Результат интеллектуальной деятельности: Способ поражения воздушной цели боеприпасом с неконтактным датчиком цели

Изобретение относится к вооружению и военной технике и может быть использовано во взрывателях к боеприпасам для поражения воздушных целей.

Известны способы поражения воздушных целей с помощью боеприпасов, использующих неконтактные датчики цели. Это различные зенитные боеприпасы и ракеты, в которых основным элементом взрывателя является неконтактный датчик цели. Как правило, в этих неконтактных датчиках используются принципы радиолокации. Для исключения срабатывания взрывателя от ложной цели в них используются различные устройства взведения и предохранения на основе сложных алгоритмов обработки информации от различных элементов взрывателя, обеспечивающие различные ступени предохранения боеприпаса от преждевременного подрыва, и которые обеспечивают срабатывание боеприпаса на оптимальном расстоянии от цели (в нужной зоне относительно летательного аппарата).

Необходимость постоянного совершенствования неконтактных датчиков цели обусловлена непрерывным изменением параметров целей, а также наличием у этих целей сложных средств защиты от их обнаружения средствами радиолокации. Серьезные трудности в обнаружении целей возникают и из-за мощного противодействия средств радиоэлектронной борьбы, устанавливаемых на летательных аппаратах, которые создают различные помехи.

Известны также датчики цели, которые регистрируют тепловое излучение от цели и на основе данных регистрации производится управление ракетой. Такие датчики цели получили название тепловых головок самонаведения. Источником теплового излучения для этих датчиков является излучение от двигателей летательных аппаратов. На сегодняшний день известно множество решений по применению в ракетах тепловых головок самонаведения, например, решение, представленное в описании к патенту РФ на изобретение 2419060.

Известен также радиовзрыватель залпового подрыва боеприпасов замедленного действия с оптико-электронным устройством подтверждения наличия цели "аккорд-2к" (Патент РФ №2216709), который дополнительно к радиоканалу снабжен оптическим инфракрасным приемным устройством. Выход оптического инфракрасного приемного устройства соединен со вторым входом схемы И, первый вход которой соединен с формирователем электрического сигнала "Подрыв" от доплеровского радиовзрывателя. Устройство обеспечивает подрыв боеприпаса в момент, когда на выходах инфракрасного приемника и доплеровского радиовзрывателя появляются электрические сигналы.

Тепловые головки самонаведения и радиовзрыватель по патенту РФ №2216709, подвержены воздействию ложных целей, так называемых, «тепловых ловушек» (температура таких «тепловых ловушек» превышает 1000°К), отстреливаемых летательным аппаратом, и поэтому не позволяют определить оптимальное положение боеприпаса по отношению к летательному аппарату при действии радиопомех и тепловых ловушек, которые на практике действуют одновременно. Кроме того, при установке такого оптического инфракрасного приемника (по патенту РФ №2216709) во взрыватель снаряда, летящего со скоростью более скорости звука в воздухе, на его выходе будет непрерывно фиксироваться электрический сигнал высокого переменного уровня в ИК-диапазоне, обусловленный инфракрасным излучением от самого снаряда (уровень ИК-излучения зависит от плотности воздуха и скорости снаряда, которые в полете переменны), что не позволяет создать работоспособное устройство для обнаружения других тепловых целей.

Поэтому процесс создания новых устройств и алгоритмов обработки информации от различных устройств, устанавливаемых в неконтактные датчики цели продолжается (А.Б. Борзов, К.П. Лихоеденко, В.Б. Сучков ВОПРОСЫ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ БОРТОВЫХ НЕКОНТАКТНЫХ ДАТЧИКОВ ЦЕЛИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ВОЛН // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. "Машиностроение". 2010, с. 160-170).

В настоящем техническом решении для целей повышения эффективности работы неконтактных датчиков цели предлагается использовать комбинированный способ радиолокации, а именно, в дополнение к традиционной схеме построения датчиков предлагается добавить пассивную локацию электромагнитного излучения от летательного аппарата и самой ракеты (снаряда). Предлагаемый способ (на основе измерения ИК-излучения) может быть также самостоятельно использован в ракетах и других боеприпасах для обнаружения и поражения целей, летящих в атмосфере воздуха, в том числе, с гиперзвуковой скоростью.

Основные аспекты такого технического решения рассмотрены ниже.

Как известно, при движении тел в атмосфере со скоростями выше скорости звука в зоне движения тела возникают ударные волны. В таких волнах воздух быстро сжимается до больших величин и естественно нагревается. В соответствии с известными законами физики нагретые объекты в зависимости от температуры нагрева излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различной длины. Вот эти физические процессы и предлагается использовать для обнаружения объектов, двигающихся в атмосфере воздуха.

Предлагаемое техническое решение поясняется рисунками. Фиг. 1. Фото высокоскоростного боеприпаса в полете. Фиг. 2. Зависимость спектральной плотности от длины волны излучения абсолютно черного тела при различной температуре (температура в °К). Фиг. 3. Изменение интенсивности тока I на фотоприемнике при сближении и пролете боеприпаса относительно быстролетящей цели: I_Б - интенсивность тока от излучения боеприпаса, на котором установлен неконтактный датчик цели; П - оптимальная точка подрыва.

На фиг. 1 показана известная фотография по регистрации движения в воздухе высокоскоростного боеприпаса (цели). На этой фотографии четко видны зоны возмущения (зоны возникновения ударных волн) в виде конических поверхностей, которые называют «конусом возмущения».

Наблюдения ряда исследователей показывают, что типичная ширина ударной волны в воздухе - 10^-4 мм (порядка нескольких длин свободного пробега молекул). Возмущенный же объем воздуха вокруг тела значительно превышает размеры тела. А поскольку возмущенный объем имеет высокую температуру (из-за сжатия), то принимая его за источник излучения можно сделать вывод, что «излучающая антенна» в виде «конуса возмущения» от этого объема имеет значительные размеры и должна обладать значительной интенсивностью излучения.

Процесс образования ударных волн непрерывно сопровождает тело, летящее со сверхзвуковой скоростью. Возникший в зоне ударных волн источник тепла (источник электромагнитных волн) непрерывно перемещается с телом и отражает координаты этого тела в пространстве.

Практические наблюдения нагрева тел, движущихся со сверхзвуковыми скоростями (в пределах 4-5 единиц Маха) показывают, что эти тела нагреваются до 800-900°К.

Излучение от таких тел подчиняется известному закону Вина. На фиг. 2 приведены известные качественные данные по регистрации излучения тел, нагретых на различную температуру. Из фиг. 2 видно, что при температуре тела менее 900°К излучение происходит на длинах волн более 3 мкм.

Исходя из выше сказанного, можно предположить, что при сверхзвуковом движении воздушных целей максимум электромагнитного излучения, обусловленного ударными волнами от них, будет происходить на длинах волн в диапазоне (2-8) мкм.

Применение пассивных неконтактных датчиков цели с регистраторами электромагнитного излучения в диапазоне длин волн 2-8 мкм, в применяемых средствах ПВО, позволит повысить их эффективность при работе против гиперзвуковых летательных аппаратов, за счет обеспечения возможности выбора оптимального положения боеприпаса, по отношению к летательному аппарату в момент подрыва боеприпаса. И в качестве одного из методов пассивного определения расстояния до цели предлагается использовать метод регистрации электромагнитного излучения, создаваемого летательным аппаратом при движении в атмосфере Земли со сверхзвуковой скоростью. Основные аспекты физики электромагнитного излучения ударными волнами, возникающими при движении тел в атмосфере Земли, известны. Их можно сформулировать следующим образом:

- при движении тела в атмосфере Земли со скоростью, превышающей скорость звука, возникают ударные волны;

- зона ударной волны вокруг тела значительно превышает размеры тела;

- за счет сжатия воздуха в зоне ударной волны последний нагревается;

- температура нагрева воздуха зависит от скорости тела, и для известных конструкций летательных аппаратов, движущихся со скоростью менее 6М, не превышает 900°К;

- диапазон длин волн, излучаемых летательными аппаратами при скоростях движения менее 6М, составляет (2-8) мкм;

- диапазон длин волн для гиперзвуковых летательных аппаратов охватывает видимую часть спектра излучения.

Как известно основным элементом для регистрации электромагнитного излучения является приемник такого излучения. По принципу действия такие приемники делят на две большие группы: тепловые и фотонные. Тепловые приемники основаны на изменении тех или иных свойств, при изменении температуры, образующейся под воздействием падающего лучистого потока, независимо от его спектрального состава. В фотонных приемниках имеет место прямое взаимодействие между падающими фотонами и электронами материала чувствительного элемента. Среди фотонных приемников распространены фотодиоды. На рынке электронной компонентной базы предлагается широкий выбор фотодиодов, пригодных для применения в устройствах для регистрации электромагнитного излучения от тел, движущихся в атмосфере Земли со сверхзвуковыми скоростями.

Для повышения чувствительности приемников к регистрируемому излучению целесообразно применять объективы-рефракторы, позволяющие сфокусировать излучение непосредственно на фоточувствительную площадку фотодиода.

В качестве материала объектива для работы в диапазоне длин волн 2-8 мкм может быть использован германий.

Неконтактный датчик цели с приемником ИК-излучения представляет собой миниатюрное устройство, которое устанавливают в головной взрыватель ракеты или снаряда (неконтактный датчик цели).

Алгоритм работы такого устройства будет заключаться в непрерывной радиолокации и регистрации ИК-излучения в процессе полета боеприпаса от точки пуска до цели. При этом ИК-приемник будет регистрировать и собственное излучение своего носителя (I_Б на фиг. 3), так как тот, также перемещается в атмосфере воздуха со сверхзвуковой скоростью. Излучение будет регистрироваться ИК-приемником после начала работы источника питания приборов. К этому моменту боеприпас отлетит от точки пуска на определенное расстояние и наберет сверхзвуковую скорость. При постоянной скорости и подъеме высоты интенсивность излучения в зоне боеприпаса будет уменьшаться за счет разряжения воздуха. С момента, когда на датчик дойдет ИК-излучение от цели (в том числе, излучение, испускаемое боеприпасом и отраженное от цели), интенсивность тока на ИК-приемнике возрастет. И, если боеприпас и цель сближаются, то эта интенсивность будет расти до момента расхождения боеприпаса и цели (промах), после чего интенсивность начнет уменьшаться. Этот момент, а именно, момент перехода интенсивности через максимум, предлагается использовать в неконтактном датчике цели, как дополнительный параметр, определяющий положение боеприпаса по отношению к цели. Такой прием позволяет вычислительному устройству неконтактного датчика цели (взрывателя) выработать команды на оптимальный подрыв боеприпаса. Коррекция траектории боеприпаса после прохождения интенсивности излучения через максимум (промах) при сверхзвуковых скоростях движения боеприпаса и цели практически невозможна. На фиг. 3 приведена схема изменения интенсивности I тока на приемнике ИК-излучения, установленном в головном взрывателе боеприпаса, во времени t. Момент оптимального подрыва боеприпаса обозначен точкой П. При таком способе определения положения цели по отношению к боеприпасу влияние радиопомех на принятие решения исключается.

Подтверждением возможности создания такой ИК-системы являются данные исследований, выполненных авторами работы - Головков В.А., Емельянов В.Н., Солк СВ. Обнаружение нагретых движущихся малоразмерных объектов в ИК-диапазоне // ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2013. Т. 56, №5, с. 40-44. В их работе рассмотрена задача обнаружения артиллерийского снаряда в инфракрасном диапазоне с использованием оптических систем и неохлаждаемых тепловизионных матриц болометрического типа. В исследованиях использовался болометрический модуль, который стыковался с телескопом. Основой болометрического модуля являлся фотоприемный модуль БП-2М на базе полупроводникового болометра; спектральный диапазон работы БП-2М - 2…15 мкм. Проводились эксперименты по регистрации теплового излучения от артиллерийского осколочно-фугасного снаряда калибром 152 мм, имеющим начальную скорость 800 м/с.

Показано, что с помощью рассмотренной выше установки удается фиксировать температурное поле летящего снаряда на расстояниях до 6 км.

Таким образом, приведенное техническое решение показывает, что применение в неконтактном датчике цели канала по измерению инфракрасного излучения в диапазоне длин волн более 2 мкм, позволяет надежно идентифицировать цель, летящую со сверхзвуковой скоростью, и позволяет повысить помехозащищенность неконтактного датчика цели от воздействия различных радиопомех.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.