Методы и средства исследования микрофизических характеристик дисперсной фазы аэрозольных образований для снижения заметности

Основные моменты

- Определение геометрических параметров, количественной концентрации и статистического распределения частиц в аэрозольных завесах позволяет оптимизировать влияние микрофизических характеристик дисперсной фазы (ДФ) специальных маскирующих аэрозолей, применяемых для скрытия военных объектов и техники.

- Достоверный контроль дисперсного состава частиц ДФ обеспечивается комплексным применением прямых и косвенных методов диагностики с различной чувствительностью, что критически важно для оценки эффективности маскировочных комплексов.

Актуальность. Разнообразие методов исследования микрофизических характеристик аэрозолей и технических средств их реализации затрудняет выбор тех из них, которые позволяют получить полные сведения о характеристиках ДФ.

Цель работы – выбор методов и средств исследований микрофизических характеристик ДФ аэрозолей искусственного происхождения, которые могут использоваться для снижения заметности.

Источниковая база исследования. Научная и техническая литература, доступная через глобальную сеть Интернет.

Метод исследования. Аналитический.

Результаты. Предложены оригинальные классификации основных микрофизических параметров ДФ аэрозоля, разделенных на три основные группы (статические, динамические и электрические параметры), и методов дисперсного анализа аэрозолей на основе представлений о прямых и косвенных измерениях, рассмотрены особенности измерений размерных параметров частиц ДФ, методы и технические средства дисперсного анализа. Определена применимость этих методов для исследований аэрозольных образований для снижения заметности.

Заключение. Для анализа аэрозольных маскирующих средств, предназначенных для снижения заметности, рекомендуется комбинированный подход с использованием как прямых, так и косвенных методов измерений. Это включает статический анализ изображений и лазерный дифракционный анализ. Минимальный, но достаточный набор методик измерений – с учетом конструктивных ограничений аппаратуры – должен включать: фазово-разделительную фильтрацию (аспирационный отбор проб частиц); гравиметрический анализ (высокоточные лабораторные весы); статический анализ изображений (оптическая микроскопия со специализированным ПО для анализа дисперсности); лазерный дифракционный анализ (конфигурация с пространственно разнесенным и излучателем и приемником для повышения разрешающей способности).

1. Колесников ДП, Пенязь ВН, Голышев МА, Буряк ДН, Артамонов ИВ. Влияние дисперсности аэрозоля на его маскирующую способность. Вестник войск РХБ защиты. 2021;5(3):260–68. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2021-5-3-260-268

2. Брусенин АА, Красильников СА, Пенязь ВН, Буряк ДН, Артамонов ИВ, Бурков ВД. Аналитическая зависимость вероятности маскировки объектов от плотности и дисперсности аэрозоля. Вестник войск РХБ защиты. 2023;7(1):53–61. https://doi.org/10.35825/2587-5728-2023-7-1-53-61

3. Фукс НА. Механика аэрозолей. М.: Эксмо; 2009. 351 с.

4. Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. М.: Мир; 1987. 280 с.

5. Грин Г., Лейн В. Аэрозоли – пыли, дымы и туманы. Ленинград: Химия; 1972. 427 с.

6. Вейцер ЮИ, Лучинский ГП. Маскирующие дымы. М.: Государственное научно-техническое издательство химической литературы; 1947. 203 с.

7. Зайцев ГС, Кузнецов АЯ. Дымовые средства и дымообразующие вещества. М.: Военное издательство Министерства обороны Союза ССР; 1961. 83 с.

8. Ивлев ЛС, Довгалюк ЮА. Физика атмосферных аэрозольных систем. Санкт-Петербург: НИИХ СПбГУ; 1999. 194 с.

9. Семенченко БА. Физическая метеорология. М.: Аспект Пресс; 2002. 387 с.

10. Кондратьев КЯ, Москаленко НИ, Поздняков ДВ. Атмосферный аэрозоль. Ленинград: Гидрометеоиздат; 1983. 254 с.

11. Егоров АД, Потапова ИА, Ржонсницкая ЮБ, Саноцкая НА. Математическое моделирование оптических характеристик атмосферного аэрозоля. Монография. Санкт-Петербург: издательство РГГМУ; 2012. 83 с.

12. Ишматов АН, Ахмадеев ИР. Применение метода малоуглового рассеяния лазерного излучения при исследовании импульсного распыления жидкостей. Оптика атмосферы и океана. 2013;26(1):81–4.

13. Егоров АД, Потапова ИА, Ржонсницкая ЮБ, Саноцкая НА. Определение оптических и микроструктурных характеристик атмосферного аэрозоля. Ученые записки РГГМУ. 2009;(11):71–8.

14. Валиулин СВ, Онищук АА, Бакланов АМ, Карасев ВВ, Дульцева ГГ. Измерительный аэрозольный комплекс. Оптика атмосферы и океана. 2024;37(06):496–501. https://doi.org/10.15372/AOO20240608

15. Сакерин СМ., Зенкова ПН., Кабанов ДМ, Калашникова ДА, Лисицын АП, Макаров ВИ, Полькин ВВ и др. Результаты исследований физико-химических характеристик атмосферного аэрозоля в 71-м рейсе НИС «Академик Мстислав Келдыш». Оптика атмосферы и океана. 2020;33(05):358–67. https://doi.org/10.15372/AOO20200505

16. Козлов ПА. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Ленинград: Химия; 1971. 280 с.

17. Коузов ПА. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Ленинград: Химия, 1987. 264 с.

18. Хаякава И, ред. Чистые помещения. М.: Мир; 1990. 454 с.

19. Бурьянов ИА, Логачев КИ, Уваров ВА. Определение основных свойств пылевых частиц заточного участка. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2020;(10):23–32. http://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-10-23-32

20. Азаров ВН, Кузьмичев АА, Николенко ДА, Васильев АН, Козловцева ЕЮ. Исследование дисперсного состава пыли городской среды. Вестник МГСУ. 2020;15(3):432–42. http://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.3.432-442

21. Hisman A, Ensor Azarov VN, Kuzmichev AA, Nikolenko DA, Vasilev AN, Koslovtseva EY. The research of dust dispersed composition of urban environment. Vestnik MGSU. 2020;15(3):432–42. http://doi.org/10.22227/1997-0935.2020.3.432–442

22. Башура ГС, Ефоян АС. Фармацевтические аэрозоли: научные разработки и организация производства. М.: Медицина; 1998. 236 с.

23. Терешкина ОИ, Павлов ВМ. Разработка проекта общей фармакопейной статьи «Аэрозоли». Фармация.2005;(8):3–7.

24. Медников ЕА. Турбулентный перенос и осаждение аэрозолей. М.: Медицина; 1992. 422 с.

25. Fennelly K. Particle sizes of infectious aerosols: Implications for infection control. Lancet Respiratory Medicine. 2020;8(9):914–24. https://doi.org/10.1016/S2213-2600(20)30323-4

26. Пузач СВ, Журавлев ЮЮ, Болдрушкиев ОБ, Акперов РГ. Экспериментальная оценка объемной концентрации и размеров твердых частиц дыма, образующихся при терморазложении горючих материалов. Пожары и чрезвычайные ситуации: предупреждение, ликвидация. 2024;(2):5–12. https://doi.org/10.22227/0869-7493.2023.32.05.49-5

27. Борен К, Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир; 1986. 664 с.

28. Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.: Издательство иностранной литературы; 1961. 536 с.

29. Дейрмеджан Р. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир; 1971. 303 с.

30. Степанова БИ, Иванова АП. Теоретические и прикладные проблемы рассеяния света. Минск: Наука и техника; 1971. 487 с.

31. Перельман АЯ. Дифракция на сферически симметричных неоднородных структурах. Оптика и спектроскопия. 1995;78(5):822–31.

32. Басманов ПИ, Кириченко ВН, Филатов ЮН, Юров ЮЛ. Высокоэффективная очистка газов от аэрозолей фильтрами Петрянова. М.: Наука; 2002. 193 с.

33. Исмаилов Ф. Атмосферный аэрозоль. Lap Lambert Academic Publishing; 2019. 357 с.

34. Шахов М. Краткое руководство по методам определения размеров частиц. Чистые помещения и технологические среды. 2019;(3):8–21.

35. Sipkens TA, Boies A, Corbin JC, Chakrabarty RK, Olfert J, Rogak SN. Overview of methods to characterize the mass, size, and morphology of soot. Journal of Aerosol Science. 2023;(173):106211. https://doi.org/10.1016/j.jaerosci.2023.106211

36. Тябина ИВ, Шахнович ОА. Современные методы гранулометрического анализа. Лазерные анализаторы размера частиц Winner. Лаборатория и производство. 2023;(2):48–57. https://doi.org/10.32757/2619-0923.2023.2.24.48.56

37. Балаханов МВ. О создании системы метрологического обеспечения измерений дисперсных параметров аэрозолей и взвесей. Альманах современной метрологии. 2014;(1):185–232.

38. Роул А. Основные принципы анализа размеров частиц. Доступ: http://www.rusnanonet.ru/download/equipment/mrk0034r01.pdf

39. Шифрин КС. Рассеяние света в мутной среде. М.: Гостехтеориздат; 1951. 264 с.

40. Шифрин КС. Рассеяние света на двухслойных частицах. Изв. АН СССР, серия геофизическая. 1952;(2):15–28.

41. Ржонсницкая ЮБ. Моделирование рассеяния излучения неоднородной аэрозольной частицей. Труды ГГО. 2011;(563):102–14.

42. Егоров АД, Потапова ИА, Ржонсницкая ЮБ, Саноцкая НА. Математическое моделирование оптических характеристик атмосферного аэрозоля. Монография. Санкт-Петербург: Издательство РГГМУ; 2012. 83 с.

43. Егоров АД, Ржонсницкая ЮБ, Потапова ИА, Саноцкая НА, Определение характеристик атмосферного аэрозоля по данным оптических измерений. Естественные и технические науки. 2010;(l):215–21.

44. Бурштейн АИ. Методы исследования аэрозолей. Киев: Госмедиздат УССР; 1934. 226 с.

45. Спурный К, Йех Ч. Аэрозоли. М.: Атомиздат; 1989. 256 с.

46. Коузов ПА, Скрябина ЛЯ. Методы определения физико-химических свойств промышленных пылей. Ленинград: Химия; 1983. 143 с.

47. Балаханов МВ, Карпов ОВ, Балаханов ДМ, Лесников ЕВ. Метрологическое обеспечение измерений дисперсных параметров аэрозолей и взвесей. Нанотехнологии. Экология. Производство. 2012;(16):102–4.

48. Редькина НИ. Автоматический фотоседиментометр для анализа гранулометрического состава порошков. Заводская лаборатория. Диагностика материалов. 2001;67(3):31–7.

49. Шишкин АС, Шишкин СФ, Илюнина ТВ. Сравнение методов фотоседиментации и лазерной дифракции при определении гранулометрического состава тонкодисперсных порошков. Инновации в материаловедении и металлургии: материалы I международной интерактивной научно-практической конференции, Екатеринбург 2011, 13–19 декабря 2011, Екатеринбург. Екатеринбург. Издательство Уральского университета; 2012. С. 194–7.

50. Клименко АП. Методы и приборы для измерения концентрации пыли. М.: Химия; 1978. 207 с. Klimenko AP. Methods and devices to measure dust concentration. Moscow: Chemistry; 1978. 207 p.

51. Беленький ДИ, Балаханов ДМ, Магомедов ТМ. Обзор методов измерений массовой концентрации аэрозольных частиц. Альманах современной метрологии. 2018;(14):114–21.

52. Шувалов ГВ, Минин ОВ, Минин ИВ, Зонова АД. Методика измерений размеров частиц аэрозолей на системе «Квантимет 720». Доступ: https://cyberleninka.ru/article/n/metodika-izmereniy-razmerov-chastits-aerozoley-na-sisteme-kvantimet-720

53. Heath J. Dictionary of microscopy. Wiley-VCH; 2005. 358 p.

54. Гаврилова НН, Назаров ВВ, Яровая ОВ. Микроскопические методы определения размеров частиц дисперсных материалов. М.: РХТУ им. Д.И. Менделеева; 2012. 52 с.

55. Коузов ПА. Основы анализа дисперсного состава промышленных пылей и измельченных материалов. Ленинград: Химия; 1987. 246 с.

56. Hagen T, Don R. Aerosol optical properties calculated from size distribution measurements: An uncertainty study. Aerosol Science and Technology. 2023;57(7):597–607. https://doi.org/10.1080/02786826.2023.2202703

57. Webb RH. Theoretical basis of confocal microscopy. Methods in enzymology. 1999;307:3–20.

58. Брянский ЛН, Дойников АС, Крупин БН. Метрология. Шкалы, эталоны, практика. М.: ВНИИФТРИ; 2004. 222 с.

59. Шеломенцев ИГ, Гомзикова ЕА. Перспективы анализа наночастиц в составе аэрозоля методом электронной микроскопии. Гигиена и санитария. 2023;102(3):259–64. https://doi.org/10.47470/0016-9900-2023-102-3-259-264

60. Долматов АВ, Маклаков СС, Гаранов ВА, Беляйков ИН, Петров ДА, Ширяев АО, Осипов АВ, Старостенко СН. Учет формы частиц наполнителей композиционных материалов при гранулометрическом анализе для оценки диэлектрической проницаемости. Современная электродинамика. 2023;1(3):10–6.

61. Дорофеенко НН, Андриевская ИА, Удовиченко ОА. Современные возможности и перспективы конфокальной лазерной сканирующей микроскопии в морфологических исследованиях (обзор литературы). Бюллетень физиологии и патологии дыхания. 2021;(81):135–41. https://doi.org/10.36604/1998-5029-2021-81-135-143

62. Pérez JMM, Pascau J. Image Processing with ImageJ. Packt Publishing; 2013, 126 p.

63. Азаров ВН, Ребров ВА, Козловцева ЕЮ, Азаров АВ, Добринский ДР, Тертишников ИВ и др. О совершенствовании алгоритма компьютерной программы анализа дисперсного состава пыли в воздушной среде. Инженерный вестник Дона. 2018;(2):1–13 Доступ: https://ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y20185/4976

64. Беляев СП, Никифорова НК, Смирнов ВВ, Щелчков ГИ. Оптико-электронные методы изучения аэрозолей. М.: Энергоиздат; 1981. 232 с.

65. Калечиц ВИ. Счетчики частиц и их основные характеристики. Чистые помещения и технологические среды. 2009;(1):2–7.

66. Gautam P, Gautam P, Moosmüller H, Maughan J, Sorensen C. Light scattering from spherical and irregular particles over a wide angular range. Aerosol Science and Technology. 2024;58(9):1053–62. https://doi.org/10.1080/02786826.2024.2338543

67. Castellanos P, Colarco P, Espinosa W, Guzewich S, Levy C, Miller R, et al. Mineral dust optical properties for remote sensing and global modeling: a review. Remote Sens Environ. 2024;(303):113982. https://doi.org/10.1016/j.rse.2023.113982

68. Ceolato R., Berg M. Aerosol light extinction and backscattering: a review with a lidar perspective. J. Quant. Spectrosc Radiat Transf. 2021;262:107492. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2020.107492

69. Maughan J, Sorensen S. Universal parameter to describe the reduction of refraction effects in the scattering of absorbing spheres. J Opt Soc Am A Opt Image Sci Vis. 2020;37(9):1456–64. https://doi.org/10.1364/JOSAA.394401.

70. Grubbs J., Tsaknopoulos K., Massar C., Young B., O’Connell A., Walde C., et al. Comparison of laser diffraction and image analysis techniques for particle size-shape characterization in additive manufacturing applications. Powder Technology. 2021; (391):20-33. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2021.06.003

71. Багдюн АА, Макаревич ВБ, Филистович ЕВ, Горошкова АН, Ивашенко ДВ. Эталонный комплекс для средств измерений параметров дисперсных сред. Метрология и приборостроение. 2021;(4):4–8.

72. Шидловский АА. Основы пиротехники. М.: Машиностроение; 1973. 20 с.

73. Чекман ИС. Аэрозоли – дисперсные системы: Монография. Харьков: «Цифрова друкарня № 1»; 2013. 101 с.

74. Рахимов М, Макиенко ЭВ, Панченко МВ. Оптико-микрофизические свойства смешанных дымов от нескольких разнесенных источников. Оптика атмосферы и океана. 2010;(8):675–83.