Тепловая мишень
THERMAL TARGET

Предлагаемое изобретение относится к полигонному автоматизированному оборудованию, конкретно - к тепловым мишеням-имитаторам реальных объектов с заданными тепловыми характеристиками, предназначенным для обучения стрельбе в условиях ограниченной видимости с использованием инфракрасных прицельных устройств.
Известен ряд конструкций тепловых мишеней для практической стрельбы, например /1/, тепловая сигнатура которых задается посредством электрических резистивных нагревателей одинаковой или различной мощности, расположенных на тыльной стороне мишенного щита. Недостатком конструкций подобного типа являются:
- Достаточно сложная схема соединения нагревателей.
- Разрушение нагревателя или группы нагревателей при поражении мишени, требующее последующего ремонта.
- Возможное разрушение подводящих проводов при поражении мишени.
- Высокие потери энергии в подводящих проводах.
Известна также конструкция тепловой мишени 121, содержащая мишенный щит с механизмом подъема, опорное устройство, а также устройства для нагрева щита или отдельных его теплопоглощающих элементов, в которой тепловая сигнатура задается путем нагрева размещенных в разных заданных зонах на тыльной поверхности мишенного щита теплопоглощающих элементов посредством электрических инфракрасных излучателей или газовых горелок. В данной конструкции нагрев теплопоглощающих элементов мишени осуществляется за счет конвективно-лучистого переноса тепла (совместный перенос тепла излучением и конвекцией).
Недостатки у данной конструкции следующие:
- Большие энергетические затраты в случае использования для нагрева электрических инфракрасных излучателей.
- Повышенная опасность при использовании для нагрева газовых горелок, требующих соответствующего газобаллонного оборудования с возможностью дистанционного управления и регулирования.
- Зависимость нагрева от внешних атмосферных условий, - в случае наличия воздушных потоков с тыльной стороны мишенного щита непредсказуемы условия конвективной составляющей теплопереноса.
- Необходимость в отдельной защите от поражения устройств для нагрева, ввиду того, что они конструктивно расположены близко к мишенному щиту, и нагрев мишени осуществляется при поднятом положении щита.
Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является тепловая мишень /3/, содержащая мишенный щит с механизмом подъема, опорное устройство, а также устройство для нагрева щита или отдельных его теплопоглощающих элементов, в которой устройство для нагрева представляет собой надувную многокамерную конструкцию типа подушки из эластичного газонепроницаемого материала и размещается на земной поверхности полигона\стрельбища.
В этой конструкции нагрев мишенного щита (или отдельных его теплопоглощающих элементов для задания необходимой тепловой сигнатуры) осуществляется при его опущенном состоянии, - щит опускается с опорой на подушку, в камеры которой по шлангу подается нагретый воздух\газ от нагревателя, поэтому особых защитных средств (кроме обычного насыпного бруствера) от поражения устройства для нагрева, здесь не предусмотрено.
Однако, и данная конструкция не лишена недостатков, основными из которых являются:
- Тепловые потери с боковых поверхностей греющей подушки, с донной ее поверхности, а также с выходящим из ее полости через специально предусмотренные отверстия нагретым воздухом\газом, приводящие к повышенным энергозатратам.
- Потери энергии на теплопередачу в системе "нагретый воздух\газ -материал подушки - элемент мишенного щита".
- Возможность искажения тепловой сигнатуры мишени за счет конвективно-лучистого переноса тепла вверх от поверхности подушки при поднятом мишенном щите.
- Непредсказуемый нагрев не только отдельных заданных зон мишенного щита, снабженных теплопоглощающими элементами, но и щита в целом вследствие эластичности материала подушки.
Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на нагрев мишенного щита или его отдельных заданных зон с созданием тепловой сигнатуры адекватной реальному объекту.
Решение задачи достигается тем, что в известной тепловой мишени, содержащей мишенный щит с механизмом подъема, опорное устройство, а также устройство для нагрева щита или отдельных его теплопоглощающих элементов, в соответствии с изобретением устройство нагрева размещено внутри опорного устройства и выполнено в виде нагревательного индуктора, снабженного механизмом регулируемого перемещения внутри полости опорного устройства.
Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.
В соответствии с определением /4/ индуктор - часть электрической машины, отвечающая за создание в ней рабочего магнитного потока. Основное назначение индуктора - генерация переменного магнитного поля.
Индукционный нагрев металлов 151 основан на двух физических законах: законе электромагнитной индукции Фарадея-Максвелла и законе Джоуля-Ленца. Металлические тела (заготовки, детали и др.) помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в них вихревое электрическое поле. ЭДС индукции определяется скоростью изменения магнитного потока. Под действием ЭДС индукции в телах протекают вихревые (замкнутые внутри тел) токи, выделяющие теплоту по закону Джоуля-Ленца. Т.е ЭДС индукции генерирует в металле переменный ток, тепловая энергия, выделяемая данным током, является причиной нагрева металла. Причем, передача электрической энергии непосредственно в нагреваемое тело не требует контактных устройств.
Таким образом, при использовании цельнометаллического мишенного щита или же имеющего в конструкции в качестве отдельных его теплопоглощающих элементов металлические токопроводящие материалы, будучи помещенными в переменное магнитное поле, они будут нагреваться вследствие теплового действия вихревых токов, наводимых в участках щита, находящихся в зоне действия индуктора.
Нагревательный индуктор может быть выполнен в виде катушки (обмотки соленоида), совокупности плоских спиралей\зигзагов, снабженных в случае необходимости соответствующим магнитопроводом, а также в виде плоского осесимметричного тела с размещенными по периметру его контура, или же на максимальном удалении от геометрического центра постоянными магнитами с чередованием полярности полюсов, ориентированных перпендикулярно его плоской поверхности, и снабженного приводом вращения относительно центральной оси симметрии.
При использовании нагревательного индуктора по последнему из вышеприведенных вариантов, - генерирующего вращающееся магнитное поле, - он может быть выполнен, например, в виде диска, или в виде треугольника Рело, позволяющего воздействовать переменным магнитным полем практически на всю поверхность теплопоглощающего элемента.
В зависимости от конфигурации мишенного щита и требуемой тепловой сигнатуры мишени механизм регулируемого перемещения индуктора может быть выполнен как типа простого винтового механизма, обеспечивающего перемещение по одной координатной оси, так и совокупности из двух винтовых механизмов, обеспечивающих перемещение индуктора в пределах полости опорного устройства по двум взаимно перпендикулярным координатным осям. Также дополнительно индуктор может быть снабжен и приводом регулируемого вертикального перемещения для регулировки зазора между ним и мишенным щитом, а тем самым -величины магнитного потока, осуществляющего индукционный нагрев. Здесь может быть использован кулачковый механизм.
Мишенный щит целесообразно выполнять из пластика фольгированного, например, алюминием. Для обеспечения более точных тепловых сигнатур путем некоторой "фиксации" зон нагрева фольговое покрытие может быть фрагментировано, например путем удаления тонких полосок металлической фольги, с образованием на поверхности мишенного щита мозаичной структуры из одинаковых или разных несоприкасающихся сторонами геометрических фигур. Ввиду малой теплопроводности материала пластика (относительно металла фольги), нагреву будут подвергаться только те фрагменты фольгового покрытия, которые подверглись воздействию переменного магнитного поля индуктора, то есть зоны нагрева могут быть локализованы в наперед заданных ограниченных областях мишенного щита.
Изобретение поясняется следующей графической информацией:
На фиг. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема устройства тепловой мишени (мишень №8 - ростовая фигура).
На фиг. 2 - варианты исполнения индуктора, генерирующего вращающееся магнитное поле.
На фиг. 3 - вариант исполнения мишенного щита.
Тепловая мишень (фиг. 1) содержит мишенный щит 1 с механизмом подъема 2, опорное устройство 3, и размещенное внутри него устройство для нагрева щита или отдельных его теплопоглощающих элементов - нагревательный индуктор 4, генерирующий вращающееся магнитное поле, снабженный механизмом регулируемого перемещения внутри полости опорного устройства. Для защиты от возможного воздействия атмосферных осадков и попадания посторонних предметов полость опорного устройства 3 защищена сверху, например, тонкой пленкой 5. Стрелками на иллюстрации показаны возможные перемещения вращающегося индуктора внутри полости опорного устройства.
Для упрощения изображения механизм (совокупность механизмов) перемещения индуктора внутри полости опорного устройства и проводные линии электропитания индуктора здесь условно не показаны.
Нагревательный индуктор 4, генерирующий вращающееся магнитное поле, выполнен или в виде диска, с размещенными по периметру его контура постоянными магнитами 6 с чередованием полярности полюсов, ориентированных перпендикулярно его плоской поверхности (Фиг. 2а), или в виде треугольника Рело, с размещением постоянных магнитов 6 по периметру на максимальном удалении от геометрического центра (Фиг. 26).
Мишенный 1 щит (фиг. 3) выполнен из пластика 7 фольгированного, например, алюминием 8. Для обеспечения более точных тепловых сигнатур зон нагрева фольговое покрытие фрагментировано путем удаления тонких полосок металлической фольги с образованием на поверхности мишенного щита мозаичной структуры из одинаковых или разных геометрических фигур 8, разделенных некоторыми промежутками 9, теплопередача по которым значительно ниже, чем по металлу фольги. Снаружи на фольговое покрытие защищено от атмосферного воздействия и снижения тепловых потерь тонкой полимерной пленкой или бумагой 10 с внешним влагозащитным слоем, на которую может быть нанесено изображение объекта поражения или отдельных его элементов.
Нагрев мишенного щита или отдельных его теплопоглощающих элементов для создания заданной тепловой сигнатуры и последующее использование мишени осуществляются следующим образом.
Мишенный щит 1 изначально располагается на опорном устройстве 3 в опущенном состоянии с прилеганием его поверхности к защитной пленке 5. Индуктор 4, (например, в виде диска) приводится во вращение, и вследствие наличия на нем постоянных магнитов 6, установленных с чередованием полярности полюсов и ориентированных перпендикулярно его плоской поверхности, генерирует вращающееся переменное магнитное поле. Одновременно соответствующим приводом/приводами осуществляется перемещение индуктора 4 по заданной траектории и характеру движения внутри полости опорного устройства 3. При взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля индуктора 4 с отдельными фольговыми фрагментами 8 мишенного щита 1, находящихся в зоне действия индуктора, они нагреваются вследствие теплового действия наводимых вихревых токов.
В случае, когда между фольговыми элементами 8 будут иметься промежутки 9 (имеющие низкую теплопроводность), зона нагрева будет ограничена некой геометрической фигурой, образованной совокупностью отдельных фольговых фрагментов 8, подвергнутых воздействию переменного магнитного поля индуктора 4. Таким образом можно получить тепловую сигнатуру мишени (отдельных ее участков) адекватную реальному объекту.
Т.к. несущий материал мишенного щита - пластик 7 имеет более низкую теплопроводность, чем металл фольги 8, тепловое излучение нагретых зон мишенного щита будет распространяться преимущественно во фронтальном направлении, без существенных потерь вследствие малой толщины защитной тонкой полимерной пленки (бумаги) 10.
По завершении индукционного нагрева по команде с пульта управления (или автоматически) мишенный щит 1 поднимается с помощью механизма подъема 2, - мишень готова для обучения стрельбе в условиях ограниченной видимости с использованием инфракрасных прицельных устройств. Регистрация попаданий осуществляется традиционными способами.
Предварительные испытания лабораторного образца с электропитанием от автомобильной аккумуляторной батареи (12 В, 60 А⋅ч) показали снижение энергопотребления по сравнению с использованием устройств нагрева сопротивлением приблизительно на 15…18% при номинальной потребляемой мощности 270…300 Вт. При этом после нагрева мишень сохраняет необходимую тепловую сигнатуру в течении 4…6 минут (в зависимости от окружающих климатических условий), что вполне достаточно для выполнения упражнений при стрельбе как с использованием стрелкового, так и артиллерийского вооружения.
Нагрев мишени может производиться многократно и не зависит от разрушаемости мишенного щита, сам же мишенный щит имеет высокую ремонтопригодность в связи с простотой конструкции и доступности отечественных конструктивных материалов.
Отработка огневых задач в условиях ограниченной видимости по подобным мишеням-имитаторам различного типа с использованием практических или штатных боеприпасов позволит существенно повысить боеспособность личного состава мотострелковых и артиллерийских подразделений сухопутных войск.
Источники информации
1) Патент Великобритании GB 2257499 A Heat generating target, F41J 1/08, 1991.
2) Патент США US 4260160A Target device for practice shooting in darkness, F41J 2/02, F41J 1/08, F41J 5/08, 1981 - аналог.
3) Патент EP 0638780 A1 Device for heating a swinging target in a shooting range, F41J 2/02, F41J 1/10, 1995 - прототип.
4) https://ru.wikipedia.org/wiki/индуктор.
5) http://electricalschool.info/main/drugoe/235-indukcionnyjj-nagrev-i-indukcionnaja.html