ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСКИРУЮЩИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЭРОЗОЛЕЙ В ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНЕ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
LABORATORY FACILITY FOR DETERMINING THE MASKING CHARACTERISTICS OF AEROSOLS IN THE INFRARED RANGE OF THE ELECTROMAGNETIC RADIATION SPECTRUM

Изобретение относится к устройствам для определения маскирующих характеристик аэрозолей с учетом размеров, окраски маскируемых объектов, фонов, на которых они располагаются, а также условий их наблюдения при создании сажевых аэрозольных завес.
Одной из основных задач, стоящих перед частями (подразделениями) войск радиационной, химической и биологической защиты, является осуществление аэрозольного противодействия техническим средствам разведки и системам наведения высокоточного оружия противника [1].
Для характеристики маскирующих свойств аэрозоля принято использовать параметр - ослабляющая способность аэрозоля (массовая маскирующая способность), равная отношению натурального показателя ослабления [2] потока излучения аэрозолем к его концентрации:
2
где ММС - массовая маскирующая способность, м/г;
-1
μ' - натуральный показатель ослабления, м;
3
С - концентрация аэрозоля, г/м.
Известны статические аэрозольные камеры, используемые для определения ления ММС в лабораторных условиях, которые реализуют в своей работе методический аппарат, основанный на законе Буге-Ламберта-Бера [3], заключающийся в измерении коэффициента пропускания потока излучения через слой аэрозоля толщиной  с последующим расчетом массовой маскирующей способности по формулам:
где τ - коэффициент пропускания аэрозоля;
I - поток излучения, прошедшего через слой аэрозоля, Вт;
0
Ι - поток излучения, падающего на слой аэрозоля, Вт;
2
ΟΠΑ - осажденная плотность аэрозоля, г/м.
Осажденная плотность аэрозоля, в свою очередь, рассчитывается по формуле:
ср
3
где С - средняя массовая концентрация аэрозоля в аэрозольной камере, г/м;
- толщина слоя аэрозоля, м.
Статистическая аэрозольная камера имеет форму параллелепипеда, корпус которого выполнен из кирпичной кладки. Камера оборудована источником аэрозоля, вентилятором для перемешивания аэрозоля и вытяжной вентиляцией. В стенках камеры имеется герметичная дверь для прохода персонала во внутреннее пространство и смотровые окна для контроля процессов аэрозолеобразования. В измерительную схему такой камеры входят источник и приемник излучения, разделенные исследуемой средой (аэрозолем) и расположенные на линии визирования с протяженностью участка  проходящего через аэрозоль, а также аспираторы с пробоотборниками.
В аэрозольной камере такого типа оценка коэффициента пропускания аэрозоля осуществляется на постоянной длине участка  то есть при фиксированном значении осажденной плотности аэрозоля и, следовательно, определение наиболее оптимальных значений маскирующих характеристик аэрозолей связано с необходимостью проведении серии опытов (подготовка и перевод в аэрозольное состояние аэрозолеобразующих составов для создания различных концентраций аэрозоля), что требует значительных трудозатрат.
Статистическая аэрозольная камера не позволяет определять маскирующие характеристики аэрозолей с учетом естественной освещенности и яркости самого аэрозоля.
Еще одним существенным недостатком статистической аэрозольной камеры является то, что при ее использовании возможно лишь моделирование единичной ситуации аэрозольной маскировки - когда и средство разведки (поражения) и объект (цель) находятся непосредственно в аэрозольной завесе. В реальных же условиях, как правило, средства разведки (поражения) находятся вне зоны аэрозольной завесы.
c
Одной из важных характеристик маскирующих аэрозолей, используемых для решения задач снижения заметности (защиты) объектов военного назначения в конкретных условиях маскировки, является интеграл массовой концентрации маскирующего (защитного) аэрозоля I или осажденная плотность аэрозоля (ΟΠΑ) [4]. Данный параметр рассчитывается как интеграл массовой концентрации частиц аэрозоля по толщине слоя аэрозольного образования при условии решения поставленной задачи с вероятностью 0,5:
c
2
где I - осажденная плотность маскирующего (защитного) аэрозоля, г/м;
2
- массовая концентрация аэрозоля как функция от толщины слоя аэрозольного образования для снижения заметности объекта, г/м;
- толщина слоя аэрозольного образования, м;
а, b - пределы интегрирования по слою аэрозольного образования, м.
В частном случае в аэрозольной камере, где концентрация аэрозоля примерно одинаково в объеме, используется следующее выражение [4]:
A
3
где C - массовая концентрация маскирующего аэрозоля в объеме камеры, г/м;
- толщина слоя аэрозольного образования в камере, м.
Известна аэрозольная камера, используемая для определения осажденной плотности аэрозоля в лабораторных условиях [5] в видимом диапазоне спектра ЭМИ.
A
Аэрозольная камера имеет форму, обеспечивающую переменную толщину слоя аэрозоля (расчет проводится по формуле (2)) по различным линиям визирования. Определение фактической массовой концентрации C аэрозоля в камере (для последующего расчета ΟΠΑ) производится с использованием устройства для отбора проб. Перевод в аэрозольное состояние аэрозолеобразующих составов (АОС) осуществляется источником аэрозоля, сопряженным с аэрозольной камерой. Для равномерного распределения аэрозоля в объеме камеры осуществляется его постоянная циркуляция, обеспечиваемая вентилятором.
В аэрозольной камере такого типа определение ΟΠΑ возможно только в видимом диапазоне спектра ЭМИ вследствие того, что конструкция камеры обеспечивает перевод в аэрозольное состояние только пиротехнических составов АОС, эффективных в видимом диапазоне (способом сжигания), а стенки камеры непрозрачны для инфракрасного (ИК) излучения.
Для перевода в аэрозоль АОС, эффективных в ИК диапазоне, например состава АОС-ИК [6], необходимо применение других способов, например -равномерной подачи АОС-ИК в динамический воздушный (газовый) поток.
Известна аэрозольная камера для определения маскирующих характеристик аэрозолей в ИК диапазоне спектра ЭМИ в лабораторных условиях [7], который взят за аналог (прототип) предлагаемого изобретения.
Аэрозольная камера выполнена в форме прямого параллелепипеда, с боковыми стенками, сделанными из материала, прозрачного для ИК излучения и герметично сопряжена с замкнутым через нее полым воздуховодом прямоугольного сечения, выполненным в виде контура, с принудительной циркуляцией воздушного потока внутри, обеспечивающим перевод в аэрозольное состояние составов АОС-ИК.
В данной аэрозольной камере измеряется один параметр - коэффициент пропускания аэрозольной завесы. Исходя из того, что ослабление потока ЭМИ аэрозольными средами обусловлено двумя процессами - рассеянием и поглощением частицами аэрозоля падающего излучения - один и тот же коэффициент ослабления может соответствовать различному вкладу процессов поглощения и рассеивания. То есть разные аэрозоли, для которых в ходе экспериментальных исследований получены одинаковые значения массовой маскирующей способности, могут быть совершенно разными при их наблюдении в реальных условиях освещения и по-разному будут маскировать находящиеся за ними объекты. В то же время аэрозольная камера, использующая в традиционном базовом методе оценки маскирующей эффективности аэрозолей, не позволяет определить их маскирующие характеристики с учетом естественной освещенности и яркости аэрозольной завесы.
Еще одним существенным недостатком указанного метода является то, что при его использовании оценка коэффициента пропускания аэрозоля осуществляется при фиксированном значении осажденной плотности аэрозоля и, следовательно, выбор наиболее оптимальных значений маскирующих характеристик аэрозолей связан с необходимостью проведения серии экспериментов, требующих значительных трудозатрат.
Кроме того, в аэрозольной камере, сопряженной с замкнутым через нее полым воздуховодом прямоугольного сечения, аэрозоль перемешивается не одинаково, так как имеются «мертвые» зоны.
Основной технической задачей, на решение которой направлена заявляемая лабораторная установка, является экономия аэрозолеобразующего состава, увеличение мобильности и эффективности, упрощение конструкции и снижение трудозатрат.
Указанная техническая задача достигается тем, что лабораторная установка для определения маскирующих характеристик аэрозолей в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения, включающая аэрозольную камеру с боковыми стенками, сделанными из материала, прозрачного для ИК излучения и герметично сопряжена с замкнутым через нее полым воздуховодом, выполненным в виде контура, с принудительной циркуляцией воздушного потока внутри, обеспечивающей перевод в аэрозольное состояние составов АОС-ИК, при этом она содержит термограф, управляемый персональным компьютером; персональную ЭВМ; систему электропитания, обеспечивающую работу вентиляторов, насоса для отбора проб воздуха, нагревателей, регулирующих отдельные элементы макета объекта до заданных температур; моделируемый фон, закрепленный на масляном радиаторе, выполненный из эталонных поверхностей; макеты моделируемых объектов, имитирующих тепловые портреты реальных целей тяжелой техники, выполненные с требуемым коэффициентом масштабирования 1:40, изготовленные из диэлектрика с тепловыделяющими элементами различной мощности, формы и размера, подобранные по тепловым портретам реальных объектов и графитовой токопроводящей нити; поворотную платформу; масляный радиатор; аэрозольную камеру. Аэрозольная камера состоит из полого воздуховода, выполненного из полипропиленовых труб большого диаметра, имеющего круглое сечение, двух окон, двух инфракрасных прозрачных пленок, двух вентиляторов, расположенных в нижней и верхней части воздуховода, электрического нагревательного элемента внутри аэрозольной камеры, аллонжа с фильтром АФА, системы отбора проб воздуха, включающей термометр и насос с ротаметром, регулируемого дозатора, расположенного в верхней части воздуховода.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение перевода в аэрозольное состояние сыпучих АОС-ИК, эффективных в ИК диапазоне спектра ЭМИ, и определении в этом диапазоне маскирующих характеристик полученных аэрозолей, по достижению требуемого уровня маскировки.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить его соответствие критерию «новизна», так как оно неизвестно из уровня техники.
Предложенная лабораторная установка является промышленно применимой, поскольку может быть реализована существующими техническими средствами и соответствует установленным условиям патентоспособности изобретения, а узлы и агрегаты установки выпускаются предприятиями в Российской Федерации.
На фиг. 1 представлена предложенная лабораторная установка для определения маскирующих характеристик аэрозолей в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитного излучения.
Предложенная лабораторная установка для определения маскирующих характеристик аэрозолей в ИК диапазоне спектра ЭМИ содержит термограф (тепловизионная камера) 10, управляемый персональной ЭВМ (ноутбук с программным обеспечением) 12, замкнутую динамическую аэрозольную камеру 3, поворотную платформу 7, с закрепленными на ней макетами моделируемых объектов 9 и систему электропитания 8, моделируемый (фон абсолютно черное тело) 15, радиатор 14.
Конструкция динамической аэрозольной камеры 3 сформирована с использованием полипропиленовых труб большого диаметра, загрунтована автомобильной эпоксидной шпатлевкой для придания жесткости и покрашена автомобильной нитро эмалью с внешней и внутренней стороны. Камера представляет собой замкнутый воздушный короб с постоянным круглым сечением, в центральной части которого расположена ячейка со сменными пленочными окнами 5 из тонкого ИК прозрачного полиэтилена (коэффициент пропускания двух окон в диапазоне от 7 до 14 мкм составляет не менее 0,9) и аллонжа 4 для установки пробоотборных фильтров АФА. Размер окон ячейки составляет 270x240 мм, толщина ячейки - 50 мм. Циркуляцию воздуха в ячейке обеспечивают два вентилятора 6, расположенные в нижней и верхней части воздуховода. В нижней части воздуховода расположен нагревательный элемент 16 для регулировки температуры воздуха внутри камеры 3, обеспечивающий нагрев частиц АОС-ИК до определенных температур и позволяющий возможность исследования влияния температуры аэрозольной завесы на эффективность маскировки объектов в ИК диапазоне. В верхней части камеры расположен дозатор 1 для введения АОС-ИК, закрываемый пробкой, а в правой части - система отбора проб воздуха (термометр и насос с ротаметром) 2.
Система электропитания 8 обеспечивает работу двух вентиляторов 6, нагревательного элемента 16 внутри аэрозольной камеры 3, насоса в системе отбора проб воздуха 2, а также регулируемый нагрев отдельных нагревательных элементов 13 на макетах объекта 9 до заданных температур.
В качестве фона, на котором ведется регистрация, используется макет фоно-целевой обстановки, представляющий собой нагревательный элемент 15 диаметром 0,7 м с регулируемой температурой (от 0°С до 100°С), закрепленный на специальном радиаторе 14. Оба элемента макета фоно-целевой обстановки снаружи покрыты матовым лаком черного цвета (абсолютно черное тело). В данном случае коэффициентами теплового излучения моделируемых объекта и фона можно пренебречь и использовать при проведении расчетов истинную температуру, получаемую ИК регистрирующим прибором.
В качестве объектов, имитирующих реальные цели, используются специально разработанные макеты объектов 9 тяжелой техники, выполненные с требуемым коэффициентом масштабирования 1:40, изготовленные из дилектрика, с тепловыделяющими элементами (подобранных резисторов типа «МЛТ») различной мощности, формы и размера, подобранные по тепловым портретам реальных объектов и графитовой токопроводящей нити, расположенных и закрепленных на корпусах макетов таким образом, чтобы обеспечивалось точное воспроизведение тепловых портретов реальных объектов.
Работа предложенного лабораторного устройства осуществляется следующим образом.
c
На первом этапе создается модельная фоно-целевая обстановка (объект маскировки ориентируется и закрепляется на поворотной платформе относительно средства регистрации нужным образом, устанавливается в поле зрения макет 9 ложной тепловой цели и выставляется необходимая температура элементов объекта и наблюдаемого в кадре фона 15). После этого проводится запись термограмм объектов, незакрытых аэрозольной камерой 3. Выполняется так называемый «холостой» опыт. Далее в аллонж 4 устанавливается предварительно взвешенный фильтр, герметично прикрепляются полиэтиленовые окна 5 на аэрозольную камеру 3, после чего запускаются вентиляторы 6 внутри аэрозольной камеры 3. После этого отдельные нагревательные элементы 13 макетов образцов 9 вооружения военной техники и масляный радиатор 14 с эталонными поверхностями (фоном) 15 прогреваются до необходимой температуры. Затем в камеру через дозатор 1 порциями добавляют АОС-ИК до того момента, пока не будет достигнут требуемый уровень маскировки объекта (в данном эксперименте - снижение вероятности распознавания объекта). По достижению требуемого уровня маскировки - когда объект нельзя распознать или отличить от ложной тепловой цели, установленной рядом с ним, прекращается подача АОС-ИК. Затем определяется значение I на известной длине линии визирования в камере 3 по формуле (5).
2
Это значение является минимальной маскирующей массой аэрозоля, необходимой для решения задачи аэрозольной маскировки в ИК диапазоне конкретного объекта и составляет 4 г/м при температуре частиц аэрозольной завесы 19°С.
Результаты регистрации фоно-целевой обстановки термографом представлены на фиг. 2.
На термограмме, отображающей «холостой» опыт (без аэрозольной камеры), объект хорошо распознаваем - отчетливо просматриваются ствол орудия, катки траков, конфигурация выхлопа и силуэта объекта в целом. На второй термограмме объект может быть обнаружен, но не распознаваем -плохо просматриваются ствол орудия, совсем не видны катки траков, силуэт размыт, выхлоп аналогичен ложной тепловой цели.
Далее включается нагревательный элемент 16 в аэрозольной камере 3 для повышения температуры воздушного потока (частиц аэрозоля) и оценивается возможность достижения следующего уровня маскировки - исключение обнаружения объекта. Концентрация аэрозоля в камере не изменяется.
Результаты регистрации фоно-целевой обстановки частиц аэрозольной завесы в камере при температуре 40°С приведены на фиг. 3.
Визуальный анализ рисунка показывает, что через нагретую аэрозольную завесу в возможность обнаружения объекта исключена - ствол орудия, катки траков, силуэт танка в целом не просматриваются, яркостная температура выхлопа аналогична ложной тепловой цели.
Применение предлагаемой лабораторной установки позволяет экономить до 90% аэрозолеобразующего состава, увеличить мобильность и эффективность, упростить конструкцию, снизить трудозатраты по определению маскирующих характеристик аэрозолей более чем в 5 раз.
Лабораторная установка обеспечивает физическое моделирование фоно-целевой обстановки и условий ее наблюдения ИК оптико-электронными средствами наблюдения в условиях аэрозольного противодействия.
Таким образом, предлагаемая лабораторная установка позволяет моделировать процессы распространения аэрозоля от непрерывных точечных источников, а также рассчитывать длину не просматриваемой части аэрозольной завесы, обеспечивающей маскировку в ИК диапазоне спектра ЭМИ различных объектов в конкретных условиях наблюдения.
Источники информации
1. Боевой устав войск РХБ защиты. Ч. 2. Рота, взвод, отделение. - М.: Военное издательство, 2005. - 240 с.
2. ГОСТ 7601. Физическая оптика. Термины, Буквенные обозначения и определения основных величин. - Введ. 1980-01-01. - М.: Изд-во стандартов, 1999. - 17 с.
3. Седунов Ю.С. и др. Атмосфера. Справочник. - Л.: Гидрометеоиздат, 1991. - 512 с.
4. ГОСТ РВ 0110-003-2008. Средства снижения заметности и защиты объектов военного назначения аэрозольные. Термины и определения. - Введ. 2009-07-01. - М.: Стандартинформ, 2009. - 14 с.
5. Патент на полезную модель, RU №89694, МПК G01D 21/02.
6. Технические условия ТУ 7871-003-11474681-2011. Аэрозолеобразующий состав АОС-ИК. - 15 с.
7. Патент на полезную модель, RU №123938, МПК G01D 21/02. RU.