НЕКОНТАКТНЫЙ ГОЛОВНОЙ ВЗРЫВАТЕЛЬ

Полезная модель относится к взрывателю с комбинированным, контактным и бесконтактным, срабатыванием, который автоматически инициируется при достижении заданного расстояния до поверхности падения боеприпаса на траектории полета к цели, что обеспечивает его воздушный подрыв.
Уровень данной области техники характеризует взрыватель артиллерийского снаряда, включающий преобразователь, предохранительно- исполнительный механизм и связанный с автономным источником электрического питания блок дистанционного управления в составе последовательных приемного устройства кода времени, дешифратора и устройства временной задержки, описанный в патенте RU 2135947, F42В 15/01, F42C 13/04, 1999 г.
Между блоком дистанционного управления и штатным взрывателем, содержащим пьезоэлектрический преобразователь, дополнительно установлен генератор ударного импульса, выполненный в виде электродетонатора, срабатывание которого по команде устройства временной задержки в корпусе снаряда возбуждает ударную волну, передаваемую на пьезоэлектрический преобразователь взрывателя.
Ударный импульс, создаваемый электродетонатором в заданной точке траектории полета снаряда, эквивалентен импульсу от штатного при контактном срабатывании, что обеспечивает адекватность обоих режимов инициирования взрывателя.
Этот взрыватель обеспечивает универсальный механизм подрыва наполнения артиллерийского боеприпаса, который инициируется реакционно от удара при встрече с преградой под воздействием сил инерции подвижных масс на пьезоэлектрический преобразователь, а также альтернативно от ударного импульса имитатора подобной встречи - автономного электродетонатора, срабатывающего по внешней управляющей кодированной команде, содержащей информацию о времени подрыва, преобразуемой в стандартный исполнительный сигнал по истечении времени задержки.
Выходной сигнал с блока дистанционного управления трансформируется посредством дополнительного электродетонатора в ударный импульс, генерирующий ударную волну в корпусе снаряда, адекватную принимаемой пьезоэлектрическим преобразователем штатного взрывателя при реальной встрече с преградой.
Блок управления опосредованно связан с преобразователем, что позволяет использовать штатный предохранительно-исполнительный механизм.
Выход на режим энергосодержащей батареи - источника электрического питания блока управления происходит с задержкой 0,1 с (100 м полета)
после выстрела для обеспечения безопасности от несанкционированного разрыва снаряда вблизи позиции стрельбы.
Генератор ударного импульса размещается в корпусе боеприпаса независимо от взрывателя, то есть без электрических и кинематических с ним связей, что обеспечивает конструктивную мобильность блоку дистанционного управления.
Описанное универсальное техническое решение пригодно для использования в артиллерийских снарядах большого калибра, авиабомбах и минах, однако практическое применение в артиллерийских снарядах малого калибра не представляется возможным из-за физической ограниченности объема, где затруднительно разместить дополнительный электродетонатор и блок дистанционного управления с источником тока.
Во-вторых, использование штатного взрывателя обеспечивает адаптивную переналаживаемость боеприпасов, но при этом снижается боевая эффективность снаряда из-за больших суммарных габаритов блока дистанционного управления с источником тока и взрывателя с относительно мощным пьезоэлектрическим преобразователем, функционирующим автономно, без источника тока, имитируя срабатывание электродетонатора.
Кроме того, блок дистанционного управления и генератор ударного импульса должны быть изолированы от прямого воздействия высокого давления пороховых газов метательного заряда боеприпаса. В лимитированном объеме снаряда это может быть только за счет уменьшения массы наполнения взрывчатым веществом, что снижает основное назначение боеприпаса.
Отмеченные недостатки устранены во взрывателе с комбинированным инициированием, контактным и неконтактным, описанном в патенте RU 2198374, F42В 15/01, F42C 13/00, 2003 г., который по большинству совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога.
Известный взрыватель для артиллерийского боеприпаса, включает преобразователь, предохранительно-исполнительный механизм и связанный с источником электрического питания блок дистанционного управления в составе последовательных приемного устройства кода времени, дешифратора и устройства задержки, при этом выход блока дистанционного управления непосредственно соединен с преобразователем, выполненным в виде электровоспламенителя, а выход дешифратора связан с коммутатором линии питания приемного устройства кода времени, причем взрыватель дополнительно снабжен контактным датчиком, связанным с электровоспламенителем через выходной ключ устройства задержки.
Известное техническое решение характеризуется уменьшенными габаритами до приемлемых к использованию в артиллерийских снарядах малого калибра, что обеспечивает расширение области применения этих взрывателей в различных артиллерийских боеприпасах без потери эффективности основного поражающего действия.
Непосредственная связь блока дистанционного управления с преобразователем, в качестве которого установлен чувствительный электровоспламенитель,
восприимчивый к управляющему сигналу устройства задержки без усиления, гарантированно обеспечивает срабатывание взрывателя как при контактном взаимодействии, так и в заданное время на траектории полета, без применения дополнительного детонатора и мощного пьезопреобразователя.
Дополнительное введение в структуру системы управления инициирования контактного датчика и связь его с с электровоспламенителем через выходной ключ устройства задержки унифицировало действие взрывателя в обоих режимах функционирования боеприпаса: при контакте с преградой и управляемом воздушном подрыве на заданной расчетной дистанции полета, а также для самоликвидации боеприпаса.
Импульс контактного датчика при встрече с преградой на траектории полета, или при падении на землю, приоритетно поступает на выходной ключ, который непосредственно связан с электровоспламенителем, инициирующим подрыв наполнения корпуса снаряда.
Установка коммутатора, управляемого дешифратором, в цепи питания приемного устройства обеспечивает отключение питания приемника после получения им кодовых сигналов, что позволяет уменьшить энергопотребление и, следовательно, потребную мощность источника питания, то есть его габариты, высвободив объем для дополнительной массы взрывчатого вещества наполнения корпуса снаряда.
Однако, продолжением достоинств являются присущие недостатки. Так, неизбежные ошибки при расчете полетного времени боеприпаса и отличия реальной траектории полета от расчетной приводят, соответственно, к разбросу координат точек срабатывания взрывателя, следствием чего являются или преждевременный подрыв на большой высоте от поверхности, или контактный подрыв самоликвидации с пониженной эффективностью осколочного действия.
Если принять во внимание только одну компоненту ошибки - разброс начальных скоростей 30 мм гранат при стрельбе из автоматического гранатомета, то при заданном времени срабатывания 15,5 с и номинальной скорости полета гранаты она подорвется на высоте около 2,5 м.
При скорости, меньшей на 5 м/с, и таком же заданном времени срабатывания дистанционный подрыв вообще не произойдет, поскольку граната упадет на землю при времени полета примерно 15,2 с, а при скорости, большей на 5 м/с, подрыв в заданное время 15,5 с произойдет на высоте около 25 м, практически безопасной для противника.
Кроме того, существенным недостатком дистанционного подрыва боеприпасов по известному аналогу является необходимость дополнительного оснащения оружия сложной системой ввода данных в момент выстрела.
Задачей, на решение которой направлено настоящая полезная модель, является усовершенствование известного универсального взрывателя для артиллерийских боеприпасов, предназначенных для стрельбы из штатного оружия, при автономном осуществлении воздушного подрыва, независимо от
скорости и дальности полета снаряда, то есть расчетного времени, задаваемого наземной системой ввода данных, а при фактическом достижении заданного расстояния от поверхности земли.
Требуемый технический результат достигается тем, что известный неконтактный головной взрыватель для воздушного подрыва боеприпасов, содержащий детонатор, предохранительно-исполнительный механизм и связанный с источником питания электронный блок в составе тактового генератора и последовательно соединенных приемника, устройства задержки, выходного ключа и электровоспламенителя, причем к выходному ключу автономно подсоединен контактный датчик, по предложению авторов, дополнительно включен излучатель зондирующих импульсов, связанный с тактовым генератором и схемой совпадения, которая размещена между приемником отраженных сигналов и устройством задержки, управляемым тактовым генератором.
Отличительные признаки обеспечили предконтактный подрыв боеприпаса при автономном опосредованном контроле приближения к поверхности падения, независимо от скорости и времени полета, то есть подрыв артиллерийского снаряда происходит не в заданное извне время после выстрела, а на установленной высоте от преграды.
Введение в структуру неконтактного взрывателя указанных дополнительных узлов и блоков, а также связи между ними служат тому, что взрыватель излучает зондирующие импульсы в направлении полета. При обнаружении приемником рассеянного подстилающей поверхностью отраженного излучения автоматически происходит инициирование взрывателя и подрыв боеприпаса.
Воздушный подрыв боеприпаса на оптимальной высоте от поверхности земли заметно увеличивает приведенную площадь осколочного поражения, обеспечивая более эффективное использование секторов разлета осколков.
Следовательно, каждый существенный признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, не присущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в полезной модели техническая задача решается не суммой эффектов, а новым эффектом суммы существенных признаков.
Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого полезная модель явным образом не следует для специалиста по боеприпасам, показал, что она не известна, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления предложенных неконтактных головных взрывателей, можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором схематично изображены:
на фиг.1 - общий вид взрывателя;
на фиг.2 - блок дистанционного управления.
В корпусе 1 головного взрывателя (фиг.1) смонтированы электронный
блок 2 дистанционного управления, связанный с источником 3 питания, штатный предохранительно-исполнительный механизм 4 и лучевой детонатор 5, размещаемый внутри взрывчатого наполнения боеприпаса при сборке свинчиванием.
Электронный блок 2 (фиг.2) содержит приемник 6 и последовательно соединенные устройство 7 временной задержки, выходной ключ 8 и электровоспламенитель 9. Между приемником 6 и устройством 7 задержки подключена схема 10 совпадения, связанная с тактовым генератором 11, управляющим излучателем 12 зондирующих импульсов и устройством 7 задержки.
К выходному ключу 8 автономно подсоединен контактный датчик 13.
На головном торце корпуса 1 взрывателя (фиг.1) выполнены оптические окна 14 и 15, соосно которым расположены излучатель 12 зондирующих импульсов и приемник 6 соответственно.
Функционирует взрыватель следующим образом. После выстрела артиллерийского снаряда, гранаты, мины и т.п. энергосодержащий источник 3 питания инициируется и выходит на рабочий режим, в результате чего начинает действовать электронный блок 3.
При этом тактовый генератор 11 вырабатывает электрические импульсы, которые поступают на излучатель 12, схему 10 совпадения и устройство 7 временной задержки. Излучателем 12 управляющие импульсы генератора 11 преобразуются в оптические зондирующие импульсы, направляемые через оптическое окно 14 вперед вдоль траектории полета боеприпаса.
На нисходящем участке траектории полета боеприпаса зондирующее излучение попадает на подстилающую поверхность, которая рассеивает его во всех направлениях, в том числе часть излучения попадает через оптическое окно 15 взрывателя в приемник 6.
При достижении установленного уровня принятые отраженные сигналы поступают на схему 10 совпадения, где происходит сопоставление с импульсами тактового генератора 11, что исключает прохождение на выход схемы 10 совпадения случайных помеховых сигналов, которые могли бы вызвать несанкционированные траекторные срабатывания взрывателя.
Сигналы со схемы 10 совпадения поступают на блок 7 задержки, который после не менее двух следующих подряд, без пропуска, сигналов со схемы 10 совпадения выдает импульс на выходной ключ 8. Этим обеспечивается исключение несанкционированного срабатывания взрывателя от малоразмерных предметов на местности. Конкретное количество импульсов, на которое задерживается схемой 10 выдача сигнала на выходной ключ 8, а также частота их следования, задаются при изготовлении неконтактного головного взрывателя в зависимости от типа боеприпаса, где он устанавливается, и скорости его полета.
Выходной ключ 8 открывается поступившим на него импульсом от схемы 7 задержки и пропускает ток на электровоспламенитель 9, срабатывание которого инициирует чувствительный лучевой детонатор 5 (фиг.1), подрывающий наполнение боеприпаса.
Очевидно, что описанное контролируемое срабатывание головного взрывателя и подрыв боеприпаса происходят вблизи поверхности падения, когда уровень рассеянного излучения, генерируемого излучателем 12, становится достаточным для обнаружения приемником 6. Воздушный подрыв боеприпаса на контролируемой высоте от поверхности земли существенно повышает площадь накрытия местности осколками, то есть эффективность поражающего действия боеприпаса увеличивается.
Принимая подстилающую поверхность диффузным рассеивателем, можно оценить обнаружительную способность взрывателя. В этом случае при мощности излучения Р, дальности до поверхности R, коэффициенте отражения ρ, угле подхода боеприпаса к поверхности β (от нормали) облученность Е взрывателя рассеянным излучением составит:
2
E=P×ρ×cosβ/(π×R)
Коэффициент отражения ρ для большинства типов подстилающих поверхностей составляет величину 0,2-0,4 (см., например, Л.З.Криксунов, Справочник по основам инфракрасной техники, Москва, Советское радио, 1978 г.).
-5
2
2
-6
-2
2
-2
ш
ф
Мощность излучения Р малогабаритных импульсных полупроводниковых лазеров, которые могут быть использованы для создания предконтактного взрывателя составляет единицы ватт, поэтому принимается Р=1 Вт. Тогда, согласно приведенной формуле, при подходе боеприпаса к земле под углом β=30° от нормали на расстоянии R=1 м от поверхности облученность Е фотоприемника 6 во взрывателе составит Е~(0.3-0.6)×10 Вт/см, а фототок от сигнала (при эффективной поверхности фотоприемника 0,1 см и крутизне его характеристики ~0,5 А/Вт) составит is=(0,15-0,3)×10 А. При этом среднеквадратичный уровень шума i даже при прямой солнечной засветке, создающей облученность фотоприемника 6 в его спектральной полосе составляет 10 Вт/см и, соответственно, уровень фонового фототока i=0.5×10 А:
ш
ф
-1/2
-8
i=(2×е×i×Δf)=1,3×10 А, где
-19
е=1.6×10 кулона - заряд электрона;
5
Δf~10 Гц - полоса частот фотоприемного тракта.
Отсюда видно, что даже при такой, «жесткой» оценке (заниженной мощности лазера и прямой солнечной засветке) соотношение сигнал/шум составляет 12-24, что с запасом достаточно для уверенного обнаружения рассеянного сигнала не только на расстоянии 1 м от поверхности, принятом для расчета, но и на расстоянии более 2 м.
Эта ориентировочная оценка нашла полное подтверждение при экспериментальной проверке, выполненной с помощью специально разработанного и изготовленного макета описанного приемо-передатчика. В результате было получено, что дальность срабатывания по различным типам поверхностей (трава зеленая и сухая, песок глина, пашня, асфальт, бетон и т.д.) находится в диапазоне 2,4-0,5 м., что полностью подтверждает сделанную выше оценку.
Практическая реализуемость предложенного артиллерийского боеприпаса с взрывателем комбинированного действия не вызывает сомнений, так как вся необходимая для создания последнего элементная база существует. В качестве одного из ключевых элементов - излучателя 12 может быть применен полупроводниковый импульсный лазер, электронный элемент, широко распространенный в современной технике, а в качестве приемника 6 - фотодиод, обширная номенклатура которых выпускается отечественной промышленностью. Остальные блоки взрывателя, показанные на фиг.2, могут быть построены из стандартных цифровых и аналоговых микросхем, а при серийном выпуске боеприпасов по изобретению они могут быть объединены в одну-две специализированные интегральные микросхемы.