УСТРОЙСТВО ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ОТ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ С ОПТИЧЕСКИМИ ГОЛОВКАМИ САМОНАВЕДЕНИЯ
DEVICE FOR INDIVIDUAL PROTECTION OF AIRCRAFT AGAINST GUIDED MISSILES WITH OPTICAL HORNING HEADS

Изобретение относится к оптико-электронному подавлению и предназначено для индивидуальной защиты летательного аппарата (ЛА) от управляемых ракет (УР) с оптическими головками самонаведения.
Известны устройства индивидуальной защиты ЛА от управляемых ракет с инфракрасными головками самонаведения переносных зенитных ракетных комплексов (см. патенты РФ №2238510, F41Н 11/02, 2003 г.; №2321817, F41Н 11/02, 2006 г.). Устройства содержат размещенные на летательном аппарате датчики факта и координат пуска ракеты, приемопередатчик с приводом поворота и оптическим каналом, с выходом которого соединены датчик координат ракеты на траектории ее полета и приемник отраженного лазерного излучения, фтороводородный дейтриевый генератор лазерного излучения с его пусковым устройством и бортовой вычислитель. Бортовой вычислитель выполнен с возможностью вычисления координат места пуска ракеты и слежения за ее перемещением в пространстве. Срыв наведения атакующей ракеты осуществляется за счет воздействия лазерного излучения на головку ракеты. При этом диапазон длин волн лазерного излучения лежит в инфракрасном диапазоне чувствительности ОГС, а мощность лазерного излучения превышает мощность источников инфракрасного излучения ЛА.
Основной недостаток перечисленных выше аналогов заключается в том, что они неэффективны для защиты ЛА от УР с ОГС, работающих одновременно в двух спектральных диапазонах: инфракрасном и ультрафиолетовом (УФ), например типа "Стингер-RMP" (см., например, "Техника сухопутных войск капиталистических государств". Экспресс-информация, вып.19 (115), 1988 г.: "О разработке в США ЗРК "Стингер RMP"). В ОГС указанного типа помехоустойчивость обеспечивается за счет комплексированной обработки входной информации по отличительным признакам ЛА от фоновых и преднамеренных помех в ИК- и УФ-диапазонах спектра.
В приведенных выше аналогах осуществляется подавление только инфракрасного канала наведения ракеты за счет того, что мощность лазерного излучения превышает мощность двигателя самолета, излучаемого в тепловом (инфракрасном) диапазоне длин волн.
Наиболее близким по назначению и технической сущности к предлагаемому изобретению относится устройство индивидуальной защиты ЛА от УР с оптическими головками самонаведения, содержащее (см. патент РФ №69222, F41Н 13/00, 2007 г.) установленный на бору летательного аппарата блок формирования направленного некогерентного оптического излучения, в состав которого входят инфракрасный и ультрафиолетовый излучатели, оптические оси которых параллельны. Блок формирования направленного некогерентного оптического излучения соединен с системой его наведения на атакующую ракету, задающий орган которой выполнен в виде устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты.
Основным недостатком данного устройства, как и аналогов, является низкая эффективность защиты ЛА в ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Это обусловлено не учетом специфики функционирования наведения ракеты на самолет с использованием УФ-канала. Данная специфика заключается в следующем. В ИК-диапазоне длин волн основным источником инфракрасного излучения для наведения ракеты на ЛА являются тепловое излучение сопла двигателя, а также струя продуктов сгорания авиационного топлива. В УФ-диапазоне для наведения УР на ЛА используется контраст последнего на фоне неба, возникающий в результате экранирования планером ЛА излучения естественных источников (Солнца, рассеянного излучения атмосферы и др.). При этом, если в ИК-диапазоне излучение сопла и струи выхлопных газов по мощности во много раз превосходит фон наблюдения, то есть фон дневного неба, то в УФ-диапазоне наведение осуществляется по разнице между излучением, отраженным от корпуса ЛА, и излучением фона дневного неба. Расчеты, проведенные с использованием данных о яркости дневного неба в УФ-диапазоне длин волн (см. В.В.Белов и др."Моделирование рассеянной УФ-радиации на основе приближенных методов". "Оптика атмосферы и океана", 16, №7, 2003 г.), показали, что эта разница всегда отрицательна, даже при условии, что на ЛА нанесено покрытие с высокими отражательными свойствами в УФ-диапазоне длин волн. Поэтому ЛА на фоне неба в УФ-диапазоне имеют устойчивый отрицательный контраст. В связи с изложенным источник помехового излучения в УФ-диапазоне длин волн должен обеспечивать минимальный (ниже порогового уровня чувствительности ОГС) контраст наблюдаемой поверхности ЛА с фоном дневного неба. Известно (см. Белов В.В., Винарский И.И. и др. "Моделирование рассеянной УФ-радиации на основе приближенных методов", "Оптика атмосферы и океана", 16, №7, 2003 г.), что фон неба в УФ-диапазоне длин волн в значительной степени зависит от зенитного расстояния Солнца, то есть от времени суток и времени года рассматриваемого географического района, состояния облачности, а также от направления наблюдения ЛА. Следовательно, источник помехового излучения, обеспечивающий срыв наведения ОГС по УФ-каналу, должен иметь регулируемую мощность излучения, что в прототипе отсутствует. Использование в прототипе источника помехового излучения постоянной мощности может привести, с одной стороны, к неподавлению УФ-канала наведения в тех ситуациях, когда из-за недостаточной мощности УФ-источника отрицательный контраст планера не будет устранен, с другой стороны, к неоправданному завышению мощности помехового источника для случаев, когда отрицательный контраст поверхности ЛА на фоне неба имеет небольшую величину, например, это имеет место, когда поверхность ЛА, имеющая высокий коэффициент отражения в УФ-диапазоне длин волн, наблюдается в зимних условиях.
-5
Доказательством этого служат приведенные на фиг.2 зависимости величины мощности излучения помехового источника, необходимые для обеспечения нулевого контраста поверхности ЛА с фоном дневного неба в УФ-диапазоне длин волн, от времени суток и сезона. Зависимости получены расчетным путем с использованием методов переноса излучения в рассеивающей среде, который разработан Соболевым В.В. (см. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. Гостехиздат, М., 1956 г.), и модели формирования контрастного образа объекта в УФ-диапазоне длин волн [см. Афанасьева Е.М., Замарин В.Б, Казаков B.C. “Математическая модель излучения объектов в УФ-диапазоне длин волн”. “Оптический журнал”, №5, 1996 г.]. Приведенные данные соответствуют условиям, при которых ЛА совершает полет на высоте 150 м на удалении 5 км от ОГС, наблюдается под боковым ракурсом и мгновенное поле зрения ОГС составляет ~3,4∗10 ср. Из приведенных на фиг.2 зависимостей видно, что диапазон требуемых мощностей, обеспечивающих нулевой контраст боковой поверхности ЛА в дневных условиях, меняется от 100 до 380 Вт, то есть почти в 4 раза. Аналогичные зависимости можно получить для разных высот полета, направлений атаки, дальностей до ЛА и др.
Задачей данного изобретения является повышение эффективности защиты летательного аппарата от управляемых ракет с оптическими головками самонаведения в УФ-диапазоне длин волн за счет регулировки мощности источника УФ-излучения до уровня, обеспечивающего минимальный контраст поверхности ЛА с фоном наблюдения.
Технический результат достигается за счет того, что в устройство защиты летательного аппарата от управляемых ракет с оптическими головками самонаведения, установленное на борту летательного аппарата и содержащее инфракрасный и ультрафиолетовый излучатели, оптические оси которых параллельны, а вход инфракрасного излучателя подключен к первому выходу бортового устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты, введены последовательно соединенные бортовое вычислительное устройство и устройство управления мощностью ультрафиолетового излучения, а также измеритель яркости фона дневного неба и датчик регистрации освещенности поверхности летательного аппарата, причем второй и третий выходы бортового устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты соединены с измерителем яркости фона дневного неба и датчиком регистрации освещенности поверхности летательного аппарата соответственно, выходы которых соединены с соответствующими входами бортового вычислительного устройства, а ультрафиолетовый излучатель выполнен в виде источника излучения с регулируемой мощностью, вход которого соединен с выходом устройства управления мощностью ультрафиолетового излучения.
Указанная выше совокупность отличительных существенных признаков за счет введения в предлагаемое устройство измерителя яркости фона дневного неба и датчика регистрации освещенности поверхности ЛА позволяет с помощью бортового вычислительного устройства получать точную и объективную информацию о контрастном образе наблюдаемой поверхности ЛА в УФ-диапазоне длин волн, которая позволяет за счет наличия связи между бортовым вычислительным устройством и устройством управления мощностью ультрафиолетового излучателя осуществлять регулирование мощности последнего до уровня, обеспечивающего минимальный контраст поверхности ЛА с фоном наблюдения, и тем самым повысить эффективность защиты ЛА в УФ-диапазоне длин волн.
Кроме того, заявляемое устройство выгодно отличается от прототипа тем, что при его реализации обеспечивается оптимальный уровень мощности помехового излучения, а значит и энергопотребления, что является очень важным для ЛА обстоятельством.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявляемого изобретения условию патентоспособности “новизна”.
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными признаками заявляемого устройства, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники и не подтверждена известность влияния отличительных признаков на заявляемый технический результат (повышение эффективности защиты летательного аппарата от управляемых ракет с оптическими головками самонаведения). Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.
Заявляемое техническое решение промышленно применимо, так как оно может быть использовано в военно-промышленном комплексе, и для его реализации могут быть использованы стандартное оборудование и материалы.
На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства защиты летательного аппарата от управляемых ракет с оптическими головками самонаведения. На фиг.2 приведены зависимости величины мощности излучения помехового источника, необходимые для обеспечения нулевого контраста поверхности ЛА с фоном дневного неба в УФ-диапазоне длин волн, от времени суток и сезона.
Устройство защиты ЛА от управляемой ракеты 1 с оптической головкой самонаведения содержит размещенные на ЛА бортовое устройство обнаружения и сопровождения атакующей ракеты 2, первый выход которого подключен к инфракрасному излучателю 3, второй и третий выходы бортового устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты 2 подключены соответственно ко входам измерителя яркости фона дневного неба 4 и датчика регистрации освещенности поверхности летательного аппарата 5, а также последовательно соединенные бортовое вычислительное устройство 6, устройство управления мощностью ультрафиолетового излучения 7 и ультрафиолетовый излучатель 8. Выходы измерителя яркости фона дневного неба 4 и датчика регистрации освещенности поверхности летательного аппарата 5 соединены со входом бортового вычислительного устройства 6. Излучения инфракрасного излучателя 3 и ультрафиолетового излучателя 8 ориентированы в направлении на ОГС ракеты 1.
Бортовое устройство обнаружения и сопровождения атакующей ракеты 2 может быть выполнено по аналогии с устройством, приведенным в патенте РФ №2321817, F41Н 11/02, 2006 г., то есть содержать датчики факта и координат пуска ракеты, и устройство определения координат ракеты на траектории ее полета.
Инфракрасный излучатель 3 может быть выполнен в виде когерентного (лазерного) или некогерентного источника, работающего в ИК-диапазоне работы ОГС с частотой следования импульсов, близкой к характерным частотам работы ОГС в ИК-диапазоне длин волн. Мощность инфракрасного излучателя должна превышать мощность излучения двигателя ЛА.
В предлагаемом устройстве в качестве измерителя яркости фона дневного неба 4 и датчика регистрации освещенности поверхности 5 можно использовать типовые актинометрические приборы (см. Справочник по гидрометеорологическим приборам и установкам. - Ленинград: Гидрометеоиздат, 1976 г.), работающие в УФ-диапазоне длин волн, а именно в диапазоне 0,3-0,4 мкм.
Бортовое вычислительное устройство 6 должно быть выполнено с возможностью определения разницы между яркостью фона и поверхностью ЛА и выдачи сигналов управления для обеспечения минимального (нулевого) контраста поверхности ЛА с фоном. Таким вычислительным устройством может быть бортовой компьютер, выдерживающий определенные механические нагрузки с учетом реальных условий эксплуатации. Таким требованиям соответствуют промышленные персональные компьютеры, предлагаемые фирмой “Rames” и НПО “Импульс” (см. рекламный проспект НПО "Импульс", г.Санкт-Петербург, ул. Обручевых, 1).
Устройство управления мощностью ультрафиолетового излучения 7 УФ-излучателя 8 может быть выполнено по схеме управления его расходимостью с использованием панкратической системы (см. Воронцов М.А., Шмальгаузен В.И. Принципы адаптивной оптики. - М: Наука, 1985 г. 336 с.).
3+
В качестве ультрафиолетового излучателя 8 в предлагаемом устройстве может быть использован источник лазерного излучения, формирование УФ-излучения в котором осуществляется путем преобразования основного излучения твердотельного лазера на кристалле YAG:Nd(λ=1,064 мкм в третью гармонику с длиной волны λ=0,355 мкм, см. Г.М.Зверев, Ю.Д.Голяев. Лазеры на кристаллах и их применение. М.: Радио и связь. - 1994 г.).
Устройство работает следующим образом. При пролете ЛА в зоне ПВО противника по нему может быть пущена ракета 1 с оптической головкой самонаведения. Размещенное на защищаемом ЛА бортовое устройство обнаружения и сопровождения 2 атакующей ракеты 1 фиксирует факт пуска, координаты пуска и координаты траектории полета ракеты. По информации о координатах ракеты на траектории ее полета с бортового устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты 2 подается команда на запуск инфракрасного излучателя 3 для подавления инфракрасного канала ОГС. Одновременно с бортового устройства обнаружения и сопровождения атакующей ракеты 2 подается сигнал на вход измерителя яркости фона дневного неба 4, с помощью которого измеряют яркость фона дневного неба с направления, противоположного направлению полета ракеты 1, и датчиком регистрации освещенности поверхности летательного аппарата 5 измеряют освещенность поверхности ЛА в УФ-диапазоне длин волн. Измеренные значения поступают в бортовое вычислительное устройство 6, в котором вычисляется величина разностной яркости (дополнительной мощности) между фоном дневного неба и поверхностью ЛА, необходимая для выравнивания сигналов от фона и ЛА. В соответствии с вычисленным значением дополнительной мощности в устройстве управления мощностью ультрафиолетового излучения 7 вырабатывается управляющий сигнал, который подается на вход УФ-излучателя 8 для срыва наведения ракеты 1.
Оценку технического результата заявляемого устройства защиты ЛА от управляемых ракет с оптическими головками самонаведения (повышение эффективности защиты летательного аппарата за счет регулировки мощностью помехового излучения в УФ-диапазоне длин волн до уровня, обеспечивающего минимальный контраст поверхности ЛА с фоном наблюдения) по сравнению с прототипом можно провести на основе следующих доказательств.
Вероятность обнаружения ЛА и захвата на сопровождение в УФ-диапазоне длин волн пропорциональны величине воспринимаемого ОГС отношения сигнал/шум, которое, в свою очередь, пропорционально величине наблюдаемого контраста поверхности ЛА. В прототипе величина контраста может меняться от -1 до высоких положительных значений в зависимости от того, на какой дальности от ЛА находится УР с ОГС и в каких условиях обнаруживается ЛА (время суток, время года, ясно, облачно и т.д.). Например, если в прототипе контраст поверхности ЛА в УФ-диапазоне длин волн составляет ~0,5, то вероятность обнаружения ЛА, рассчитанная с использованием соотношений, приведенных в издании М.М. Мирошников. Теоретические основы оптико-электронных приборов. Ленинград: Машиностроение, 1983 г., 695 с., с учетом того, что пороговое отношение сигнал/шум в ОГС равно 3,5, будет близка к единице.
В предлагаемом устройстве за счет того, что происходит динамичное (в процессе полета УР) выравнивание яркости поверхности ЛА и фона, величина воспринимаемого контраста не будет превышать величину 0,1. В этом случае вероятность обнаружения ЛА составит не более 0,5.
Таким образом, эффективность защиты ЛА в УФ-диапазоне длин волн за счет использования предлагаемого устройства по меньшей мере в 2 раза выше, чем при использовании прототипа.