Nghiên cứu hỗn hợp chất tạo khói chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt

Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.V. Dũng, L.X. Thảo, , “Nghiên cứu hỗn hợp chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt.” 134 NGHIÊN CỨU HỖN HỢP CHẤT TẠO KHÓI CHỐNG THIẾT BỊ QUAN SÁT ẢNH NHIỆT Lê Văn Dũng*, Lã Xuân Thảo, Nguyễn Ngọc Độ, Nguyễn Anh Đức Tóm tắt: Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu hỗn hợp chất tạo khói chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt ở vùng bước sóng hồng ngoại 7-14 μm trên cơ sở nguyên liệu và công nghệ trong nước. Hỗn hợp chất tạo khói với các thành phần: hexacloetan, bột Mg, naptalen (C10H8) và PVC hoàn toàn có khả năng che chắn ở dải bước sóng từ 7 - 14μm. 1. MỞ ĐẦU Hiện nay, các thiết bị quan sát ảnh nhiệt được ứng dụng rộng rãi để trinh sát trong lĩnh vực quân sự mang lại hiệu quả cao trong tác chiến hiện đại. Song song với sự phát triển trinh sát bằng ảnh nhiệt, quân đội các nước có nền công nghiệp phát triển cũng nghiên cứu các phương pháp chống quan sát của các thiết bị này, một trong những phương pháp đó là sử dụng màn khói có khả năng ngăn cản sự quan sát này. Do vậy, công nghệ tạo xon khí ngụy trang hiện nay đang được các nước phát triển với nhiều loại khí tài tạo khói như: lựu đạn khói, đạn khói, mìn khói, máy phát khói, hộp khói, bom rải khói...vv. Theo yêu cầu, màn xon khí tạo ra có thể đạt đến độ rộng từ hàng chục mét vuông đến hàng chục kilomét vuông và có thể che phủ bức xạ hồng ngoại có bước sóng 0,3 ~ 14μm. Rõ ràng đây là biện pháp hữu hiệu để chống lại các thiết bị quan sát ảnh nhiệt của đối phương [1],[2],[3]. Trên thế giới, đã có nhiều nước nghiên cứu chế tạo hỗn hợp khói chống quan sát ảnh nhiệt với các thành phần khác nhau, trong đó hệ khói hexacloetan (HC) cho hiệu qủa tương đối cao và được sử dụng rộng rãi so với các hệ khói khác [4]. Đối với quân đội ta, hiện đã có nhiều nghiên cứu về khói ngụy trang thông thường, khói suy giảm bức xạ laze [5],[6], tuy nhiên về khói chống quan sát ảnh nhiệt thì chưa có công trình nghiên cứu nào công bố. Vì vậy, nghiên cứu chế tạo hỗn chất tạo khói chống quan sát ảnh nhiệt có ý nghĩa về khoa học và thực tiễn cao. Bài báo này trình bày kết qủa nghiên cứu hỗn chất tạo khói chống thiết bị trinh sát ảnh nhiệt trên cơ sở HC. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đối tượng Nghiên cứu hỗn hợp chất tạo khói có khả năng che chắn thiết bị quan sát ảnh nhiệt trên cơ sở hỗn hợp khói HC. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Hỗn hợp khói trên cơ sở HC được thử nghiệm đánh giá khả năng che chắn và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu qủa của nó. Phương pháp nghiên cứu được tiến hành bằng thực nghiệm đánh giá hiệu quả che chắn của màn khói bằng hệ số suy giảm nhiệt độ A(%) [4], từ đó xác định thành phần tối ưu cho hỗn hợp tạo khói. Để đánh giá hiệu quả che chắn của màn khói chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt ở dải kích thước 7 - 14μm, sử dụng hệ số suy giảm nhiệt độ A(%) được tính toán như sau: target measured target ambient T T A(%) 100 T T     Trong đó: TTarget là nhiệt độ mục tiêu; Tmeasured là nhiệt độ mục tiêu trong môi trường khói; TAmbient là nhiệt độ môi trường đặt thiết bị ảnh nhiệt. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 135 Từ hệ số suy giảm nhiệt độ A (%) thông qua thời gian t(s) (là thời gian màn khói tính từ lúc xuất hiện đến kết thúc) ta đánh giá được hiệu quả của màn khói. Thực nghiệm: Hệ thống thử nghiệm được xây dựng theo sơ đồ hình 1. Hệ thống gồm một buồng kín có thể tích 2m x 10m x 2m. Trong buồng bố trí các thiết bị và mục tiêu quan sát sát gồm: - Camera ảnh nhiệt TBAN-IR-120 có dải bước sóng hồng ngoại 7-14μm đặt ở đầu buồng kín, thiết bị được nối với hệ thống máy tính có cài phần mềm xử lý, hình ảnh thu được bằng đầu ghi video ghi lại ảnh nhiệt của bức xạ hồng ngoại được phát ra từ mục tiêu hiển thị trên màn hình của camera. Các biến đổi về nhiệt của màn khói được ghi nhận đầy đủ tại mọi thời điểm đo. - Thiết bị ẩm kế, nhiệt kế để đo độ ẩm và nhiệt môi trường trong buồng kín (ở điều kiện buồng kín, nhiệt độ môi trường 25 ± 5oC và độ ẩm tương ứng là 75 ± 5%). - Thỏ (thân nhiệt 38 - 39 oC gần với người là đối tượng che chính của nghiên cứu). - Khoảng cách giữa camera và mục tiêu quan sát giữ không đổi là 8m. Các hỗn hợp chất được đốt cháy bằng dây điểm hỏa hoặc sử dụng thiết bị phun áp lực cao tạo khói đi vào trong buồng kín giữa mục tiêu và Camera TBAN-IR-120. Khi màn khói xuất hiện Camera bắt đầu ghi hình, thời gian tính từ thời điểm phát khói. Mục tiêu quan sát được màn khói che chắn hiện thị trên màn hình của camera. Các dữ liệu nhiệt độ của màn khói và mục tiêu được ghi lại vào máy tính và xử lý. Hình 1. Sơ đồ hệ thống kiểm tra khói chống thiết bị ảnh nhiệt [4]. 2.3. Hóa chất - Hỗn hợp chất HC tạo muội cacbon với thành phần chính là hexanchloretan(C2Cl6) và bột magie (Mg), naphtalen(C10H8), PVC; - Hỗn hợp chất RP với thành phần là Photpho đỏ, và Mg, KNO3, chất kết dính; - Hỗn hợp chất tạo xon khí thể lỏng dầu mazut/diesel; - Hỗn hợp atraxen tạo xon khí thể rắn (C14H10, KClO3, NH4Cl); - Hỗn hợp tạo khói gồm các oxit kim loại với các hạt có kích thước tương đương hoặc bằng số nguyên lần dải che 7 - 14 μm: muội C, than chì graphite, bột SiO2, TiO2, Cu. 3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1. Lựa chọn và đánh giá các hỗn hợp chất tạo khói có khả năng chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.V. Dũng, L.X. Thảo, , “Nghiên cứu hỗn hợp chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt.” 136 Các hỗn hợp khói được thực nghiệm cùng một điều kiện trong hệ buồng kín. Kết quả thu được các hỗn hợp có khả năng che chắn dải bước sóng trong vùng ánh sáng nhìn thấy được và vùng hồng ngoại tại Bảng 3.1 dưới đây: Bảng 3.1. Khả năng che chắn của các hỗn hợp chất với dải bước sóng VIS và IR. TT Tên hỗn hợp Thành phần hỗn hợp Hiệu quả VIS IR 1 Khói HC C2Cl6, C10H8, Mg, PVC x x 2 Khói RP P, Mg, KNO3, C9H14O6 x x 3 Hỗn hợp oxit kim loại TiO2, SiO2 , bột đồng, graphite x x 4 Khói atraxen C14H10, KClO3, NH4Cl x o 5 Khói dầu Madut, dieden x o Ghi chú: Vis: trong vùng bước sóng hồng ngoại ở phạm vi mắt thường nhìn thấy được mục tiêu. IR: trong vùng bước sóng hồng ngoại ở phạm vi 7 - 14 μm. x - có hiệu quả; o – không hiệu quả Mặt khác khả năng che của màn khói được đánh giá trực tiếp hệ số suy giảm nhiệt độ A(%) theo Bảng 3.2 Bảng 3.2. Hiệu quả màn khói theo hệ số suy giảm nhiệt độ. Loại khói Thời điểm(s) Tambient( oC) Ttarget( oC) Tmeasured( oC) A(%) HC 5 28 38 32 60 10 28 38 28 100 30 28 38 28 100 40 28 38 28 100 50 28 38 28 100 60 28 38 28 100 RP 5 28 38 28 100 10 28 38 28 100 30 28 38 28 100 40 28 38 34 40 50 28 38 36 20 60 28 38 38 0 Khói phun 5 28 38 29 90 10 28 38 28 100 30 28 38 30 80 40 28 38 33 50 50 28 38 37 10 60 28 38 38 0 Từ bảng 3.1 nhận thấy khói HC, RP và hỗn hợp oxit kim loại có hiệu quả che chắn bức xạ hồng ngoại bước sóng 7 - 14μm. Thông qua xử lý giữ liệu tại bảng 3.2 ta xây dựng đồ thị mối quan hệ giữa thời điểm xuất hiện màn khói (s) và hệ số suy giảm nhiệt A(%) của ba loại khói hiệu quả trong vùng hồng ngoại như hình 2. Từ đồ thị nhận thấy đối với khói HC, hệ số suy giảm A đạt 100 % ở giây thứ 10 và tồn tại trong thời gian lớn hơn 1 phút. Với khói RP, hệ số suy giảm A đạt 100 % tại giây thứ 5,thời gian tồn tại 20 s và giảm dần về 0 từ giây thứ 30. Với khói phun A đạt 100 % tại thời điểm giây thứ 10, sau đó hệ số suy giảm giảm rất nhanh về 0 %. Có thể giải thích như sau: Với màn khói HC, khi phản ứng cháy xảy ra các hạt cacbon tạo thành có kích thước cỡ μm nên rất dễ phân tán trong điều kiện tự nhiên, đồng thời nó là vật đen tuyệt đối nên chúng có khả năng hấp phụ và tán xạ bước sóng hồng ngoại rất tốt. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 137 Hình 2. Đồ thị đánh giá hiệu quả của màn khói. Mặt khác, khả năng sa lắng chậm do khối lượng riệng thấp, nên thời gian hiệu quả che chắn kéo dài. Đối với màn khói RP chủ yếu khả năng che dựa trên nhiệt phản ứng sinh ra lớn hơn nhiệt mục tiêu tuy nhiên thời gian giữ nhiệt thấp nên thời gian hiệu quả là không cao, ứng dụng trong thực tế không hiệu quả. Đối với màn khói phun, các hạt khói được sử dụng ở dải kích 1- 20 μm có tác dụng tán xạ hiệu quả vùng bước sóng hồng ngoại trong dải kích thước 7 - 14 μm nhưng thời gian che chắn không cao do khối lượng riêng của hạt tán xạ lớn nên thời gian sa lắng nhanh. Như vậy, khói HC cho hiệu quả che chắn tốt hơn so với các khói còn lại, vì vậy chúng tôi sử dụng loại khói này để nghiên cứu các nội dung tiếp theo. 3.2. Ảnh hưởng nồng độ và khối lượng riêng của chất tạo khói HC tới hiệu quả che chắn Nồng độ của chất tạo khói là lượng chất tạo khói (g) trên một đơn vị thể tích buồng kín (buồng thực nghiệm có thể tích 40 m3) đây là một thông số quan trọng để đánh giá hiệu quả tối ưu khối lượng chất có khả năng che chắn vùng bước sóng hồng ngoại. Mặt khác, để tăng khả năng chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt của màn khói, hỗn hợp chất tạo khói HC được ép và tạo thành quả theo khuôn khối trụ. Theo đó, khối lượng riêng của hỗn hợp khói HC là lượng hỗn hợp chất HC(g) trên một đơn vị thể tích của hỗn hợp dạng trụ (cm3). Thực nghiệm trong buồng kín có thể tích 40 m3 với các nồng độ từ 1,25 ÷ 5,00 g/m3 và tỷ trọng 0,8÷1,7 g/cm3 của hỗn hợp cho ta kết quả được trình bày tại Bảng 3.3 dưới đây: Bảng 3.3. Ảnh hưởng nồng độ và khối lượng riêng của chất tạo khói HC tới khả năng chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt. Nồng độ chất (g/m3) Khối lượng riêng (g/cm3) Thời gian (s) Hệ số suy giảm A (%) 1,25 0,8÷1,1 30 40 2,5 0,8÷1,1 35 95 3,75 0,8÷1,1 69 100 5,00 0,8÷1,1 80 100 1,25 1,1÷1,4 42 55 2,5 1,1÷1,4 60 100 3,75 1,1÷1,4 90 100 5,00 1,1÷1,4 100 100 1,25 1,4÷1,7 44 60 2,5 1,4÷1,7 64 100 3,75 1,4÷1,7 95 100 5,00 1,4÷1,7 106 100 Hóa học & Kỹ thuật môi trường L.V. Dũng, L.X. Thảo, , “Nghiên cứu hỗn hợp chống thiết bị quan sát ảnh nhiệt.” 138 Từ kết quả đo được, dựng được đồ thị như hình 3: Hình 3. Đồ thị mối quan hệ nồng độ và hệ số suy giảm nhiệt của hỗn hợp khói HC. Nồng độ và khối lượng riêng tăng thì hệ số suy giảm nhiệt độ càng lớn. Với khối lượng riêng từ 0,8 ÷ 1,1g/cm3 hệ số A đạt 100 % tại nồng độ thấp nhất là 3,75 g/m3 với thời gian hiệu quả 35 s; tương ứng với hệ số A 100 % ở dải 1,1 ÷1,7 tại nồng độ thấp nhất là 2,5 g/m3. Với dải 1,1 ÷ 1,4 và 1,4 ÷ 1,7 có thời gian hiệu quả(A=100%) ở cùng một nồng độ với nồng độ 2,5 g/m3 lần lượt là 60 s và 64 s (sai khác 4s) nên có hiệu quả che chắn gần như tương đương, xét nồng độ tại 3,75 g/m3thời gian hiệu quả của 2 dải này lần lượt là 90, 95 s (±5) và ở 5g/m3 là 100, 106 ± 6 s nên với tỷ trọng lớn hơn 1,4 thời gian hiệu quả thay đổi không đáng kể theo khối lượng riêng. 4. KẾT LUẬN Như vậy, chúng tôi đã khảo sát đưa ra hỗn hợp chất HC tạo muội cacbon với thành phần chính là hexancloetan(C2Cl6), và bột magie(Mg), naptalen(C10H8), PVC hoàn toàn có khả năng che chắn thiết bị quan sát ảnh nhiệt ở dải bước sóng hồng ngoại 7÷14 μm. Hệ số suy giảm nhiệt độ của hệ khói HC phụ thuộc vào nồng độ và tỷ trọng của hỗn hợp trong buồng kín cũng được tính toán, đánh giá: Tỷ trọng hiệu quả nhất của hệ khói HC là dải 1,1÷1,4 g/cm3; Nồng độ thấp nhất để hệ số suy giảm đạt hiệu quả 100% là 2,5 g/m3. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Andre Espagnacq, Gerard D. Sauvester, both of Bourges France, “Pyrotechnical composition which generates smoke that is opaque to infrared radiance and smoke ammunition as obtained”, United states Patent, 9/1/1988. [2]. Horst Busel, Berchtesgaden; Joseph Schneider, Bischofswiesen, both of Germany, “Compositon generating an IR-opaque smoke”, United States Patent, 14/2/199. [3]. S. Amarjit, S.G. Avachat, S.A. Joshi,and S. Haridwar, “Evaluation of Pyrotechnic Smoke for Anti Infrared and Anti Laser Roles”, Propellent, Explosive and Pyrotechnics V.20, P. 16-20, 1995. [4]. F.A. Maryam, M.A. Kassem, M.Sh.Faved, A.M. Sultan, “Preparation and performance evaluation of a Hexachloroethane based IR chemical smoke mixture”, Aerospace sciences & aviation technology, ASAT-13, 5/26-28/2009. [5]. Lê Ngọc Định, Vũ Hoài Tuân, Trần Bá Chữ, “Khảo sát khả năng suy giảm bức xạ lade của hỗn hợp khói tạo từ nguyên liệu trong nước”, đề tài cấp BQP, Hà Nội 1993. [6]. Hoàng Nhâm, “Khí tài phát khói- vũ khí lửa”, NXBGD, 2002. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 41, 02 - 2016 139 ABTRACST RESEACH TO CREATE GENERATED SMOKE COMPOUNDS AGAINST THERMAL IMAGE CAMERAS In this article, we present the studying result to create generated smoke compounds that against thermal image cameras have infrared radiation range 7-14 μm. The obtained results reveal that the mixture includes following components: hexachloretan (C2Cl6), magnesium powder (Mg), naphtalen (C10H8), and poly vinyl chlorid (PVC) could provide relatively high level of thermal attenuation. Keywords: Hexachloetan, Smoke, infrared, Thermal image, Shielding. Nhận bài ngày 27 tháng 11 năm 2015 Hoàn thiện ngày 19 tháng 01 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 22 tháng 02 năm 2016 Địa chỉ: Viện Hóa học - Môi trường Quân Sự/ BTL Hóa Học. * Email: ledungvhhmtqs@gmail.com