РАЗРЯДНЫЙ ИСТОЧНИК ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ИНФРАКРАСНЫМ ГОЛОВКАМ САМОНАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ

Полезная модель относится к источникам некогерентного оптического излучения, в частности к конструкции источника инфракрасного (ИК) излучения, предназначенного для использования в качестве излучающего элемента в составе размещенного на борту летательного аппарата (ЛА) устройства оптоэлектронного противодействия (ОЭП) для защиты от поражающего воздействия атакующей ЛА управляемой ракеты (УР) с ИК головкой самонаведения (ГСН).
В качестве излучающего элемента такого источника ИК излучения
в настоящее время используется, как правило, газоразрядная лампа (ГРЛ), которая представляет собой, по существу, устройство преобразования электрической энергии в оптическое излучение при прохождении электрического тока через газы или пары (т.н. плазмообразующую среду), импульсно-периодическая структура которого обеспечивается модуляцией разрядного тока. Известно, что при разработке любого оптического излучателя, характеристики входящего в его состав излучающего элемента определяются назначением и особенностями функционирования этого излучателя, которые, в свою очередь, определяются особенностями функционирования объекта воздействия. Именно поэтому одной из основных характеристик ГРЛ, входящей в состав разрядного источника ИК излучения устройства ОЭП ИК ГСН УР, является пиковая сила излучения в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН (3,5-5,0 мкм), величина которого должна превосходить величину собственного теплового излучения защищаемого ЛА (не менее чем в 10 раз) при заданной величине глубины модуляции генерируемого ГРЛ ИК излучения [1]. Выполнение указанного требования обеспечивается, во-первых, путем выбора оптимального состава плазмообразующей среды ГРЛ, в которой осуществляется электрический разряд, и, во-вторых, использованием ограничивающей разряд оболочки из прозрачного в данной области оптического спектра материала. Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН УР обеспечивает электрический разряд в плазмообразующей среде в виде комбинации паров цезия и инертного газа - ксенона [2], а ограничивающая разряд оболочка ГРЛ (т.н. разрядная оболочка) может быть выполнена исключительно из лейкосапфира, поскольку указанный материал обладает прозрачностью в указанном спектральном диапазоне и устойчив к воздействию паров цезия [3]. Интенсивность генерируемого ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия ИК излучения является функцией температуры плазмы, в которой осуществляется электрический разряд, причем увеличение средней температуры плазмы в 2,0-2,5 раза приводит к увеличению интенсивности излучения в 30-40 раз [4], т.е. наиболее приемлемым средством увеличения пиковой силы излучения ГРЛ в ИК диапазоне является повышение ее электрической мощности. Однако, температура ограничивающей разряд оболочки ГРЛ при этом достигает величины порядка 1200° и, следовательно, генерируемое ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия ИК излучение неминуемо содержит модулированную и немодулированную составляющие, причем источником модулированной составляющей ИК излучения является разряд в плазмообразующей среде, а источником немодулированной составляющей ИК излучения в первую очередь является разрядная оболочка ГРЛ. Очевидно, что чем выше величина немодулированной составляющей генерируемого ГРЛ ИК излучения при фиксированной величине модулированной составляющей, тем меньше глубина модуляции, что совершенно недопустимо с учетом аппаратурного назначения ГРЛ. Таким образом, эксплуатация ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия в составе устройства ОЭП ИК ГСН УР возможна только при условии обеспечения принудительного охлаждения разрядной оболочки ГРЛ. Известно, что лейкосапфир имеет высокий коэффициент теплового расширения и крайне восприимчив к термоударам, а, следовательно, принудительное охлаждение атмосферным воздухом непосредственно разрядной оболочки лейкосапфира ГРЛ с цезиевым наполнением недопустимо, поскольку используемый для охлаждения воздушный поток обладает, как правило, определенной пространственной нестабильностью. Именно поэтому используемая в составе разрядного источника ИК излучения устройства ОЭП ГРЛ конструктивно представляет собой наполненную плазмообразующей средой на основе цезия разрядную горелку с прямой трубчатой оболочкой из лейкосапфира, установленную соосно с образованием заполненного неоном кольцевого зазора во внешней (защитной) прямой трубчатой оболочке из лейкосапфира [5]. Такая конструкция ГРЛ обеспечивает возможность ее эксплуатации в условиях принудительного воздушного охлаждения путем формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ за счет термостатирования ее разрядной оболочки.
Известен, выбранный в качестве прототипа, разрядный источник ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР, содержащий импульсную ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия и устройство принудительного воздушного охлаждения межэлектродного участка оболочек ГРЛ в составе вентилятора с электроприводом и блока формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ в виде двух установленных соосно с ГРЛ в зоне ее катодного узла коаксиальных между собой конфузоров - наружного и внутреннего [6]. Конструкция разрядного источника ИК излучения, выбранного в качестве прототипа, позволяет снизить величину немодулирован-ной составляющей генерируемого ГРЛ ИК излучения, т.е. обеспечивает достаточно высокую величину глубины модуляции, необходимую для эффективного противодействия атакующей ЛА УР с ИК ГСН.
Одной из основных характеристик разрядного источника ИК излучения, выбранного в качестве прототипа, является время выхода на рабочий («боевой») режим. Действительно, как показано в работе [1], эффективность функционирования устройства ОЭП ИК ГСН УР тем выше, чем длительнее воздействие формируемого устройством ОЭП помехового излучения на ИК ГСН атакующей УР, т.е. чем меньше временной интервал выхода ГРЛ, входящей в состав устройства ОЭП, на рабочий режим. Отличительная особенность импульсной ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия состоит в том, что после ее отключения от электропитания при сохранении принудительного воздушного охлаждения защитной оболочки конденсация входящих в состав плазмообразующей среды паров цезия происходит преимущественно на внутренней поверхности разрядной оболочки ГРЛ и рабочих поверхностях электродов (анода и катода), причем присутствие в составе плазмообразующей среды инертного газа (ксенона) способствует формированию конденсатного образования в виде пленки, поскольку ксенон препятствует капельной конденсации паров цезия [7]. Образовавшийся проводящий слой удерживается на внутренней поверхности разрядной оболочки ГРЛ до последующего включения электропитания, причем возникает т.н. «эффект замыкания» и, чтобы повторно привести ГРЛ в рабочее состояние, необходимо вначале испарить пленку цезия на межэлектродном участке разрядной оболочки. С этой целью через пленку цезия пропускают электрический ток, который вызывает нагрев пленки цезия и его испарение со стенок разрядной оболочки ГРЛ [8]. Происходит разрыв проводящего слоя (пленки цезия) и в месте испарения возникает разряд, который постепенно распространяется на весь межэлектродный промежуток ГРЛ. Следует, однако отметить, что изначально тепловой режим разрядной оболочки ГРЛ определяется температурой воздуха окружающей ГРЛ атмосферы за счет конвенционного теплообмена оболочек ГРЛ между собой и с внешней средой и, следовательно, временной интервал установления теплового режима разрядной оболочки (с учетом приемлемой тепловой нагрузки на оболочку из лейкосапфира), необходимого для инициирования процесса испарения пленки цезия, тем больше, чем ниже температура окружающей среды.
Таким образом, недостаток разрядного источника ИК излучения, выбранного в качестве прототипа, с учетом его аппаратурного применения состоит в невозможности увеличения времени активного воздействия излучения помехи на ИК ГСН атакующей ЛА УР за счет минимизации времени выхода источника ИК излучения на рабочий («боевой») режим при проведении боевых действий при низких температурах окружающей среды, например, в условиях зимы или в районах Сибири и Севера.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в устранении указанного недостатка, т.е. в уменьшении времени выхода источника ИК излучения на рабочий («боевой») режим при низких температурах окружающей среды за счет обеспечения необходимого температурного режима разрядной оболочки ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия, входящей в состав источника ИК излучения устройства ОЭП.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции разрядного источника ИК излучения, заключается в повышении эффективности функционирования содержащего его устройства ОЭП за счет увеличения времени активного воздействия на ИК ГСН атакующей УР при эксплуатации устройства ОЭП при низких температурах окружающей среды (атмосферного воздуха) в любое время года и суток.
Заявляемый разрядный источник ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР, как и источник ИК излучения, выбранный в качестве прототипа, содержит импульсную ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия, вентилятор с электроприводом и блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ, установленной в зоне ее катода.
Отличие заявляемого разрядного источника ИК излучения от прототипа состоит в том, что он снабжен регулятором температуры воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ, воспринимающий элемент которого выполнен в виде датчика температуры воздушного потока, а исполнительный элемент выполнен в виде резистивного нагревателя, подключенного через формирователь управляющего сигнала, включающего элемент оцифровки сигнала с выхода датчика температуры, задающий элемент, являющийся информационным источником эталонного сигнала, соответствующего заданной температуре воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ, логический элемент сравнения сигналов, поступающих с выхода элемента оцифровки сигнала с датчика температуры и выхода задающего элемента, и последовательно соединенного с ним блока вычисления величины напряжения на резистивном нагревателе, причем датчик температуры воздушного потока установлен в непосредственной близости к наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ в зоне ее анода, а тело накала резистивного нагревателя выполнено в виде коаксиального относительно продольной оси ГРЛ цилиндрического элемента и установлено между вентилятором и входом блока формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности защитной оболочки ГРЛ.
На фиг. 1 приведена структурная схема варианта конкретного выполнения разрядного источника ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР.
По существу заявляемый разрядный источник ИК излучения выполнен в виде функционально и конструктивно связанных элементов - ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия и системы теплового воздействия на ГРЛ, рабочей средой которой является атмосферный воздух. Газоразрядная лампа 1 содержит внешнюю (защитную) оболочку 2 из лейкосапфира (разрядная оболочка ГРЛ на фиг. 1 не показана), на противоположных концах которой установлены электродные узлы - катод 3 и анод 4. Газоразрядная лампа 1 подключена к блоку электропитания и управления 5. Система теплового воздействия на ГРЛ содержит вентилятор 6 с электроприводом от блока 5, блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1 в виде установленных в зоне катода 3 газоразрядной лампы 1 двух коаксиальных между собой конфузоров 7 (на фиг. 1 показан только один из них - внутренний) и регулятор температуры воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1, воспринимающий элемент которого в виде датчика температуры 8 воздушного потока в данном конкретном случае выполнен в виде термопары, а исполнительный элемент выполнен в виде резистивного нагревателя 9, который установлен между вентилятором 6 и конфузором 7 и подключен к блоку 5 через формирователь управляющего сигнала 10. Формирователь управляющего сигнала 10 содержит элемент оцифровки 11 сигнала с выхода датчика температуры 8, задающий элемент 12, являющийся информационным источником эталонного сигнала, соответствующего заданной температуре воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1, логический элемент 13 сравнения сигналов, поступающих с выходов элементов 11 и 12, и последовательно соединенный с элементом 13 блок 14 вычисления величины напряжения, поступающего на вход резистивного нагревателя 8 с блока 5. Принцип функционирования датчика температуры 8, блока 10 и образующих его элементов, а также варианты их технического осуществления, достаточно хорошо известны и подробного объяснения не требуют. Следует отметить, что датчик температуры 8 установлен в непосредственной близости к оболочке 2 газоразрядной лампы 1 в зоне ее анода 4, что дает возможность регистрации температуры воздушного потока после его теплого контакта с оболочкой 2 в зоне ее разрядного промежутка.
В заявляемой конструкции разрядного источника ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР реализован известный принцип передачи теплоты от источника тепловой энергии к приемнику тепловой энергии, нагрев которого до заданного температурного уровня осуществляется посредством теплообмена, в процессе которого теплоноситель концентрируют в зоне воспринимающей поверхности приемника. В данном конкретном случае источником тепловой энергии является подключенный к блоку 5 резистивный нагреватель 9, приемником тепловой энергии - оболочка 2 из лейкосапфира газоразрядной лампы 1, теплоносителем - формируемый вентилятором 6 воздушный поток, а средством концентрации теплоносителя - блок формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1, выполненный в виде двух коаксиальных между собой конфузоров 7.
Первоначально, при отсутствии факта ракетной атаки, а только при ее угрозе, генерация помехового излучения газоразрядной лампы 1 отсутствует и температура ее оболочки 2 соответствует температуре окружающей среды (атмосферного воздуха), величина которой в зимнее время в условиях Севера может достигать -40°C и даже ниже. Следует отметить, что температура плавления цезия составляет порядка 30°C [9], а, поскольку пленка цезия на внутренней поверхности разрядной оболочки (на фиг. 1 не показана) газоразрядной лампы 1 находится с ней в непосредственном тепловом контакте, то для испарения пленки цезия необходимо прогреть разрядную оболочку по крайней мере до этой температуры. Подключенный к блоку 5 вентилятор 6 продувает атмосферный воздух через подключенный к блоку 5 через формирователь 10 резистивный нагреватель 9, а затем нагретый воздух поступает на вход блока формирования воздушного потока вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1, выполненный, как было указано выше, в виде двух коаксиальных между собой конфузоров (на фиг. 1 показан только один из них - 7), которые формируют две «кольцевые» струи нагретого воздуха. Струя нагретого воздуха из внутреннего конфузора 7 обтекает цилиндрическую наружную поверхность оболочки 2 газоразрядной лампы 1 и осуществляет ее нагрев. Струя нагретого воздуха из наружного конфузора (на фиг. 1 не показан) движется попутно струе нагретого воздуха из конфузора 7 со скоростью равной скорости последней, в результате чего струя нагревающего оболочку 2 воздуха из конфузора 7 практически не испытывает аэродинамического сопротивления, как в случае движения в свободном пространстве. Поэтому нагревающий оболочку 2 газоразрядной лампы 1 воздушный поток сохраняет ламинарность на всей длине оболочки 2. Кроме того кольцевая струя нагретого воздуха из наружного конфузора за счет естественного расширения обеспечивает обжимание нагретой струи воздуха из конфузора 7, повышая ее компактность, что существенно влияет на эффективность теплопередачи. Датчик температуры 8 формирует электрический сигнал, величина которого соответствует температуре воздушного потока в зоне анода 4 газоразрядной лампы 1. С выхода датчика 8 сигнал поступает на вход элемента оцифровки 11 формирователя управляющего сигнала 10, с выхода которого поступает на логический элемент 13. Логический элемент 13 сравнивает сигнал с выхода элемента 11 с эталонным сигналом, поступающим с выхода задающего элемента 12. Как следует из работы [5] с учетом особенности конструкции газоразрядной лампы 1 (двойная оболочка из лейкосапфира, кольцевой зазор между которыми заполнен неоном) для обеспечения нагрева разрядной оболочки газоразрядной лампы 1 до температуры порядка 30°C температуре внешней оболочки газоразрядной лампы 1 должна составлять не менее 60°C, а температура воздушного потока, обеспечивающего ее нагрев при температуре атмосферного воздуха порядка -40°C, должна составлять, соответственно, не менее 100°C. Эталонный сигнал, соответствующий этой температуре, поступает с выхода задающего элемента 12 на логический элемент 13. Результат сравнения логическим элементом 13 сигналов с выхода задающего элемента 12 и выхода элемента оцифровки 11, который является, фактически, сигналом, несущим информацию о степени отличия температуры воздушного потока в непосредственной близости от наружной поверхности оболочки 2 в зоне анода 4 газоразрядной лампы 1 от заданной температуры, что является достоверным свидетельством о степени прогрева оболочки 2 и, соответственно, разрядной оболочки газоразрядной лампы 1 до заданной температуры. Сигнал с выхода логического элемента 13 поступает на вход блока 14, который вырабатывает сигнал управляющего воздействия, величина которого соответствует значению напряжения, поступающего на резистивный нагреватель с блока электропитания и управления 5.
Преимущество предлагаемой конструкции разрядного источника ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР при его эксплуатации при низкой температуре воздуха окружающей среды заключается в предварительном, до запуска ГРЛ, прогреве и поддержании температуры плазмообразующей среды на уровне, соответствующем температуре испарения цезия.
При входе в атакоопасную зону окружающего ЛА пространства УР задающий орган (на фиг. 1 не показан) устройства ОЭП ИК ГСН УР осуществляет регистрацию факта ракетной атаки и формирует сигнал, который поступает на блок электропитания и управления 5. Блок 5 осуществляет управляющее воздействие на формирователь 10 системы теплового воздействия на газоразрядную лампу 1, под воздействием которого резистивный нагреватель 9 отключается от электропитания. Одновременно блок 5 формирует импульс поджига, который поступает на газоразрядную лампу 1, а поскольку, имело место предварительное тепловое воздействие на плазмообразующую среду посредством нагрева разрядной оболочки ГРЛ 1 и «замыкающий эффект» отсутствует, то газоразрядная лампа 1 после поджига сразу переходит в рабочее состояние и осуществляет генерацию помехового излучения. Режим функционирования вентилятора 6 с электроприводом от блока 5 остается неизменным, и формируемый конфузорами 7 воздушный поток обеспечивает принудительное охлаждение находящейся в рабочем режиме газоразрядная лампа 1 путем формирования воздушного потока атмосферного воздуха вдоль наружной поверхности оболочки 2 газоразрядной лампы 1.
Таким образом, заявляемая конструкция источника ИК излучения для устройства ОЭП ИК ГСН УР обеспечивает существенную минимизацию временного интервала, необходимого для выхода входящей в его состав ГРЛ с плазмообразующей средой на основе цезия в рабочий («боевой») режим и, соответственно, повышает эффективность функционирования устройства ОЭП за счет увеличения времени активного воздействия на ИК ГСН атакующей УР при эксплуатации устройства ОЭП при низких температурах окружающей среды.
Заявляемый источник ИК излучения совместим с используемыми на практике устройствами ОЭП ИК ГСН УР и дает возможность модернизации этих устройств при минимальных затратах времени и средств.
Источник ИК излучения в соответствии с заявляемым решением разработан для серийного производства с использованием типовых технологий, материалов и стандартного оборудования.
Литература:
1. Самодергин В.А. Исследование и разработка энергоизлучающих систем активных помех инфракрасным головкам самонаведения с оптимальными характеристиками: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1988.
2. Прикладная физика, 2009, №1, с. 53-58.
3. Светотехника, 2008, №2, с. 12-18.
4. Светотехника, 1998, №3, с. 22-24.
5. Гавриш С.В. Разработка и использование импульсного источника инфракрасного излучения в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005.
6. Патент на ПМ №56718, 10.09.2006 Бюл.№25.
7. Исаченко В.П. Теплообмен при конденсации, М., Энергия, 1977.
8. АС СССР №1353220, H01J 61/54.
9. Химический энциклопедический словарь, М.: Советская энциклопедия, 1983.