ВЗРЫВАТЕЛЬ Российский патент 2009 года по МПК F42C1/00 F42C13/02 

Предложение относится к системам класса F42C 13/02 - Взрыватель. Может быть использовано в других лазерных системах, работающих в сложной окружающей обстановке (дымообразования, туман, дождь, снег и т.д.), например системах десантирования грузов в труднодоступные районы; датчиках охранной сигнализации и во взрывателях артиллерии, ЗРК и др.

Известна система Взрыватель (патент USA Н. Кл. 356-5, М. Кл. G01C 3/08, №3666367, 05.30.1972), состоящая из соединенных между собой схемы запуска лазера, источника накачки лазера и лазера, соединенного с формирующей оптикой, выход которой по оптическому каналу через объект лоцирования последовательно соединен со входом фотоприемника (например, лавинного), с дифференцирующим каскадом, предусилителем, видеоусилителем, пороговым устройством, цифровым преобразователем временного старт-стопного интервала в дальность и индикатором дальности, а по второму оптическому каналу лазер соединен с формирователем стартового сигнала, который, в свою очередь, соединен со вторым входом видеоусилителя.

Указанное устройство при действии аэрозольных помех обладает низкой помехоустойчивостью. В данном патенте помехозащищенность дальномера от модулированной солнечной фоновой засветки, освещения прожекторов, засветок систем освещения ландшафта в ночное время, факелов огня, а также помех или наводок с малым градиентом нарастания амплитуды во времени и относительно небольших плотностях аэрозольных помех достигается введением дифференцирующего звена. Принцип помехозащиты здесь базируется на отличительных признаках ширины видеоспектра указанных помех и полезного сигнала. Так, например, при использовании длительности излученного спектра 30 нс граничная частота видеосигнала составляет 33-90 мГц, а ширина спектра указанных помех составляет в лучшем случае несколько кГц. В этом случае дифференцирующий каскад выступает как отсекающий фильтр для низких частот. Потери в энергетике здесь незначительны.

В подобных системах помехоустойчивость от аэрозольных помех достигается введением значительной мертвой зоны введения смещающегося по дальности строба, сокращения интервала стробирования и длительности излучаемого сигнала, протяженности длительности появления сигнала при круговом секторном обзоре пространства, а также создания знакопеременной функции селекции в месте точки стробирования.

Если подобная система используется как взрыватель, то в такой системе возникает масса проблем. Дальность срабатывания датчика выбирается из условия обеспечения максимальной эффективности выполнения поставленной задачи. Но так как сигнал ослабляется по экспоненциальному закону Бугера, то при этом резко возрастают пропуски срабатывания на заданной дальности (пропуски регистрации объекта). Поэтому такие системы оснащаются контактным взрывателем (КВ), который вступает в действие при пропусках момента фиксации объекта на заданной оптимальной высоте. Вероятность нормальной работы при контактном действии не велика - менее 0,2. Это связано с заглублением элемента в грунт, где вся энергия посадки идет на выброс земли. Подобный эффект особенно проявляется в механических неконтактных взрывателях (НВ), работающих по протяженным целям с мягкими грунтами или заболоченным поверхностям. Возникает проблема, как повысить вероятность выполнения задачи при работе по неплотным грунтам и при наличии плотных аэрозольных помех (туманы, белесые дымы и т.д.). Таким образом, рассмотренная система обладает низкой эффективностью действия при плотных аэрозольных помехах (туманы, облака, дымы) и при наличии мягких грунтов, а также не обеспечивает инвариантность системы к аэрозольным помехам.

Известна система неконтактного подрыва - взрыватель (фирма "Raytheon" система DSU-36 и DSU-37 для комплекса AIM-9X с малой дальностью 4-6 м, класс F42C 13/02, http://www.new-factoria.ru/missile/wobb/aim9x/aim9x.shtml, которая является прототипом предлагаемого изобретения. Активный лазерный неконтактный взрыватель представляет собой доработанный взрыватель DSU-15A/A или DSU-15B/B ракеты AIM-9M и имеет обозначения DSU-36 и DSU-37 соответственно. Основными его элементами являются передающая и приемная части с объективами. В укрупненном плане он состоит из последовательно соединенных приемопередающего блока, блока обработки и оконечного блока, состоящего из предохранительного исполнительного механизма (ПИМ), соединенного последовательно с электродетонатором и боевой частью (БЧ), ко входу ПИМ присоединен контактный взрыватель.

Определенное снижение ложных срабатываний при неплотных аэрозольных помехах достигается за счет выбора формы чувствительной площадки и юстировки приемопередающих объективов (выравнивание чувствительности по дальности). Однако при плотных аэрозольных помехах возможны пропуски цели и пропуски срабатывания такой системы в заданной области дальностей. Так как в таких плотных помехах кроме увеличения обратного рассеяния сильно ослабляется излучаемый сигнал по закону Бугера, возможны пропуски срабатывания на необходимой высоте. При пропусках срабатывает контактный ударный механизм (контактный взрыватель КВ). Любая система контактного действия (механический датчик, контактный ударный механизм, контактный взрыватель KB) имеет определенную инерционность, что приводит к заглублению системы и срабатыванию контактного ударного механизма в глубине земли. Вся энергия взрыва идет на «вспахивание грунта», а вероятность эффективного действия снижается до уровня менее 0,2.

Прототип заявляемой системы имеет низкую эффективность при работе по мягким грунтам, целям, накрытым маскировочными сетками, высокую вероятность срабатывания по кустарникам в условиях использования широких диаграмм направленности приемопередатчика и низкую помехозащиту, а также не обеспечивает инвариантность к аэрозольным помехам.

Задачей изобретения является повышение эффективности действия заявляемой системы при работе по мягким грунтам, целям, накрытым маскировочными сетками, снижение вероятности срабатывания по кустарникам особенно в условиях использования широких диаграмм направленности приемопередатчика и повышение помехозащиты в условиях обеспечения инвариантности заявляемой системы к аэрозольным помехам и реализации выявленного эффекта самоадаптации к действию аэрозольных помех.

Задача достигается тем, что во взрыватель в виде последовательно соединенных приемопередающего блока, схемы обработки, предохранительного исполнительного механизма, электродетонатора, боевой части ко входу предохранительного исполнительного механизма присоединен выход контактного ударного взрывателя, введена оптическая система предконтактного действия с уменьшенным радиусом действия в пределах 10-40 см, которая состоит из последовательно соединенных схемы накачки, светодиода, например лазерного, фотодиода с усилителем, нормирующего каскада, частотно-зависимого счетчика, порогового устройства, исполнительного устройства, по входу светодиод и фотодиод через оптическую связь соединены с целью, а по выходу исполнительное устройство подключено ко входу предохранительного исполнительного механизма.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства;

на фиг.2 представлена зависимость изменения амплитуды помехового сигнала от коэффициента обратного рассеяния (18, 19, 20, 21 - расчетные зависимости P_вх=f(σ_S) для значений «мертвой зоны» Н₀=0,1; 0,5; 1; 1,5 м соответственно; 22 - экспериментальная кривая;

на фиг.3 представлена область превышения помеховым сигналом порогового уровня срабатывания при радиусе фоточувствительной площадки фотодиода r_вх=10^-2 м в зависимости от потенциала и значения коэффициента рассеяния σ_S (23, 24, 25 - при значениях «мертвой зоны» Н₀=1,5; 0.5; 0,1 м соответственно; 26, 27 - соответствующие экспериментальные зависимости для дыма и тумана при Н₀=0,1 м.

Взрыватель (фиг.1) состоит из связанных блоков:

цель 0; оптоволокна 1; 2; светодиод 3; фотодиод 4; схема накачки светодиода (лазера) 5; усилитель 6; входящих в приемный тракт 7; нормирующий каскад (НК) 8; частотно-зависимый счетчик 9; пороговое устройство 10, исполнительное устройство (ИУ) 11; неконтактный взрыватель НВ типа DSU (прототип) 17, в котором на входе включен приемопередающий блок, схема обработки, а также предохранительно-исполнительное устройство (ПИМ); контактный взрыватель 14; электродетонатор 15; боевая часть (БЧ) 16.

Объективы для прототипа представляют собой, описанную в книге: Н.П.Заказнов. Теория оптических систем. - М.: Машиностроение, 1992, 442 с., типовой объектив, например, стр.256.

Блоки 3-5, фиг.1, выполнены по схеме рис.2.26, стр.94 по книге: В.Н.Легкий, И.Д.Миценко, Б.В.Галун. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. - Томск: Радио и связь, 1990, 216 с. Фотоприемный тракт, фиг.1, 4-6 реализован на операционных усилителях типа 140УД7, которые описаны в книге С.Б.Якубовского Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Сов. Радио, 1979, 335 с.

Нормирующий каскад 8 реализован на элементах см. рис.5.12, стр.201 книги Ю.А.Брамер, И.Н.Пащук. Импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1985, 319 с.

Частотно-зависимый счетчик 9, по схеме рис.3.9, стр.175 (элементы VD2, R4, C4, R7) по книге В.Н.Легкий, И.Д.Миценко, Б.В.Галун. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. - Томск: Радио и связь, 1990, 216 с. (отличаются выбором заряда и разряда RC цепей).

Счетчик 9 реализован по схеме - рис.8.5 стр.272 книги Ю.А.Брамер, И.Н.Пащук. Импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1985, 319 с.

Пороговые устройства 10 представлены на рис.3.19, стр.108 книги Ю.А.Брамер, И.Н.Пащук. Импульсная техника. - М.: Высшая школа, 1985, 319 с.

Исполнительное устройство (ИУ) 11 как элемент, формирующий необходимую энергию для электродетонатора, выполнен на управляемом тиристоре 2У210 с накопителем (источником) энергии в виде конденсатора - рис.2.41 стр.107 (цепь VD₃, C_H, и вместо AD1 - электродетонатор) по книге В.Н.Легкий, И.Д.Миценко, Б.В.Галун. Малогабаритные генераторы накачки полупроводниковых лазеров. - Томск: Радио и связь, 1990, 216 с.

Схема включения фотодиода показана на рис.15.9 стр.268 книги П.Хорлец, У. Хилл. Искусство схемотехники, 3, - М.: Мир, 1963, 366.

Система работает следующим образом. Пущенный, например, боеприпас (ракета, авиобомба, противотанковый реактивный снаряд и др.), работающий по наземным целям, в том числе распределенным объектам, фиксирует у цели в DSU определенную оптимальную высоту, когда эффективность поражения цели боеприпасом максимальная.

В таких системах для обеспечения помехозащиты вводится «мертвая зона» - зона неприема, отсчитываемая от самой системы неконтактного взрывателя (НВ DSU). Однако при плотных аэрозольных помехах из-за сильного ослабления сигнала по дистанции лоцирования по закону Бугера имеют место ослабления зондирующего сигнала, что приводит к пропуску цели. Такая же ситуация возможна и при большом интервале селекции объекта. Для таких случаев для компенсации ущерба, связанного с пропуском цели в ближней зоне обнаружения, водится контактный, ударный механизм (контактный взрыватель) 14, с соблюдением концепции: если не сработало на высоте, то обязательно сработает при контакте с землей. Если скорость подхода к земле высока и превышает инерционность контактного взрывателя (наиболее частая ситуация при наличии аэрозольных помех), то происходит заглубление боеприпаса и энергия подрыва в основном идет на выброс земли. Поэтому эффективность боеприпаса с механическим ударным взрывателем в помеховой ситуации не превышает 0,2. Для устранения этого недостатка предлагается вместо или параллельно операции, возлагаемой на механический взрыватель, вводить, например, в конструкцию предлагаемый нами оптический предконтактный взрыватель, инвариантный к аэрозольным помехам. Ввиду миниатюрности такого НВ (радиоблок менее 30 см³) он может быть скомпонован в механическом взрывателе, например, за счет применения оптоволокна в приемопередающем заявляемом блоке (разнесенные по конструкции, без формирующей оптики излучатель фотодетектор с усилителем, и с микроизоляцией от токов Фуко, наводок от тока накачки). Это позволяет существенно поднять эффективность боеприпаса в несколько раз по сравнению с существующими. Например, для БЧ, работающей по протяженным целям, эффективность поражения живой цели стремится к единице на дистанции 0-5 м и резко падает за указанным диапазоном. Пусть снаряд с таким взрывателем выстреливается с носителя. За счет центробежных сил на определенном расстоянии от ствола пушки взводится ПИМ, в котором включаются задержки, например, на подключение огневой цепи к БЧ. После отстрела, прохождения этапа задержки посредством ПИМ включается цепь - мембрана, накольник механического взрывателя, который соединяется с огневой цепью, идущей к БЧ, и параллельно запускается питание для неконтактного взрывателя - НВ и его исполнительного устройства - ИУ (время заряда емкостей в нем представляет дополнительную ступень предохранения в заявляемом взрывателе). Через определенное время при наличии сигнала от цели исполнительное устройство подключается к огневой цепи ПИМ - БЧ. Изделие имеет единую конструкцию и деление на входы является условным.

Работа предлагаемого взрывателя состоит в следующем.

Схема накачки 5 формирует короткие импульсы 10-60 нс с определенной частотой следования, которые подаются на полупроводниковый лазер 3. Излучаемый сигнал, попадая на цель 0, отражается и далее ослабленный оптический сигнал в соответствии с формулой светолокации поступает на собирающую площадь оптоволокна 2, собирая излучение на светочувствительную площадку фотодиода 4. Выбирая значение сопротивления в нагрузочном звене, огибающая принятого импульсного сигнала при необходимости расширяется до условия согласования полосы усилителя со спектром видеосигнала, снимаемого с нагрузочного звена. Усиленный усилителем 6 сигнал поступает на нормирующий каскад 8, формируя первый порог квантования. При выделении сигнала на фоне нормально распределенных дробовых и тепловых шумов приемника на его выходе формируется последовательность нормированных по длительности и амплитуде сигналов с высокой вероятностью появления сигнала в периоды его следования, а шумовые выбросы с частотой следования менее или равно f/2, определяемой выбором отношения сигнал-шум и уровнем первого порога квантования. Для увеличения вероятности правильного обнаружения принятая информация накапливается в частотно-зависимом счетчике 9, что приводит к увеличению отношения сигнал-шум и вероятности правильного обнаружения. Для регистрации заданного числа накапливаемых импульсов в схеме установлено пороговое устройство 10, формируя своей операцией второй порог квантования. При пропусках информация на счетчике сбрасывается по определенному алгоритму. Появление сигнала на выходе порогового устройства 14 свидетельствует о выделении сигнала объекта на фоне дробовых и тепловых шумов с заданной, необходимой вероятностью правильного обнаружения. Поэтому выделенный импульс с порогового устройства 14 поступает на исполнительное устройство (ИУ) 11, которое формирует на нагрузке электродетонатора 15 через цепь предохранительного исполнительного механизма (ПИМ) 13 энергию, достаточную для воспламенения электодетонатора 15 и далее подрыва БЧ 16. Одной из задач ПИМ 13 является задержка подачи питания и заряда емкости исполнительного каскада и др. на время удаления боеприпаса на безопасное расстояние от носителя (одна из ступеней предохранения).

Проблема борьбы с внутренними шумами решается с помощью выбора числа накапливаемых импульсов за определенное время его инерционности. Гораздо хуже обстоит с устранением ложных срабатываний от обратного рассеяния аэрозольных помех. Определенным решением этой проблемы для некоторых видов лазерных НВ, включая прототип, является введение механического контактного взрывателя, подключенного к управляемому входу ПИМ 13. Однако при работе по наземным целям и мягким, сыпучим грунтам или по вязким, водным площадям и при большой скорости подхода боевого элемента последний до момента срабатывания механического НВ успевает глубоко проникнуть в грунт. Поэтому в этом случае практически вся энергия взрыва идет на выброс земли. Максимальная вероятность поражения цели механическим НВ находится в пределах менее 0,2. Для устранения этого недостатка вместо механического НВ или дополнительно, параллельно к нему введен оптический (лазерный) взрыватель, который инвариантен к аэрозольным помехам. Обеспечение инвариантности к аэрозольным помехам в нем достигается за счет выбора потенциала (менее или равно 56 дБ), когда дистанция срабатывания находится в пределах 10-40 см. Ложные срабатывания от защитных сеток, кустарников и т.д. исключаются за счет введения частотно-зависимого счетчика за счет установки по экспериментальным данным постоянных заряда и разряда счетчика 9 - фиг.1.

Для выяснения физических процессов, происходящих в заявляемом взрывателе, рассмотрим динамику прохождения аэрозольной помехи, в том числе условия обеспечения инвариантности его к аэрозольным помехам и не срабатывания от маскировочных, защитных сеток.

Пусть из-за действия аэрозольных помех основной канал селекции цели прототипа не сработал. На малых расстояниях 10-40 см от цели в заявляемой системе появляется сигнал, отраженный от объекта, и сработает взрыватель с малым потенциалом П=10log(P₀/P_пор)~56 дБ - десятичный логарифм.

В качестве доказательства ограничимся лишь результатами экспериментальных исследований и ранее полученными теоретическими и экспериментальными зависимостями, полученными в процессе разработки.

Характер изменения мощности обратного рассеяния от коэффициента обратного рассеяния для аэрозольных помех показан на фиг.2. Возьмем зависимость с «мертвой зоной» Н₀=0,1 м. Если для этой зависимости будем менять порог срабатывания (что адекватно изменению потенциала), то при поднятии порога момент срабатывания, определяемый горизонтальной линии порога с функциональной зависимостью Р_вх=f(σ_s), будет сдвигаться в сторону больших значений σ_s. Если построить на этой базе зависимости потенциала лазерной системы П=10log(Р₀/Р_пор) от σ_s, то получим изменение области ложных срабатываний, находящейся от линии пересечения П=f(σ_s), по которой с уменьшением потенциала ложные срабатывания смещаются в стороны больших значений σ_s (фиг.3).

Из анализа поведения функции П=f(σ_s) следует, что чем меньше потенциал лазерной системы, тем больше область ложных срабатываний сдвигается вправо в зону более плотных образований аэрозольной помехи. И становится очевидным, что можно найти такое значение потенциала, при котором реальные плотности аэрозольных помех не создадут сигнал обратного рассеяния, который мог бы превысить выбранный порог срабатывания. Это значение потенциала, найденное экспериментальным путем, соответствует величине 40-56 дБ, что адекватно радиусу действия лазерного НВ 10-40 см. Этот эффект и возможность существенного повышения эффективности системы заявляемого решения подтвержден экспериментальными испытаниями. Следует отметить, что для кассетных систем, работающих по распределенным объектам (по площади), расчетная эффективность действия в указанном диапазоне предконтактного действия, т.е такого радиуса, составляет 0,8-0,9, для БТР - 0,4-0,6 и т.д.

При экспериментальных исследованиях образца лазерной системы в аэрозольных помехах естественного происхождения, в том числе белесых дымах (дымовая бочка ДМШ-5Х), выявлен новый эффект самоадаптации области срабатывания в таких системах (разброс дальности срабатывания не превышает 10% при изменении

σ_s=0-4 м^-1). Физика этого явления состоит в следующем. Сигнал обратного рассеяния по мере увеличения плотности аэрозоля увеличивается. Но согласно приведенным закономерностям (фиг.3) из-за низкого потенциала амплитуда обратного рассеяния аэрозольной помехи не достигает порогового уровня срабатывания. С другой стороны, сигнал от объекта в соответствии с законом ослабления Бугера уменьшается. И так как сигнал аэрозольной помехи и объекта представляют аддитивную смесь, то помеха становится как бы подставкой для полезного сигнала. Лазерная система с малым указанным потенциалом имеет постоянный радиус действия независимо от плотности туманов и помех естественного происхождения, в том числе для типа белесого дыма, т.е. такая система является инвариантной к аэрозольным помехам. Таким образом, за счет выбора потенциала, открытия и применения для этого потенциала эффекта самоадаптации удалось создать оптическую систему предконтактного действия, инвариантную к аэрозольным помехам.

Современные средства защиты танков, орудий защитными маскировочными сетками, листвой деревьев, кустарников, предохранение их сеткой Рабица ставит условия, чтобы боеприпас не срабатывал по таким преградам. Были проведены исследования и найдены отличительные признаки в последовательности отраженных сигналов, по которым при настильной скорости V≈700-900 м/с и f_след~5-10 кГц частота отраженных сигналов от указанных помех при выбранном низком потенциале как минимум в два раза ниже частоты от объектов. Поэтому в заявляемую систему введен частотно-зависимый счетчик, как отличительный признак заявляемой системы.

Задача доказана путем проведения натурных испытаний.

Таким образом, предлагается взрыватель, который инвариантен к аэрозольным помехам, т.е. имеет независимо от вида и плотности аэрозольных помех постоянную предконтактную высоту (выявленный эффект самоадаптации) и обеспечивает высокую вероятность эффективной работы как при плотных аэрозольных помехах, так и без них. В качестве прототипа можно принять механический НВ, т.к. выявленный эффект снижения потенциала (радиуса действия до 10-40 см) до устранения влияния обратного рассеяния аэрозольных помех и проявления эффекта самоадаптации взрывателя к аэрозольным помехам является принципиально новым и не зависит от вида взрывателя.

Изобретение относится к взрывателям и может быть использовано в лазерных системах, работающих в сложной окружающей обстановке (дымообразования, туман, дождь, снег и т.д.). Технический результат - повышение эффективности. Взрыватель содержит последовательно соединенные приемопередающий блок, блок обработки, предохранительно-исполнительный механизм, электродетонатор и боевую часть. Причем к входу предохранительного исполнительного механизма присоединен выход контактного ударного взрывателя. Взрыватель снабжен оптической системой предконтактного действия с радиусом действия в пределах 10-40 см, состоящей из последовательно соединенных схемы накачки и светодиода, например лазерного, и последовательно соединенных фотодиода с усилителем, нормирующего каскада, частотно-зависимого счетчика, порогового устройства и исполнительного устройства. Причем светодиод и фотодиод установлены с возможностью образования оптической связи с целью, а выход исполнительного устройства подключен к входу предохранительно-исполнительного механизма. 3 ил.

Взрыватель, содержащий последовательно соединенные приемопередающий блок, блок обработки, предохранительный исполнительный механизм и электродетонатор, причем вход предохранительного исполнительного механизма присоединен к выходу контактного ударного механизма, отличающийся тем, что он снабжен оптической системой предконтактного действия с радиусом действия в пределах 10-40 см, состоящей из последовательно соединенных схемы накачки и светодиода, например лазерного, и схемы обработки, состоящей из последовательно соединенных фотодиода с усилителем, нормирующего каскада, частотно-зависимого счетчика, порогового устройства и исполнительного устройства, причем светодиод и фотодиод установлены с возможностью образования оптической связи с целью, а выход исполнительного устройства подключен к входу предохранительного исполнительного механизма.