辐射体的辐射功率与同温度的黑体的辐射功率之比。发射率的高低决定了 物体的红外辐射特性。发射率材料的解决有两种方 案:一是采用可变发射率材料。这类材料随背景温 度变化,其发射率发生相应的改变,以保持目标表面 的辐射特性与背景的辐射特性相似,起到伪装作用。二是采用不同发射率的材料,模拟不同背景的辐射 特性。低发射率材料的研究是解决热红外伪装的有 效途径之一,但存在的问题是其发射率受外界环境 的干扰很大。例如在风沙较大的地区,低发射率材 料的伪装效应很难发挥。大热惯量材料的研制弥补了这一缺陷。 物体在获得能量后其温度的变化
11、与自身的热特 性有关,即与比热、 密度、 导热系数的大小有关。考 虑比热、 密度和导热系数3者的综合作用效果,将它 们乘积的平方根定义为热惯量。因此,在同样受热条件下,热惯量大的物体在一天中温度变化的幅度 就小3。 大热惯量材料主要有两类:相变材料与隔热材 料。相变材料利用当温度达到材料的相变温度时, 材料发生相变,从而伴随着大量的热消耗,使得体系的温度变化不明显,从而达到伪装效果。隔热材料 是利用材料的热容量较大,热导率较低,使得目标的62 聚氨酯工业 第18卷温度特性不易暴露,利用这种材料较容易模拟背景 的光谱辐射特性,达到伪装效果2。硬质聚氨酯泡 沫塑料就是这类隔热材料。 硬质聚氨酯泡沫
12、塑料的导热系 数 范 围 在0. 0150. 035 W/ (mK) ,是极为理想的隔热材料。某些高温目标,例如坦克、 火炮等,由于自身温度比 周围背景温度高,从而引起目标与背景之间产生明 显的对比度,同时在目标本身的热图中形成很大反 差,成为判别目标性质的依据。在这些高温目标表 面喷涂一层硬质聚氨酯泡沫塑料,由于隔热作用,降低了目标与背景之间的温度差,减小了对比度,产生 了伪装效果。 美国研制出一种能对付热红外侦察的泡沫塑 料,它是将14 mm厚的聚氨酯泡沫喷涂或胶粘到 目标的表面,避免热目标直接与空气接触,控制红外辐射能量,从而使目标的表面温度与周围背景趋于 一致,使热红外侦察失效。而且隔
13、热效果可随聚氨 酯泡沫塑料的厚度和密度变化而改变,由于可在任 意物体上发泡,因此能按目标的形状喷涂于各个部 位,根据各部位温度的高低,喷涂不同的厚度。此外,通过在大面积目标上分别喷涂具有不同 导热系数的聚氨酯防热红外侦察材料,能使大面积 的热源分割成若干个小热源,或者把分散着的小热 源集中成一个大热源,甚至可以使热源的相对位置 进行转移,改变热源的分布情况,即使有一定的红外线辐射出去,红外侦察器材也难以分辨出目标的原 来形状和准确位置,从而达到遮蔽、 伪装的目的4。4 聚氨酯泡沫塑料防雷达侦察的伪装性能雷达侦察是利用物体对无线电波的反射特性来发现目标和测定目标状态的,具有探测距离远、 测定 目
14、标速度快、 精度高、 能全天候使用等特点,在战场 上的应用十分广泛。 防雷达侦察是伪装技术的一个重要方面,在现 代战争中起着举足轻重的作用。雷达伪装是隐匿、减小、 改变或模拟目标和背景之间微波散射特性的 差别,以对付雷达探测所实施的伪装。雷达隐身材 料主要分为雷达吸波材料和雷达透波材料。将军事 目标或其蒙皮用隐身材料制造,照射其上的雷达波 就会被吸收或被透过,从而减小雷达回波强度,达到目标的隐身目的。不过在减小雷达散射截面积方 面,透波材料所起的隐身作用并不大,主要是使用雷达吸波材料。对雷达波吸收材料的基本要求是:入 射雷达波最大限度进入材料内部,即材料要求具有 雷达波匹配特性;进入材料内部的
15、电磁波能迅速地 被材料吸收衰减掉,即材料要具有很高的电磁损 耗5。 聚氨酯材料具有良好的受控发泡特性。参照G JB1598附录B的规定,对1. 5 m1. 5 m ,厚度为10、20、30、40和50 mm的硬质聚氨酯泡沫塑料平板 进行透波测试。在垂直入射的情况下,测得电波频率在48 GHz范围时硬质聚氨酯泡沫塑料的透波 率结果见表1。表1 不同厚度的聚氨酯泡沫平板的透波率( %)平板厚度/ mm10203040504 GHz99.799.599.499.399.05 GHz99.699.399.399.098.86 GHz99.699.199.198.898.77 GHz99.598.998
16、.998.798.38 GHz99.598.898.898.598.2从表1中可以看出,在电波频率48 GHz范围 内,厚度10 mm和50 mm之间的泡沫塑料的透波率 变化不大,并且透波率都在98 %以上,说明硬质聚 氨酯泡沫塑料具有很好的透波性能,能适应很宽的 频带,是理想的透波材料6。 以聚氨酯泡沫塑料作为吸收材料基体在其中掺 入微波吸收材料,能获得较好的雷达波吸收效果。 以聚氨酯泡沫塑料为基体,在其中掺入高磁导率金 属粉末材料,并掺入适量金属纤维,一次发泡成型得 到的平板型样品,经航天电子部二 七研究所测试 中心测试,测试曲线见图25。图2的横坐标表示 测试频率;纵坐标为反射功率,负值表示雷达波被材 料反射,其值越低,在该频率下材料吸收雷达波的效果越好。通过对图3的数据做相应的计算可知,在 雷达的工作频率为8. 212. 4 GHz的X波段,平均 吸收值达90 %以上,在频率为9
