ЦЕЗИЕВАЯ ЛАМПА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОГО ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ИНФРАКРАСНЫМ ГОЛОВКАМ САМОНАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМЫХ РАКЕТ

Полезная модель относится к разрядным лампам (РЛ), наполненным парами щелочных металлов, в частности к РЛ с цезиевым наполнением, которые предназначены для использования в качестве источника некогерентного модулированного инфракрасного (ИК) излучения устройства оптико-электронного противодействия (ОЭП) ИК головок самонаведения (ГСН) управляемых ракет (УР).
В самом общем случае РЛ представляет собой устройство, в котором электрическая энергия преобразуется в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду. РЛ с плазмообразующей средой на основе щелочного металла цезия состоит из прямой трубчатой оболочки из лейкосапфира, внутри которой установлены электродные узлы - анодный и катодный. Следует отметить, что электрический разряд в цезиевой лампе имеет ряд особенностей [1]. Так, интенсивность излучения в ИК области спектра зависит от давления паров цезия в разряде, а давление паров цезия в разряде однозначно определяется температурой наиболее холодной точки (НХТ) разрядного пространства. В случае работы РЛ в режиме однополярных импульсов (модуляции излучения) НХТ находится у катода и фиксация величины давления паров цезия в разряде на заданном уровне осуществляется за счет пространственной фиксации НХТ вне зоны разряда. С учетом этих особенностей функционирования цезиевой лампы ее катодный узел снабжен соединенными с обеспечением электрического контакта, выполненными из ниобия штенгелем и герметизирующим элементом, причем спай последнего с оболочкой лампы выполнен охватываемым [1]. В данном случае штенгель выполняет двоякую функцию, т.е. помимо откачки, наполнения и герметизации лампы он выполняет функцию держателя катода - керн катода установлен внутри штенгеля со стороны его торца, обращенного в сторону разрядного пространства лампы, а со стороны его противоположного конца выполнен отпай, герметизирующий лампу.
Указанная конструкция цезиевой лампы, выбранная в качестве прототипа, обеспечивает пространственную фиксацию НХТ и, следовательно, сводит к минимуму потери на преобразование электрической энергии в ИК излучение.
В работе [2] показано, что для повышения эффективности устройства ОЭП ИК ГСН УР излучающий элемент (в данном случае цезиевая лампа) должен обладать пиковой силой излучения в ИК области спектра, величина которой должна существенно (не менее, чем в 10 раз) превосходить уровень собственного теплового излучения защищаемого летательного аппарата. Такое превышение позволяет уменьшить время воздействия помехового излучения до срыва самонаведения ИК ГСН УР и, следовательно, проблема повышения пиковой силы излучения цезиевой лампы в составе устройства ОЭП является одной из самых важных, причем особенно актуальна проблема увеличения пиковой силы излучения в ИК диапазоне для защиты самолетов боевой реактивной авиации, двигатели которых имеют высокотемпературный факел.
Излучение цезиевой лампы в ИК диапазоне является функцией температуры плазмы, в которой происходит электрический разряд, причем, как показали теоретические оценки [1], изменение средней температуры разряда в 2,0…2,5 раза приводит к изменению интенсивности излучения в 30…40 раз и, следовательно, увеличение пиковой силы ИК излучения можно обеспечивать за счет увеличения электрической нагрузки на лампу, т.е. повышения ее электрической мощности. Однако, особенность конструкции цезиевой лампы, выбранной в качестве прототипа, состоит в том, что повышение электрической нагрузки приводит к пластической деформации ее катодного узла и, соответственно, нарушению работоспособности лампы и даже к ее разрушению. Действительно, температура катода определяется тепловым потоком из плазмы разряда и джоулевым нагревом за счет проходящего через катодный узел электрического тока. Количество тепла (Q), выделяющегося на держателе керна катода, т.е. на штенгеле в зоне установки керна, при прохождении электрического тока определяется соотношением:
где I - величина электрического тока, R - электрическое сопротивление держателя (штенгеля), в котором установлен керн катода, t - длительность токового воздействия.
При увеличении температуры держателя керна катода от первоначальной величины, за которую можно принять комнатную температуру, на величину ΔT количество выделяющегося тепла (Q) составляет:
где с - удельная теплоемкость ниобия, из которого изготовлен штенгель, т.е.
-3
Как следует из работы [1] величина пиковой силы излучения цезиевой лампы, превосходящей величину собственного теплового излучения защищаемого летательного аппарата не менее, чем в 10 раз, может быть обеспечена, если средняя величина протекающего через лампу электрического тока составляет не менее 25 А (пиковое значение токового импульса-600 А, длительность импульса-10 сек, частота повторения импульсов-400 Гц).
Электрическое сопротивление (R) штенгеля, выполняющего функцию держателя керна катода, определяется величиной:
где ρ - удельное сопротивление ниобия, из которого изготовлен штенгель,
1
2
d и d - внутренний и наружный диаметры штенгеля, представляющего собой трубку, l - длина зоны нагрева, t- время нагрева.
Существующая технология откачки, наполнения и последующей герметизации цезиевой лампы ограничивает диаметр штенгеля величиной не более 3 мм при толщине стенки 0,3 мм. Из вышеизложенного следует, что воздействие джоулевого нагрева на ниобиевый штенгель приводит к увеличению его температуры (за 1 сек на длине 1 мм) до величины порядка 2816°С. Увеличение температуры за счет теплового потока из плазмы дополнительно составляет порядка 600°С [1]. Температура плавления ниобия составляет 2500°С. Таким образом, недостаток конструкции цезиевой лампы, выбранной в качестве прототипа, состоит в том, что возможность повышения ее пиковой силы излучения ограничена величиной допустимой электрической нагрузки, т.к. ее увеличение неминуемо приводит к пластической деформации штенгеля, выполняющего функцию держателя керна катода, и последующему разрушению катодного узла и лампы в целом, соответственно.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в обеспечении возможности повышения пиковой силы излучения цезиевой лампы, предназначенной для устройства ОЭП, за счет увеличения ее энергопотребления.
Заявляемая цезиевая лампа для устройства ОЭП ИК ГСН УР, как и лампа, выбранная в качестве прототипа, содержит установленный в прямой трубчатой оболочке из лейкосапфира катодный узел. Катодный узел, в свою очередь, содержит соединенные с обеспечением электрического контакта катод, штенгель и герметизирующий элемент, спай которого с оболочкой выполнен охватываемым, т.е. с внутренней поверхностью оболочки спаяна наружная боковая поверхность герметизирующего элемента.
Заявляемая цезиевая лампа отличается от прототипа тем, что герметизирующий элемент снабжен внутренней замкнутой полостью, сообщающейся через выполненный в теле герметизирующего элемента сквозной канал с разрядным пространством лампы, а штенгель утановлен на обращенном к торцу оболочки лампы торце герметизирующего элемента так, что зона отпая штенгеля размещена во внутренней полости герметизирующего элемента. Следует отметить, что штенгель в зоне отпая снабжен плоским пережимом.
На фиг.1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения цезиевой лампы для устройства ОЭП ИК ГСН УР. Цезиевая лампа содержит прямую трубчатую оболочку 1 из лейкосапфира, в которой установлен катодный узел (анодный узел не показан) в составе штенгеля 2 и герметизирующего элемента 3, выполненных из ниобия. Герметизирующий элемент 3 снабжен внутренней замкнутой полостью 4. В теле герметизирующего элемента 3 выполнен сквозной канал 5. Зона отпая 6 штенгеля 2 размещена в полости 4 герметизирующего элемента 3. В данном случае штенгель 2 в зоне отпая 6 снабжен плоским пережимом 7. Катод 8 в данном конкретном случае выполнен из молибдена и установлен на керне, который в данном конкретном случае представляет собой совместно с герметизирующим элементом цельную деталь. Спай герметизирующего элемента 3 с оболочкой 1 выполнен охватываемым.
Предлагаемая конструкция лампы обеспечивает устранение непосредственного электрического контакта тонкостенного штенгеля с керном катода, что позволяет увеличить величину допустимой электрической нагрузки, которая не приводит к разрушению катодного узла вследствие перегрева. Температура в полости 4 герметизирующего элемента 3 ниже температуры в зоне разряда и, следовательно, НХТ образуется в полости 4, причем конструкция катодного узла обеспечивает фиксацию ее пространственного положения с высокой точностью при сборке лампы. Очевидно, что объем полости 4 должен быть не менее объема находящейся в разрядной оболочке лампы жидкой фазы цезиевой добавки. Плоский пережим 7 в зоне отпая 6 штенгеля выполнен таким образом, чтобы расплавленный припой в процессе герметизации лампы не проникал в полость 4. В обеспечение этого требования в соответствии с [3] ширина пережима 7 откачного штенгеля 2 составляет не менее 0,02, но не более 0,2 внутреннего диаметра штенгеля 2.
Таким образом предлагаемая конструкция обеспечивает возможность повышения величины пиковой силы излучения цезиевой лампы за счет увеличения энергопотребления.
Цезиевая лампа в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий и стандартного оборудования.
Литература:
1. Гавриш С.В. Разработка и исследование импульсного источника ИК излучения с разрядом в парах цезия: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 2005
2. Самодергин В.А. Исследование и разработка энергоизлучающих систем активных помех инфракрасным головкам самонаведения с оптимальными энергетическими характеристиками: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М.,1988.
3. Патент №2087984, H01J 9/00, 20.08.1997.