Генератор поражающего электротока малокалиберных электропуль Российский патент 2023 года по МПК F41B15/04 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к технике получения поражающих электротоковых импульсов повышенного напряжения нелетального дистанционного электрошокового оружия (ДЭШО), конкретно малокалиберных электрических пуль (электропуль) ДЭШО, стреляющего электропулями, для правоохранительных органов и самообороны граждан.

Уровень техники

Аналогом заявляемого изобретения выбран генератор высоковольтного поражающего напряжения электрического тока электрошоковой пули для иммобилизации биологических объектов (биологической цели, биоцели, цели, правонарушителя) по патенту [1]. Генератор содержит электронную схему, включающую источник электропитания с пусковым выключателем, преобразователь низкого напряжения источника электропитания (5-7 В), в переменное повышенное напряжение (преимущественно 500-1500 В), включающий микроконтроллер, управляющий силовым ключом, соединенным с броневым трансформатором. Выходное напряжение броневого трансформатора выпрямляется и поступает на высоковольтный каскад, включающий накопительный конденсатор, пороговое устройство в виде газового разрядника, дополнительный токовый конденсатор и высоковольтный импульсный трансформатор без сердечника. Генератор был реализован только в виде действующего габаритного макета для электрошоковой пули 12 калибра (диаметр пули 18,3-18,5 мм). Макет пули с генератором аналогом не изготовлялся и не испытывался. Кроме того, опыт конструирования и макетирования генератора аналога показал, что указанная электрическая схема не дает возможности дальнейшей миниатюризации электрических пуль и даже не дает возможности технологичного (серийного и поддающегося механизации процесса) исполнения пуль 12 калибра. Генератор-аналог фактически может быть реально применим только в пулях 8-го и 4-го калибров (21,2-26,5 мм).

Аналогом заявляемого изобретения по условию невозможности извлечения электропули с генератором поражающего электротока из тела правонарушителя цели самим правонарушителем выбран патент [2]. В патенте описана электропуля с расположенными на поверхности ее корпуса двумя защитными электродами, соединенными с выходными электродами генератора (иглы с бородками), являющимися одновременно и устройствами удержания электропули на теле цели. Недостаток генератора с таким устройством выходных и защитных электродов заключается в сложности исполнения (и, соответственно, в стоимости) фигурных защитных и не перемыкающихся между собой электродов на корпусе пули и нетехнологичности надежного гальванического соединения их с выходными электродами генератора, выполняемыми из нержавеющей стали в связи с разнородностью соединяемых материалов (медные защитные электроды из медной или алюминиевой фольги или напыления, и нержавеющая сталь очень плохо спаиваются или свариваются между собой).

Прототипом заявляемого изобретения выбран патент [3]. В патенте (Фиг.5) приведено схемотехническое решение генератора повышенного напряжения для электропуль малого калибра (а именно пистолетного калибра 9 мм (Фиг.1). Генератор состоит из источника электропитания, пускового выключателя, преобразователя низкого напряжения источника электропитания в низкое переменное напряжение (DC/AC), трансформатора повышения низкого переменного напряжения в повышенное переменное напряжение, умножителя повышенного напряжения трансформатора и выходного электронного ключа. Недостаток генератора состоит в том, что для преобразования низкого напряжения источника питания в напряжение питания умножителя напряжения применяется прямоходовый трансформаторный преобразователь напряжения, КПД которого и особенно при малых мощностях, как широко известно, всегда заведомо ниже, чем, например, обратноходовых преобразователей напряжения. При этом и габариты прямоходовых трансформаторных преобразователей при малых мощностях, как широко известно. всегда заведомо больше, чем обратноходовых преобразователей напряжения.

Известно, что главными проблемами конструирования производства и применения электропуль являются проблема стоимости электропули (так как электропуля - это полностью расходуемое за одно применение изделие) и проблема уменьшения габаритов (так как большие габариты электропуль не дают возможности их применения в короткоствольном и многозарядном полицейском и гражданском нелетальном оружии (пистолеты и револьверы)), а кроме того, не дают возможности избежать возможности «commotio cordis» [4].

Другой недостаток генератора состоит в том, что умножитель напряжения, применяемый для увеличения напряжения от повышающего трансформатора преобразователя не может обеспечивать необходимых для эффективного биологического воздействия на цель энергий и, главное, длительностей импульсов в соответствии с габаритами пули, указанных в разделе "Цели и преимущества" патент [3]. Подробно см. в разделе "Осуществление изобретения" настоящей заявки на изобретение.

Другой недостаток генератора прототипа выражен в том, что форму однополярного выходного сигнала генератора, показанного на Фиг.4 патента [3], представляющего собой периодический сигнал прямоугольной формы, имеющий скважность 2 (или коэффициент заполнения 0,5), по приведенной схеме генератора получить не удастся принципиально, так как импульсы при разряде конденсаторов умножителя напряжения на нагрузку 250-1000 Ом соответствующей принятой нормами IEC, США, РФ нагрузке для измерения электрошокового оружия не могут обеспечить меандр по условиям ограничения отдаваемой мощности источника электропитания генератора и преобразователя напряжения с повышающим трансформатором и умножителем напряжения при габаритах и весе, пригодном для размещения в электрических пулях малого и среднего калибра (см. классификацию калиберности "Осуществлении изобретения").

Комплекс указанных недостатков генератора прототипа, таким образом, не подтверждает возможности указанных признаков обеспечить указанный заявителем технический результат, а именно возможности промышленной применимости в эффективном для иммобилизации биоцели малокалиберном ДЭШО. Подтверждением неприменимости указанных в генераторе прототипе признаков служит факт отсутствия до настоящего времени электрических пуль малого калибра для многозарядного ручного оружия типа пистолет, револьвер, винтовка в производстве и продаже при громадной потребности правоохранительных органов США и Западной Европы в ДЭШО на электропулях (см. программы JNLWD (Joint Non-Lethal Weapons Directorate) "Human Electro-Muscular Incapacitation", программы SBIR (Small Business Innovation Research) Small caliber, non-lethal, untethered (wireless) human electro-muscular incapacitation (HEMI).

Раскрытие изобретения

Техническая проблема заключается в необходимости создания генератора поражающего электротока малокалиберных электропуль при габаритных размерах и весе, пригодных для размещения его в малокалиберных электрических пулях при большом КПД и экономным режимом потребления тока источника электропитания, с возможностью получения эффективной иммобилизации биологической цели с массой тела не менее 70-80 кг, при возможности поражающего воздействия на цель как от двух выходных электродов генератора, так и от одного из выходных электродов и токоведущих проводников от источника электропитания.

Технический результат заключается в реализации генератора поражающего электротока малокалиберных электропуль с решением указанных технических проблем. Указанные технические результаты достигаются тем, что генератор поражающего электротока малокалиберных электропуль состоит из источника электропитания, пускового выключателя, преобразователя напряжения, умножителя напряжения, электронного ключа, выходных электродов, отличающийся тем, что дополнительно содержит задающий генератор с выходным твердотельным ключом, при этом преобразователь напряжения представляет собой повышающий преобразователь на дросселе с отводом, преобразующим низкое напряжение источника электропитания в повышенное переменное напряжение, умножитель напряжения выходного напряжения указанного преобразователя имеет дополнительный выходной накопительный конденсатор, разрядом которого на выходные электроды генератора управляет задающий генератор с выходным твердотельным ключом.

Дополнительная особенность заключается в том, что задающий генератор с выходным твердотельным ключом управляет также работой указанного преобразователя.

Дополнительная особенность заключается в том, что задающий генератор с выходным твердотельным ключом открывает ключ на время разряда накопительного конденсатора, соответствующее максимальному иммобилизирующему эффекту воздействия на цель.

Дополнительная особенность заключается в том, что дополнительным выходным электродом генератора является также земля схемы генератора.

Краткое описание чертежей

Фиг.1. Структурное изображение генератора.

Фиг.2. Внешний вид платы генератора без источника электропитания, выключателя и платы, вмонтированные в головную часть пули калибра 11,43 мм.

Фиг. 3. Форма поражающих импульсов, вырабатываемых генератором.

Осуществление изобретения

Поскольку нигде, ни в иностранных, ни тем более отечественных источниках не существовало классификации ДЭШО для применения (метания) электропуль по калибрам, и, соответственно. не существовало классификации по калибрам самих электропуль, в данной заявке на изобретение впервые будет приведена такая классификация:

1. Крупнокалиберным ДЭШО метания электропуль считается оружие калибром от 12-го охотничьего (18,3-18,5 мм) и более. Примерами крупнокалиберного ДЭШО является, например, ружье 12-го калибра TASER X12 LLS [5] и 40 мм, стандартный гранатомет НАТО метания электрошоковых гранат Sticky Shocker [6]. При этом ДЭШО калибром более 12-го калибра никогда серийно не производилось и не продавалось прежде всего вследствие громадной вероятности получения у биоцели не электропоражения, а «commotio cordis». Электропуля TASER X12 LLS серийно выпускалась в США, но в настоящее доказана ее повышенная опасность по «commotio cordis» и эта электропуля более не выпускается и изъята из обращения полиции и корпуса морской пехоты США.

2. ДЭШО метания электропуль среднего калибра считается оружие калибром менее 12-го охотничьего и до калибра малокалиберного ДЭШО (т.е. до 12,7 мм см. ниже). Электропули калибра более 12,7 мм уже настолько габаритны, что короткоствольное многозарядное оружие для использования таких пуль либо превышает габариты и вес, удобные для ношения, либо становится малозарядным 2-4 заряда, что по количеству зарядов, как показала историческая практика, уже недостаточно для использования в полицейских целях и лишь ограниченно достаточна в целях самообороны. Примером ДЭШО среднего калибра является ДЭШО калибра 14,7 мм по патенту [7] (фиг.13 и фиг.14 патента).

3. Малокалиберным ДЭШО метания электропуль считается оружие калибром от 12,7 мм и менее. Классификация малокалиберности от калибра 12,7 мм и менее закономерна потому, что в отличие от пуль огнестрельного оружия, имеющего калибр даже 2,7 мм (Kolibri) или, например, 3,55 мм (.14-222), электропули имеют физическое ограничение по уменьшению калибра вследствие того, что представляют собой изделия микроэлектроники с выходной электрической мощностью не ниже некоторой физиологически эффективной, и препятствием уменьшения калибра являются прежде всего отдаваемая мощность источников питания, допустимая пропускаемая и рассеиваемая мощность электронных компонентов, а также физиологически минимально эффективные расстояния между вводимыми в тело биоцели поражающих электродов.

Малокалиберными электропулями ДЭШО (и соответственно малокалиберным ДЭШО для метания таких электропуль) являются пули только таких калибров, которые используются в стандартных (известных, применяемых, стоящих на вооружении полиции или армии) образцах многозарядного короткоствольного огнестрельного оружия типа пистолетов и револьверов, т.е. калибрами вплоть до калибра 12,7 мм. Примером электропуль для малокалиберного ДЭШО является электропуля по патенту [8]. Предполагаемое изобретение описывает генератор для ДЭШО калибром 11,43 мм т.е. малокалиберного (также как и устройство прототип), поскольку калибр 11,43 (.45) и 9 мм имеет множество пистолетов и револьверов широко применявшихся, выпускаемых и применяемых в мире.

Фиг.1 - Генератор имеет источник электропитания 1 в виде батареи или аккумулятора, преимущественно дискового (часового) типа, выключатель 2, включающийся при выстреле электропулей или при ее попадании в цель от инерционного, центробежного, нажимного или иного воздействия, повышающий преобразователь на дросселе с отводом 3 (буст-ковертор, buck-boost converter, step-up converter), умножитель напряжения 4, накопительный конденсатор 5, выходной твердотельный ключ 6, задающий генератор 7 работы ключа 6 выходные электроды 8. В качестве первого каскада повышения напряжения используется буст-конвертер 3 на дросселе с отводом (отпайкой). Применение буст-конвертера на простом дросселе не дает повышение напряжения источника электропитания до значений, необходимых для работы малоступенчатого умножителя напряжения с умножением напряжения до необходимого для заряжания накопительного конденсатора 5 с напряжением тока, эффективного для физиологического воздействия на цель, при габаритных размерах микроемкостей и микродиодов умножителя, размещаемых в малокалиберных электропулях. При этом известно, что увеличение ступеней умножителя резко снижает КПД умножителей. Применение же дросселя с отводом сразу дает необходимое для работы умножителя с малым количеством ступеней умножения и с размещаемыми в малокалиберных электропулях габаритами емкостей и диодов значение повышенного напряжения.

Выходное напряжение, снимаемое с дросселя с отводом и составляющее около 250-300 В, поступает на умножитель напряжения 4, адаптированный для работы на однополярных прямоугольных импульсах, а не на синусоидальном токе, как в генераторе прототипе. Повышенное до 500-550 В напряжение, получаемое от умножителя 4, поступает на накопительный конденсатор 5, являющегося дополнительным по отношению к конденсаторам умножителя, который при помощи выходного твердотельного ключа 6 периодически с заданной частотой включения выходного ключа разряжается через выходные электроды 8 на цель 9. Выходные электроды 8 генератора являются одновременно и "боевыми электродами" электропули, и устройствами закрепления пули на цели и представляют собой иглы с бородками, вонзающимися в тело биоцели при попадании в нее электропули и не дающие ей возможности оторваться (отскочить) от тела при попадании в него. Во время цикла разряда накопительного конденсатора 5 на цель буст-конвертер 3 выключается сигналом от задающего генератора 7 работы выходного твердотельного ключа 6 с целью экономии электроэнергии батареи, так как работа буст-конвертера 3 (и далее работа умножителя напряжения) во время цикла разряда конденсатора 5 на цель не увеличивает ни длительности, ни энергии импульса разряда, то есть не увеличивает эффективность физиологического воздействия на цель, но и бессмысленно расходует энергию источника электропитания 1. Такой режим работы генератора увеличивает время работы генератора с постоянной мощностью на выходе (на цель) на величину до 10%, что очень важно в связи с незначительной энергоемкостью источника электропитания малых габаритов.

Введение в генератор накопительного конденсатора для достижения одинаковой длительности импульса с той же длительностью импульса, что и у каскада конденсаторов умножителя как в прототипе, позволяет достигнуть уменьшение габаритов генератора для размещения его в малокалиберных электрических пулях. Как показали многочисленные экспериментальные данные испытаний, умножитель напряжения в генераторе прототипе, применяемый для увеличения напряжения от повышающего трансформатора преобразователя, не может обеспечивать необходимых для эффективного биологического воздействия на цель (иммобилизации, выражающейся в невозможности активных действий биоцели (человека) с массой тела 70-80 кг и более в связи с возникновением у нее сильнейших тонических судорог и полностью дезориентирующих болевых ощущений) энергий и, главное, длительностей импульсов в электропулях среднего и малого калибра вследствие того, что в каскадных диодно-конденсаторных схемах умножения последовательное включение конденсаторов, в соответствие с законом расчета емкости для достижения емкости конденсаторов, необходимой для получения длительности импульсов с необходимой физиологической эффективностью действия на цель, повышает общий объем и вес генератора до неприемлемых для применения электропулях среднего и малого калибра.

Накопительный конденсатор 5 при различных габаритах генератора (т.е. различных калибрах электропули от среднего до малого) собственно типа конденсатора и технологических возможностей компании изготовителя будет иметь различную емкость, которую при заданных габаритах генератора необходимо иметь возможно большую для получения энергии и длительности поражающего импульса, достаточной для эффективного физиологического воздействия на цель для ее иммобилизации. Соответственно задающий генератор включения твердотельного ключа имеет цепочку регулирования скважности импульсов ключа (время его закрытого и открытого состояния), подбираемую по условиям достижения наибольшей эффективности физиологического воздействия на цель.

При попадании электропули с генератором в тело правонарушителя, поражающий цель импульсный электрический ток от выходных электродов 8 проходит в теле между полюсами А и Б, вызывая иммобилизацию правонарушителя. При попадании электропули в малочувствительные к электрическому току части тела правонарушителя (например, в места больших отложений жировых тканей) некоторые правонарушители, особенно находящиеся под воздействием алкоголя и наркотиков, могут, преодолевая боль усилием воли, пытаться инстинктивно выдернуть элекропулю из своего тела как источник боли. Для предотвращения этого в аналоге по патенту [2] предусмотрены защитные электроды сложной формы, присоединяемые к выходным электродам. В патенте прототипе [3] защитные электроды вообще не предусмотрены. В заявляемом генераторе предусмотрен "третий" дополнительный выходной электрод В и/или Вʺ, являющийся фактически землей и одновременно защитным электродом. При попадании электропули в тело правонарушителя поражающие импульсы проходит в теле между полюсами А и Б выходных электродов 8, но при попытке правонарушителя дотронуться до "третьего" электрода В и/или Вʺ электрические поражающие импульсы начинают проходить также по пути между электродом А и "третьим" электродом В и/или Вʺ. При этом хотя сопротивление тела правонарушителя, например, между например пальцами руки, пытающейся выдернуть электропулю из тела и местом ее попадания, например, в ногу, гораздо больше, чем сопротивление тела между полюсами А и Б электродов 8, расположенных всего-на 10 мм друг от друга в электропуле (например, калибра 11,43 мм.) петля тока [9] между полюсом А и "третьим" электродом В и/или Вʺ очень велика, а значит поражающее действие хотя и слабого тока, ограниченного большим сопротивлением, чрезвычайно велико и, как показали опытные данные и по физиологическому воздействию, не уступают воздействию между выходными боевыми электродами 8. Опытные данные показали, что человек не в состоянии самостоятельно удалить попавшую в тело электропулю голой рукой. "Третий" электрод генератора просто выводится на наружную поверхность пули, например, покрытую металлической фольгой или металлизированную, но не контактирующую с выходными электродами 8.

Пример реализации

Фиг.2 показывает платы генераторов, готовые для размещения в корпусах электропуль калибра 11,43 мм, и платы, вмонтированные в головную часть пули калибра 11,43 мм. Полный вес платы генератора с выходными электродами 0,95 г. Генератор имеет выходную электрическую мощность 0,25 Вт, при импульсах на нагрузку 1000 Ом около 4,0-4,5 мс при амплитуде на нагрузке около 550 В и энергии в импульсе при частоте работы в 35 Гц около 0,008 Дж. Таких характеристик хватает для надежной иммобилизации биоцели массой не менее 70-80 кг, при внедрении выходных электродов генератора электропули в подкожную жировую клетчатку и мышцы груди, живота и конечностей человека.

Фиг.3 - Форма единичного импульса от вырабатываемых генератором. При работе генератора на нагрузку в 250-1000 Ом, соответствующей принятой нормами нагрузке иммитирующей тело биологической цели генератор, вырабатывает не прямоугольные импульсы (как указано для генератора прототипа), а экспоненциальные импульсы.

Список цитированных источников

1. Патент РФ №2583970

2. Патент РФ №2788236

3. Патент US 5698815

4. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 251.

5. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 254-255.

6. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 250.

7. Патент РФ №2788236

8. Патент РФ №2758476

9. Ладягин Ю.О. "Дистанционное электрошоковое оружие " М.: Издательство фонда Сталинград, 2017, стр. 354-355.

Генератор поражающего электротока малокалиберных электропуль содержит источник электропитания, пусковой выключатель, преобразователь напряжения, умножитель напряжения, электронный ключ, выходные электроды, задающий генератор с выходным твердотельным ключом. Преобразователь напряжения преобразует низкое напряжение источника электропитания в повышенное переменное напряжение. Умножитель напряжения выходного напряжения преобразователя имеет дополнительный выходной накопительный конденсатор, разрядом которого на выходные электроды генератора управляет задающий генератор с выходным твердотельным ключом. Технический результат – повышение КПД и экономичности режима потребления тока источника электропитания, обеспечение эффективной иммобилизации биологической цели с массой тела не менее 70-80 кг, обеспечение возможности поражающего воздействия на цель как от двух выходных электродов генератора, так и от одного из выходных электродов и токоведущих проводников источника электропитания. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Генератор поражающего электротока малокалиберных электропуль, состоящий из источника электропитания, пускового выключателя, преобразователя напряжения, умножителя напряжения, электронного ключа, выходных электродов, отличающийся тем, что дополнительно содержит задающий генератор с выходным твердотельным ключом, при этом преобразователь напряжения представляет собой повышающий преобразователь на дросселе с отводом, преобразующим низкое напряжение источника электропитания в повышенное переменное напряжение, умножитель напряжения выходного напряжения указанного преобразователя имеет дополнительный выходной накопительный конденсатор, разрядом которого на выходные электроды генератора управляет задающий генератор с выходным твердотельным ключом.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что задающий генератор с выходным твердотельным ключом управляет также работой указанного преобразователя.

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что задающий генератор с выходным твердотельным ключом открывает ключ на время разряда накопительного конденсатора соответствующее максимальному иммобилизирующему эффекту воздействия на цель.

4. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительным выходным электродом генератора является также земля схемы генератора.