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

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