Газоразрядная лампа для системы оптико-электронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет

Полезная модель относится к конструкции газоразрядной лампы (ГРЛ), в частности к составу наполнения ГРЛ, являющейся источником излучения в инфракрасном (ИК) диапазоне оптического спектра и предназначенной для использования в составе системы оптико-электронного противодействия (СОЭП) для защиты летательного аппарата (ЛА) от поражающего воздействия управляемых ракет (УР) с инфракрасной головкой самонаведения (ИК ГСН).
СОЭП является по существу направленным излучателем оптического излучения и, следовательно, характеристики входящего в ее состав источника оптического излучения определяются назначением и особенностями функционирования этого излучателя, которые, в свою очередь, определяются особенностями функционирования объекта воздействия, которым, в данном конкретном случае, является ИК ГСН УР.
Как следует из работы [1] ИК ГСН УР является оптико-электронным прибором пассивного типа с каналом связи «УР-ЛА», который предназначен для получения дискретной во времени информации об угловых координатах атакуемого УР ЛА путем последовательной оптической и электронной обработки исходящего от ЛА собственного теплового (ИК) излучения. В настоящее время одним из основных и наиболее эффективных методов противодействия поражающему воздействию УР с ИК ГСН принято считать дезинформирующее воздействие на ГСН УР посредством имитирующей активной помехи в виде направленного некогерентного модулированного по амплитуде ИК излучения в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН УР (т.н. оптико-электронное противодействие), формируемого установленной на борту ЛА СОЭП ИК ГСН УР [2]. Основным функциональным элементом исполнительного органа СОЭП является источник ИК излучения в составе излучающего элемента и модулятора, задающего импульсно-периодический профиль формируемого источником ИК излучения. В настоящее время в качестве излучающего элемента в составе СОЭП ИК ГСН УР используется, как правило, разрядный источник некогерентного оптического излучения в виде ГРЛ, которая представляет собой устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение, источником которого является разряд, возникающий при прохождении определенным образом структуированного по частоте разрядного тока через локализованную в пространстве плазмообразующую среду, причем выбор оптимальных параметров ГРЛ должен производиться с учетом ее аппаратурного использования, т.е. с учетом, в данном конкретном случае, особенностей функционирования СОЭП в целом.
Как следует из работы [2] основными техническими характеристиками ГРЛ, предназначенной для использования в составе СОЭП, являются- спектральный диапазон генерируемого оптического излучения, пиковая сила и глубина модуляции излучения, причем, с учетом необходимости обеспечения эффективного ОЭП ИК ГСН, величина спектрального диапазона генерируемого ГРЛ оптического излучения должна соответствовать спектральному диапазону чувствительности ИК ГСН, т.е. спектральный диапазон генерируемого ГРЛ излучения должен составлять 3,5-5,0 мкм, величина пиковой силы излучения должна превосходить величину силы собственного ИК излучения защищаемого ЛА в указанном спектральном диапазоне, а величина глубины модуляции должна составлять порядка 95%. Выполнение указанных требований к техническим характеристикам ГРЛ для СОЭП ИК ГСН УР обеспечивается за счет выбора соответствующего наполнения горелки ГРЛ и оснащения горелки ГРЛ прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, поскольку указанный материал обладает прозрачностью в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм [3].
Известна ГРЛ [4], состав наполнения которой оптимизирован с учетом ее аппаратурного использования в СОЭП ИК ГСН УР. Указанная ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит горелку в виде прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах электродными узлами, состав наполнения которой включает цезий, ртуть и инертный газ ксенон. Из всех компонентов наполнения горелки ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, наиболее низкие потенциалы возбуждения и ионизации имеют атомы цезия [5] и, следовательно, именно цезий является единственным из компонентов наполнения, обеспечивающим излучение в рабочем режиме функционирования ГРЛ. Следует отметить, что выбор цезия в качестве излучающего компонента наполнения горелки ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, обоснован тем, что во-первых, только цезий дает ИК излучение в диапазоне длин волн 3,5-5,0 мкм [6] при минимальной величине энергии возбуждения, а во-вторых, доля энергии излучения в указанном диапазоне длин волн в суммарной энергии излучения цезия достигает величины 0,65 [7].
Конструкция ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, с точки зрения формируемого лампой излучения в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН УР совершенно оправдана, но с точки зрения обеспечения энергетического КПД формируемого излучения не является оптимальной, поскольку одним из основных факторов, определяющих пиковую силу генерируемого ГРЛ ИК излучения, является давление паров цезия в рабочем режиме функционирования ГРЛ, которое определяется объемной дозировкой цезия и осевой температурой разряда, которая, в свою очередь, определяется объемной дозировкой цезия и ртути, входящей в состав наполнения горелки ГРЛ. Таким образом, недостаток ГРЛ, выбранной в качестве прототипа, состоит в том, что конструкция входящей в ее состав горелки не обеспечивает оптимальной дозировки компонентов наполнения с учетом аппаратурного использования ГРЛ в СОЭП ИК ГСН УР.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в оптимизации величин объемной дозировки компонент наполнения горелки ГРЛ, входящей в состав СОЭП ИК ГСН УР, для получения наибольшей величины КПД излучения в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм при неизменном энергопотреблении ГРЛ.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции ГРЛ, заключается в повышении эффективности противодействия атакующей ЛА УР с ИК ГСН за счет увеличения пиковой силы излучения активной помехи, формируемой СОЭП ИК ГСН УР.
Заявляемая ГРЛ для СОЭП ИК ГСН УР, как и ГРЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит горелку в виде прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах электродными узлами, состав рабочего наполнения которой включает цезий, ртуть и инертный газ ксенон.
3
3
Отличие заявляемой ГРЛ для СОЭП ИК ГСН УР от прототипа состоит в том, что удельные объемные дозировки цезия и ртути составляют 0,16-0,79 мг/см и 0,24-1,18 мг/см, соответственно, а инертный газ ксенон введен при давлении 50-100 мм рт. ст.
Принцип работы заявляемой ГРЛ основан, как это было указано выше, на преобразовании электрической энергии в оптическое (ИК) излучение при прохождении электрического тока через находящиеся в парообразном состоянии вещества, входящие в состав наполнения горелки ГРЛ, и, следовательно, с учетом состава наполнения заявляемая ГРЛ может быть отнесена к категории ртутных ГРЛ высокого давления (ВД) с излучающими добавками в виде щелочных металлов, у которых входящая в состав наполнения ртуть в рабочем режиме функционирования ГРЛ выполняет функцию буферного газа, а инертный газ ксенон- функцию пускового («стартового» или «зажигающего») газа [5, 8]. Таким образом, приведенные в работах [5, 8] данные об особенностях формирования плазменного столба в ГРЛ указанного типа могут быть использованы для обоснования оптимизации величин объемных дозировок компонент наполнения горелки заявляемой ГРЛ.
При рассмотрении плазменных явлений в ГРЛ ВД с излучающими добавками в виде щелочных металлов, в частности цезия, можно выделить три основные стадии- инициирование разряда, формирование плазменного канала и квазистационарную стадию [9]. Сразу после зажигания разряд осуществляется в инертном газе (ксеноне), поскольку в нерабочем («холодном») состоянии температура горелки ГРЛ недостаточна для заполнения парами металлов (в первую очередь цезия) ее разрядного объема, а ксенон является единственным неконденсирующимся компонентом наполнения горелки. По мере роста электрической мощности ртуть и цезий переходят в парообразное состояние и разрядный процесс начинает происходить в смеси паров цезия и ртути, и ксенона. В сформировавшемся плазменном канале вся электроэнергия в момент пикового значения импульса тока полностью расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду за счет излучения, газодинамических процессов и теплопроводности. С учетом аппаратурного использования заявляемой ГРЛ для обеспечения максимально возможного значения энергетического КПД преобразования ГРЛ необходимо свести к минимуму неизлучательные потери. Известно, что уменьшение удельных тепловых потерь может быть достигнуто путем выбора рабочего вещества с минимальной теплопроводностью, а т.к. теплопроводность уменьшается с ростом атомного веса газа или пара, то более выгодно применять в качестве неизлучающих компонентов наполнения горелки ГРЛ газов или паров с наибольшим атомным весом. Для этого, как следует из работы [5], идеально подходит ртуть, обладающая более низкой теплопроводностью в сравнении со щелочными металлами, т.е. в рабочем состоянии ГРЛ ВД ртутный пар выполняет роль буфера, создавая требуемую в разряде высокую осевую температуру, высокий градиент потенциала и снижая тепловые потери. Следует отметить, что осевая температура разряда является основным фактором, определяющим пиковую силу излучения, что с учетом аппаратурного использования заявляемой ГРЛ, крайне важно. В работе [10] указано, что для уменьшения зависимости характеристик разряда в парах щелочных металлов от теплового режима оболочки горелку ГРЛ ВД следует наполнять строго дозированным количеством ртути с таким расчетом, чтобы в штатном режиме работы ГРЛ ртуть полностью испарялась и разряд происходил в ненасыщенных парах ртути и щелочного металла (в данном случае цезия). В таком режиме давление паров цезия, а, следовательно, и интенсивность (пиковая сила) формируемого разрядом излучения существенно меньше зависит от температуры оболочки горелки ГРЛ.
Связь между вводимым в горелку ГРЛ количеством излучающего металла и давлением, установившимся при работе ГРЛ, приведена в работе [8]. В этой работе показано, что количество вещества А, которое необходимо ввести в ГРЛ с цилиндрической разрядной оболочкой и выполняющим роль буфера ртутным наполнением, чтобы при работе создать парциальное давление p(А) при условии, что во время работы ГРЛ оно находится полностью в парообразном состоянии, в первом приближении, достаточном для инженерных расчетов, может быть рассчитано по следующей формуле:
1
3
где m(А) - удельная дозировка (на единицу длины трубчатой оболочки горелки ГРЛ) вещества А, мг/см;
A
М и  - молекулярные веса вещества А и ртути, соответственно;
p(A) - парциальное рабочее давление вещества А, атм;
d - внутренний диаметр разрядной трубчатой оболочки горелки ГРЛ, см.
1
2
Разделив m(А) на объем горелки ГРЛ единичной длины (πd/4), получим выражение для удельной объемной дозировки вещества А в составе наполнения ГРЛ:
В работе [12] приведены результаты комплексных исследований, из которых следует, что максимальная величина КПД излучения в спектральном диапазоне оптического спектра 3,5-5,0 мкм обеспечивается, когда величина давления ненасыщенных паров цезия составляет 200-1000 мм рт. ст. (0,26-1,32 атм.), и, следовательно, оптимальная величина удельной объемной дозировки цезия (Cs) в составе наполнения заявляемой ГРЛ для СОЭП ИК ГСН УР должна составлять:
3
0,16≤m(Cs)≤0,79 мг/см.
Из работы [9] также следует, что удельная объемная дозировка ртутной составляющей наполнения ГРЛ ВД, в которое введено вещество А, при условии, что ртуть также, как и вещество А, находится полностью в парообразном состоянии, т.е. при условии отсутствия в рабочем режиме в разрядном объеме ГРЛ амальгамы, определяется формулой:
3
где  - удельная объемная дозировка ртути, мг/см;
3
m(А) - удельная объемная дозировка вещества А, мг/см;
А
и М - молекулярные веса ртути и вещества А, соответственно.
Таким образом, величина удельной объемной дозировки ртути  в составе наполнения заявляемой ГРЛ составляет:
.
Как было указано выше роль инертного газа ксенона в составе наполнения горелки заявляемой ГРЛ сводится к обеспечению первоначального пробоя газоразрядного промежутка лампы, т.е. после приложения к ГРЛ сетевого напряжения и высоковольтного зажигающего импульса разряд осуществляется в ксеноне. Функциональным аналогом заявляемой ГРЛ с учетом особенностей состава ее наполнения из всех ГРЛ ВД является натриевая лампа ВД, у которой в качестве пускового газа в составе наполнения также используется ксенон при давлении в холодном состоянии от 20 до 200 мм рт. ст. [5]. Время выхода ГРЛ на рабочий режим сокращается при увеличении давления ксенона за счет снижения теплопроводности плазмы в разряде, т.к. ксенон обладает самой низкой теплопроводностью из всех инертных газов. Таким образом, необходимость повышения давления ксенона в составе наполнения заявляемой ГРЛ с учетом ее аппаратурного использования в составе СОЭП ИК ГСН УР очевидна, но величина его верхнего предела требует уточнения, поскольку выбор оптимальной величины давления газовой составляющей (ксенона) наполнения горелки ГРЛ должен производиться с учетом особенностей функционирования и конструктивного исполнения ГРЛ в целом.
Действительно, эффективность функционирования СОЭП ИК ГСН УР, как это следует из работы [2], существенно зависит от глубины модуляции ИК излучения, формируемого входящей в состав СОЭП ГРЛ, при обеспечении необходимых энергетических характеристик. Как следует из работы [11] глубина модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения определяется соотношением величин модулированной составляющей излучения, источником которой является светящее тело разряда в горелке ГРЛ, и немодулированной (постоянной) составляющей, источником которой является тепловое излучение нагретых в процессе функционирования ГРЛ конструктивных элементов, обеспечивающих формирование разряда в плазмообразующей среде- электродов и оболочки горелки ГРЛ, причем величина глубины модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения тем выше, чем ниже величина его немодулированной составляющей при фиксированной величине модулированной составляющей. Необходимую величину глубины модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения можно обеспечить за счет снижения величины немодулированной составляющей генерируемого ГРЛ ИК излучения (при заданной величине модулированной составляющей) путем принудительного охлаждения оболочки горелки и тепловой экранировкой электродов ГРЛ. Именно поэтому используемая в составе СОЭП ГРЛ конструктивно выполнена в виде горелки с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, установленной соосно с образованием заполненного инертным газом неоном, имеющим высокий коэффициент теплопроводности, кольцевого зазора во внешней (защитной) прямой трубчатой оболочке из лейкосапфира, на противоположных концах которой герметично установлены токовводы электродных узлов [4], причем между разрядной и защитной оболочками установлены равноудаленные от них и охватывающие разрядную оболочку на части ее длины, соответствующей зонам размещения электродов, металлические экраны, которые жестко соединены с соответствующими токовводами электродных узлов [12]. Такая конструкция ГРЛ обеспечивает возможность ее эксплуатации в условиях принудительного воздушного охлаждения посредством формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ за счет термостатирования разрядной оболочки [13], что обеспечивает достаточно высокую величину глубины модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения.
Приведенное конструктивное исполнение ГРЛ для СОЭП ИК ГСН УР можно, по существу, рассматривать как параллельное соединение двух разрядных источников, один из которых имеет в составе наполнения инертный газ ксенон, а второй- инертный газ неон, а поскольку расстояние между торцами металлических экранов равно межэлектродному промежутку и экраны фактически находятся в электрическом контакте с токовводами электродных узлов, то возможность возникновения импульсного пробоя и последующее зажигание разряда в зазоре между разрядной и защитной оболочками ГРЛ определяется в первую очередь величиной давления инертного газа неона по сравнению с величиной давления инертного газа ксенона в горелке, причем вероятность разряда в зазоре, заполненного неоном, возрастает при сопоставимой величине давлений ксенона и неона.
В работе [11] приведены результаты экспериментальных исследований, которые показывают, что минимизация вероятности возникновения разряда по неону между защитной и разрядной оболочками ГРЛ имеет место при давлении пускового газа ксенона не более 100 мм рт. ст. при одновременном увеличении давления газа-теплоносителя неона до величины порядка 700 мм рт. ст., поскольку увеличение давления неона в зазоре между разрядной и защитной оболочками ГРЛ не сказывается на излучательной характеристике ГРЛ (пиковая сила излучения в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм).
Таким образом, оптимальный диапазон величин давления инертного газа ксенона, входящего в состав наполнения горелки заявляемой ГРЛ, должен составлять 50-100 мм рт. ст.
Предлагаемая конструкция ГРЛ обеспечивает повышение эффективности функционирования СОЭП ИК ГСН УР за счет оптимизации величин дозировки компонентов наполнения горелки ГРЛ для получения наибольшей величины КПД излучения в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм при неизменном энергопотреблении ГРЛ.
Промышленная применимость заявляемого решения определяется возможностью его многократного воспроизведения в процессе производства с использованием стандартного оборудования, материалов и технологий.
Литература:
1. Куркоткин В.И., Стерлигов В.Л. Самонаведение ракет, М.: Военное издательство МО СССР, 1963.
2. Самодергин В.А. Исследование и разработка энергоизлучающих систем активных помех инфракрасным головкам самонаведения с оптимальными энергетическими характеристиками: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1988.
3. Добровинская Е.Р., Литвинов Л.А., Пищик В.В. Энциклопедия сапфира, Харьков: Институт монокристаллов, 2004, с. 508.
4. Светотехника, 1998, №3, с. 22.
5. Рохлин Г.Н. Газоразрядные источники света, М.: Энергия, 1966.
6. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий, ГИФМА, М., 1962.
7. Светотехника, 1967, №1, с. 15.
8. Весельницкий И.М., Рохлин Г.Н. Ртутные лампы высокого давления, М.: Энергия, 1971.
9. Тезисы докладов 6-й Международный светотехнической конференции, 09.2006.
10. Айзенберг Ю.Б. и др. Справочная книга по светотехнике, М.: ЗНАК, 2006.
11. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
12. Патент РФ на ПМ №32321, 10.09.2003 Бюл. №25.
13. Патент РФ на ПМ №56717, 10.09.2006 Бюл. №25.