БОЕВОЙ ЛАЗЕР
COMBAT LASER

Изобретение относится к области вооружения, а именно к средствам нападения и обороны от всех видов оружия, в том числе от атаки авиационных и ракетных средств противника. Предполагается применением одного или нескольких управляемых лучей лазера с ядерной накачкой большой мощности. Код изделия «Грозный».
Газодинамический лазер Г.Л. [1-4] - газовый лазер, в котором инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа путем адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Г.л. состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих т.н. сопловую решетку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрических разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается. Необходимая для возбуждения генерации инверсия населенностей энергетических уровней рабочего компонента смеси достигается, если: 1) скорость опустошения (релаксации) нижнего уровня лазерного перехода в процессе расширения выше скорости релаксации верх. уровня; 2) время опустошения верх. уровня больше характерного т.н. газодинамического времени (времени движения газа до резонатора). Если для определения пары энергетических уровней эти условия выполнены, то из-за сильной зависимости времен релаксации от температуры и плотности газа, начиная с некоторого момента от начала расширения, быстрое падение населенности верх. уровня сменяется медленным, тогда как населенность нижнего продолжает уменьшаться с заметной скоростью. Часть избыточной энергии верхнего уровня может быть трансформирована в резонаторе в энергию лазерного луча. Диффузор служит для торможения потока и повышения давления газа, который выбрасывается в атмосферу.
Активная среда. Указанным требованиям наиболее полно отвечают колебательные состояния молекул, обладающие большими временами жизни (по сравнению с электронными и вращательными уровнями). Процессы колебательной релаксации позволяют осуществить: полную инверсию колебательных уровней и т.н. частичную колебательно-вращательную инверсию. В соответствии с этим "рабочими" частицами Г.л. служат как многоатомные, так и двухатомные гетероядерные молекулы, имеющие, в отличие от гомоядерных молекул, разрешенные колебательно-вращательные переходы.
0
0
0
0
0
0
0
0
0
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Первым и наиб. распространенным является Г.л. на полной колебательной инверсии между уровнями 001 и 100 (или 020) молекулы CO. Соответствующие длины волн генерации λ=10,4-9,4 мкм (фиг.2). Уровень 001 соответствует асимметричным колебаниям молекулы CO, уровни 100 и 020 - колебаниям деформационного и симметрического типов. Однако в чистом CO необходимое соотношение времен релаксации этих уровней не выполнено. Это соотношение сдвигается в нужную сторону при добавлении определенного кол-ва молекул H, HO, атомов Не и др. Их столкновения с молекулами CO опустошают нижние лазерные уровни (100 и 020) значительно быстрее, чем уровень 001. Увеличение запаса колебательной энергии в охлажденном газе достигается также введением в газовую смесь в форкамере донорного газа, молекулы которого релаксируют медленно и способны быстро передавать запасенную в них энергию на уровни, соответствующие асимметричным колебаниям молекулы CO. Роль донорного газа обычно выполняют возбужденные молекулы N, колебательные уровни которых близки к уровням молекулы CO.
0
0
0
0
2
2
-1
Г.л. на продуктах сгорания является простейшим Г.л., имеющим практическое значение. В форкамере сжигается углеродсодержащее топливо в воздухе, горячие продукты сгорания пропускаются через сопловой аппарат и резонатор. В зависимости от используемого топлива и условий его сжигания давление р, температура Т и хим. состав продуктов в форкамере меняются в широких пределах (р=5-100 атм, Т=1500-3000 К). Таким способом, как правило, не удается получить высокой эффективности. Г.л. на продуктах сгорания имеет низкий кпд (≲1%). Это обусловлено тем, что только 7-10% от энергии сгорания идет на возбуждение колебательных уровней молекулы CO. Кроме того, из-за релаксации потерь энергии в потоке, невысокого отношения энергии кванта лазерного излучения к энергии кванта, необходимого для возбуждения асимметричного колебания молекулы CO (квантового кпд), и относительно небольшой эффективности резонатора не весь энергозапас может быть трансформирован в лазерное излучение. Реально в Г.л. на продуктах сгорания энергия, излучаемая на единицу массы сжигаемой смеси (уд. энергия излучения) ≲20 кДж/кг, а показатель усиления α≤0,5-1,0 М.
2
2
2
2
0
-1
Другие типы Г.л. Один из путей повышения эффективности Г.л. состоит в снижении релаксации потерь запасенной колебательной энергии. Из-за сравнительно высоких скоростей релаксации колебательных уровней молекулы СО практически вся теряемая средой энергия преобразуется в теплоту, причем это происходит в околокритической части сопла, где высоки температура и плотность газа. Отсутствие CO в этой части потока снижает до минимума потери энергии. Поэтому необходимое кол-во CO вводят в поток возбужденного донорного газа в сверхзвуковую или околозвуковую часть сопла. При этом температура вводимого CO может быть низкой (≲200-300 К). В таком варианте Г.л. (Г.л. "с подмешиванием”) появляется дополнит. возможность повышения полного числа колебательно возбужденных молекул за счет нагревания донорного газа до более высоких температур T=4000-5000 К. Уд. энергия излучения достигает 50-100 кДж/кг, показатель усиления 3-5 м, полный кпд ~2-3%.
2
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Эффективность Г.л. повышается и в том случае, когда хотя бы часть запасенной энергии удается преобразовать в лазерное излучение с большим квантовым кпд. В случае CO эта возможность связана с т.н. каскадной генерацией одновременно на двух переходах 001-100(020) и 100(020)001. Последняя имеет квантовый кпд 71,6%. Условия для возникновения двухчастотной генерации более жесткие, чем в одночастотном режиме. Они легче достигаются в Г.л. "с подмешиванием". По мере вывода каскадного излучения из резонатора внутренней энергия системы падает и условие двухчастотной генерации перестает выполняться. Оставшаяся в среде колебательная энергия (верх. переход) трансформируется в лазерное излучение следующим, расположенным ниже по потоку резонатором, настроенным на переходы 001-100(020).
2
2
2
2
1
0
1
0
0
1
Г.л. на CO работают также на др. колебательных переходах, напр. на переходах 030-100, 030-020 и 020-010 (λ=18,4, 16,7 и 16,2 мкм). В этом случае необходимы замораживание как можно большей энергии в системе уровней деформации и симметричных колебаний молекулы и охлаждение газа до температур ≲70-100 К. Наилучшие результаты получены для смесей CO с Ar и Ne и сопловых аппаратов с большими степенями расширения. В качестве рабочего компонента в Г.л. используются и др. трехатомные молекулы (NO, COS, CS).
кол
кол
кол
Действие др. типа Г.л. основано на инверсии в системе колебательно-вращательных уровней в двухатомных гетероядерных молекулах (СО, HCl и др.). Инверсия возникает между вращательными подуровнями различных возбужденных колебательных уровней. Если это возбуждение мало, то вращательные подуровни, между которыми имеется инверсия, соответствуют очень большим значениям вращат. квантового числа, а потому имеют малую населенность. Это, в свою очередь, определяет малый показатель усиления, недостаточный для возбуждения генерации. Генерация возбуждается, если т.н. колебательная температура Т (эфф. температура, с которой заселены колебательные уровни) и температура газа Т находятся в соотношении Т/Т>>1. Наиб. высокое значение Т расширяющегося газа может быть сохранено в системе слаборелаксирующих уровней, напр. в системе уровней молекулы СО (λ=5 мкм). Необходимое охлаждение газа достигается в сопловых аппаратах с высокой степенью расширения.
Известна система залпового огня по пат. РФ №2277687, МКТУ F43F 3/04, опубл. 10.06.2006 г., которая содержит колесное шасси с боевой рубкой, пакет трубчатых направляющих с винтовыми пазами и приводы горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих. На пакете трубчатых направляющих дополнительно размещена гироскопическая система измерения углов наведения пакета трубчатых направляющих, а в боевой рубке размещены пульт установки углов наведения пакета трубчатых направляющих и устройство сравнения, причем выходы гироскопической системы измерения и пульта установки углов наведения электрически связаны со входом устройства сравнения. Выход устройства сравнения электрически связан с приводами горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих, а удаление продольной оси каждой трубчатой направляющей от осей горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих не превышает величины, определяемой заданным математическим выражением.
Недостаток - ручная перезарядка комплекса после каждого залпа.
Известен сочлененный самоходный зенитный ракетный комплекс по патенту на изобретение №2273815 от 01.11.2004 г. Это изобретение относится к области вооружения, в частности к зенитному ракетному комплексу, который выполнен в виде базовой машины, содержащей две крайние и одну центральную подвешенную между ними секцию посредством автоматического устройства, с возможностью расцепления крайних секций от центральной. Центральная секция снабжена радиолокационной станцией подсвета целей и наведения ракет. На крайние секции установлены пускозаряжающие установки с дублирующими пультами управления и системой запуска зенитных управляемых ракет. Реализация комплекса позволяет повысить его маневренность и сократить длину колонны в ходе марша. Однако способ стрельбы из данного комплекса имеет ряд недостатков:
- невозможность осуществлять стрельбу реактивными снарядами залпом, очередями и вообще снарядами типа «Смерч», «Ураган», «Град» и др. подобного класса;
- невозможность транспортировать, заряжать такими реактивными снарядами пусковые установки;
- значительное снижение скорости перемещения на марше при достижении боевой позиции, так как он находится на гусеничном ходу;
- невозможность подвоза боевых снарядов после выпуска их первым залпом по противнику.
Однако у противопоставленного комплекса имеются и некоторые общие признаки стрельбы с заявляемым способом стрельбы из предлагаемого комплекса - это возможность заряжания пусковой установки боевыми снарядами на боевой позиции и возможность транспортирования этих боевых снарядов на марше до боевой позиции.
Целью этого изобретения является повышение боевой эффективности стрельбы реактивными снарядами типа «Смерч» залпом, очередями и одиночными выстрелами за счет обеспечения быстрой зарядки боевой машины с пусковой установкой комплектом реактивных снарядов с помощью транспортно-заряжающей машины комплекса, находящейся непосредственно и постоянно вместе с боевой машиной, на которой размещена пусковая установка.
Известен боевой комплекс залпового огня по патенту РФ №2400692, МПК F41F 3/04, опубл. 27.10.2010 г., прототип. Боевой комплекс залпового огня реактивными снарядами содержит боевую машину с пусковой установкой в верхней части и одну транспортно-заряжающую машину на многоколесном шасси.
Боевой комплекс имеет множество недостатков:
Низкая живучесть этого боевого комплекса. Он не имеет собственной брони, пушечного и стрелкового вооружения для ведения ближнего боя после выполнения стрельб реактивными снарядами. Боеготовность и огневая мощь комплекса очень низкая, его перезарядка осуществляется долго и в неудобном взаимном расположении машин комплекса.
Известен лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994. Далее приведено краткое описание и анализ его недостатков.
Этот газовый лазер с ядерной накачкой, полость цилиндрической трубки которого заполнена смесью НЕ+Хе (в отношении 200:1) с начальной плотностью
1
2
2
1
3
3
3
о
н
о
3
3
-3
3
235
22
3
235
3
13
2
235
ρ=0,9256·10г/см. Внешний радиус урансодержащего слоя - 2 r=1 см, его толщина δ=0,518·10 см. Материал слоя - двуокись урана, характеризующаяся плотностью ρ=10,96 г/см и концентрацией ядер урана U N=2,47·10 яд./см. Внешний радиус цилиндрической трубки - 3 r=1,1 см, ее толщина Δr=0,1 см; трубка сплошная. Материал трубки - сплав: цирконий с добавкой урана U, его плотность ρ=6,44 г/см. Начальная температура всей системы Т=303 К. Выполнены термогазодинамические расчеты на ЭВМ при нарастании потока тепловых нейтронов накачки по закону  с заданным периодом τ=1,5 с. ϕ полагалась равной 10 н/см с. В расчетах варьировалась концентрация U в материале стенки трубки. Кривая 5 на фиг.2 изображает зависимость координаты границы активной области генерации от концентрации ядер урана-235 в стенке трубки. Таким образом, прямые расчеты подтверждают, что приведенные выше формулы определяют оптимальное значение концентрации ядер урана в трубке лазерной кюветы, которое необходимо обеспечить для эффективной компенсации влияния неоднородностей температуры и плотности, возникающих в рабочем газе.
235
14
2
m
Эффективность действия такого лазера с оптимальной концентрацией ядер U в трубке проверена в расчетах термогазодинамических и оптических характеристик при работе его в режиме накачки потоком тепловых нейтронов, имеющем временную зависимость, близкую по форме к прямоугольной, с длительностью τ=1 с. Величина ϕ=0,683·10 н/см·с есть максимальное значение потока тепловых нейтронов. На основе полученных пространственно-временных распределений температуры и плотности газовой смеси с использованием временной зависимости импульса накачки тепловых нейтронов и известных соотношений, описывающих связь между плотностью газа и его показателем преломления, распределением показателя преломления и расходимостью оптического излучения и т.п., рассчитано изменение во времени относительной средней интенсивности лазерного излучения.
Оптимальная концентрация ядер урана 235 в трубке кюветы лазера определяется геометрическими размерами и теплофизическими параметрами самой трубки, урансодержащего слоя и рабочей газовой среды. При изменении концентрации ядер урана 235 в материале трубки от нуля до оптимальной величины выходная энергия излучения лазера монотонно растет до максимально возможного значения. При дальнейшем увеличении концентрации выходная энергия излучения остается неизменной.
Таким образом, внедрение ядер урана 235 с оптимальной концентрацией N в стенку трубки лазера с ядерной накачкой, позволяет существенно в 15-30 раз (при длительности накачки τ≈1 с) увеличить энергию выходного излучения лазера по сравнению с прототипом. Кроме того, такое устройство полностью исключает возможность отказа нагрева стенки трубки и обеспечивает синхронность слежения разогрева трубки за разогревом рабочей газовой среды.
Таким образом, известный газовый лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г. также обладает недостатками, основные из которых низкий КПД и мощность лазерного излучения, что недопустимо для боевого лазера, так как это не только уменьшит поражающие свойства лазера, но и приведет к огромному расходу газа.
За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения) GPS. Это, действительно, очень перспективный рынок. Объем мирового рынка услуг глобального позиционирования в 2003 г. составил $500 млн, а по прогнозу Ovum в 2005 г. его объем составит $9.75 млрд (при 376 млн абонентов). Некоторым основам функционирования систем глобального позиционирования и их применению в мире и посвящена данная статья. Первые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) разрабатывались исключительно для военных целей. Глобальная навигационная система GPS предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Инициатором создания GPS-системы стало Министерство Обороны США. Ее разработка началась в 1973 г., когда Министерство Обороны США перестала устраивать радионавигационная система, состоящая из наземных навигационных систем Loran-C и Omega, и спутниковой системы Transit. Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System - навигационная система определения времени и дальности). Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей. Первая штатная орбитальная группировка системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г. На орбиту были выведены 24 навигационных спутника Block II. Окончательно GPS-система была введена в эксплуатацию в 1995 г. В настоящее время она эксплуатируется и обслуживается Министерством Обороны США. В состав GPS-системы входят 3 основных сегмента: космический, наземный и пользовательский. Космический сегмент состоит из 28 автономных спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы системы достаточно 24 спутников). Каждый спутник излучает на 2 частотах специальный навигационный сигнал, в котором зашифровано 2 вида кода. Один из них доступен лишь немногим пользователям, среди которых, конечно же, военные и федеральные службы США. Кроме этих 2 сигналов спутник излучает и третий, информирующий пользователя о дополнительных параметрах (состоянии спутника, его работоспособности и др.). Параметры орбит спутников периодически контролируются сетью наземных станций слежения (всего 5 станций, находящихся в тропических широтах), с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки): вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется собственное время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры и др. При этом для обнаружения отказов оборудования спутников с помощью наземных станций обычно требуется несколько часов. Третий сегмент GPS-системы - это GPS-приемники, выпускаемые и как самостоятельные приборы (носимые или стационарные), и как платы для подключения к ПК, бортовым компьютерам и другим аппаратам. Основные возможности GPS-системы (при наличии приемника GPS-сигнала):
- определение местонахождения мобильного абонента;
- определение наиболее короткого и удобного пути до пункта назначения;
- определение обратного маршрута;
- определение скорости движения (максимальной, минимальной, средней);
- определение времени в пути (прошедшего и сколько потребуется еще) и др.
Основные характеристики GPS-системы приведены в таблице 1.
Количество спутников в орбитальной группировке
28
Число орбитальных плоскостей
63
Число спутников в каждой плоскости
48
Высота орбиты (км)
20350
Наклонение орбиты (градус)
55
Период обращения спутников (ч)
12
Масса спутника (кг)
1055
Мощность солнечных батарей спутника (Вт)
450
Срок эксплуатации (лет)
7,5
Поляризация
правосторонняя
Погрешность определения
100 (С/А-код); 16 (Р-код);
Погрешность определения
10 (С/А-код); 0,1 (Р-код)
Погрешность определения времени (нс)
340 (С/А-код); 90 (Р-код)
Надежность навигационных определений (%)
95
Основы функционирования GPS-системы
Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала от спутника к приемнику по временной задержке. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света. Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны 2 частот - (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц). Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулированный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code). PRN-код бывает 2 типов. Первый - С/А-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому и называется "грубым" кодом. С/А-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Другой код - Р (precision code - точный код) - обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном, Р-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии). Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Этот код доступен в принципе и гражданским лицам. Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже. В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом. В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией Р-кода (в военное время система шифровки может меняться).
Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию. Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т.к. скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом «альманахе» содержатся обновляемые каждые 1…5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников). В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные находятся в принятом с GPS-спутника «альманахе»). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется «трилатерацией».
Если известно расстояние до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.
[1]
[2]
Глобальная Навигациóнная Спýтниковая Систéма (ГЛОНÁСС) - советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы».
Российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара на основании указа Президента РФ предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.
Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом Постановлением Правительства РФ в июле 2009 г. был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы».
Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.
Задачи создания изобретения - улучшение живучести комплекса, его боеготовности, огневой мощи, автономности в управлении и ускорение перезаправки горючим.
Решение указанных задач достигнуто в боевом лазере, содержащем источник энергии и по меньшей мере один резонатор, тем, что согласно изобретению источник энергии выполнен в виде энергетической установки на базе газотурбинного двигателя с входным устройством, компрессором, камерой сгорания, турбиной и основным валом, а также свободной турбиной, вал которой соединен с генератором, выхлопное устройство, которое содержит неподвижную часть и цилиндрическое выхлопное устройство, выполненное с возможностью поворота на ней, на цилиндрическом шарнире установлен, по меньшей мере, один резонатор с возможностью поворота в вертикальной плоскости. Каждый резонатор выполнен из трех частей: первой, второй и средней, причем средняя часть выполнена в виде двух обтекаемых профилей. Боевой лазер может содержать аккумулятор, соединенный силовыми кабелями с электрогенератором и бортовой компьютер, приемник системы ГЛОНАСС и приемно-передающее устройство, соединенные между собой электрическими связями. На внутренней поверхности цилиндрического выхлопного устройства может быть нанесен слой урана 235, а в ее стену внедрены частицы урана 235. Боевой лазер может содержать ядерный реактор. Ядерный реактор может быть установлен в неподвижном выхлопном устройстве. Внутри цилиндрического выхлопного устройства может быть установлен теплообменник, который трубопроводами рециркуляции теплоносителя соединен с ядерным реактором. Боевой лазер может быть оборудован гусеничной ходовой частью. Боевой лазер может быть оборудован по меньшей мере одной единицей дистанционно-управляемого стрелкового оружия с системой дистанционного управления.
Сущность изобретения поясняется на фиг.1…11, где:
- на фиг.1 приведен чертеж боевого лазера,
- на фиг.2 приведен вид А,
- на фиг.3 приведен вид Б,
- на фиг.4 приведен вид В,
- на фиг.5 приведен вид Г,
- на фиг.6 приведено цилиндрическое выхлопное устройство с регенеративным охлаждением,
- на фиг.7 приведен боевой лазер с ядерным реактором,
- на фиг.8 приведен боевой лазер с ядерным реактором и теплоообменником,
- на фиг.9 приведен чертеж боевого лазера на гусеничной ходовой части,
- на фиг.10 приведен боевой лазер с диффузором и системой впрыска углекислого газа,
- на фиг.11 приведен боевой лазер с единицей дистанционно-управляемого стрелкового оружия.
Боевой лазер (фиг.1…11) содержит как источник энергии энергоустановку на базе газотурбинного двигателя ГТД 1, установленный на опорах 2 и 3 и, по меньшей мере, один резонатор 4, установленный на энергоустановке на базе ГТД 1.
Энергоустановка на базе ГТД 1 (фиг.1) содержит воздухозаборник 5, компрессор 6 с ротором 7, камеру сгорания 8, турбину 9 с ротором 10, свободную турбину 11 с ротором 12, основной вал 13 и вал 14 свободной турбины 11. К валу 14 подстыкован электрогенератор 15, а основной вал 13 соединяет роторы 6 и 12 и на нем установлен датчик частоты вращения 16. Основной вал 13 установлен на опорах 17, а вал 14 - на опорах 18 и 19. К основному валу 13 через трансмиссию 20 подсоединен стартер 21. Топливная система содержит топливопровод низкого давления 22, насос 23 с приводом 24, топливопровод высокого давления 25, коллектор 26 и форсунки 27.
Кроме того, энергоустановка на базе ГТД 1 содержит выхлопное устройство 28, имеющее неподвижную цилиндрическую часть 29, на которой установлено выхлопное устройство 30 с возможностью поворота при помощи привода 31, вала 32 и редуктора 33. С выхлопным устройством 30 соединен датчик угла поворота 34.
Каждый резонатор 4 содержит корпус 35, например, цилиндрической формы, выполненный из трех соосно установленных частей первой 36 и второй 37 и средней 38. В первой части 36 корпуса 35 установлено зеркало 39 и цилиндрический шарнир 40. С резонатором 4 соединен привод 41 для его поворота в вертикальной плоскости вокруг цилиндрического шарнира 40, с которым связан датчик угла поворота 42. Во второй части 37 корпуса 23 установлены диафрагма 43 и объектив 44.
Вторая часть 37 корпуса 35 установлена в вертикальной сквозной щели 45, выполненной в цилиндрическом выхлопном устройстве 30, при этом вертикальная сквозная щель 45 может быть закрыта щитком 46, связанным со второй частью 27 корпуса 35 резонатора 4.
Боевой лазер (фиг.1) содержит аккумулятор 47, силовой кабель 48, соединяющий аккумулятор 47 с коммутатором 49, к которому присоединены также силовыми кабелями 48 все потребители электроэнергии, в частности приводы 24, 31 и стартер 21.
На боевом лазере установлен бортовой компьютер 50, к которому электрическими связями 51 присоединены приемник системы ГЛОНАСС 52 с антенной 53 и приемно-передающее устройство 54 с антенной 55. Связь приемника системы ГЛОНАСС 52 со спутниками 56 осуществляется при помощи антенны 53 по радиоканалу 57.
Средняя часть 38 резонатора 4 выполнена в виде двух параллельно установленных обтекаемых профилей 58 (фиг.2…5), которые могут иметь полость 59 для их охлаждения. Для этого корпус 35 резонатора 1 выполняют из двух стенок: внутренней 60 и внешней 61 с зазором 62 между ними. На корпусе 35 установлены входной и выходной коллекторы: 63 и 64 соответственно. К входному коллектору 63 присоединен трубопровод 65 с клапаном 66. На внутренней стенке 60 нанесено покрытие урана 235 - 67 и в нее внедрены частицы урана 235 - 68. Аналогично на внутренней поверхности цилиндрического выхлопного устройства 30 нанесен слой урана 235 - 67, а в само выхлопное устройство внедрены частицы урана 235 - 68.
Для работы при очень высоких температурах цилиндрическое выхлопное устройство 30 может быть выполнено с регенеративным охлаждением (фиг.6) и содержать внутреннюю стенку 69, наружную стенку 70 и зазор между ними 71. Охлаждение может быть выполнено воздухом, или водой, или горючим.
Возможен вариант исполнения боевого лазера с ядерным реактором 72, установленным внутри выхлопного устройства и возможно частично внутри выхлопного устройства 30 (фиг.7). Это не только увеличит энергию лазерных лучей за счет использования тепловой энергии ядерного реактора 66, но и повысит его КПД за счет радиоактивной накачки продуктов сгорания и, самое главное, во много раз увеличит время непрерывной работы боевого лазера за счет снижения расхода горючего для ГТД (примерно в 10…20 раз) и сжигания его при низкой (минимально возможной температуре.
Возможен вариант исполнения конструкции боевого лазера (фиг.8) когда применен теплообменник 73, имеющий трубопроводы рециркуляции 74 и 75, в одном из которых установлен насос 76 с приводом 77. Трубопроводы рециркуляции теплоносителя 74 и 75 соединены с ядерным реактором 72, установленным вне ГТД 1. Теплообменник 73 установлен в цилиндрическом выхлопном устройстве 30 и предназначен для дополнительного нагрева продуктов сгорания, проходящих через резонатор (резонаторы) 4 боевого лазера.
Возможны различные варианты исполнения конструкции боевого лазера: стационарный, мобильный на многоколесном шасси без двигателя (прицеп), мобильный на многоколесном шасси с ДВС или дизельным двигателем и на гусеничной ходовой части. Далее подробно описан только последний вариант (фиг.9). В этом варианте боевой лазер имеет гусеничную ходовую часть 78, двигательный отсек 79, левый тяговый электродвигатель 80, правый тяговый электродвигатель 81, соединенные силовыми кабелями 48 с коммутатором 49.
Боевой лазер содержит топливный отсек 82, содержащий, в свою очередь, емкость горючего 83, заправочную горловину 84, расходомер 85 и кран 86. Кроме того, боевой лазер содержит боевой отсек 87, имеющий бронированный корпус 88, перегородку 89, которая разделяет боевой отсек 87 на переднюю полость 90 и заднюю полость 91. Боевой отсек 87 имеет входную шахту 92. Для продувки полости 99 выполнен трубопровод отбора воздуха 93 и отверстия 94 в бронированном корпусе 94.
Боевой лазер (фиг.10) может содержать установленный на кронштейнах 95 диффузор 96, а также систему впрыска углекислого газа, содержащую баллон 97, трубопровод 98, клапан 99, форсунки 100.
Над боевым лазером может (фиг.10) быть установлена на опоре 101 по меньшей мере одна единица дистанционно-управляемого стрелкового оружия 102, например пулемет, с системой дистанционного управления 103. Дистанционно-управляемое стрелковое оружие 103 предназначено для обороны боевого лазера на марше и при израсходовании горючего и невозможности вести оборону при помощи лазерных лучей.
Боевое применение боевого лазера
При запуске боевого лазера сначала запускают энергетическую установку на базе газотурбинного двигателя 1, потом ядерный реактор 72 при его наличии. Для запуска ГТД 1 с коммутатора 49 по силовым кабелям 48 подают электрическую энергию в стартер 21, который раскручивает основной вал 13, который приводит в действие компрессор 6. Компрессор 6 подает воздух в камеру сгорания 8. Одновременно насос 23 по топливопроводу высокого давления 25 подает горючее в форсунки 27, где оно воспламеняется при помощи электрозапальника (электрозапальник на фиг.1-10 не показан). Продукты сгорания срабатывая на турбинах 9 и 11 увеличивают скорость вращения основного вала 13, что позволяет отключить стартер 21.
Горючее в камере сгорания 8 при включенном ядерном реакторе 72 сгорает при относительно низкой температуре до 500°С. Дальнейший подогрев продуктов сгорания до 1500°С осуществляется ядерным реактором 72 с использованием теплообменника 73 и циркуляции теплоносителя. Кроме значительного нагрева продукты сгорания подвергаются радиоактивному облучению, это способствует повышению мощности боевого лазера.
Управление движением боевого лазера выполняет бортовой компьютер 50 при помощи электрических тяговых двигателей 80 и 81.
Управление боевым лазером как перемещением, так и стрельбой, выполняется, используя данные о собственных координатах, полученные через приемник системы Глонасс 44 или по радиоканалу приемно-передающим устройством с командного пункта (на фиг.1-10 командный пункт не показан). Возможно ручное управление с пультов, находящихся в двигательном отсеке 79 (этот вариант на фиг.1-10 также не показан).
Выключение боевого лазера осуществляется в обратном порядке.
Данное техническое решение отвечает критерию «новизна». Для определения соответствия предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен анализ признаков выявленных аналогов. Учитывая, что предлагаемое техническое решение обладает новой совокупностью признаков, которые для специалиста явным образом не следуют из существующего уровня техники, оно соответствует критерию «изобретательский уровень». Предлагаемый способ повышения боевой эффективности мобильного лазерного комплекса позволяет обеспечить:
- автономную топопривязку и навигацию, что позволяет вести стрельбу с неподготовленной в топогеодезическом отношении огневой позиции, наведение лучей лазера;
- одновременную стрельбу несколькими лучами мощного лазера;
- заправку горючим;
- максимальную скорость движения комплекса по дорогам с твердым покрытием порядка 100 км/ч;
- проходимость по снегу, болоту и пескам пустыни;
- запас хода по топливу - 2000 км;
- количество лучей лазера - 1…40 шт.;
- полное время перезаправки - до 5 мин;
- время непрерывной обороны
без применения ядерного реактора до 2 ч,
с применением ядерного реактора до 40 ч.
По прибытии на боевую позицию боевой лазер сразу вступает в бой. При израсходовании боевым лазером всего собственного запаса горючего в него перекачивают горючее из заправщика горючего (заправщик горючего на фиг.1-10 не показан). После отхода заправщика горючего на безопасное расстояние боевой лазер производит необходимую стрельбу лазером по атакуемой сверху цели, самолетам всех типов, летящим на высоте от 50 м до 30000 м. После заправки боевого лазера заправщик горючего направляют за очередной порцией горючего и так до окончания боевых действий. Боевые действия боевой лазер ведет либо без участия человека в связи с вредным действием звукового потока работающей энергетической установки на безе ГТД 1 и ядерного реактора 52 на экипаж, или используя защитные средства.
Применение изобретения позволит:
Значительно повысить точность стрельбы,
Повысить дальность стрельбы лучами лазера до 30 км,
Повысить огневую мощь установки в 20…30 раз.
Обеспечить надежную и полную автоматизацию процесса перезаправки боевой машины горючим.
Улучшить неуязвимость боевого комплекса.
Предлагаемый способ повышенной боевой эффективности стрельбы боевым комплексом одновременно несколькими лучами лазера (от 1 до 40 лазерных лучей мощностью от 1 МВт до 10 МВт каждый) позволяет длительное время держать оборону участка радиусом около 30000 м и поражать:
- самолеты всех типов: бомбардировщики, истребители, штурмовики, разведчики и транспортные самолеты,
- ракеты противника любого класса в радиусе прямой видимости.
Основной отличительной способностью предложенного боевого комплекса является наличие не одного, а нескольких резонаторов, использование ГТД в качестве источника энергии позволяет вести непрерывный бой несколько часов без дозаправки, а с применением дозаправки время возможного ведения боя соизмеримо с ресурсом энергетической установки на базе газотурбинного двигателя и составляет 10000 - 20000 ч. Отличие способа ведения боя заключается в том что при ведении оборонительного боя может быть задействован один или несколько лучей лазера. Естественно, если применяется только один луч лазера, его мощность возрастает. Также бой может вестись с применением ядерного реактора, это не только повысит мощность лазерных лучей, но и на порядок увеличит время активного использования лазера. Дозаправка мобильного боевого лазера делает время ее работы практически безграничным. Сверхмощная броневая защита и дистанционно-управляемое стрелковое вооружение элементов боевого лазера делает его практически неуязвимым для всех видов стрелкового оружия, атак самолетов, десанта и артиллерийского и минометного обстрела.
Боевой лазер обычно работает без экипажа с использованием систем ГЛОНАСС и радиоуправления. Экипаж может использоваться для перемещения боевого лазера и его обороны от десанта противника. В случае использования ядерного реактора 72 (естественно только при неработающем ядерном реакторе 72) допустимо только кратковременное пребывание около энергетической установки на базе ГТД 1 обслуживающего персонала в специальных защитных скафандрах. Боевые лазеры имеют экипаж по 2 или 3 человека для управления движением, подстыковки и отстыковки шлангов и самообороны. Но в случае гибели всего экипажа боевой лазер способен автономно вести бой с использованием лазерного и дистанционно-управляемого стрелкового оружия и перемещаться с применением радиоуправления, принимая максимально возможные меры для спасения материальной части и после смены экипажа для дальнейшего выполнения поставленных задач.
Имея такой патент на изобретение, предприятиям России, изготавливающим такие комплексы, кроме обеспечения обороноспособности страны, будет значительно легче продавать их за рубеж, одновременно можно повысить цену реализации единицы продукции в 5…10 раз, при более низкой себестоимости, так как включение подобного устройства и способа в техническую и рекламную документацию сразу даст отражение в ней повышенной боевой эффективности стрельбы этими продаваемыми комплексами и их абсолютную неуязвимость. При этом можно быстро и легко наладить серийное производство этого нового вида оружия, учитывая передовые позиции СССР в танкостроении и огромное количество танков, произведенных в СССР и РФ. При этом доходы нашего государства от экспорта оружия возрастут в десятки и сотни раз.
Для обеспечения работоспособности мобильного боевого лазера необходимо выполнение следующих условий.
1. Жидкостный ракетный двигатель - ЖРД должен быть специально спроектирован, а не использован применяющийся в космонавтике двигатель. Однако при этом принципиальная схема двигателя и его конструкция не будут отличаться от известных. Основные отличия - относительно большие габариты для обеспечения размещения внутри цилиндрической части ядерного реактора. Малогабаритный ядерный реактор, серийно изготавливаемый в Японии, имеет габариты 1,8 м × 6 м - http:/www.xbt.com - (Приложение 1). Имеются сведения о размещении более 40 лет назад на космических объектах в СССР ядерного реактора внутри камер сгорания ЖРД - http:/www.atomie-energi.ru (Приложение 2). С учетом этих данных предполагаемые размеры цилиндрической части камеры сгорания должны быть: диаметр 2 м и длина 6 м.
2. Режим работы ЖРД должен отличаться от режима работы космических ЖРД. Основные отличия в работе:
2
2
- очень малое давление в камере сгорания от 2 до 50 кгс/см для обеспечения прочности стенок камеры сгорания при ее больших габаритах (в камерах сгорания современных ЖРД давление в камере сгорания достигает 150…250 кгс/см),
- соотношение компонентов топлива с большим содержанием окислителя, обеспечивающее температуру продуктов сгорания менее 500°С и отсутствие отложения копоти на внутренних стенках камеры сгорания. Это также сохранит частицы урана 235, внедренные в стенку камеры сгорания. Кроме того, для внутренних стенок камер сгорания в настоящее время применяют медные сплавы, которые не подвергаются оплавлению при температурах газового потока до 3000…4000°С. Это достигнуто применением высокоэффективного конвективного охлаждения стенок камер сгорания одним из компонентов топлива.
Эти мероприятия не целесообразны для ЖРД, предназначенных для ракет-носителей, так как уменьшают их силу тяги, снижают удельную тягу и многократно увеличивают вес. Для наземных установок это не принципиально, а большая реактивная тяга даже мешает работе мобильного боевого лазера. Аналогичный прием (увеличение габаритов и уменьшение давления в камере сгорания) может быть применен для орбитальных средств, при этом предполагается сборка ЖРД больших габаритов в космосе из узлов и деталей относительно небольших габаритов.
С другой стороны, для такого двигателя (больших габаритов) могут использоваться нелегированные, дешевые стали и упростится конструкция турбонасосного агрегата - ТНА и облегчится охлаждение стенок камеры сгорания.
Источники информации
1. Конюхов В.К., Прохоров А.М. Второе начало термодинамики и квантовые генераторы с тепловым возбуждением, "УФН", 1976, т.119, с.541.
2. Лосев С.А., Газодинамические лазеры, М., 1977; Андерсон Д., Газодинамические лазеры: введение, пер. с англ., М., 1979.
3. Бирюков А.С., Щеглов В.А., Газовые лазеры на каскадных переходах линейных трехатомных молекул, "Квантовая электроника", 1981, т.8, с.2371.
4. Карлов Н.В., Лекции по квантовой электронике, М., 1983. А.С.Бирюков.