КОМПЛЕКС БОРЬБЫ С ТАЙФУНАМИ И СМЕРЧАМИ Российский патент 2004 года по МПК A01G15/00 F41H13/00 F42B12/58 

Комплекс борьбы с тайфунами и смерчами КБТС относится к разделу науки о земле: “Физика атмосферы”, в том числе к синоптическим явлениям погоды, более конкретно к вопросу ликвидации возникающих тайфунов и смерчей.

Одним из эффективных методов ликвидации тайфунов и смерчей является разрушение их атмосферных потоков на подступах к населенным пунктам. Чтобы разрушить эти потоки, необходимо разработать средства поиска и поражения тайфунов и смерчей. Для разработки этих средств необходимо знать структуру и кинематику движения тайфунов и смерчей, приведенную, например, в справочнике “Атмосфера” (Ленинград, Гидрометеоиздат, 1991, стр.144-149).

Тайфуны возникают в тропических районах океанов и морей в любое время года. Тайфун представляет собой свободно вращающийся вихрь атмосферного воздуха в смеси с осадком (с дождем, иногда со снегом). В центральной части тайфуна образуется ядро (“глаз”) диаметром до 20-25 км (фиг.1). В ядре тайфуна приземное давление и, следовательно, плотность воздуха резко падают, что обнаруживается с помощью радиолокатора на сантиметровых волнах. По мере удаления от ядра на расстояние 20-50 км скорость ветра в вихре возрастает до 90 м/с (максимально скорость ветра может достигать V = 110 м/с), а затем снижается. Средний радиус окружности максимального значения ветра равен

Протяженность вихря l = 70 км. Указанные скорости имеют место на высотах до h = 6 км. Выше 6 км скорость ветра резко падает. Поперечное сечение вихря, в котором скорость достигает V_max, аппроксимируем треугольником с площадью . Вследствие трения вихря о земную поверхность тайфун передвигается вправо при вращении вихря по часовой стрелке (фиг.1) или влево - при вращении вихря против часовой стрелки.

Подсчитаем объем вращающегося вихря

Масса указанного вихря при плотности воздуха в смеси с осадками ρ = 1,3 кг/м равна

m = Qρ = 5·10⁴·10⁹·1,3=6,5·10¹³ кг

Кинетическая энергия этого вихря равна

Для того чтобы прекратить вращение этого вихря, нужно противопоставить ему совокупность ударных волн противоположного направления с энергией, большей Е. Возможность создания указанной совокупности появилась в связи с разработкой нового ядерного взрывного устройства ВУ. Так как поражаемый вихрь является протяженным, то применяется кассетная конструкция ВУ, состоящая из n = 300 субснарядов с тротиловым эквивалентом каждого q = 300 кт. При этом масса каждого субснаряда порядка 5 кг, а полная массонагрузка равна 300·5 = 1500 кг. Выведение указанной массонагрузки на расстояние до 1000 км может быть обеспечено в настоящее время многими типами ракет средней дальности. Если учесть, что при тротиловом эквиваленте в 1 т выделяется энергия Е₀ = 4,5·10⁹ Дж/т (Кухлинг Х. Справочник по физике, Москва, издательство “Мир”, 1982, стр.443), то энергия ВУ равна

Е_q=Е₀nq = 4,5·10⁹·300·300·10³ = 4,05·10¹⁷ Дж

Таким образом, Е_q>Е_V. Расчеты показывают, что при увеличении n и q может быть получена Е_q значительно большая Е_U, что обеспечивает надежное разрушение тайфуна.

Смерч возникает из мощных грозовых облаков на высоте 10-15 км. Смерч представляет собой атмосферный поток малого поперечного сечения (диаметра 100-150 м), который опускается из основания грозового облака на поверхность суши или моря (фиг.2). В центральной части смерча образуется ядро диаметром 50-100 м с малой плотностью воздуха и с нисходящим движением воздуха. Вокруг ядра создается восходящий вихрь, который втягивает в себя предметы, расположенные на земле. Вблизи грозового облака вихрь имеет форму воронки. Скорость восходящего ветра может достигать 130 м/с. Длительность существования смерча: от нескольких десятков минут до нескольких часов. Скорость перемещения смерча по земле от 10 до 100 км/ч. Расстояние перемещения смерча по земле: от 0 (смерч неподвижен) до 30 км.

Наиболее уязвимым местом для разрушения смерча является область его образования, а именно основание указанной воронки. Можно показать, что характеристики взрывного устройства, предложенного для разрушения тайфуна, достаточны для разрушения смерча.

Для того чтобы выбрать тип средств поиска и поражения тайфунов и смерчей, необходимо рассмотреть принцип действия и конструкцию взрывного устройства ВУ. Аналогом ВУ является “Взрывное устройство высокой производительности” (заявка 2001119261 с приоритетом 12.07.2001г.). Требуемое ВУ-кассетного типа в виде субснарядов. Каждый субснаряд включает (фиг.3) взрыватель, заряд, преобразователь, лазер и др. Для уменьшения массы и увеличения тротилового эквивалента взрыватель субснаряда взрывного устройства ракетоносителя выполнен в виде четырех конических мишеней, каждая из которых имеет твердые гладкие боковые стенки из металла (твердотельные мишени), заполняется заключенным в коническую полимерную оболочку взрывчатым веществом в виде смеси дейтерия с тритием или гелия-3 и имеет в вершине конуса отверстие для вылета сгустка плазмы. Оси каждой пары конусов располагаются в пространстве взаимно перпендикулярно, а отверстия вершин конусов примыкают к общему пространству между конусами.

Благодаря указанной конструкции во взрывателе осуществляется двухэтапное сжатие взрывчатого вещества. На первом этапе сжатия происходят следующие процессы: при падении импульса лазерного излучения на основание конуса имеет место адсорбция взрывчатого вещества, оно испаряется, и возникает реактивная сила, создающая ударные волны, которые, отражаясь от стенок конуса, двигаются к его вершине и схлопываются в ней. При этом взрывчатое вещество в вершине сжимается до такой степени, что возникает термоядерный режим “лазерной искры”, образуется в вершине первичный сгусток плазмы, который под действием реактивной силы с большой скоростью вылетает наружу через отверстие в вершине конуса.

На втором этапе сжатия происходят следующие процессы: четыре вылетевших сгустка плазмы сталкиваются в пространстве между вершинами конусов, при этом сильно увеличивается степень сжатия плазмы, и температура образующегося вторичного сгустка плазмы увеличивается до термоядерной (10⁷К), возникает “режим зажигания” плазмы; в заряде образуется тепловая волна (волна термоядерной реакции), которая распространяется в заряде.

Конструктивные размеры взрывателя: диаметр основания конуса 6 мм, высота конуса 7 мм, диаметр отверстия в вершине 2 мм, расстояние между отверстиями противоположных конусов 4 мм.

В результате указанной реакции вылетают высокоэнергетические частицы (нейтроны или протоны), которые направляются на преобразователь. Преобразователь представляет собой слой волокнистого композита, примыкающий к заряду. При падении частиц на указанный слой в нем происходит образование и развитие трещин, сопровождающееся акустической эмиссией. Акустические эмиссии отдельных трещин, сливаясь, образуют совокупность ударных волн, воздействующих на окружающую среду. Таким образом, кинематическая энергия нейтронов или протонов преобразуется в энергию ударных волн. Благодаря применению преобразователя взрывное устройство является экологически безопасным, что весьма важно для атмосферных ядерных взрывов.

Исходя из рассмотренных характеристик тайфунов (смерча) и принципов действия взрывного устройства, в предлагаемом комплексе КБТС применяются в качестве средства поиска импульсный радиолокатор сантиметрового диапазона, который обнаруживает и сопровождает ядро тайфуна или смерча. В качестве средства поражения применяется ракетоноситель и входящее в его состав взрывное устройство кассетного типа в виде субснарядов, выбрасываемых с ракетоносителя и подрываемых в атмосферном потоке тайфуна или смерча. Наведение ракетоносителя в точку встречи его с тайфуном или смерчем производится по методу инерциально-командного управления путем выдачи команд наведения ракеты с радиолокатора на борт ракеты. При этом в случае тайфуна ракета выводится на высоту примерно 3 км в упрежденную точку максимальной скорости ветра противоположного направления (фиг.1) (более подробно см. ниже), а в случае смерча - в упрежденную точку основания воронки (фиг.2). Выведение ракеты в указанные точки производится по методу пропорционального сближения.

При подлете к упрежденной точке по команде с радиолокатора включается головка самоориентирования ракеты ГСО, которая направляет ракеты навстречу максимальному ветру. После указанного ориентирования ракеты субснаряды ВУ выбрасываются специальным механизмом с ракеты, рассыпаются в пространстве потока и через 1-2 с самоподрываются. При этом образуется совокупность ударных волн, которая, воздействуя на окружающую среду, разрушает тайфун или смерч.

Предлагаемый КБТС поясняется тремя фигурами. На фиг.1 приведена кинематика тайфуна и ракетоносителя в горизонтальной плоскости. На фиг.2 приведена кинематика смерча и ракетоносителя в пространстве. На фиг.3 приведена структурная схема КБТС.

Комплекс борьбы с тайфунами и смерчами состоит из следующих основных частей.

1. Радиолокатор обзора и наведения РЛОН

2. Пусковая установка ПУ

3. Ракетоносители РН

4. Аппаратура передачи данных и связи АПДС

5. Электростанция ЭС

Радиолокатор обзора и наведения РЛОН предназначен для:

- обобщения и оценки штормовой обстановки в зоне действия РЛОН (учитываются собственные данные, данные от соседних РЛОН и от космических систем метеорологического обеспечения КСМО);

- обнаружения и сопровождения тайфуна и смерча, в том числе для обнаружения и сопровождения местоположения контура ядра тайфуна или смерча, определения и пролонгации трассы (траектории) тайфуна или смерча;

- решения задачи наведения ракетоносителя, в том числе для определения точки встречи ракетоносителя с тайфуном или смерчем (упрежденной точки);

- управления выведением ракетоносителя в упрежденную точку путем передачи команд наведения на борт ракетоносителя;

- управления включением головки самоориентирования ракеты;

- управления выбрасыванием взрывного устройства в упрежденной точке в случае отказа ГСО;

- управления стартом ракеты путем выдачи команд на пусковое устройство;

- обмена информацией с ПУ, соседними РЛОН и КСМО.

Радиолуч РЛОН производит строчное сканирование при первоначальном круговом обзоре или при последующем обзоре в секторе обнаруженного тайфуна или смерча. При очередном проходе через угловое напряжение, на котором находится тайфун (смерч) или ракетоноситель, происходит обнаружение их, а при последующих обзорах - взятие на сопровождение. В те моменты, когда луч сказывается направленным на ракету, передаются на нее по линии радиосвязи команды управления ракетой.

РЛОН представляет собой трехкоординатную когерентно-импульсную РЛС сантиметрового диапазона. РЛОН включает следующие части (фиг.3): антенную систему, передающее устройство, приемное устройство, микропроцессорную систему, дисплей обзора и наведения, экран (монитор), пуль управления, аппаратуру передачи данных и связи, источник электропитания.

Антенная система представляет собой фазированную антенную решетку ФАР, радиолуч которой управляется электронным путем от микропроцессорной системы. Угол обзора ФАР по азимуту +45°-45°, по углу места 1°-75°. ФАР может поворачиваться вкруговую с темпом обзора 10-15 с. При обзоре в секторе 10-15° темп обзора 0,1-3 с. Выдача команд управления на борт ракеты производится с частотой 1 Гц. Передающее устройство магнетронного типа сантиметрового диапазона. Приемное устройство использует цифровые способы обработки принятого сигнала и автоматический съем координат с помощью местного микропроцессора. Дальность обнаружения РЛОН тайфунов (смерчей) - 1000 км. Точность определения дальности - 20 м, азимута и угла места - 5′, скорости - 5 м/с.

Обнаружение контура ядра тайфуна или смерча производится МПС в результате спектральной обработки сигналов, отраженных от резкого падения плотности среды. Методика этой обработки приведена в кандидатской диссертации Шубина Д.С. “Определение распределения плотности среды по характеристикам ее волнового движения”, Ростовский государственный университет, 2002г.

На дисплее обзора и наведения отображаются трасса (траектория) движения тайфуна (смерча), результаты решения задачи наведения (упрежденная точка) и текущие точки сопровождения ракетоносителя. На экране (мониторе) отображаются результаты обработки отраженных сигналов в виде контура ядра тайфуна или смерча с указанием их высоты.

Пусковая установка ПУ предназначена для хранения, транспортировки и запуска ракетоносителей, а также для обмена информацией с РЛОН. Ракетоносители устанавливаются в транспортно-пусковых контейнерах ТПК. ПУ включает (фиг.5) аппаратуру установки ТПК в наклонное положение, аппаратуру подготовки к старту (в том числе запуска гироскопов), аппаратуру выбрасывания ракеты из ТПК, микропроцессорную систему, аппаратуру передачи данных и связи. ПУ содержит три ракеты и при использовании ракет может перезаряжаться.

Ракетоносители РН предназначены для выведения взрывного устройства в зону разрушения тайфуна или смерча, в том числе - для управления полетом РН в упрежденную точку, ориентирования ракеты навстречу направлению максимального ветра, выбрасывания субснарядов. РН включает следующие части (фиг.3): взрывное устройство кассетного типа, ракетный двигатель, головку самоориентирования ракеты, инерциальную систему управления, механизм выбрасывания субснарядов, аппаратуру связи ракеты с РЛОН, микропроцессорную систему и источники электропитания.

В качестве ракетоносителя могут быть применены ракеты-перехватчики зенитных ракетных комплексов ПВО, ПРО, если их боевую часть выполнить в виде кассеты из большого числа субснарядов и предусмотреть механизм выбрасывания их. Также может быть применена ракета-перехватчик, приведенная в заявке 2002127298 “Комплекс ПВРКО” с приоритетом 14 октября 2002г.

Взрывное устройство ВУ кассетного типа предназначено для разрушения тайфуна или смерча. ВУ включает несколько сотен субснарядов, которые выбрасываются из ракеты в поражаемом объеме и разлетаются по нескольким направлениям. Каждый субснаряд включает (фиг.3) взрыватель, заряд, преобразователь и предохранительно-исполнительный механизм ПИМ. Принцип субснаряда был приведен выше. ПИМ обеспечивает безопасность обслуживающего состава при обращении с ракетой на земле, а также при полете ракеты в упрежденную точку до момента выбрасывания субснарядов. ПИМ также управляет подрывом снаряда после указанного выбрасывания.

Приведем технические характеристики ВУ: количество субснарядов в кассете 300, тротиловый эквивалент каждого субснаряда 300 кт. Масса субснаряда 5 кг. Диаметр субснаряда 15 см. Диаметр ракетоносителя, в котором размещено 300 субснарядов, 2 м.

Ракетный двигатель РД предназначен для создания тяги, обеспечивающей полет ракеты, и для отклонения ракеты в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Тяга создается путем выброса через сопло горячих газов (твердотопливный или жидкостный двигатель) или сгустков плазмы (двигатель по заявке 2002110167 с приоритетом 18 апреля 2002г.).

Головка самоориентирования ГСО ракеты предназначена для ориентирования полета (выведения) ракеты навстречу направлению максимального ветра на конечном участке траектории. ГСО представляет собой электромеханический датчик скорости ветра. ГСО управляет ракетным двигателем через микропроцессорную систему.

Инерциальная система управления ИСУ предназначена для управления ракетным двигателем с учетом поступающих команд наведения с РЛОН и текущим положением ракеты в пространстве, которое определяется с помощью гироскопов ИСУ, ИСУ вырабатывает команды управления ракетным двигателем и реализует их через микропроцессорную систему.

Механизм выбрасывания субснарядов предназначен для выброса и разведения субснарядов ВУ в поражаемом объеме. Этот механизм содержит несколько небольших пороховых зарядов-пиропатронов, действующих на группу субснарядов по семи направлениям выброса.

Аппаратура связи ракеты с РЛОН предназначена для приема команд наведения и передачи донесений о выполнении этих команд с ракеты. Указанная линия связи работает на несущей частоте РЛОН. Приемник этой аппаратуры передает команды наведения на ИСУ ракеты. Антенны аппаратуры крепятся на корпусе в хвостовой части ракеты.

Аппаратура передачи данных и связи АПДС комплекса предназначена для обмена телекодовой и речевой информацией между данным РЛОН и ПУ, другими РЛОН и командным пунктом космической связи метеорологического обеспечения.

Электростанция ЭС предназначена для обеспечения электроэнергией РЛОН, ПУ и представляет собой дизель или газотурбинный агрегат с электрогенератором. Электропитание комплекса для учебных целей может быть осуществлено от промышленной электросети.

В РЛОН и ПУ предусмотрен функциональный контроль, осуществляемый с помощью их микропроцессорных систем. В комплексе предусмотрена возможность тренировки обслуживающего состава, исключая реальные пуски ракетоносителей.

Рассмотрим работы КБТС в динамике. В режиме “Готовность №1” РЛОН производит круговой обзор окружающего пространства. При выявлении ограждения от резкого падения плотности воздуха - ядра тайфуна или смерча РЛОН переходит на обзор в секторе выявления этого ядра. Переход осуществляется автоматически с помощью МПС. После обнаружения ядра производится сопровождение его. В результате спектральной обработки МПС сигналов, отраженных от ядра, определяются его контуры. Указанные контуры отображаются на экране (мониторе) в виде “подковы”. Подобное изображение для смерча указано в справочнике “Атмосфера”, стр.449.

При наличии изображения контура оператор (начальник) КБТС сверяет с помощью МПС характеристики контура с данными от соседних РЛОН (если они также обнаружили тайфун или смерч) и с данными космических систем метеорологического обеспечения. Если имеет место подтверждение наличия ядра или при его явном характере, оператор принимает решение на обстрел тайфуна или смерча. При этом с РЛОН на ПУ выдается команда “Пуск ракеты”. По этой команде в ПУ устанавливается ТПК под некоторым углом в секторе сопровождения ядра, срабатывает аппаратура подготовки к старту (запускается гироскоп и др.), и ракета выстраивается из ТПК в сектор сопровождения ядра. Далее РЛОН обнаруживает и сопровождает ракету. При этом определяется трасса (траектория) ядра. По данным сопровождения ядра и ракеты МПС решает задачу наведения. При этом вычисляются координаты точки встречи ракеты с тайфуном или смерчем (упрежденной точки). Упрежденная точка УТ показана на фиг.1 и фиг.2. В случае тайфуна УТ выбирается на высоте 3 мм на расстоянии 15 км от границы ядра на одном из радиусов ядра. Расположение радиуса ядра (справа или слева относительно центра ядра) зависит от угла между направлением на север и направлением трассы ядра. Если указанный угол меньше 180° (вихрь вращается по часовой стрелке), то радиус располагается справа; если этот угол больше 180° (вихрь вращается против часовой стрелки), то радиус располагается слева.

В случае смерча УТ выбирается на высоте основания воронки вблизи его ядра.

Результаты решения задачи наведения отображаются на дисплее обзора и наведения. Далее МПС продолжает решать задачу наведения по методу пропорционального сближения. В результате этого решения вырабатываются команды наведения ракеты, которые через аппаратуру связи РЛОН с ракетой передаются на борт ракеты на инерциальную систему управления ИСУ. ИСУ, сравнивая текущее положение ракеты, получаемое от ее гироскопов, и поступившие команды наведения, вырабатывает команды управления ракетным двигателем. Эти команды реализуются с помощью МПС ракеты. Таким образом, РЛОН автоматически ведет ракету в упрежденную точку. Так осуществляется инерциально-командное управление ракетой.

При приближении ракеты на дальность действия головки самоориентирования ГСО, РЛОН выдает команду включения ГСО. По этой команде ГСО определяет величину скорости ветра и управляет через МПС ракетным двигателем так, чтобы скорость ветра увеличивалась, а направление полета ракеты было противоположно направлению ветра. При достижении максимального значения скорости ветра ГСО выдает команду выброса на механизм выбрасывания субснаряда. В случае неисправности ГСО, РЛОН продолжает наводить ракету, а команда выброса подается с РЛОН.

Механизм выбрасывания выталкивает субснаряды с помощью пиропатронов по семи направлениям в объеме вихря или воронки. В вылетевших снарядах через 1-2 с срабатывает предохранительно-исполнительный механизм ПИМ. ПИМ подает команду на подрыв заряда субснаряда. По этой команде включается лазер, который генерирует импульсы лазерного излучения. Эти импульсы падают на основание четырех конусов конической мишени взрывателя. При этом из отверстия в вершине каждого конуса вылетает сгусток плотной плазмы. Благодаря попарно перпендикулярному расположению четырех конусов сгустки схлопываются в пространстве между конусами. Температура в месте схлопывания сгустков повышается до термоядерной. При этом в заряде образуется тепловая волна, которая, распространяясь, инициирует термоядерную реакцию взрывчатого вещества его. В результате указанной реакции вылетают нейтроны или протоны, которые направляются на преобразователь и образуют в нем трещины, сопровождающиеся акустической эмиссией. Отдельные акты акустической эмиссии, сливаясь, создают совокупность ударных волн, которая приостанавливает вращательное движение потока в тайфуне или смерче и тем самым разрушает его. Результаты разрушения тайфуна или смерча отображаются на экране (мониторе) и дисплее обзора и наведения.

КБТС является мобильным. РЛОН, ПУ с РН размещаются в многоосных автомобильных фургонах. КБТС отличается высокой степенью автоматизации всех этапов работы благодаря применению микропроцессорных систем в РЛОН, ПУ, РН. Вследствие применения конической мишени во взрывном устройстве и его кассетной конструкции, появилась возможность доставить и рассосредоточить в поражаемом объеме вазрывное устройство большого тротилового эквивалента, достаточного для разрушения тайфуна или смерча. Благодаря применению преобразования в каждом субснаряде взрывное устройство является экологически безопасным.

В случае защиты от тайфунов и смерчей протяженных населенных областей применяются несколько КБТС с расстоянием между соседними комплексами порядка 700 км.

Изобретение относится к области защиты от природных катаклизмов, в частности к ликвидации тайфунов и смерчей. Сущность изобретения заключается в том, что комплекс борьбы с тайфунами и смерчами содержит средства поиска и взрывное устройство. Комплекс снабжен ракетоносителем для доставки взрывного устройства в атмосферный поток тайфуна или смерча. Средства поиска выполнены в виде радиолокатора для обнаружения и сопровождения. Взрывное устройство выполнено кассетного типа, субснаряды которого включают взрыватель, взрывчатое вещество в виде смеси дейтерия с тритием или гелия-3 и преобразователь из волокнистого композита. Взрыватель выполнен в виде мишени из четырех конусов, содержащих взрывчатое вещество с возможностью инициирования его посредством лазерного излучения для создания сгустка плазмы и последующего его вылета из отверстия, выполненного в вершине каждого конуса, в пространство между попарно перпендикулярными конусами. Преобразователь выполнен с возможностью преобразования кинетической энергии потока нейтронов или протонов, образованного в результате термоядерной реакции, посредством акустической эмиссии в энергию ударных волн, воздействующих на окружающую среду. Реализация изобретения позволяет повысить эффективность борьбы с тайфунами и смерчами. 3 ил.

Комплекс борьбы с тайфунами и смерчами, содержащий средства поиска и взрывное устройство для поражения тайфуна или смерча, отличающийся тем, что он снабжен ракетоносителем для доставки взрывного устройства в атмосферный поток тайфуна или смерча, а средства поиска выполнены в виде радиолокатора для обнаружения и сопровождения тайфуна или смерча, при этом взрывное устройство выполнено кассетного типа, субснаряды которого включают взрыватель, взрывчатое вещество в виде смеси дейтерия с тритием или гелия-3 и преобразователь из волокнистого композита, причем взрыватель выполнен в виде мишени из четырех конусов, содержащих взрывчатое вещество с возможностью инициирования его посредством лазерного излучения для создания сгустка плазмы и последующего его вылета из отверстия, выполненного в вершине каждого конуса, в пространство между попарно перпендикулярными конусами, а указанный преобразователь выполнен с возможностью преобразования кинетической энергии потока нейтронов или протонов, образованного в результате термоядерной реакции, посредством акустической эмиссии в энергию ударных волн, воздействующих на окружающую среду.