СПОСОБ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ ЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМ БОЕПРИПАСОМ Российский патент 2021 года по МПК F42B12/36 H02N11/00 H05H1/24 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы, в частности к одноразовым средствам функционального поражения радиоэлектронных устройств, и может быть использовано для функционального поражения (ФП) электронного оборудования (ЭО) вооружения и военной техники (ВВТ). Термины и определения

Поток излучения - отношение энергии, переносимой электромагнитным излучением через какую-либо поверхность, ко времени переноса, значительно превышающему период электромагнитного колебаний. (Синоним понятия мощность излучения; характеризует энергию излучения; измеряется в Вт) [Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров, Ред. Кол. Д.М. Алексеев, A.M. Балдин, A.M. Бонч-Бруевич, и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 4 Пойнтинга - Робертсона-Стримеры. 1994. - 704 с., стр. 94]

Функциональное поражение (радиоэлектронного [информационно-технического] объекта): радиоэлектронное поражение, заключается в разрушении и/или повреждении элементов радиоэлектронных [информационно-технических] объектов противника электромагнитным излучением и/или в специальном программном воздействии на информацию, циркулирующую в этих объектах.

Поражение электромагнитным излучением: функциональное поражение, заключающееся в разрушении и/или повреждении элементов радиоэлектронных и/или информационно-технических объектов противника средствами поражения электромагнитного излучения [ГОСТ РВ 0158-005-2018 Борьба радиоэлектронная. Функциональное поражение: термины и определения. - М.: Стандартинформ. 2018. - 11 c.].

Под информационно-техническим средством понимается устройство, состоящее из одного или нескольких функционально связанных программно-управляемых технических средств и предназначенное для формирования, создания, преобразования, использования и хранения цифровой информации. К техническим средствам относятся: радиоэлектронные средства, средства вычислительной техники, средства электронной автоматики, электротехнические средства, изделия промышленного, научного и медицинского назначения [ГОСТ Р 50397-92 Совместимость технических средств электромагнитная. Термины и определения. - М.: Издательство стандартов. 1992. - 35 с.].

Уровень техники

На настоящий момент известны электромагнитные боеприпасы (ЭМБ), в которых, посредством взрывомагнитных генераторов (ВМГ), производится прямое преобразование энергии взрыва в мощный импульс радиочастотного (РЧ) электромагнитного излучения (ЭМИ). К наиболее мощным ВМГ относится сферический ударно-волновой источник (УВИС), который содержит постоянные магниты и магнитопровод в форме перекрещивающихся обручей с магнитными полюсами в виде усеченных конусов, направленных в центр образовавшейся сферы. Внутри магнитопроводов размещена сфера из пластмассы, в которой находится заряд мощного взрывчатого вещества (ВВ) со скоростью детонации не менее 8 км/с с центральной сферической полостью, где установлен монокристалл иодида цезия с оптической осью, проходящей соосно полюсам магнитной системы. Усеченные полюсные конусы собирают магнитное поле в области, занимаемой монокристаллом иодида цезия.

Сфера из пластмассы имеет на наружной поверхности сложные канавки, заполненные ВВ с высокостабильной скоростью детонации, заканчивающиеся передаточными отверстиями. Канавки выполнены в соответствии с геометрией Римана с таким расчетом, чтобы при возбуждении детонации в месте соединения канавок детонационная волна дошла одновременно до всех передаточных отверстий, возбудив основное ВВ сферы для того, чтобы образовать сходящуюся сферическую ударную волну.

При подрыве первичного детонатора основное ВВ сферы подрывается и сферическая ударная волна начинает воздействовать на монокристалл иодида цезия с сфокусированным в нем магнитным полем конусных полюсов магнитной системы. Ударная волна в монокристалле иодида цезия переводит вещество в ионизированное проводящее состояние и таким образом начинает сжимать не металлический (как в обычных ВМГ), а виртуальный лайнер, состоящий из сжатого взрывом вещества монокристалла. Вследствие скин-эффекта размер области сжатия магнитного поля в конце сжатия меньше начального радиуса монокристалла более чем в 1000 раз. Ударная волна сходится практически в точку и отразившись, меняет направление на обратное, причем магнитное поле скачкообразно изменяется, что приводит к генерации импульсного РЧ ЭМИ. Длительность генерации менее 1 не, частота от сотен мегагерц до сотен гигагерц в одном импульсе [Оружие не летального действия: учебник для высших учебных заведений / В.В. Селиванов, Д.П. Левин. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 356 с., стр. 265-273].

Недостатком стандартного применения ЭМБ на основе ВМГ является малый радиус ФП ЭО ВВТ.

Известен боеприпас подавления оптико-электронных средств [патент RU 2121646 С1, от 10.11.1998 г. МПК F42B 5/15, F42B 5/145, F42B 12/42 - Боеприпас подавления оптико-электронных средств], содержащий корпус, в котором последовательно установлены средство инициирования, заряд взрывчатого вещества, снаряжение со светообразующим веществом, выполненное в виде обтекаемой герметичной составной капсулы, содержащей головную часть из прозрачного материала и торцевую часть в виде элемента крепления капсулы к корпусу с размещенной в ней разрывной мембраной, при этом в качестве светообразующего вещества использован инертный газ или смесь газов со средней молекулярной массой не менее 100 атомных единиц массы по углеродной шкале, средство инициирования выполнено в виде устройства замедления или неконтактного датчика подрыва, а в качестве взрывчатого вещества использовано бризантное взрывчатое вещество с удельным энергосодержанием не менее 4 МДж/кг. Боеприпас по п. 1, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность головной части капсулы нанесено покрытие в виде пленки металла толщиной не более 10 мкм с диапазоном прозрачности в области длин волн 0,2-10,0 мкм.

Недостатком стандартного применения боеприпаса является малый радиус ПФ ЭО ВВТ.

Известно устройство ретранслятор пассивный (РП) [Больная советская энциклопедия (В 30 томах) / гл. редактор A.M. Прохоров. Изд. 3-е. М.: «Советская энциклопедия». 1975. - 628 с., стр. 52-53]., (в виде механической конструкции определенной формы), искусственно созданная электропроводящая среда или небесное тело, способные рассеивать или направленно отражать энергию радиоволн и используемые в качестве промежуточных пунктов линий радиосвязи. На линиях радиорелейной связи пассивными ретрансляторами служат плоские отражатели и антенные системы, в космической связи - пассивные спутники связи (например, американский «Эхо-2» - надувной шар диаметром 40 м из полимерной пленки с отражающим алюминиевым покрытием), пояса иголок, искусственные облака из паров металла, ионизируемых солнечным излучением или радиоизлучением

Известен способ обеспечения KB и УКВ радиосвязи в условиях сильного поглощения радиосигнала [патент RU 002501162 С2 от 10.12.2013 г., МПК Н04В 7/00 - Способ обеспечения KB и УКВ радиосвязи в условиях сильного поглощения радиосигнала], заключающийся в создании области неоднородностей концентрации ионосферных электронов с помощью нагревного стенда, отличающийся тем, что для создания радиотрассы в обход зоны сильного радиопоглощения неоднородности электронной концентрации создают вне зоны сильного поглощения радиосигнала, при этом местоположение нагревного стенда выбирают таким образом, чтобы сигналы радиопередатчиков KB и УКВ диапазона, рассеиваемые на создаваемых стендом неоднородностях электронной концентрации, попадали на антенну радиоприемного устройства.

Известен способ создания искусственного «плазменного зеркала» с возможностью управления углом его наклона относительно Земли [патент SU 5041834 от 20.07.1991 г. МПК Н04В 7/00, H01Q 3/22 - Artificial ionospheric mirror - plasma layer], заключающийся в использовании эффекта пробоя воздуха атмосферы под воздействием СВЧ-излучения, в результате чего образуются свободные электроны, которые и создают управляемый плазменный слой, отражающий радиоволны ВЧ-диапазона.

Недостатками приведенных выше способов является то, что для создания отражающей плазменной структуры («плазменного зеркала») осуществляется воздействие на воздушную среду посредством длительного излучения большой мощности и высокой частоты антенной или нагревным стендом, что связано с громоздкостью оборудования, кроме того формирование «плазменного зеркала» производится на больших высотах.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению и выбранный в качестве прототипа является способ функционального поражения радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой [патент RU 2485540 С2 от 20.06.2013 МПК G04S 7/38 - Способ функционального поражения радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой], включающий обнаружение сигналов радиолокационной станции, определение направления их прихода, измерение периода следования импульсов Т подавляемой радиолокационной станции, дальности до нее D и излучение с учетом этих параметров мощных электромагнитных импульсов в направлении радиолокационной станции с задержкой t=T-2D/c каждого импульса относительно прихода импульса радиолокационной станции, воздействие этими импульсами на полупроводниковые цепи управления фазовращателями фазированной антенной решетки, осуществление функционального поражения радиолокационной станции, контроль работы радиолокационной станции.

Недостатком прототипа является небольшой радиус ФП ЭО.

Технической проблемой, на решение которой направлено изобретение является увеличение радиуса ФП ЭО ВВТ, при применении ЭМБ. Радиус ФП ЭО ВВТ зависит от многих факторов, в том числе от мощности и габаритных размеров источника излучения, позволяющего создать максимальную мощность РЧ ЭМИ на максимальном удалении. Известно, что мощность РЧ ЭМИ падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Увеличение мощности РЧ ЭМИ, при неизменных габаритных размерах ВМГ, повлечет электрический пробой воздуха при выходе электромагнитной энергии в атмосферу, которая израсходуется на образование плазмы и приведет к падению эффективности ЭМБ.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом применения предлагаемого способа является увеличение радиуса ФП ЭО ВВТ за счет отражения от предварительно созданной отражающей плазменной структуры, в сторону цели части генерируемого РЧ ЭМИ, которое испускается в противоположную от цели сторону, что характеризуется приростом потока энергии РЧ ЭМИ на большем радиусе. Отражающая плазменная структура формируется позади отстреленного в направление цели ВМГ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе функционального поражения радиолокационной станции с фазированной антенной решеткой заключающемся в том, что осуществляют функциональное поражение электронного оборудования новым является то, что доставляют в район цели ВМГ оснащенный неконтактным детонатором, и средство формирующее отражающую плазменную структуру, отстреливают взрывомагнитный генератор в сторону цели, формируют отражающую плазменную структуру, принимают электромагнитное излучение отражающей плазменной структуры неконтактным детонатором, создают мощный импульс РЧ ЭМИ подрывом взрывомагнитного генератора, отражают плазменной структурой часть излучения мощного электромагнитного импульса в сторону цели.

Краткое описание чертежей

Заявленное изобретение поясняется фиг. 1, где изображена последовательность действий способа увеличения радиуса действия электромагнитного боеприпаса, фиг. 2, на которой изображена схема способа увеличения радиуса действия электромагнитного боеприпаса, на фиг. 3, изображен график распределения первичного, отраженного и суммарного потока энергии РЧ ЭМИ.

На фиг. 2 позициями обозначены: 1 - средство доставки в район цели; 2 - ВМГ оснащенный неконтактным детонатором, 3 - сформированная отражающая плазменная структура; 4 - первичный поток энергии мощного импульса РЧ ЭМИ; 5 - отраженный поток энергии мощного импульса РЧ ЭМИ; 6 - граница ФП ЭО первичным потоком энергии РЧ ЭМИ; 7 - граница ФП ЭО суммарным потоком энергии РЧ ЭМИ.

Осуществление изобретения

Для реализации предложенного способа необходимы следующие технические средства:

Средства доставки в район цели - могут быть различными: бомбы, снаряды, мины, ракеты и др. носители [14]. Руководствуясь оптимальным соотношением стоимость - эффективность (объем УВИС должен быть не менее 1 л. [12]) калибр средства доставки следует принимать от 120 мм.

Взрывомагнитный генератор, например, сферический ударно-волновой источник (УВИС), цилиндрический ударно-волновой источник (ЦУВИ), имплозивный магнитный генератор частоты (ИМГЧ), ферромагнитный генератор частоты (ФМГЧ), пьезоэлектрический генератор частоты (ПЭГЧ) [11].

Средство формирования отражающей плазменной структуры с временем существования не мене 1 нс - для взрывомагнитного генератора УВИС и ЦУВИ и не менее 1 мкс для ИМГЧ, ФМГЧ, ПЭГЧ. Отражающая плазменная структура может быть сформирована различными способами, например, с помощью ИМГЧ, ФМГ, ПЭГ с повышенной мощностью и уменьшенными размерами [13] или подрывом объемно-детонирующий состава (ОДС) 3-го поколения в режиме детонации, причем в состав ОДС необходимо дополнительно ввести плазмообразующие вещества (например Al, Mg, Хе и др.) что позволит создать более плотную плазму идущую перед фронтом детонационной волны [3; 5; 7; 9], или с помощью специальных устройств генерирующих плазменные вихревые структуры длительностью 25-80 мс [8]. Плазменная структура отразит сгенерированное РЧ ЭМИ, частотой ниже собственной частоты - «критической частоты» [2]. Собственная частота зависти от концентрации электронов и свойств плазмообразующего вещества. Максимальные параметры плазмы (n_e≈10²¹ см^-3) были получены на ксеноне при экстремальных давлениях и температуре [6]. Более скромные, но допустимые параметры плазмы могут быть получены с применением Al в качестве плазмообразующего вещества, с параметром n_e≈10¹⁴ см^-3 продолжительностью до 0,1×10^-3 с [10]. Поскольку отражение РЧ ЭМИ от плазменного образования частот ниже «критических» будет происходить по законам геометрической оптики [1], то его форма и размер имеют значение. Наиболее часто встречаемые в научно-технической литератур формы плазменных образований - сфера, тор, струя, конус. Сфера, как наиболее простая форма принимается для реализации данного способа. Диаметр сферической плазменной структуры, описанной в [10] - 1,2 м, создаваемый боеприпасом (калибр 152 мм) с ОДС 3-го поколения в режиме детонации 3-5 м [3; 5; 7; 9].

Детонатор неконтактного действия, реагирующий на ЭМИ плазменной структуры. Подобные детонаторы наиболее распространены в авиационных ракетах класса воздух-воздух. Принцип действия и различные модификации подробно описаны в книге [4].

Реализация предложенного способа будет понятна из примера, описанного ниже. В район назначенной цели направляют средство доставки 1, содержащее ВМГ 2 оснащенный неконтактным детонатором, и средство формирующее отражающую плазменную структуру. Прибыв в заданную точку средство доставки 1, отстреливает МВГ 2 в сторону цели, задействует средство формирования отражающей плазменной структуры 3, образовавшаяся плазма испускает ЭМИ, которое принимается неконтактным детонатором ВМГ 2 и производит его подрыв генерируя первичный поток энергии РЧ ЭМИ 4, распространяясь во все стороны, в том числе противоположную цели, где встречает на своем пути плазменную структуру, посредством которой он отражается 5 в сторону цели, суммарный поток первичной и отраженной энергии РЧ ЭМИ 7 приведет к приросту потока энергии РЧ ЭМИ на большем радиусе, увеличив радиус ФП ЭО ВВТ.

Способ увеличения радиуса действия ЭМБ позволяет увеличить поток излучения энергии РЧ ЭМИ на большем расстоянии от эпицентра взрыва генератора РЧ ЭМИ, тем самым увеличивает радиус ФП ЭО, следовательно, и радиус действия ЭМБ созданного на его основе.

УВИС генерирует РЧ ЭМИ частотой до 150 ГГц, причем наибольшая спектральная плотность энергии приходится (около 85%) на частоты до 75 ГГц (таблица 4.3 [12]), произведя расчет собственной частоты плазмы по формуле:

где е - заряд электрона, m_e - масса электрона, n_e - концентрация электронов.

Получим: 0,9x104x√1014=90 ГТц, таким образом можно сделать вывод о эффективном отражении сгенерированного РЧ ЭМИ плазменной структурой («плазменным зеркалом»). Исходя из того, что мощность РЧ ЭМИ падает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника, то взяв за 100% мощность УВИС для радиуса ФП ЭО - 35 м построим таблицу распределения мощности сгенерированного первичного, отраженного и суммарного потока, РЧ ЭМИ. Расчетные данные эффективности применения заявленного способа и устройства для его реализации приведены в таблице 1. График построенный по полученным данным приведен на фиг. 3.

Исходя из полученных данных можно сделать вывод, что радиус ФП ОЭ увеличится не менее чем на 17%.

В качестве исходных данных приняты:

- радиус ФП ЭО ЭМБ созданного на основе УВИС - 70 м [11];

- отражающая плазменная структура принимается сферической формой диаметром 4,5 м [3; 5; 7; 9];

- плазмообразующее вещество - А1, позволяющее создать плазму с концентрацией электронов n_e≈10¹⁴ см^-3.

Побочным действием применения предлагаемого способа будет увеличение потока РЧ ЭМИ в зоне цели, за счет многократного отражения ЭМИ (реверберация) от земли и «плазменного зеркала».

Литература

1. Физическая энциклопедия / Гл. ред. A.M. Прохоров, Ред. Кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, A.M. Бонч-Бруевич, и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 4 Пойнтинга - Робертсона-Стримеры. 1994. - 704 с., стр. 255.

2. Физическая энциклопедия / Гл. ред. A.M. Прохоров, Ред. Кол. Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, и др. - М.: Большая Российская энциклопедия. Т. 4 Пойнтинга - Робертсона-Стримеры. 1994. - 704 с., стр. 258-259.

3. Боеприпасы: учебник: в 2 т. / Под общей редакцией В.В. Селиванова. Т. 1 - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 506 с., стр. 267-271.

4. Боеприпасы: учебник: в 2 т. / Под общей редакцией В.В. Селиванова. Т. 2. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2016. - 356 с., стр. 515-551.

5. Взрывы и волны. Взрывные источники электромагнитного излучения радиочастотного диапазон / А.Б. Прищепенко. - М.: Бином. Лаборатория знаний, 2008. - 208 с., стр. 102-105.

6. Взрывные генераторы мощных электромагнитных импульсов электрического тока / под ред. Академика В.Е. Фортова. - М.: Наука. 2002. - 399 с., стр. 132-135.

7. Взрывные технологии: учебник для вузов / В.В. Селиванов, И.Ф. Кобылкин, С.А. Новиков. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014. - 519 с., стр. 39-49.

8. Генерация крупномасштабных излучающих вихревых структур при торможении импульсных плазменных струй в воздухе / М.Н. Жарников, А.С. Камруков, И.В. Кожевников, Н.П. Козлов, И.А. Росляков - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана. Журнал технической физики, 2008. том 78, выпуск 5, стр. 38-46.

9. Магретова Н.Н., Пащенко Н.Т., Райзер Ю.Л. Структура ударной волны, в которой происходит многократная ионизация атомов. ПМТФ. - 1970. №5. стр. 11-21.

10. Новый способ инициирования молниевых разрядов для задач грозозащиты важных подвижных и стационарных объектов. / В.П. Архипов, И.Н. Березинский, Н.А. Березинский и др. Геология и геофизика Юга России, №3, 2015 стр. 5-18.

11. Оружие не летального действия: учебник для высших учебных заведений / В.В. Селиванов, Д.П. Левин. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 356 с., стр. 265-273.

12. Оружие не летального действия: учебник для высших учебных заведений / В.В. Селиванов, Д.П. Левин. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 356 с., стр. 257-276.

13. Оружие не летального действия: учебник для высших учебных заведений / В.В. Селиванов, Д.П. Левин. - М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. - 356 с., стр. 262-263.

14. Теоретические основы радиоэлектронной борьбы. Радиоэлектронная разведка и радиоэлектронное противодействие: учебное пособие / Д.В. Семенихина, Ю.В. Юханов, Т.Ю. Привалова - Таганрог: ЮФУ, 2015. - 252 с., стр. 209-227.

Изобретение относится к области радиоэлектронной борьбы, в частности к одноразовым средствам функционального поражения радиоэлектронных устройств, и может быть использовано для функционального поражения (ФП) электронного оборудования (ЭО) вооружения и военной техники (ВВТ). Способ функционального поражения электронного оборудования электромагнитным боеприпасом включает доставку в район цели взрывомагнитного генератора, оснащенного неконтактным детонатором, и средства, формирующего отражающую плазменную структуру, отстрел взрывомагнитного генератора в сторону цели, формирование отражающей плазменной структуры, приём неконтактным детонатором электромагнитного излучения отражающей плазменной структуры, создание импульса радиочастотного электромагнитного излучения подрывом взрывомагнитного генератора и отражение плазменной структурой части излучения электромагнитного импульса в сторону цели. Техническим результатом применения предлагаемого способа является увеличение радиуса ФП ЭО ВВТ за счет отражения от предварительно созданной отражающей плазменной структуры в сторону цели части генерируемого радиочастотного электромагнитного излучения, которое испускается в противоположную от цели сторону, что характеризуется приростом потока энергии радиочастотного электромагнитного излучения на большем радиусе. Отражающая плазменная структура формируется позади отстреленного в направлении цели взрывомагнитного генератора. 3 ил., 1 табл.

Способ функционального поражения электронного оборудования электромагнитным боеприпасом, включающий доставку в район цели взрывомагнитного генератора, оснащенного неконтактным детонатором, и средства формирующего отражающую плазменную структуру, отстрел взрывомагнитного генератора в сторону цели, формирование отражающей плазменной структуры, прием неконтактным детонатором электромагнитного излучения отражающей плазменной структуры, создание импульса радиочастотного электромагнитного излучения подрывом взрывомагнитного генератора и отражение плазменной структурой части излучения электромагнитного импульса в сторону цели.