РАЗРЯДНАЯ ЛАМПА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОПТИКОЭЛЕКТРОННОГО ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к разрядным лампам, предназначенным для использования в качестве излучающего элемента в составе размещенного на борту летательного аппарата устройства оптикоэлектронного противодействия (ОЭП) для защиты от поражающего воздействия управляемых ракет (УР) с инфракрасными головками самонаведения (ИК ГСН).
Излучающий элемент бортового устройства ОЭП является основным функциональным элементом указанного устройства, поскольку именно он определяет структуру помехового излучения на выходе устройства ОЭП, обеспечивает необходимый уровень пиковой силы излучения помехи в заданном интервале оптического спектра и глубину модуляции излучения. Наиболее эффективным источником излучения такого назначения в настоящее время принято считать импульсную разрядную лампу (РЛ) с цезиевым наполнением [1]. В самом общем случае РЛ представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду.
Известна РЛ ИК излучения [2], содержащая разрядную горелку в виде прямой трубчатой оболочки из бесцветного лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах электродными узлами, которая установлена соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора в защитной оболочке, также выполненной из бесцветного лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположны концах токоподводами, электрически связанными с токоподводами соответствующих электродных узлов разрядной горелки посредством контактных элементов, один из которых выполнен с возможностью осевого перемещения разрядной горелки внутри защитной оболочки, причем указанный контактный элемент выполнен скользящим по внутренней поверхности герметизирующего элемента соответствующего токоподвода. Данная конструкция обеспечивает работоспособность РЛ в условиях интенсивного принудительного воздушного охлаждения, необходимого для функционирования РЛ в составе устройства ОЭП, поскольку электрический контакт токоввода разрядной горелки с соответствующим токоподводом осуществляется без образования механических напряжений в оболочках РЛ.
Следует, однако, отметить, что при повышении электрической мощности РЛ, что необходимо для обеспечения эффективного функционирования устройства ОЭП, в составе которого эксплуатируется РЛ, скользящий контактный элемент сильно разогревается и теряет свою упругость, что в условиях повышенных виброударных нагрузок на РЛ, связанных с ее аппаратурным применением, может привести к нарушению работоспособности РЛ, а, следовательно, и устройства ОЭП в целом.
Известна РЛ ИК излучения для устройства ОЭП [3], у которой электродные узлы разрядной горелки электрически связаны с соответствующими токоподводами, установленными на противоположных концах защитной оболочки посредством контактных элементов, один из которых, выполненный с возможностью осевого перемещения разрядной горелки внутри защитной оболочки, жестко соединен с герметизирующим элементом соответствующего токоподвода. Указанная конструкция обеспечивает высокую надежность функционирования контактной группы при повышении электрической мощности РЛ с учетом ее аппаратурного применения, т.е. в условиях повышенных виброударных нагрузок.
Совершенно очевидно, что такая конструкция РЛ требует выполнения герметизирующего элемента соответствующего токоподвода в виде двух неразъемно соединенных между собой деталей, одна из которых предварительно неразъемно соединена с защитной оболочкой РЛ, а другая предварительно неразъемно соединена с контактным элементом. Именно такая конструкция реализована в РЛ типа СП2 - 1500 [4], которая предназначена для использования в изделии Л370-5 [5]. Указанная РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку в виде прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах электродными узлами, которая размещена соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора в защитной оболочке из лейкосапфира с установленными на ее противоположных концах токоподводами посредством спая герметизирующего элемента соответствующего токоподвода с наружной поверхностью защитной оболочки, а электрическая связь электродных узлов разрядной горелки с соответствующими токоподводами обеспечена посредством контактных элементов, один из которых, выполненный с возможностью осевого перемещения разрядной горелки внутри защитной оболочки, жестко соединен с герметизирующим элементом соответствующего токоподвода, выполненным вне зоны спая герметизирующего элемента токоподвода с защитной оболочкой в виде двух коаксиальных между собой неразъемно соединенных деталей, одна из которых - наружная - выполнена в виде полого цилиндра, а другая - внутренняя - жестко соединена с контактным элементом. Следует отметить, что в данном случае неразъемное соединение образующих герметизирующий элемент токоподвода деталей осуществлено посредством одного из самых доступных с технологической точки зрения способов - сварки плавлением.
В соответствии с [6] сваркой плавлением называется технологический процесс получения неразъемного соединения между деталями, основанный на локальном расплавлении кромок соединяемых деталей с последующей кристаллизацией образующего шов металла. При воздействии мощного концентрированного потока тепловой энергии кромки свариваемых деталей расплавляются с образованием физического контакта посредством т.н. «сварной ванны»; Поскольку сварной шов имеет протяженность, превышающую размеры «сварной ванны», сварку плавлением ведут непрерывно перемещая источник тепловой энергии относительно кромок свариваемых деталей. В результате кромки плавятся последовательно и непрерывно. Охлаждение зоны сварки происходит за счет передачи теплоты в окружающую среду и вглубь свариваемых деталей. Таким образом, конструкция РЛ, выбранной в качестве прототипа, обеспечивает неразъемное соединение деталей, образующих герметизирующий элемент токоподвода, без нарушения качества спая герметизирующего элемента с защитной оболочкой РЛ.
Следует, однако, отметить, что согласно [6] высокотемпературный нагрев деталей при сварке плавления вызывает возникновение напряжений и остаточных деформаций в сварном соединении, что снижает сопротивляемость изделия динамическим нагрузкам. Таким образом, конструкция импульсной РЛ, выбранной в качестве прототипа, с точки зрения используемых на практике технологий совершенно оправдана, но с учетом аппаратурного использования не оптимальна, поскольку не обеспечивает необходимой устойчивости неразъемного соединения образующих герметизирующий элемент токоподвода деталей к виброударным нагрузкам.
Задача, на решении которой направлена последняя модель, заключается в увеличении механической прочности РЛ ИК излучения в зоне неразъемного соединения образующих герметизирующий элемент токоподвода деталей.
Технический результат, соответственно, заключается в увеличении надежности РЛ ИК излучения при ее аппаратурной эксплуатации.
Заявляемая РЛ ИК излучения для устройства ОЭП, как и РЛ, выбранная в качестве прототипа, содержит наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку в виде прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира с герметично установленными на ее противоположных концах электродными узлами, которая размещена соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора в защитной оболочке из лейкосапфира с установленными на ее противоположных концах токоподводами посредством спая герметизирующих элементов токоподводов с наружной поверхностью защитной оболочки, а электрическая связь электродных узлов разрядной горелки с соответствующими токоподводами обеспечена посредством контактных элементов, один из которых, выполненный с возможностью осевого перемещения разрядной горелки внутри защитной оболочки, жестко соединен с герметизирующим элементом соответствующего токоподвода, выполненным вне зоны спая герметизирующего элемента токоподвода с защитной оболочкой в виде двух коаксиальных между собой неразъемно соединенных деталей, одна из которых - наружная - выполнена в виде полого цилиндра, а другая - внутренняя - жестко соединена с контактным элементом.
Отличие заявляемой импульсной РЛ ИК излучения от прототипа состоит в том, что неразъемной соединение образующих указанный герметизирующий элемент деталей выполнено посредством цилиндрического спая наружной поверхности внутренней детали с внутренней поверхностью наружной детали, причем спай выполнен на основе припоя, температура плавления которого ниже, чем температура плавления припоя, используемого для спая герметизирующего элемента токоподвода с защитной оболочкой РЛ.
Первое дополнительное отличие заявляемой РЛ ИК излучения заключается в том, что боковой поверхности внутренней детали герметизирующего элемента придана форма примыкающих через цилиндрическую поверхность поверхностей в виде прямых усеченных коусов, меньшие основания которых направлены в разных стороны.
Второе дополнительное отличие заявляемой РЛ ИК излучения заключается в том, что в зоне спая наружной и внутренней деталей герметизирующего элемента токоподвода превышение величины диаметра внутренней поверхности наружной детали величины диаметра внутренней детали на участке боковой поверхности, выполненной в виде цилиндрической поверхности, составляет от 0,02 до 0,1 мм, а длина указанной цилиндрической поверхности составляет не менее , где σ - коэффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава, а ρ - плотность припоя в состоянии расплава.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемой РЛ ИК излучения для устройства ОЭП.
РЛ содержит заполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку 1, на противоположных концах которой установлены электродные узлы 2. Горелка 1 установлена с образованием заполненного неоном кольцевого зазора 3 в защитной оболочке 4, выполненной из лейкосапфира. На противоположных концах защитной оболочки 4 посредством цилиндрического спая 5 с наружной поверхностью концевых участков оболочки 4 установлены герметизирующие элементы токоподводов РЛ. В данном конкретном случае один из герметизирующих элементов вне зоны спая 5 выполнен в виде двух коаксиальных между собой деталей 6 и 7. Периферийные части контактного элемента 8, выполненного с возможностью осевого перемещения разрядной горелки 1 внутри защитной оболочки 4, жестко соединены с электродным узлом 2 разрядной горелки 1 и деталью 7 герметизирующего элемента токоподвода. Неразъемное соединение образующих герметизирующий элемент деталей 6 и 7 вне зоны спая 5 выполнено посредством цилиндрического спая 9 наружной поверхности детали 7 с внутренней поверхностью детали 6.
Как известно, пайкой называется процесс соединения металлов в твердом состоянии путем введения в зазор между спаиваемыми деталями промежуточного металла припоя. При расплавлении припоя заполняется зазор между поверхностями соединяемых деталей, образуя жидкую металлическую прослойку, кристаллизация которой приводит к образованию паяного шва, обеспечивающего неразъемное вакуумноплотное соединение деталей. При пайке формирование шва определяется, главным образом, процессами смачивания и капиллярного течения на границе «поверхность детали - расплав припоя». Пайку осуществляют при температуре ниже точки плавления металла соединяемых деталей. Таким образом, устраняется причина возникновения в спаиваемых деталях напряжений, которые могут привести к разгерметизации токоподвода и выходу РЛ из строя. Для образования надежного спая необходимо, чтобы при температуре пайки припой смачивал металл спаиваемых деталей и растекался по поверхности спаиваемых деталей [7]. Экспериментально установлено, что наибольшая прочность паяных соединений из различных материалов и припоев достигается при зазорах между спаиваемыми деталями порядка 0,02-0,1 мм [8]. Именно поэтому в данном конкретном случае величина кольцевого зазора, образованного наружной поверхностью детали 7 и внутренней поверхностью детали 6 герметизирующего элемента токоподвода, выбрана равной 0,02-0,1 мм.
Количество припоя, форма его навески (до расплава) и пространственное размещение играют существенную роль в получении качественного шва. Припой желательно располагать над паяемым швом для проникновения расплавленного припоя в зазор между спаиваемыми деталями не только за счет эффекта капиллярности, но и за счет действия силы тяжести. Именно поэтому, в данном конкретном случае целесообразно использовать вертикальное расположение оси цилиндрического спая 9 деталей 6 и 7, образующих герметизирующий элемент токоподвода.
При пайке используется верхняя граница интервала температур плавления припоя, которая характеризует точку растекания расплава припоя. В данном случае при выполнении спая 9 между образующими герметизирующий элемент деталями 6 и 7 следует использовать припой, температура плавления которого ниже, чем температура плавления припоя в зоне выполненного ранее спая 5 между деталью 6 герметизирующего элемента токоподвода и защитной оболочкой 4. Это ограничение в отношении используемого для выполнения спая 9 припоя необходимо для сохранения качества выполненного ранее спая 5. Практика показывает, что указанная разность температур плавления должна составлять не менее 80-100°С, т.е. при использовании в качестве припоя для спая 5 чистой меди (температура плавления - 1083°С) для спая 9 возможно использовать медно - титановый припой, температура плавления которого составляет 955°С [9].
При расплавлении припоя в зоне спая 9 возможно растекание части припоя по торцу входящей в состав герметизирующего элемента детали 7. Для устранения подобной возможности навеску припоя в зоне спая 9 в виде кольца до расплава располагают в кольцевом зазоре, образованном наружной поверхностью детали 7 и внутренней поверхностью детали 6 в форме прямого усеченного конуса, который при вертикальном расположении оси цилиндрического спая 9 является барьером для растекания расплавленного припоя в горизонтальной плоскости, и, следовательно весь припой в состоянии расплава будет проникать в кольцевой зазор между наружной поверхностью детали 7 и внутренней поверхностью детали 6. При расплавлении припой в зоне спая 9 сначала под действием силы тяжести заполняет коническую поверхность 10, а за тем за счет действия капиллярных сил заполняет кольцевой зазор между деталями 6 и 7, причем в процессе заполнения зазора в зоне спая 9 происходит взаимодействие припоя с металлом, из которого изготовлены детали 6 и 7, что приводит к увеличению вязкости припоя в состоянии расплава и препятствует его дальнейшему проникновению в зазор между деталями 6 и 7. Максимальная длина (l) затягивания припоя в зазор между деталями 6 и 7 в соответствии с [7] составляет:
где σ - коэффициент поверхностного натяжения припоя в состоянии расплава;
ρ - плотность припоя в состоянии расплава;
g - ускорение силы тяжести;
Δ - величина зазора между наружной поверхностью детали 7 и внутренней поверхностью детали 6 в зоне спая 9.
Таким образом, длина спая 9 образующих герметизирующий элемент деталей 6 и 7 должна составлять не менее  мм, а, следовательно, такой должна быть длина l цилиндрической поверхности детали 7.
Следует отметить, что наружная поверхность входящей в состав герметизирующего элемента токоподвода детали 7 может быть выполнена в форме примыкающих через цилиндрическую поверхность поверхностей в виде прямых усеченных конусов 10 и 11, меньшие основания которых направлены в разные стороны. Одна из таких поверхностей 10, как это было указанно выше, предназначается для облегчения процесса заполнения припоем зоны спая 9. Другая коническая поверхность 11 способствует уменьшению действия капиллярных сил при заполнении припоем кольцевого зазора между деталями 6 и 7, что дополнительно способствует формированию надежного спая 9.
Предлагаемая конструкция обеспечивает высокую механическую прочность токоподвода РЛ и, соответственно, повышает надежность РЛ при ее эксплуатации в составе размещенного на борту летательного аппарата устройства ОЭП.
Конструкция РЛ ИК излучения в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Светотехника, 1998, №3, с. 22.
2. Патент РФ на изобретение №1373228, 11.07.1995.
3. Патент РФ на ПМ №32321, 10.09.2003, Бюл. №25.
4. Лампа СП 2-1500, КПАШ 433220.030.
5. Изделие Л 370-5, КПАШ 676766.001.
6. Бадьянов Б.Н., Давыдов В.А. Сварочные процессы в электронной технике, М.: Высшая школа, 1988.
7. Петрухин И.Е. Физико-химические процессы при пайке, М.: Высшая школа, 1972.
8. Ковалевский Р.Е., Чекмарев А.А. Конструирование и технология вакуум-плотных паяных соединений, М.: Энергия, 1968.
9. Гладков А.С., Подвигина О.П., Чернов О.В. Пайка деталей электровакуумных приборов, М.: Энергия, 1967.