Результат интеллектуальной деятельности: Способ создания комбинированной низкотемпературной помехи для ложной цели или маскировочной завесы

Изобретение относится к способам создания комбинированной низкотемпературной помехи для ложной цели или маскировочной завесы для защиты наземных гражданских и военных объектов от высокоточного оружия (ВТО) противника, наводимого и действующего одновременно в инфракрасном (ИК), радиолокационном (РЛ) диапазонах длин волн электромагнитного излучения (ЭМИ) и лазерном спектре излучения.

В настоящее время наземные или морские объекты, например корабль или танк, легкоуязвимы для средств наземной и авиационной, морской и сухопутной разведок и средств наведения боеприпасов, атакующих с разных направлений и наводимых ИК, РЛ, лазерными и комбинированными системами управления ВТО.

По этой причине актуальной является задача создания комбинированных помех (маскирующих завес и ложных целей), одновременно действующих достаточно длительное время в указанных диапазонах длин волн ЭМИ.

В арсенале большинства высокоразвитых стран имеется ВТО с системами наведения на цель. работающими одновременно в радиолокационной (сантиметровый и миллиметровый диапазоны длин волн), лазерной и в длинноволновой инфракрасной областях спектра. При всех системах наведения для защиты объекта путем постановки ложной цели или маскировочной завесы приходится действовать в условиях острого дефицита времени, т.е. против уже подлетающего боеприпаса или после установления факта обнаружения цели противником, например при фиксации лазерного луча, направленного противником на цель. Для современных средств ВТО характерно наведение средств поражения по физическим полям и характеристикам защищаемого низкотемпературного объекта (температура и температурный контраст, коэффициент отражения, эффективная поверхность рассеяния и т.д. [А.И. Палий. Радиоэлектронная борьба - М.: Воениздат, 1989. - 350 с.], и чем сильнее они совпадают с характеристиками ложной цели или маскирующей завесы, тем сложнее отселектировать объект от ложной цели или обнаружить его после постановки маскирующей завесы и эффективнее его защита.

Для создания маскировочных завес используются многоэлементные пиротехнические аэрозолеобразующие составы на основе красного фосфора (см. например, патенты РФ 2387627 МПК C06D 3/00, 2357945 МПК C06D 3/00, 2083539 МПК C06D 3/00, 2398181 МПК F42B 12/48 и т.д.) или металлохлоридной смеси (см. например, патент РФ 2355669 МПК C06D 3/00), создающие дымовую маскирующую завесу в ИК и видимом диапазонах. При горении фосфора красного образуется густое облако, излучающее в ИК диапазоне, которое препятствует проникновению длинноволнового (10-14 мкм) ИК излучения средств обнаружения и наведения. Дымовая завеса на основе металлохлоридной смеси эффективна в видимом и ближнем ИК (2-5.6 мкм) диапазонах.

Основными недостатками пиротехнических аэрозолеобразующих составов на основе красного фосфора является высокая температура его открытого горения в воздухе в конденсированной фазе, малое время действия и неэффективность завес в РЛ и лазерном областях спектра. Температура горения фосфора в воздухе около 1000°C [Шишловский А.А. Основы пиротехники - Гос. изд-во Военной промышленности, 1954. -284 с.].

Маскировочные завесы и ложные цели устанавливаются специальными аэрозолеобразующими гранатами и снарядами (см., например, патенты РФ 2398181 МКК F42B 12/48, F42B 27/00, 2187062 МПК F41H 9/06, F42B 5/155, 2255296 МПК F42B 12/70).

В качестве аналога выбран способ создания низкотемпературной ложной тепловой цели по патенту РФ 2403531, МПК F41H 9/06, F42B 12/70. Способ заключается в разбрасывании вращающимся снарядом сгораемых кольцеобразных элементов на основе стеклоткани, пропитанной образующим ИК-излучение составом и нанесенным на него огнепреградительным материалом. За счет аэродинамического торможения элементов в воздухе и их открытого горения в воздухе образуется высокотемпературное пламя, имеющее значительный удельный выход в ИК диапазоне спектра.

Указанный способ обладает следующими недостатками:

1) горящие элементы создают в атмосфере и на грунте аэрозольное образование, обеспечивая защиту объекта в ИК-диапазоне, создавая при открытом горении в воздухе высокотемпературное пламя, и неэффективны для лазерных и РЛ систем наведения, созданная ложная цель или маскирующая завеса может быть отселектирована от низкотемпературного защищаемого объекта;

2) вследствие большого удельного веса основы помехового элемента, пропитанного ИК составом, такие элементы имеют большую скорость осаждения и малое время действия ИК ложной цели или маскирующей завесы, что недостаточно для эффективной защиты от современных систем ВТО. Кроме того, ИК излучатели состоят из пластин стеклоткани, покрытых специальными составами, содержащими сложные многокомпонентные составы. Стеклоткань не сгорает и остается после действия цели, нарушая экологию среды. Приготовление этих составов и нанесение на подложку может быть произведено только в условиях специального пиротехнического предприятия, что увеличивает стоимость излучателей;

3) в принципе невозможна одновременная постановка в атмосфере аэрозольной ложной цели и маскировочной завесы, эффективной в ИК, РЛ и лазерном диапазонах длин волн ЭМИ.

Известен способ создания дымовой завесы путем образования маскирующего экрана, в состав которого входят ленточно-спиральные элементы, представляющие собой прямоугольные свернутые в спираль лепестки из легкой ткани (шелк, миткаль), на которые нанесены с одной стороны слой дымообразующего состава для защиты в видимой области спектра, а с другой - слой пиротехнического состава для защиты в инфракрасной области спектра, при этом элементы прострочены металлической нитью для образования защиты в радиолокационном спектре излучения (Патент РФ 2202094, МПК F41H 11/02). Данный способ выбран за прототип.

Недостатком данного способа является то, что

1. Защита низкотемпературного объекта в ИК диапазоне осуществляется за счет высокотемпературного открытого горения с участием кислорода воздуха, многокомпонентных пиротехнических составов, нанесенных на основу элемента с одной стороны, и имеет в спектре излучения высокую интенсивность видимого излучения и уменьшенную интенсивность излучения в длинноволновой области ИК спектра. Созданная высокотемпературная маскирующая ИК завеса может быть отселектирована от низкотемпературного защищаемого объекта.

2. Высока сложность изготовления ИК излучателей, состоящих из тканевой основы и покрытых различными специальными сложными многокомпонентными составами с двух сторон.

3. Выбор пиротехнических и дымообразующих составов, а также их характеристик, прострочка металлической нитью (прострочка предполагает непрерывную нить, а не резонансные диполи, что малоэффективно в РЛ, особенно в коротковолновой части миллиметрового диапазона) должны осуществляться с учетом диапазона длин волн видимого, ИК и РЛ спектров излучения, в пределах которого необходима защита поражаемого объекта.

Задачей, решаемой предлагаемым способом, является повышение эффективности радиопротиводействия, создаваемого комбинированной низкотемпературной ложной цели или маскирующей завесы за счет усовершенствования ленточных и ленточно-спиральных элементов для повышения показателей ложной цели или маскировочной завесы и более эффективного при использовании в системах радиопротиводействия.

Поставленная задача решается благодаря тому, что комбинированная низкотемпературная ложная цель или маскирующая завеса создается за счет доставки боеприпасов со снаряжением в заданные координаты воздушного пространства посредством соответствующих средств и рассеиванием аэрозолеобразующих элементов на гибкой основе. Элементы выполняются на основе бумаги. Горение элементов происходит в форме их внутреннего горения - тления, за счет ввода в него твердой фазы окислителя, который выделяет кислород, при нагреве окислителя до температуры его разложения не выше 500°C за фронтом горения (тления), что позволяет поддерживать устойчивым процесс низкотемпературного режима горения в форме «тлеющего горения» без участия кислорода воздуха.

По результатам исследования всех доступных аналогов, относящихся к указанной области возможного использования, не выявлено технических решений, где бы в данной совокупности использовались указанные ограничительные признаки. Следовательно, можно считать, что заявленное техническое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Проведенный сопоставительный анализ предложенного технического решения с выявленными аналогами уровня техники, из которого изобретение явным образом не следует для специалиста по защите объектов от высокоточного оружия, показал, что оно не известно, а с учетом возможности промышленного серийного изготовления ложной цели можно сделать вывод о соответствии критериям патентоспособности.

Отсутствие открытого пламени при горении аэрозолеобразующего элемента в воздухе уменьшает интегральную температуру ложной цели или маскировочной завесы, при этом спектр излучения смещается в сторону длинноволновой части ИК диапазона. Ленточные или ленточно-спиральные элементы или элементы другой формы выполняются на основе из бумаги толщиной 0.05 - 1.0 мм. Толщина бумаги определяет скорость горения, которая обратно пропорциональна толщине основы, исходя из которой определяют необходимую скорость горения элемента.

Кроме того, выбор отношения длины элемента к его ширине определяется решением необходимой постановкой задачи противодействия. Экспериментально установлено, элементы могут быть типа полосок с отношением длины элемента к его ширине более 2-4, которые при падении в атмосфере будут вращаться вокруг большей его оси симметрии и создавать "мерцающую" завесу, с величинами эффективной поверхности рассеяния и интенсивности отражения лазерного излучения, равными средней величине всех хаотически падающих элементов. Изменяя геометрию элемента, можно уменьшать вращение их или осуществлять падение без вращения, что дает возможность выбора воздействия на радиолокационную систему обнаружения или наведения.

Были исследованы механизмы падения элементов в воздухе. Оказалось, что существует два основных механизма падения: это падение элемента по типу "кленового листа" и вращение элемента вокруг оси, проходящей через половину меньшего размера (минимального момента инерции элемента) его ширины. Скорость вращения элемента при падении зависит слабо от его размеров, главным образом ширины. Таким образом, для вращающегося элемента необходимо, чтобы отношение его длины к его ширине составляло не менее 2-4.

При длине элемента, близкой к его ширине, характер падения меняется и преимущественное движение происходит по типу падения кленового листа. Скорость вращения вокруг оси с минимальным моментом инерции растет с уменьшением ширины элемента вплоть до его размеров порядка 1,5-2 см. Соотношение длины и ширины определяется жесткостью основы элемента и может быть, в зависимости от его толщины, более 10. Выбором геометрии лепестка, например, сложением его в угол, вращение его можно избежать.

Если помеховый элемент имеет отношения его длины к ширине более 2-4, то под действием аэродинамических сил, возникающих при его падении в воздухе, он начнет устойчиво вращаться вокруг наименьшего момента инерции - его ширины. Для систем ВТО, работающих в лазерном и РЛ (миллиметровом) областях спектра, он будет представлять собой вращающееся «зеркало» и рассеивать отраженную энергию по пространству. Это дополнительное поглощение (связанное с рассеиванием и невозможностью использования такого рода рассеянной энергии для средств наведения) будет эквивалентно аномальному поглощению в веществе. Учитывая, что доля рассеянной энергии, которая может быть использована для наведения или целеуказания, находится в ограниченных углах и при отражении от вращающихся отражателей еще меняется по времени, по фазе, по ориентации помеховых элементов пространстве, то эффективность такой ложной цели или маскировочной завесы возрастает.

Введение окислителя в элемент осуществляется пропиткой основы элемента водным раствором окислителя с температурой разложения при нагревании не более 500°C, например марганцевокислого калия, и при высыхании содержанием его в горючей основе в твердом виде, покрытием с двух сторон однородным сплошным слоем пудры алюминия в связующем, например, на основе целлулоида или полистирола или другого материала с толщиной металлического покрытия не менее максимальной толщины скин-слоя в заданном диапазоне частот.

Величина скин-слоя определяет глубину проникновения электромагнитного излучения в металл [А.Н. Матвеев. Электричество и магнетизм. (Первое изд. М.: Высшая школа, 1983. 463 с.]. При толщине металла менее толщины скин-слоя величина отражения электромагнитного излучения от металла резко уменьшается и помеховый элемент становится неэффективным в РЛ диапазоне длин волн.

Нанесенный на основу помехового элемента слой металла эффективно отражает и рассеивает излучение в радио- и лазерном диапазонах длин волн.

С целью создания низкотемпературного "тлеющего" излучателя был осуществлен ввод в материал элемента - поры бумаги, твердой фракции окислителя, например, на основе марганцевокислого калия. Наличие твердой фазы окислителя в горючем позволяет ему выделять кислород только при нагреве окислителя до температуры разложения его за фронтом горения, поддерживать устойчивым процесс низкотемпературного режим горения в форме «тлеющего горения» без использования кислорода окружающего воздуха.

Для создания источников излучения используются водные растворы, что устраняет опасности технологического характера и дает возможность организации производства на привлеченных заводах. Ресурсы марганцевокислого калия значительны в связи с применением его в медицине, а стоимость приемлема для создания ИК источников в сравнении с другими видами окислителей.

Низкотемпературное горение (тление) элемента, пропитанного водным раствором марганцевокислого калия и далее высушенного, обеспечивается тем, что разложение марганцевокислого калия с выделением кислорода происходит при температуре 200°C. Это разложение обеспечивает распространение фронта горения (тления) основы элемента, после его поджига, с температурой ниже 700°C, меньшей, чем у пиротехнических элементов на основе красного фосфора и близкой к интегральной температуре защищаемых объектов. Интегральная температура источника оценивалась по цветовой температуре фронта горения.

Время горения элемента помехового ИК источника излучения оказалось пропорционально толщине его основы. Так, экспериментально определено, что время горения 6 см длины элемента при толщине 0,1 мм составляет порядка 60 с, при толщине 0,2 мм - 120 с, при 0,5 мм - 300 сек. Таким образом, существует линейная зависимость скорости горения от толщины элемента.

Для увеличения мощности низкотемпературного ИК источника излучения его элементы могут быть сделаны тонкими, что позволит выделиться энергии при горении первоначального объема элемента в течение малого времени и привести к резкому увеличению мощности источника излучения.

Существенной характеристикой ложной цели или заградительной маскировочной завесы, создаваемой тлеющими элементами, является время ее жизни, которое определяется высотой постановки и скоростью падения элемента на землю, после чего ложная цель или маскировочная помеха перестает существовать.

Для одновременной эффективной работы комбинированной низкотемпературной помехи для маскировочной завесы или ложной цели на поверхность элемента наносится алюминиевая пудра (например, ПАП-1 ГОСТ 5494-95) в связующем, например, на основе целлулоида или полистирола с толщиной не менее толщины скин-слоя в заданном диапазоне частот. Однако отражающие поверхности являются металлами, которые в свою очередь обладают большой теплопроводностью. Вещества с большой теплопроводностью с толщиной, сравнимой с толщиной источника излучения, нагреваются в процессе его горения и снижают температуру фронта горения тлеющего элемента, что резко увеличивает вероятность его затухания, а при некоторых соотношениях толщин покрытия и толщин элементов затухание горения становится закономерным.

Таким образом, завесы с использованием ИК элементов при соотношении длины и ширины лепестка более 2-4 при их падении вращаются вокруг оси с минимальным моментом инерции, что позволяет использовать их при усилении эффекта поглощения излучения, а также в других военно-технических ситуациях.

При помещении металлического порошка (алюминий) в кислородосодержащую матрицу (раствор динитроцелюлозы в ацетоне) и дальнейшем его нагревании во фронте пламени пленки порошка алюминия, окруженного пленкой динитроцеллюлозы, начинает нагреваться как алюминий, так и нитроцеллюлоза. При этом нитроцеллюлоза выполняет две функции: пленка изолирует частицы алюминия друг от друга, существенно снижая теплопроводность покрытия и отток тепловой энергии от фронта горения, и при достижении фронта горения частиц нитроцелюлоза разлагается с выделением кислорода и горение поддерживает фронт горения основного состава, не давая ему угасать. Проведенные экспериментальные исследования показали устойчивость этого процесса.

В результате экспериментальных исследований установлено, что скорость падения центра тяжести элемента практически не зависит от характера его движения и для элемента толщиной 0.1 мм составляет около 0.3 м/с. При горении тонких элементов за счет конвективных потоков скорость падения будет уменьшаться.

В РЛ диапазоне отражение от помехового элемента сохранялось в тестируемом диапазоне частот от 10 ГГц до 140 ГГц. В лазерном диапазоне частот отражение от помехового элемента сохранялось в тестируемом диапазоне от 0.6 мкм до 10.6 мкм.

Пример 1. Элемент на основе бумаги толщиной 0.1 мм пропитывался окислителем в водном растворе марганцевокислого калия с концентрацией 8 грамм марганцевокислого калия на 200 мл воды в течение 5 минут и затем просушивался. Далее элемент размером 80×40 мм покрывался с двух сторон однородным сплошным слоем пудры алюминия в связующем (ПАП-1, средняя толщина частичек составляет приблизительно 0,25-0,50 мкм, а средний линейный размер 20-30 мкм) на основе целлулоида с толщиной не менее максимальной толщины скин-слоя в заданном диапазоне частот. Целлулоид растворялся в ацетоне в соотношении - 3 грамма целлулоида на 100 мл ацетона и 8 грамм алюминиевой пудры. Средняя скорость горения элемента составляла 0.9-1 мм/с, средняя скорость падения элемента 0.3 м/с.

Пример 2. Элемент на основе бумаги толщиной 0.1 мм пропитывался окислителем в водном растворе марганцевокислого калия с концентрацией 8 грамм марганцевокислого калия на 200 мл воды в течение 5 минут и затем просушивался. Далее элемент размером 80×40 мм покрывался с двух сторон однородным сплошным слоем пудры алюминия в связующем на основе полистирола с толщиной не менее максимальной толщины скин-слоя в заданном диапазоне частот, полистирол растворялся в ацетоне в соотношении - 6 грамм полистирола на 100 мл ацетона и 10 грамм алюминиевой пудры. Средняя скорость горения элемента составляла 0.6-0.7 мм/с, средняя скорость падения элемента 0.3 м/с.

Использование предлагаемого технического решения позволяет просто создавать комбинированные низкотемпературные ложные цели или маскировочные помехи для защиты от высокоточных систем, работающих одновременно в лазерной, инфракрасной и радиолокационной (преимущественно микроволновой) областях спектра электромагнитного излучения.