КОРОТКОДУГОВАЯ КСЕНОНОВАЯ ЛАМПА ДЛЯ УСТРОЙСТВА ОПТОЭЛЕКТРОННОГО ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ

Полезная модель относится к источникам некогерентного инфракрасного излучения, в частности к конструкции импульсной ксеноновой лампы сверхвысокого давления с короткой дугой, предназначенной для использования в качестве излучающего элемента в устройстве оптоэлектронного противодействия (ОЭП) для активной защиты от высокоточного оружия с оптоэлектронной системой наведения на цель, например, в устройстве индивидуальной защиты летательного аппарата (ЛА) от управляемых ракет (УР) с инфракрасной (ИК) головкой самонаведения (ГСН).
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. В данном случае объектом воздействия является ИК ГСН УР. Принцип функционирования ИК ГСН УР и механизм противодействия ее нормальному функционированию посредством постановки непосредственно с борта атакуемого ЛА имитирующей активной помехи (т.н. ОЭП ИК ГСН УР) в виде некогерентного модулированного по амплитуде ИК излучения в спектральном диапазоне чувствительности ИК ГСН (3,5-5,0 мкм) с пиковой силой излучения, величина которого существенно (не менее, чем в 10 раз) превышает собственное тепловое (ИК) излучение атакуемого ЛА, достаточно хорошо известны [1,2]. Совершенно очевидно, что практическое обеспечение требуемой величины превышения пиковой силы излучения активной помехи над собственным ИК излучением атакуемого ЛА возможно только при условии, что помеховое излучение сконцентрировано в ограниченной зоне пространства и ориентировано на ИК ГСН атакующей ЛА УР независимо от взаимного маневрирования ЛА и УР, т.к. простое увеличение интенсивности помехового излучения, генерируемого излучающим элементом устройства ОЭП за счет увеличения потребляемой мощности, лимитировано возможностями бортовой энергетической установки ЛА. Именно поэтому исполнительный орган устройства ОЭП ИК ГСН УР как правило выполнен в виде излучателя прожекторного типа [3], т.е. представляет собой световой прибор дальнего действия, в котором генерируемое излучающим элементом оптическое излучение концентрируется в ограниченном пространственном угле посредством внешней по отношению к излучающему элементу перераспределяющей оптической системы в виде параболоидного зеркального отражателя, поскольку, как это следует из работы [4], при использовании такого отражателя обеспечивается наибольшая угловая концентрация светового потока по сравнению с другими оптическими системами при одинаковых по размерам выходным апертурам. Следует отметить, что для достижения максимальной эффективности функционирования оптического излучателя прожекторного типа необходимо, чтобы объем светящего тела входящего в его состав излучающего элемента, центр которого совмещен с фокусом параболоидного зеркального отражателя, был, по возможности, минимальным, но обладал при этом максимальной яркостью [5]. На практике это условие обеспечивается, как правило, за счет использования в качестве излучающего элемента газоразрядной лампы с коротким дуговым разрядом, снабженной катодом, поверхность рабочей части которого (со стороны разряда) представляет собой конус [6], вершина которого обращена в сторону активной поверхности зеркального параболоидного отражателя, а продольная ось лампы совмещена с оптической осью отражателя, что предпочтительно при создании компактного светооптического блока, поскольку в этом случае экранировка излучения от светящего тела излучающего элемента на выходе параболоидного зеркального отражателя сведена к минимуму [7].
По существу светооптическая пара «излучающий элемент-отражатель» представляют собой устройство преобразования электрической энергии от внешнего источника питания в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду в разрядной камере газоразрядной лампы с последующим его перераспределением в окружающее пространство в соответствии с геометрией отражателя. Спектральный диапазон генерируемого лампой оптического излучения обеспечивается, во-первых, за счет выбора оптимального состава плазмообразующей среды, а, во-вторых, за счет использования ограничивающей разряд оболочки газоразрядной лампы из прозрачного в заданной области оптического спектра материала. Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм, который соответствует диапазону спектральной чувствительности ИК ГСН УР [2], обеспечивает электрический разряд в инертном газе ксеноне, давление которого при отсутствии разряда составляет порядка 8-15 атм. [8,9,10], а ограничивающая разряд оболочка может быть выполнена исключительно из бесцветного лейкосапфира, поскольку этот материал обладает оптической прозрачностью в указанном спектральном диапазоне [11].
Известна, выбранная в качестве прототипа, предназначенная для использования в качестве излучающего элемента устройства ОЭП, короткодуговая ксеноновая лампа (КДКЛ) [12] с разрядной камерой, образованной в пределах прямой трубчатой оболочки из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой герметично установлены электродные узлы, причем поверхность рабочей части электрода, выполняющего функцию катода, имеет осесимметричную форму в виде боковой поверхности конуса, обращенного вершиной в сторону разрядного пространства. Конструкция КДКЛ, выбранной в качестве прототипа, с учетом ее аппаратурного использования в качестве излучающего элемента исполнительного органа устройства ОЭП совершенно оправдана, поскольку обеспечивает формирование минимального по размерам и обладающего максимальной яркостью светящего тела, но с точки зрения пространственного распределения генерируемого лампой ИК излучения не является оптимальной. Действительно, пространственное распределение генерируемого КДКЛ ИК излучения формирует светящее тело разряда, которое с достаточно высокой степенью приближения можно отождествить с равнояркой шаровой излучающей поверхностью, радиус которой составляет половину величины разрядного промежутка, но полезное излучение формирует лишь та его часть, которая ориентирована в сторону активной поверхности парабалоидного зеркального отражателя. Остальная часть генерируемого КДКЛ ИК излучения, вне угла охвата параболоидного отражателя, в формировании потока излучения повышенной концентрации не используется, что существенно влияет на величину коэффициента полезного действия исполнительного органа устройства ОЭП, величина которого тем выше, чем большая доля формируемого светящим телом КДКЛ излучения поступает на зеркальный отражатель при фиксированном угле охвата.
Таким образом, недостаток КДКЛ для устройства ОЭП, выбранной в качестве прототипа, заключается в практической невозможности компенсации непроизводительных потерь интегрального потока формируемого КДКЛ ИК излучения при ее использовании в качестве излучающего элемента светооптической пары «излучающий элемент- отражатель» в составе исполнительного органа направленного действия устройства ОЭП.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в уменьшении рассеяния формируемого КДКЛ потока ИК излучения за пределы углов его полезного использования параболоидным зеркальным отражателем, входящим в состав исполнительного органа устройства ОЭП ИК ГСН УР.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции КДКЛ, предназначенной для использования в составе устройства ОЭП ИК ГСН, заключается в повышении эффективности функционирования устройства ОЭП за счет увеличения интенсивности (пиковой силы) излучения активной помехи, формируемой исполнительным органом направленного типа устройства ОЭП, посредством повышения коэффициента полезного действия входящего в состав исполнительного органа светооптического блока.
Заявляемая КДКЛ для устройства ОЭП, как и КДКЛ для устройства ОЭП, выбранная в качестве прототипа, содержит разрядную камеру, образованную в пределах прямой трубчатой оболочки из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой герметично установлены электродные узлы, причем поверхность рабочей части электрода, выполняющего функцию катода, имеет осесиметричную форму в виде боковой поверхности конуса, обращенного вершиной в сторону разрядного пространства.
Отличие заявляемой КДКЛ для устройства ОЭП от прототипа состоит в том, что в разрядной камере установлен отражатель в виде расположенного перпендикулярно относительно продольной оси разрядной камеры и снабженного сквозным центральным отверстием, в котором жестко закреплен электрод, выполняющий функцию катода, диска, выполненного из твердого с высокой термостойкостью материала, причем наружний диаметр диска соответствует внутреннему диаметру оболочки из бесцветного лейкосапфира, поверхность диска, обращенная в сторону разрядного пространства, выполнена с возможностью отражения ИК излучения, а расстояние вдоль продольной оси разрядной камеры от поверхности диска, обращенной в сторону разрядного пространства, до вершины конусной поверхности рабочей части электрода, выполняющего функцию катода, составляет:
2,44R≤L≤3,70R,
где L - расстояние вдоль продольной оси разрядной камеры от поверхности диска, обращенной в сторону разрядного пространства, до вершины конусной поверхности рабочей части электрода, выполняющего функцию катода, a R - радиус основания конусной поверхности рабочей части электрода, выполняющего функцию катода.
Первое дополнительное отличие состоит в том, что отражатель в виде снабженного сквозным центральным отверстием диска выполнен из никеля.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемой КДКЛ для устройства ОЭП.
Заявляемая КДКЛ для устройства ОЭП содержит выполненную из бесцветного лейкосапфира прямую трубчатую оболочку 1, на противоположных концах которой установлены электродные узлы (на фиг. 1 показан только один из них) в составе электрода (в данном случае - катода) 2, держателя электрода 3 и герметизирующего элемента 4. Держатель 3 снабжен глухим осевым отверстием, в котором установлен керн электрода (катода) 2. Герметичность внутренней полости (разрядной камеры) оболочки 1 обеспечена посредством охватывающего спая (на фиг. 1 не показан) с наружной поверхностью оболочки 1 в зоне ее торца. Выполнение подобного рода спая известно, в частности при изготовлении КДКЛ с оболочкой из бесцветного лейкосапфира [13], и не требует специального пояснения. Разрядная камера оболочки 1 заполнена плазмообразующей средой в виде инертного газа ксенона, давление которого составляет 8-15 атм. Поверхность рабочей части электрода (катода) 2, выполненного из вольфрама, имеет осесимметричную форму в виде боковой поверхности конуса, обращенного вершиной в сторону разрядного пространства. В разрядной камере оболочки 1 установлен отражатель в виде диска 5, снабженного сквозным центральным отверстием, в котором жестко закреплен керн электрода 2. В данном конкретном случае диск 5 выполнен из никеля, причем его торцевая поверхность, обращенная в сторону разрядного пространства оболочки 1, выполнена зеркальной за счет механической обработки материала диска 5 - шлифовки и полировки.
Особенность функционирования КДКЛ предлагаемой конструкции заключается в следующем. Обращенная в сторону разрядного пространства оболочки 1 зеркальная поверхность диска 5 отражает падающее на нее излучение, формируемое светящим телом разряда, увеличивая, тем самым, долю интегрального потока формируемого КДКЛ ИК излучения, ориентированного в сторону активной поверхности параболоидного зеркального отражателя, который, как было указано выше, размещен в зоне анодного узла КДКЛ (на фиг. 1 не показан). По существу диск 5, установленный в разрядной полости оболочки 1, выполняет функцию контротражателя, предназначенного для повышения концентрации потока оптического излучения (увеличения интенсивности излучения в требуемом направлении) за счет экранировки (отражения) прямого излучения излучающего элемента светооптической пары «излучающий элемент-отражатель» [14]. Следует отметить, что использование такого элемента-контротражателя, совмещенного с входящим в состав прожекторной установки излучающим элементом, известно, однако, как правило, роль контротражателя выполняет частично зеркализованная оболочка используемых в прожекторных установках ламп накаливания [14], а предлагаемая конструкция КДКЛ для устройства ОЭП используется впервые.
Материал, из которого изготовлен диск 5 с учетом его функционального назначения и условий эксплуатации, должен удовлетворять ряду требований. Так, коэффициент отражения его торцевой поверхности, обращенной в сторону разрядного пространства оболочки 1, в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм должен быть максимально высок, т.е величина интенсивности отраженного в сторону разрядного пространства ИК излучения должна быть максимально приближена к величине интенсивности падающего на нее излучения. Температура плавления материала, из которого изготовлен диск 5, должна быть не ниже рабочей температуры электрода 2, выполняющего функцию катода, вне зоны его рабочей части, а температурный коэффициент линейного расширения указанного материала при данной температуре должен быть сопоставим, а, желательно, даже выше коэффициента линейного расширения вольфрама, из которого изготовлен электрод 2. Анализ свойств различных материалов показывает, что совокупности перечисленных выше требований в наибольшей степени соответствует никель. Действительно, никель - это твердый пластичный металл, позволяющий производить его механическую обработку - шлифовку и полировку. Коэффициент отражения никеля в спектральном диапазоне от 3,5 до 5,0 мкм составляет 0,88-0,94 [15]. Температура плавления никеля - 1453°С, что значительно выше рабочей температуры выполненного из вольфрама катода (электрод 2) вне зоны его рабочей части, величина которой, как это следует из работы [16], составляет порядка 900-1000°С. Температурный коэффициент линейного расширения никеля при температуре порядка 1000°С превосходит температурный коэффициент линейного расширения вольфрама [17], что позволяет осуществить надежное соединение двух деталей, собранных с запрессовкой, одна из которых снабженный сквозным центральным отверстием диск 5, а другая - стержневой керн электрода 2.
Совершенно очевидно, что с точки зрения функционального назначения диска 5 его отражающая поверхность, обращенная в сторону разрядного пространства оболочки 1 и перпендикулярная продольной оси оболочки 1 и, соответственно, электрода 2, должна быть максимально приближена к светящему телу разряда при сохранении геометрии поверхности рабочей части катода-электрода 2 для обеспечения максимальной яркости светящего тела разряда. Как следует из работы [18] наибольшая яркость разряда имеет место, если угол α конической части рабочей поверхности электрода 2 составляет от 30° до 45°, а, поскольку, согласно фиг. 1:
где L - расстояние вдоль продольной оси разрядной оболочки 1 от отражающей (зеркальной) поверхности диска 5, обращенной в сторону разрядного пространства оболочки 1, до вершины конусной поверхности рабочей части электрода 2, a R - радиус основания конусной поверхности рабочей части электрода 2, то величина L составляет:
2,44R≤L≤3,70R
Таким образом, предлагаемая конструкция КДКЛ для устройства ОЭП обеспечивает уменьшение рассеяния формируемого КДКЛ потока ИК излучения за пределы углов его полезного использования параболоидным зеркальным отражателем, входящим в состав светооптической пары «излучающий элемент-отражатель» исполнительного органа устройства ОЭП, и, соответственно, обеспечивает повышение коэффициента использования генерируемого КДКЛ ИК излучения, что повышает эффективность функционирования устройства ОЭП за счет увеличения пиковой силы формируемого им излучения активной помехи при неизменной величине энергопотребления.
Заявляемая КДКЛ совместима с используемыми на практике устройствами ОЭП ИК ГСН УР и дает возможность модернизации этих устройств при минимальных затратах времени и средств непосредственно у пользователя устройства ОЭП.
КДКЛ для устройства ОЭП в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий, материалов и стандартного оборудования.
Литература:
1. Куркоткин В.И., Стерлигов В.Л. Самонаведение ракет, М: Военное издательство МО СССР, 1963.
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., 1998.
3. Зарубежное военное обозрение, 2005, №12, с. 37.
4. Корякин Н.А. Световые приборы, М.: Высшая школа, 1975.
5. Трембач В.В. Световые приборы, М.: Высшая школа, 1990.
6. Маршак И.С. и др. Импульсные источники света, М.: Энергия, 1978.
7. Басов Ю.Г. и др. Специальная светотехника, Минск: Издательский центр БГУ, 2008.
8. Капцов Н.А., Гоухберг Д.А. Лампы сверхвысокого давления, М.: Успехи физических наук, т. XLIII, вып. 4, 1951.
9. Зайдель А.Н. и др. Таблицы спектральных линий, М.: Гос. Изд. Физико-теоретической литературы, 1952.
10. Маршак И.С. Современные высокоинтенсивные источники света, М.: итоги науки и техники, серия: Светотехника и инфракрасная техника, т. 4, 1976.
11. Воронкова Е.М. и др. Оптические материалы для инфракрасной техники, М.: Наука, 1965.
12. Патент РФ на ПМ №93582, 27.04.2010 Бюл. №12.
13. Патент РФ на ПМ №88210, 27.10.2009 Бюл. №30.
14. Айзенберг Ю.Б. Световые приборы, М.: Энергия, 1980.
15. Сарычев Г.С. Облучательные светотехнические установки, М.: Энергоиздат, 1992.
16. Светотехника, 1972, №12, с. 13-15.
17. Григорьева И.Е. и др. Физические величины: Справочник, М. Энергоиздат, 1991.
18. Светотехника, 1990, №5, с. 17-19.