БОЕВОЙ ЛАЗЕР Российский патент 2013 года по МПК H01S3/00 F41H13/00 

Изобретение относится к области вооружения, а именно к средствам и способам ведения оборонительных действий с применением одного или нескольких управляемых лучей лазера с ядерной накачкой невероятной мощности. Код изделия «поражающий».

Газодинамический лазер Г.л. [1-4] - газовый лазер, в котором инверсия населенностей создается в системе колебательных уровней энергии молекул газа путем адиабатического охлаждения нагретых газовых масс, движущихся со сверхзвуковой скоростью. Г. л. состоит из нагревателя, сверхзвукового сопла (или набора сопел, образующих т.н. сопловую решетку), оптического резонатора и диффузора. В нагревателе происходит тепловое возбуждение специально подобранной смеси газов (в результате сгорания топлива или подогрева с помощью электрических разрядов и ударных волн). При течении газа в сверхзвуковом сопле смесь быстро охлаждается. Необходимая для возбуждения генерации инверсия населенностей энергетических уровней рабочего компонента смеси достигается, если: 1) скорость опустошения (релаксации) нижнего уровня лазерного перехода в процессе расширения выше скорости релаксации верх. уровня; 2) время опустошения верх. уровня больше характерного т.н. газодинамич. времени (времени движения газа до резонатора). Если для определения пары энергетических уровней эти условия выполнены, то из-за сильной зависимости времен релаксации от температуры и плотности газа, начиная с некоторого момента от начала расширения, быстрое падение населенности верх. уровня сменяется медленным, тогда как населенность нижнего продолжает уменьшаться с заметной скоростью. Часть избыточной энергии верх. уровня может быть трансформирована в резонаторе в энергию лазерного луча. Диффузор служит для торможения потока и повышения давления газа, который выбрасывается в атмосферу.

Активная среда. Указанным требованиям наиб. полно отвечают колебательные состояния молекул, обладающие большими временами жизни (по сравнению с электронными и вращательными уровнями). Процессы колебательной релаксации позволяют осуществить: полную инверсию колебательных уровней и т.н. частичную колебательно-вращательную инверсию. В соответствии с этим "рабочими" частицами Г.л. служат как многоатомные, так и двухатомные гетероядерные молекулы, имеющие, в отличие от гомоядерных молекул, разрешенные колебательно-вращательные переходы.

Первым и наиб. распространенным является Г.л. на полной колебательной инверсии между уровнями 00⁰1 и 10⁰0 (или 02⁰0) молекулы CO₂. Соответствующие длины волн генерации λ=10,4-9,4 мкм (рис.2). Уровень 00⁰1 соответствует асимметричным колебаниям молекулы CO₂, уровни 10⁰0 и 02⁰0 - колебаниям деформационного и симметрического типов. Однако в чистом CO₂ необходимое соотношение времен релаксации этих уровней не выполнено. Это соотношение сдвигается в нужную сторону при добавлении определенного кол-ва молекул H₂, H₂O, атомов He и др. Их столкновения с молекулами CO₂ опустошают нижние лазерные уровни (10⁰0 и 02⁰0) значительно быстрее, чем уровень 00⁰1. Увеличение запаса колебательной энергии в охлажденном газе достигается также введением в газовую смесь в форкамере донорного газа, молекулы которого релаксируют медленно и способны быстро передавать запасенную в них энергию на уровни, соответствующие асимметричным колебаниям молекулы CO₂. Роль донорного газа обычно выполняют возбужденные молекулы N₂, колебательные уровни которых близки к уровням молекулы CO₂.

Г.л. на продуктах сгорания является простейшим Г.л., имеющим практическое значение. В форкамере сжигается углеродсодержащее топливо в воздухе, горячие продукты сгорания пропускаются через сопловой аппарат и резонатор. В зависимости от используемого топлива и условий его сжигания давление p₀, температура T₀ и хим. состав продуктов в форкамере меняются в широких пределах (p₀=5-100 атм, T₀=1500-3000 К). Таким способом, как правило, не удается получить высокой эффективности. Г.л. на продуктах сгорания имеет низкий кпд (1%). Это обусловлено тем, что только 7-10% от энергии сгорания идет на возбуждение колебательного уровней молекулы CO₂. Кроме того, из-за релаксации потерь энергии в потоке, невысокого отношения энергии кванта лазерного излучения к энергии кванта, необходимого для возбуждения асимметричного колебания молекулы CO₂ (квантового кпд), и относительно небольшой эффективности резонатора не весь энергозапас может быть трансформирован в лазерное излучение. Реально в Г.л. на продуктах сгорания энергия, излучаемая на единицу массы сжигаемой смеси (уд. энергия излучения) 20 кДж/кг, а показатель усиления α≤0,5-1,0 M^-1.

Другие типы Г.л. Один из путей повышения эффективности Г.л. состоит в снижении релаксации потерь запасенной колебательной энергии. Из-за сравнительно высоких скоростей релаксации колебательных уровней молекулы CO₂ практически вся теряемая средой энергия преобразуется в теплоту, причем это происходит в околокритической части сопла, где высоки температура и плотность газа. Отсутствие CO₂ в этой части потока снижает до минимума потери энергии. Поэтому необходимое кол-во CO₂ вводят в поток возбужденного донорного газа в сверхзвуковую или околозвуковую часть сопла. При этом температура вводимого CO₂ может быть низкой (200-300 K). В таком варианте Г.л. (Г.л. "с подмешиванием") появляется дополнит. возможность повышения полного числа колебательно возбужденных молекул за счет нагревания донорного газа до более высоких температур T₀=4000-5000 K. Уд. энергия излучения достигает 50-100 кДж/кг, показатель усиления 3-5 м^-1, полный кпд ~2-3%.

Эффективность Г.л. повышается и в том случае, когда хотя бы часть запасенной энергии удается преобразовать в лазерное излучение с большим квантовым кпд. В случае CO₂ эта возможность связана с т.н. каскадной генерацией одновременно на двух переходах 00⁰1-10⁰0(02⁰0) и 10⁰0(02⁰0)-01¹0. Последняя имеет квантовый кпд 71,6%. Условия для возникновения двухчастотной генерации более жесткие, чем в одночастотном режиме. Они легче достигаются в Г.л. "с подмешиванием". По мере вывода каскадного излучения из резонатора внутренняя энергия системы падает и условие двухчастотной генерации перестает выполняться. Оставшаяся в среде колебательная энергия (верх. переход) трансформируется в лазерное излучение следующим, расположенным ниже по потоку резонатором, настроенным на переходы 00⁰1-10⁰0(02⁰0).

Г.л. на CO₂ работают также на др. колебательных переходах, напр. на переходах 03¹0-10⁰0, 03¹0-02²0 и 02⁰0-01¹0 (λ=18,4, 16,7 и 16,2 мкм). В этом случае необходимы замораживание как можно большей энергии в системе уровней деформации и симметричных колебаний молекулы и охлаждение газа до температур 70-100 K. Наилучшие результаты получены для смесей CO₂ с Ar и Ne и сопловых аппаратов с большими степенями расширения. В качестве рабочего компонента в Г.л. используются и др. трехатомные молекулы (N₂O, COS, CS₂).

Действие др. типа Г.л. основано на инверсии в системе колебательно-вращательных уровней в двухатомных гетероядерных молекулах (CO, HCl и др.). Инверсия возникает между вращательными подуровнями различных возбужденных колебательных уровней. Если это возбуждение мало, то вращательные подуровни, между которыми имеется инверсия, соответствуют очень большим значениям вращательного квантового числа, а потому имеют малую населенность. Это, в свою очередь, определяет малый показатель усиления, недостаточный для возбуждения генерации. Генерация возбуждается, если т.н. колебательная температура Т_кол (эфф. температура, с которой заселены колебательные уровни) и температура газа T находятся в соотношении T_кол/T>>1. Наиб. высокое значение T_кол расширяющегося газа может быть сохранено в системе слабо релаксирующих уровней, напр. в системе уровней молекулы CO (λ=5 мкм). Необходимое охлаждение газа достигается в сопловых аппаратах с высокой степенью расширения.

Известна система залпового огня по пат. РФ №2277687, МКТУ F43F 3/04, опубл. 10.06.2006 г., которая содержит колесное шасси с боевой рубкой, пакет трубчатых направляющих с винтовыми пазами и приводы горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих. На пакете трубчатых направляющих дополнительно размещена гироскопическая система измерения углов наведения пакета трубчатых направляющих, а в боевой рубке размещены пульт установки углов наведения пакета трубчатых направляющих и устройство сравнения, причем выходы гироскопической системы измерения и пульта установки углов наведения электрически связаны со входом устройства сравнения. Выход устройства сравнения электрически связан с приводами горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих, а удаление продольной оси каждой трубчатой направляющей от осей горизонтального и вертикального наведения пакета трубчатых направляющих не превышает величины, определяемой заданным математическим выражением.

Недостаток - ручная перезарядка комплекса после каждого залпа.

Известен сочлененный самоходный зенитный ракетный комплекс по патенту на изобретение №2273815 от 01.11.2004 г. Это изобретение относится к области вооружения, в частности к зенитному ракетному комплексу, который выполнен в виде базовой машины, содержащей две крайние и одну центральную подвешенную между ними секцию посредством автоматического устройства, с возможностью расцепления крайних секций от центральной. Центральная секция снабжена радиолокационной станцией подсвета целей и наведения ракет. На крайние секции установлены пускозаряжающие установки с дублирующими пультами управления и системой запуска зенитных управляемых ракет. Реализация комплекса позволяет повысить его маневренность и сократить длину колонны в ходе марша. Однако способ стрельбы из данного комплекса имеет ряд недостатков:

- невозможность осуществлять стрельбу реактивными снарядами залпом, очередями и вообще снарядами типа «Смерч», «Ураган», «Град» и др. подобного класса;

- невозможность транспортировать, заряжать такими реактивными снарядами пусковые установки;

- значительное снижение скорости перемещения на марше при достижении боевой позиции, так как он находится на гусеничном ходу;

- невозможность подвоза боевых снарядов после выпуска их первым залпом по противнику.

Однако у противопоставленного комплекса имеются и некоторые общие признаки стрельбы с заявляемым способом стрельбы из предлагаемого комплекса - это возможность заряжания пусковой установки боевыми снарядами на боевой позиции и возможность транспортирования этих боевых снарядов на марше до боевой позиции.

Целью этого изобретения является повышение боевой эффективности стрельбы реактивными снарядами типа «Смерч» залпом, очередями и одиночными выстрелами за счет обеспечения быстрой зарядки боевой машины с пусковой установкой комплектом реактивных снарядов с помощью транспортно-заряжающей машины комплекса, находящейся непосредственно и постоянно вместе с боевой машиной, на которой размещена пусковая установка.

Известен боевой комплекс залпового огня по патенту РФ №2400692, МПК F41F 3/04, опубл. 27.10.2010 г, прототип. В этом боевом комплексе залпового огня реактивными снарядами, содержащем боевую машину с пусковой установкой в верхней части и одну транспортно-заряжающую машины на многоколесном шасси.

Боевой комплекс имеет множество недостатков:

Низкая живучесть этого боевого комплекса. Он не имеет собственной брони, пушечного и стрелкового вооружения для ведения ближнего боя после выполнения стрельб реактивными снарядами. Боеготовность и огневая мощь комплекса очень низкая, его перезарядка осуществляется долго и в неудобном взаимном расположении машин комплекса.

Известен лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994, прототип. Далее приведено краткое описание и анализ его недостатков.

Этот газовый лазер с ядерной накачкой, полость цилиндрической трубки которого заполнена смесью HE+Xe (в отношении 200:1) с начальной плотностью ρ₁=0,9256·10³ г/см³. Внешний радиус урансодержащего слоя - 2 r₂=1 см, его толщина δ=0,518·10^-3 см. Материал слоя - двуокись урана, характеризующая плотностью ρ₂=10,96 г/см³ и концентрацией ядер урана ²³⁵U N₁=2,47·10²² яд/см³. Внешний радиус цилиндрической трубки - 3 r₃=1,1 см, ее толщина Δr₃=0,1 см; трубка сплошная. Материал трубки - сплав: цирконий с добавкой урана ²³⁵U, его плотность ρ₃=6,44 г/см³. Начальная температура всей системы T_o=303 K. Выполнены термогазодинамические расчеты на ЭВМ при нарастании потока тепловых нейтронов накачки по закону ϕ_(t)=ϕ_oe^t/τн с заданным периодом τ_н=1,5 с. ϕ_о полагалась равной 10¹³ н/см² с. В расчетах варьировалась концентрация ²³⁵U в материале стенки трубки. Кривая 5 на фиг.2 изображает зависимость координаты границы активной области генерации от концентрации ядер урана-235 в стенке трубки. Таким образом, прямые расчеты подтверждают, что приведенные выше формулы определяют оптимальное значение концентрации ядер урана в трубке лазерной кюветы, которое необходимо обеспечить для эффективной компенсации влияния неоднородностей температуры и плотности, возникающих в рабочем газе.

Эффективность действия такого лазера с оптимальной концентрацией ядер ²³⁵U в трубке проверена в расчетах термогазодинамических и оптических характеристик при работе его в режиме накачки потоком тепловых нейтронов, имеющем временную зависимость, близкую по форме к прямоугольной, с длительностью τ=1 с. Величина ϕ_m=0,683·10¹⁴ н/см² с есть максимальное значение потока тепловых нейтронов. На основе полученных пространственно-временных распределений температуры и плотности газовой смеси с использованием временной зависимости импульса накачки тепловых нейтронов и известных соотношений, описывающих связь между плотностью газа и его показателем преломления, распределением показателя преломления и расходимостью оптического излучения и т.п., рассчитано изменение во времени относительной средней интенсивности лазерного излучения.

Оптимальная концентрация ядер урана 235 в трубке кюветы лазера определяется геометрическими размерами и теплофизическими параметрами самой трубки, урансодержащего слоя и рабочей газовой среды. При изменении концентрации ядер урана 235 в материале трубки от нуля до оптимальной величины выходная энергия излучения лазера монотонно растет до максимально возможного значения. При дальнейшем увеличении концентрации выходная энергия излучения остается неизменной.

Таким образом, внедрение ядер урана 235 с оптимальной концентрацией N в стенку трубки лазера с ядерной накачкой позволяет существенно в 15-30 раз (при длительности накачки τ≈1 с) увеличить энергию выходного излучения лазера по сравнению с прототипом. Кроме того, такое устройство полностью исключает возможность отказа нагрева стенки трубки и обеспечивает синхронность слежения разогрева трубки за разогревом рабочей газовой среды.

Таким образом, известный газовый лазер с ядерной накачкой по патенту РФ №1140668, МПК H01S 3/09, опубл. 30.06.1994 г., также обладает недостатками, основные из которых низкий КПД и мощность лазерного излучения, что недопустимо для боевого лазера, так как это не только уменьшит поражающие свойства лазера, но и приведет к огромному расходу газа.

За последние несколько лет большую популярность в мире завоевали системы глобального позиционирования (определения точного местоположения) GPS. Это, действительно, очень перспективный рынок. Объем мирового рынка услуг глобального позиционирования в 2003 г. составил $500 млн, а по прогнозу Ovum, в 2005 г. его объем составит $9.75 млрд (при 376 млн абонентов). Некоторым основам функционирования систем глобального позиционирования и их применению в мире и посвящена данная статья. Первые системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System) разрабатывались исключительно для военных целей. Глобальная навигационная система GPS предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Инициатором создания GPS-системы стало Министерство Обороны США. Ее разработка началась в 1973 г., когда Министерство Обороны США перестала устраивать радионавигационная система, состоящая из наземных навигационных систем Loran-C и Omega, и спутниковой системы Transit. Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System - навигационная система определения времени и дальности). Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей. Первая штатная орбитальная группировка системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г. На орбиту были выведены 24 навигационных спутника Block II. Окончательно GPS-система была введена в эксплуатацию в 1995 г. В настоящее время она эксплуатируется и обслуживается Министерством Обороны США. В состав GPS-системы входят 3 основных сегмента: космический, наземный и пользовательский. Космический сегмент состоит из 28 автономных спутников, равномерно распределенных по орбитам с высотой 20350 км (для полнофункциональной работы системы достаточно 24 спутников). Каждый спутник излучает на 2 частотах специальный навигационный сигнал, в котором зашифровано 2 вида кода. Один из них доступен лишь немногим пользователям, среди которых, конечно же, военные и федеральные службы США. Кроме этих 2 сигналов, спутник излучает и третий, информирующий пользователя о дополнительных параметрах (состоянии спутника, его работоспособности и др.). Параметры орбит спутников периодически контролируются сетью наземных станций слежения (всего 5 станций, находящихся в тропических широтах), с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки): вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется собственное время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры и др. При этом для обнаружения отказов оборудования спутников с помощью наземных станций обычно требуется несколько часов. Третий сегмент GPS-системы - это GPS-приемники, выпускаемые и как самостоятельные приборы (носимые или стационарные), и как платы для подключения к ПК, бортовым компьютерам и другим аппаратам. Основные возможности GPS-системы (при наличии приемника GPS-сигнала):

- определение местонахождения мобильного абонента;

- определение наиболее короткого и удобного пути до пункта назначения;

- определение обратного маршрута;

- определение скорости движения (максимальной, минимальной, средней);

- определение времени в пути (прошедшего и сколько потребуется еще) и др.

Основные характеристики GPS-системы приведены в таблице 1.

Количество спутников в орбитальной группировке 28 Число орбитальных плоскостей 63 Число спутников в каждой плоскости 48 Высота орбиты (км) 20350 Наклонение орбиты (градус) 55 Период обращения спутников (ч) 12 Масса спутника (кг) 1055 Мощность солнечных батарей спутника (Вт) 450 Срок эксплуатации (лет) 7,5 Поляризация правосторонняя Погрешность определения 100 (С/А-код); 16 (Р-код) Погрешность определения 10 (С/А-код); 0,1 (Р-код) Погрешность определения времени (нс) 340 (С/А-код); 90 (Р-код) Надежность навигационных определений (%) 95

Основы функционирования GPS-системы

Теория дальнометрии основана на вычислении расстояния распространения радиосигнала от спутника к приемнику по временной задержке. Если знать время распространения радиосигнала, то пройденный им путь легко вычислить, просто умножив время распространения радиосигнала на скорость света. Каждый спутник GPS-системы непрерывно генерирует радиоволны 2 частот - (L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц). Навигационный сигнал представляет собой фазоманипулированный псевдослучайный PRN-код (Pseudo Random Number code). PRN-код бывает 2 типов. Первый - С/А-код (Coarse Acquisition code - грубый код) используется в гражданских приемниках. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому и называется «грубым» кодом. С/А-код передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается посредством кода Гоулда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Другой код - Р (precision code - точный код) - обеспечивает более точное вычисление координат, но доступ к нему ограничен. В основном, Р-код предоставляется военным и (иногда) федеральным службам США (например, для решения задач геодезии и картографии). Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Этот код доступен в принципе и гражданским лицам. Но алгоритм его обработки гораздо более сложен, поэтому и аппаратура стоит дороже. В свою очередь, частота L1 модулируется как С/А, так и Р-кодом. В сигнале GPS может присутствовать и так называемый Y-код, являющийся зашифрованной версией Р-кода (в военное время система шифровки может меняться).

Кроме навигационных сигналов, спутник непрерывно передает различного рода служебную информацию. Пользователь GPS-приемника информируется о состоянии спутника и его параметрах: системном времени; эфемеридах (точных данных об орбите спутника); прогнозируемом времени задержки распространения радиосигнала в ионосфере (т.к. скорость света меняется при прохождении разных слоев атмосферы), работоспособности спутника (в так называемом «альманахе» содержатся обновляемые каждые 1…5 мин сведения о состоянии и орбитах всех спутников).

В основе определения координат GPS-приемника лежит вычисление расстояния от него до нескольких спутников, расположение которых считается известным (эти данные находятся в принятом с GPS-спутника «альманахе»). В геодезии метод вычисления положения объекта по измерению его удаленности от точек с заданными координатами называется «трилатерацией».

Если известно расстояние до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя (он может находиться в любой точке сферы радиусом, описанной вокруг спутника). Пусть известна удаленность приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным - объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек. Этого уже достаточно для однозначного определения координат - дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.

Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС)- советская и российская спутниковая система навигации, разработана по заказу Министерства обороны СССР. Одна из двух функционирующих на сегодня систем глобальной спутниковой навигации^[1]. Основой системы должны являться 24 спутника, движущихся над поверхностью Земли в трех орбитальных плоскостях с наклоном орбитальных плоскостей 64,8° и высотой 19100 км. Принцип измерения аналогичен американской системе навигации NAVSTAR GPS. В настоящее время развитием проекта ГЛОНАСС занимается Федеральное космическое агентство (Роскосмос) и ОАО «Российские космические системы»^[2].

Российская глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС) предназначена для оперативного навигационно-временного обеспечения неограниченного числа пользователей наземного, морского, воздушного и космического базирования. Доступ к гражданским сигналам ГЛОНАСС в любой точке земного шара на основании указа Президента РФ предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений.

Для обеспечения коммерциализации и массового внедрения технологий ГЛОНАСС в России и за рубежом Постановлением Правительства РФ в июле 2009 г. был создан «Федеральный сетевой оператор в сфере навигационной деятельности», функции которого были возложены на ОАО «Навигационно-информационные системы».

Основное отличие от системы GPS в том, что спутники ГЛОНАСС в своем орбитальном движении не имеют резонанса (синхронности) с вращением Земли, что обеспечивает им большую стабильность. Таким образом, группировка КА ГЛОНАСС не требует дополнительных корректировок в течение всего срока активного существования. Тем не менее срок службы спутников ГЛОНАСС заметно короче.

Задачи создания изобретения - повышение точности стрельбы, улучшение живучести комплекса, его боеготовности, огневой мощи, автономности в управлении.

Решение указанных задач достигнуто в боевом лазере, содержащем источник энергии и, по меньшей мере, один резонатор, тем, что в качестве источника энергии применен жидкостно-ракетный двигатель, установленный горизонтально, со сверхзвуковым соплом, на выходе которого установлено с возможностью поворота выхлопное устройство, резонаторы установлены с возможностью поворота выхлопного устройства и содержат шаровые шарниры. Выхлопное устройство выполнено с возможностью регенеративного охлаждения из двух стенок: внутренней и внешней, на внутреннюю стенку нанесен слой урана 235, а в саму эту стенку внедрены частицы урана 235. Боевой лазер может содержать источник электроэнергии. Боевой лазер может содержать бортовой компьютер, приемник системы Глонасс и приемно-передающее устройство, соединенные между собой электрическими связями. Боевой лазер может содержать ядерный реактор, установленный в камере сгорания. Боевой лазер может содержать ядерный реактор и теплообменник, установленный в камере сгорания и соединенные трубопроводами циркуляции теплоносителя. Боевой лазер может содержать ядерный реактор, установленный в выхлопном устройстве. Боевой лазер может содержать диффузор, установленный соосно выхлопному устройству. Диффузор может быть выполнен охлаждаемым. Боевой лазер может быть установлен на неподвижной платформе, на которой установлен привод, связанный через редуктор с выхлопным устройством и силовым кабелем через коммутатор с источником электроэнергии. На выхлопном устройстве может быть выполнен упор, на котором установлен привод, связанный с резонатором и силовым кабелем через коммутатор с источником электроэнергии. Боевой лазер может быть оборудован цистернами окислителя и горючего. Боевой лазер может быть выполнен мобильным. Боевой лазер может быть выполнен на гусеничной ходовой части. Боевой лазер может быть оборудован дистанционно-управляемым стрелковым оружием с блоком дистанционного управлением.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1…16, где:

- на фиг.1 и 2 приведен чертеж боевой машины с боевым лазером,

- на фиг 3 приведена конструкция выхлопного устройства с резонатором,

- на фиг.4 приведена схема компоновки ЖРД в бронеотсеке,

- на фиг.5 приведен вид А боевого лазера с одним резонатором,

- на фиг.6 приведен вид А боевого лазера с двумя резонаторами,

- на фиг.7 приведен разрез Б-Б,

- на фиг.8 приведен вид В,

- на фиг.9 приведен вид Г,

- на фиг 10 приведена схема ЖРД,

- на фиг.11 приведен чертеж выхлопного устройства с установленным внутри него ядерным реактором,

- на фиг.12 приведен чертеж сопла с установленным внутри него ядерным реактором,

- на фиг.13 приведен чертеж выхлопного устройства с установленным внутри него теплообменником и с ядерным реактором, установленным вне него,

- на фиг.14 приведен боевой лазер на гусеничной ходовой части,

- на фиг.15 приведен чертеж боевого лазера с единицей дистанционно-управляемого стрелкового оружия.

- на фиг.16 приведен чертеж боевого лазера с диффузором.

Боевой лазер (фиг.1…16) содержит основание 1 с установленным на нем бронеотсеком 2, в свою очередь имеющий броню 3.

В бронеотсеке 2 (фиг.1 и 2) установлен горизонтально жидкостный ракетный двигатель - ЖРД 4, имеющий турбонасосный агрегат ТНА 5, камеру сгорания 6 с соплом 7.

Так как нет никаких ограничений и требований к конструкции ЖРД, применяемого для боевого лазера, в дальнейшем рассмотрен пример однокамерного ЖРД, выполненного по закрытой схеме.

Соосно с соплом 7 установлено с возможностью поворота выхлопное устройство 8. Выхлопное устройство 8 может быть цилиндрической формы или конической формы и оно установлено на двух опорах 9 и 10 и через редуктор 11 соединено с приводом 12.

С приводом 12 соединен датчик угла поворота 13. На выхлопном устройстве 8 установлен упор 14, к которому прикреплен привод 15, например гидроцилиндр, соединенный с резонатором 16. Резонатор (резонаторы) 16 установлен с возможностью поворота на цилиндрическом шарнире 17 на выхлопном устройстве 8. С цилиндрическим шарниром 17 связан датчик угла поворота 18. ЖРД 4 используется как источник энергии. ЖРД 4, установлен на центральном шарнире 19 и на двух опорах 20.

Каждый резонатор 4 содержит корпус 21 цилиндрической формы, выполненный из трех соосно установленных частей первой 22, второй 23 и средней 24. В первой части 22 корпуса 21 установлено зеркало 25, во второй части 23 корпуса 21 установлен объектив 26. ЖРД 4 содержит камеру сгорания 6 и турбонасосный агрегат ТНА 5. Камера сгорания 6 содержит головку 27 и сопло 7, которое содержит цилиндрическую часть 28, сужающуюся часть 29 и расширяющуюся часть 30 и коллектор горючего 31. Коллектор горючего 31 выполнен с цилиндрической наружной поверхностью 32 и установлен в отверстии 33, которое выполнено в выхлопном устройстве 8, и уплотнено уплотнением 34, выхлопное устройство 8 уплотнено относительно бронированного торца 35 уплотнением 36 (фиг.3). Такая конструкция описанного выше соединения сделана для предотвращения огромных температурных напряжений в деталях ЖРД 4 и для исключения попадания на узлы ЖРД 4 атмосферных осадков.

На боковой поверхности брони 3 выполнены в верхней части отверстия 37 для продувки его полости 38 с целью охлаждения узлов ЖРД 4. Для продувки полости 38 внутри бронеотсека 2 выполнена система продувки, которая содержит баллон 39 со сжатым воздухом или инертным газом, трубопровод продувки 40 и клапан продувки 41.

На выхлопном устройстве 8 выполнены щели 42, в которых установлены вторые части 23 корпусов 21 резонаторов 16 (фиг.1 и 3). Части 23 могут быть уплотнены для исключения попадания атмосферных осадков внутрь выхлопного устройства. Основание 1 крепится к грунту 43 при помощи анкерных болтов 44 и при помощи реактивного упора 45, закрепленного шарниром 46 на бронеотсеке 2.

Как сужающаяся 29, так и расширяющаяся 30 части сопла 7 выполнены с возможностью регенеративного охлаждения (фиг.3) и содержат две стенки; внутреннюю стенку 47 и наружную стенку 48 с зазором 49 между ними для прохождения охлаждающего горючего. На внутренней поверхности внутренней стенки 47 нанесен слой урана 235-50, а в саму внутреннюю стенку 47 внедрены частицы урана 238-51 (фиг.3).

Аналогичную конструкцию имеет выхлопное устройство 8 (фиг.3…5). Оно выполнено с возможностью регенеративного охлаждения и содержит две стенки: внутреннюю стенку 52 и наружную стенку 53, с зазором 54 между ними для прохождения охлаждающего горючего. На внутренней поверхности внутренней стенки 52 нанесен слой урана 235-55, а в саму внутреннюю стенку 51 внедрены частицы урана 238-56 (фиг.3). Система охлаждения выхлопного устройства 8 включает подводящий трубопровод 57, с клапаном 58 и отводящий трубопровод 59.

Резонаторы 16 также выполнены с возможностью регенеративного охлаждения (фиг.5…9). Трубки 21 выполнены с двумя стенками внутренней 60 и наружной 61 с зазором 62 между ними. Кроме того, средняя часть 24 выполнена в виде двух параллельно установленных обтекаемых профилей 63, при этом возможно и их выполнение охлаждаемыми (фиг.6), т.е. с полостью 64 внутри них, включенной в систему охлаждения. При этом система охлаждения резонаторов 16 дополнительно включает входной коллектор 65, выходной коллектор 66, подводящий трубопровод 67 с клапаном 68 и отводящий трубопровод 69. Кроме того, на поверхности обтекаемых профилей 63 может быть нанесено покрытие урана 235-70, а в саму их стенку внедрены частицы урана 235-71.

Турбонасосный агрегат 5 содержит (фиг.1 и 6) основную турбину 72, насос окислителя 73, насос горючего 72, дополнительный насос горючего 75, пусковую турбину 76 с выхлопной трубой 77. Соосно с ТНА 5 установлен газогенератор 78, который газоводом 79 соединен с головой 27 камеры сгорания 6. ТНА 5 крепится к камере сгорания 6 при помощи тяг 80.

Боевой лазер (фиг.1 и 3) содержит баллон сжатого воздуха 81, с которым соединен трубопровод высокого давления 82, имеющий клапан 83. Другой конец трубопровода высокого давления 82 соединен с пусковой турбиной 76. К пусковой турбине 76 подсоединена выхлопная труба 77 для сброса воздуха.

Боевой лазер (фиг.1) содержит источник электроэнергии 84, силовой кабель 85, соединяющий источник электроэнергии 84 с коммутатором 86, к которому присоединены также силовыми кабелями 85 все потребители электроэнергии, в частности приводы 12 и 15. На боевом лазере установлен бортовой компьютер 87, к которому электрическими связями 89 присоединены приемник системы Глонасс 89 с антенной 90 и приемно-передающее устройство 91 с антенной 92. Связь приемника системы Глонасс 89 со спутниками 93 осуществляется при помощи антенны 90 по радиоканалу 94.

Возможен вариант исполнения боевого лазера с ядерным реактором 95, установленным внутри камеры сгорания 6, предпочтительно внутри ее цилиндрической части 27 (фиг.9). Это не только увеличит энергию лазерных лучей за счет использования тепловой энергии ядерного реактора 95, но и повысит его КПД за счет радиоактивной накачки продуктов сгорания и, самое главное, во много раз увеличит время непрерывной работы боевого лазера за счет снижения расхода горючего примерно в 10…20 раз) и сжигания его при низкой (минимально-возможной температуре.

Возможен вариант исполнения боевого лазера с ядерным реактором 95, установленным внутри выхлопного устройства 8 (фиг.10).

Возможен вариант исполнения боевого лазера с ядерным реактором 95 и теплообменником 96, установленным внутри сопла 6 или выхлопного устройства 8 (фиг.11). Ядерный реактор 95 и теплообменник 96 соединены трубопроводами циркуляции теплоносителя, подводящим 97 и отводящим 98, в одном из которых установлен насос теплоносителя 99 с приводом 100. В отводящем трубопроводе установлен датчик температуры 101, позволяющий одновременно контролировать работу ядерного реактора 95 и системы рециркуляции теплоносителя.

Пневмогидравлическая схема ЖРД 4 приведена на фиг.12.

Внутри камеры сгорания 6 (фиг.10) выполнены наружная плита 102 и внутренняя плита 103 с зазором (полостью) между ними 104. Внутри головки 27 камеры сгорания 6 установлены форсунки окислителя 105 и форсунки горючего 106. Форсунки окислителя 105 сообщают полость 107 с внутренней полостью 108 камеры сгорания 6. На наружной поверхности камеры сгорания 6 установлен коллектор горючего 31.

К коллектору горючего 31 подключен патрубок 109, на котором установлен клапан горючего 110, вход которого трубопроводом горючего 111 соединен с выходом насоса горючего 74. Выход из дополнительного насоса горючего 75 соединен топливопроводом высокого давления 112, содержащим регулятор расхода 113 с приводом 114 и клапан высокого давления 115 - с газогенератором 78, конкретно с его полостью 116.

Выход из насоса окислителя 75 трубопроводом окислителя 117 через клапан окислителя 118 соединен с газогенератором 78.

Газогенератор 78 имеет внешнюю и внутреннюю плиты соответственно 119 и 120 с полостью между ними 121 и форсунки окислители и горючего, соответственно - 122 и 123. На головке 27 камеры сгорания 6 установлены запальные устройства 124, а на газогенераторе 78 - запальные устройства 125 (фиг.10).

ТНА 5 имеет установленный на валу 126 датчик частоты вращения 127. К датчику частоты вращения 127 подсоединена электрическая связь 88, которая соединена с бортовым компьютером 87.

К бортовому компьютеру 87 электрическими связями 88 подключены запальные устройства 124 и 125, предпочтительно электрозапальные, клапан горючего 110, клапан окислителя 118, привод 114 регулятора расхода 113, клапан высокого давления 115.

К коллектору горючего 31 подключен продувочный трубопровод 128 с клапаном продувки 129.

Возможны различные варианты исполнения конструкции боевого лазера; стационарный, мобильный на многоколесном шасси без двигателя (прицеп), мобильный на многоколесном шасси с ДВС или дизельным двигателем и на гусеничной ходовой части. Далее подробно описан только последний вариант (фиг.14). В этом варианте боевой лазер имеет гусеничную ходовую часть 130, двигательный отсек 131, левый тяговый электродвигатель 132, правый тяговый электродвигатель 133, соединенные силовыми кабелями 85 с коммутатором 86.

Боевой лазер в этом варианте содержит топливный отсек 134, содержащий, в свою очередь, емкость горючего 135, заправочную горловину горючего 136, трубопровод горючего 137, расходомер горючего 138 и кран горючего 139. Кроме того, он содержит емкость окислителя 140, заправочную горловину окислителя 141, трубопровод окислителя 142, расходомер окислителя 143 и кран окислителя 144.

Над боевым лазером может быть на опоре 145 (фиг.15) установлена по меньшей мере одна единица дистанционно-управляемого стрелкового оружия 146 с системой дистанционного управления 147. Единица дистанционно-управляемого стрелкового оружия 146 предназначена для обороны мобильного боевого лазера на марше и при израсходовании окислителя и горючего.

На фиг.16 приведен боевой лазер с диффузором 148, установленным при помощи кронштейнов 149 на бронекорпусе 3.

БОЕВОЕ ПРИМЕНЕНИЕ: БОЕВОГО ЛАЗЕРА

Боевой лазер спроектирован только для обороны участка неба в радиусе прямой видимости со стороны боевого лазера и практически без ограничения по высоте. Горизонтальное расположение ЖРД 4 уменьшает габариты боевого лазера по высоте, а применение анкерных болтов 44 и реактивного упора 45 с шарниром 46 исключает влияние реактивной тяги ЖРД 4 на точность стрельбы.

При запуске боевого лазера сначала запускают жидкостный ракетный двигатель 4, потом ядерный реактор 95 при его наличии. Для запуска ЖРД 4 открывают клапан 83, и сжатый воздух по трубопроводу высокого давления 82 поступает в пусковую турбину 76. Потом открывают клапаны 110, 115 и 118 и включают запальники 124 и 125 (фиг.10). Топливо (окислитель и горючее) при сгорании в камере сгорания 27 сгорает при относительно низкой температуре до 500 град. С. Дальнейший подогрев продуктов сгорания до 3000…4000 град. С осуществляется ядерным реактором 95. Кроме значительного нагрева продукты сгорания подвергаются радиоактивному облучению, это способствует повышению мощности лазера.

Управление боевым лазером выполняет бортовой компьютер 87 при помощи приводов 13 и 15 (фиг.1), поворачивающих резонатор 16 в двух плоскостях.

Выключение боевого лазера осуществляется в обратном порядке.

Боевой лазер практически мгновенно вступает в бой и поражает цели лучами боевого лазера, используя для наведения собственные координаты и координаты цели, полученные с командного пункта - КП или радиолокационной станции - РЛС (КП и РЛС на фиг.1…16 не показаны), до полного израсходования окислителя и горючего, после чего ее устанавливают таким образом, что сбоку размещают заправщики окислителя и горючего своим задним торцом, затем производят заправку окислителем и горючим боевой машины, а после этого она производит повторную атаку, а заправщики окислителя и горючего сразу направляют за компонентами ракетного топлива (окислителем и горючим) для продолжения боя.

Поэтому данное техническое решение отвечает критерию «новизна». Для определения соответствия предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» проведен анализ признаков выявленных аналогов. Учитывая, что предлагаемое техническое решение обладает новой совокупностью признаков, которые для специалиста явным образом не следуют из существующего уровня техники, оно соответствует критерию «изобретательский уровень». Предлагаемый способ повышения боевой эффективности стрельбы позволяет обеспечить:

- автономную топопривязку и навигацию, что позволяет вести стрельбу с неподготовленной в топогеодезическом отношении огневой позиции, наведение пакета направляющих пусковой установки без выхода расчета из кабины боевой машины и без использования точки наводки;

- одновременную стрельбу одним или несколькими лучами сверхмощного лазера;

- заправку окислителем и горючим боевого лазера с помощью заправщиков в любой последовательности;

- максимальную скорость движения комплекса по дорогам с твердым покрытием порядка 100 км/час;

- проходимость по снегу, болоту и пескам пустыни,

- запас хода по топливу - 2000 км;

- количество лучей лазера - 1…40 шт.,

- полное время перезаправки - до 10 мин.

Стационарный боевой лазер вступает в бой практически мгновенно.

По прибытии на боевую позицию мобильный боевой лазер вступает в бой через несколько секунд. При израсходовании мобильным боевым лазером всего окислителя и горючего его заправляют окислителем и горючим при помощи заправщиков (заправщики на фиг.1…16 не показаны). После отхода заправщиков на безопасное расстояние боевой лазер производит необходимую стрельбу лазером по атакуемой цели. После заправки боевого лазера заправщики направляются за очередной порцией окислителя и горючего и так до окончания боевых действий. Боевые действия боевой лазер ведет без участия человека в связи с гибельным действием звукового потока работающего ЖРД на экипаж и все живое в радиусе до 1000 м и высоким радиационным фоном в случае использования ядерного реактора.

Применение изобретения позволит:

Повысить дальность стрельбы лучами лазера, особенно в высоту до уровня космических высот.

Повысить поражающую мощь установки в 500…1000 раз.

Обеспечить надежную и полную автоматизацию процесса перезаправки пусковой установки окислителем и горючим.

Улучшить неуязвимость боевого комплекса за счет мощного бронирования и применения дистанционно-управляемого стрелкового оружия.

Сделать ресурс стрельбы до капитального ремонта безграничным и ресурс ходовой части равным ресурсу танка или САУ, на базе ходовой части которой изготовлена боевая машина.

Предлагаемый способ повышенной боевой эффективности стрельбы одновременно несколькими лучами лазера (от 1 до 40 лазерных лучей мощностью от 10 МВт до 200 МВт каждый) позволяет поражать:

- самолеты и ракеты противника в радиусе прямой видимости,

- спутники на орбите,

- космические бомбардировщики,

- головные части ракет на баллистической траектории.

Основной отличительной способностью предложенного боевого комплекса является наличие не одного, а нескольких резонаторов, а отличие способа ведения боя заключается в том, что при ведении оборонительного боя может быть задействован один или несколько лучей лазера. Естественно, если применяется только один луч лазера, его мощность возрастает. Также бой может вестись с применением ядерного реактора, это не только повысит мощность лазерных лучей, но и на порядок увеличит время активного использования лазера без перезаправки.

Боевой лазер может работать без экипажа с использованием систем Глонасс и радиоуправления. В исключительных случаях экипаж может использоваться для перемещения боевого лазера и его обороны от десанта противника. В случае использования ядерного реактора 95 (естественно только при неработающем ядерном реакторе 95), допустимо только кратковременное пребывание около ЖРД 4 обслуживающего персонала в специальных защитных скафандрах. Заправщики имеют экипаж по 2 или 3 человека для управления движением, подстыковки и отстыковки шлангов и обороны. Но в случае гибели всего экипажа заправщики способны автономно вести бой с использованием стрелкового оружия и перемещаться с применением радиоуправления, принимая максимально возможные меры для спасения материальной части и после смены экипажа для дальнейшего выполнения поставленных задач.

Имея такой патент на изобретение, предприятиям России, изготавливающим такие комплексы, кроме обеспечения обороноспособности страны, будет значительно легче продавать их за рубеж союзникам и дружественным странам, одновременно можно повысить цену реализации единицы продукции в 5…10 раз, при более низкой себестоимости, так как включение подобного устройства и способа в техническую и рекламную документацию сразу даст отражение в ней повышенной боевой эффективности стрельбы этими продаваемыми комплексами и их абсолютную неуязвимость. При этом можно быстро и легко наладить серийное производство этого нового вида оружия, учитывая передовые позиции СССР в танкостроении и огромное количество танков, произведенных в СССР и РФ. При этом доходы нашего государства от экспорта оружия возрастут в десятки и сотни раз.

Литература

1. Конюхов В.К., Прохоров А.М., Второе начало термодинамики и квантовые генераторы с тепловым возбуждением. "УФН", 1976, т.119, с.541;

2. Лосев С.А., Газодинамические лазеры, М., 1977; Андерсон Д., Газодинамические лазеры: введение, пер. с англ., М., 1979;

3. Бирюков А.С., Щеглов В.А., Газовые лазеры на каскадных переходах линейных трехатомных молекул, "Квантовая электроника", 1981, т.8, с.2371;

4. Карлов Н.В., Лекции по квантовой электронике, М., 1983. А.С.Бирюков

Изобретение относится к оборонительным боевым установкам. Боевой лазер содержит источник энергии, в качестве которого применен установленный горизонтально жидкостно-ракетный двигатель со сверхзвуковым соплом. На выходе сопла установлено с возможностью поворота выхлопное устройство. Резонаторы установлены на выхлопном устройстве и содержат шаровые шарниры, обеспечивающие поворот резонаторов в вертикальной плоскости. Выхлопное устройство выполнено с возможностью регенеративного охлаждения и состоит из внутренней и внешней стенок. На внутреннюю стенку нанесен слой урана 235, частицы урана 235 внедрены и в саму стенку. Изобретение позволяет повысить точность стрельбы, улучшить живучесть комплекса, его боеготовность и огневую мощь. 14 з.п. ф-лы, 1 табл., 16 ил.

1. Боевой лазер, содержащий источник энергии и, по меньшей мере, один резонатор, отличающийся тем, что в качестве источника энергии применен установленный горизонтально жидкостный ракетный двигатель со сверхзвуковым соплом, на выходе которого установлено с возможностью поворота выхлопное устройство, резонаторы установлены на выхлопном устройстве и содержат шаровые шарниры, обеспечивающее поворот резонаторов в вертикальной плоскости.

2. Боевой лазер по п.1, отличающийся тем, что выхлопное устройство выполнено с возможностью регенеративного охлаждения и состоит из двух стенок: внутренней и внешней, на внутреннюю стенку нанесен слой урана 235, а в саму эту стенку внедрены частицы урана 235.

3. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит источник электроэнергии.

4. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит бортовой компьютер, приемник системы Глонасс и приемно-передающеее устройство, соединенные между собой электрическими связями.

5. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит ядерный реактор, установленный в камере сгорания.

6. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит ядерный реактор и теплообменник, установленные в камере сгорания и соединенные трубопроводами циркуляции теплоносителя.

7. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он содержит ядерный реактор, установленный в выхлопном устройстве.

8. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен с диффузором, установленным соосно выхлопному устройству.

9. Боевой лазер п.8, отличающийся тем, что диффузор выполнен охлаждаемым.

10. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он установлен на основании, на котором установлен привод, связанный через редуктор с выхлопным устройством и силовым кабелем через коммутатор с источником электроэнергии.

11. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что на выхлопном устройстве выполнен упор, на котором установлен привод, связанный с резонатором и силовым кабелем через коммутатор с источником электроэнергии.

12. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он оборудован цистернами окислителя и горючего.

13. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он выполнен мобильным.

14. Боевой лазер по п.13, отличающийся тем, что он выполнен на гусеничной ходовой части.

15. Боевой лазер по п.1 или 2, отличающийся тем, что он оборудован дистанционно-управляемым стрелковым оружием с блоком дистанционного управления.