УСТРОЙСТВО БОЕВОЙ ЧАСТИ (БЧ) ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО БОЕПРИПАСА (БП) ДЛЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОРАЖЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ (РЭС) ПРОТИВНИКА Российский патент 2024 года по МПК F42B12/00 

Заявленное изобретение относится к средствам радиоэлектронной борьбы (РЭБ) для временного или полного выведения из строя компонентов радиоэлектронных систем (РЭС) противника во время боевых действий.

Ведущие армии мира на сегодняшний день оснащаются самыми передовыми средствами связи, коммуникаций, локационного, навигационного оборудования, средствами управления огнем, управляемым и самоуправляемым высокоточным оружием (ВТО). Но с развитием наступательных средств, происходит и совершенствование оборонительных, в данном случае - средств радиоэлектронной борьбы (РЭБ). С 80-х годов двадцатого века предпринимаются активные попытки создания различного рода средства противодействия ВТО потенциального противника. Такие средства условно можно разделить на средства функционального поражения электронных компонентов вооружения, предполагающие временную или полную утрату их работоспособности, и на противодействие с помощью постановки помех, ложных сигналов, перехвата управления и т.п. В обоих случаях парадигма противоборства сместилась от физического уничтожения объекта противника (БЧ или носителя) к срыву поставленной перед этим объектом боевой задачи.

Ранее было установлено, что разработки ВМГЧ (взрыво-магнитных генераторов частоты) со сжатием лайнера и, в том числе - с переменной индуктивностью (спиральные СВГЧ), обладают сравнительно приемлемым энерговыходом по излучению (до 0,5 Дж/см³), но имеют довольно слабые временные характеристики импульса в микросекундном диапазоне (не боле 100 мкс), что серьезно препятствует их широкому использованию в качестве БП. В частности, было показано, что при времени порядка 1 мкс вероятность поражения электроники достигает 20%, но быстро спадает до уровней в несколько % при времени облучения (импульса) в 10 мкс.

В свою очередь, в имплозивном магнитном генераторе (ИМГЧ) в виде 130-мм БП достигался уровень РЧЭМИ спектральной плотности энергии до порядка 100 пДж/Гц и мощности до 10 мВт/Гц (интегрально около 1-2 Дж и 100-200 МВт). Подобное устройство позволяло дезактивировать на довольно длительное время электронику систем наведения большинства УБП в радиусе 50-60 метров от точки подрыва, однако существенным недостатком ИМГЧ по сравнению с ВМГЧ являлась нестабильность характеристик первого. Такой недостаток был обусловлен необходимостью согласования характеристик электромагнитной системы с процессом сжатия. Малейшие механические нарушения, неизбежные в результате отклонений и флуктуаций при развитии взрывной волны приводили к изменению электромагнитных свойств индуктора и ёмкости контура, что влекло кардинальные потери в итоговой мощности вспышки.

По результатам проведенных работ были созданы боеприпасы, принцип действия которых предполагал выбивание ЭМ энергии из вещества посредством ударно-волнового механизма. Одним из таких устройств явился ферро-магнитный генератор частоты (ФМГЧ), основанный на принципе выбивания сферической ударной имплозивной волной энергии магнитного поля постоянных магнитов из кристалла иодида цезия, вторым - пьезоэлектрический генератор частоты (ПЭГЧ), основанный на выбивании энергии из пьезоэлектрика и направления ее в резонансный контур с последующим коротким замыканием. В дальнейшем, с учетом выявленных недостатков подобных устройств, был создан комбинированный генератор частоты (КГЧ), основанный на совмещении ПЭГЧ и ФМГЧ. Принцип его действия основан на генерации в процессе взрыва серии импульсов за счет знакопеременной поляризации пьезоэлектрика, при этом, при весьма скромной энергетике быстрая повторяемость импульсов (при малой эффективности единичного импульса) существенно и даже кардинально увеличивала интегральный эффект. Учитывая современную парадигму достаточности срыва боевой задачи (временного отключения КАЗ, системы детонации БП, системы наведения и т.д.), КГЧ и его технологические составляющие (ФМГЧ и ПЭГЧ) на сегодня являются главными ЭМИ БП функционального поражения.

Вместе с тем, признавая существенные преимущества КГЧ как средства функционального поражения электронных компонентов вооружения, авторы настоящей заявки поставили задачу дальнейшего совершенствования подобных систем. Физические предпосылки такого совершенствования основаны на физике диэлектриков в сильных полях, в соответствии с которой электромагнитные (э/м) процессы с большим изменением амплитуды силы тока идут значительно быстрее. Так, разряды пробоя в диэлектриках, особенно в газовой среде, при определенных условиях могут развиваться до субнаносекундных лавинообразных явлений. Так, в стадии главного разряда напряжение на искровом промежутке падает практически до нулевого значения. Если искровой промежуток включен последовательно с передающей линией (например, высокочастотным кабелем), то в последней после пробоя промежутка возникает импульс высокого напряжения с длительностью фронта, определяемой стадией главного разряда и расширением канала разряда. В свою очередь, повышение давления газа или создание перенапряжения на искровом промежутке позволяет уменьшить длительность фронта импульса до наносекунд и долей наносекунд. Таком образом, становится возможным сделать следующий вывод - разряд в газовой среде (плазме) в условиях регулируемого или задаваемого перенапряжения может дать огромные значения силы тока, позволяя, тем самым, увеличить ширину и мощность спектра РЧЭМИ. Кроме того, такой разряд позволяет создавать импульсы субнаносекундной длительности, что переводит такие источники РЧЭМИ на качественно новый уровень боевых возможностей.

Таким образом, технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, заключается в существенном повышении эффективности средств радиоэлектронной борьбы, основанных на воздействии РЧЭМИ, при этом такое повышение обусловлено существенным сокращением времени импульса излучения.

Для достижения поставленного результата предлагается устройство функционального поражения радиоэлектронных систем, выполненное с возможностью размещения в средстве доставки к поражаемой цели и содержащее:

диэлектрический канал, в котором, с возможностью продольного перемещения, расположен по меньшей мере один постоянный магнит, при этом, один из торцов канала закрыт проводящей электричество стенкой, обращенной к носовой части средства доставки, а внутреннее пространство канала между стенкой и магнитом заполнено газом или смесью газов, количество которого удовлетворяет условию возникновения лавинного разряда и пробоя газа при его сжатии в следствие продольного перемещения магнита к указанной стенке при наличии напряжения между этими магнитом и торцом, соответствующего природе газа и его конечному давлению;

средство обеспечения продольного перемещения упомянутого магнита;

по меньшей мере, две катушки индуктивности, последовательно расположенные вдоль канала со встречно направленной друг к другу обмоткой вокруг канала;

конденсатор-накопитель, анод которого электрически связан с упомянутым магнитом, а катод - с носовой частью средства доставки и/или с проводящей электричество торцевой стенкой диэлектрического канала.

Устройство дополнительно может содержать игольчатый элемент, установленный в проводящей электричество торцевой стенке канала из условия расположения его острия во внутреннем пространстве канала между этой стенкой и магнитом; устройство дополнительно может содержать заполненную взрывчатым веществом камеру с детонатором, при этом средство обеспечения продольного перемещения магнита выполнено в виде штока, один конец которого связан с магнитом, второй - с указанной камерой; кроме того, магнит может быть помещен в капсулу из токопроводящего материала, а диэлектрический канал образован цилиндрической камерой.

Концепция, положенная в основу создания заявленного решения, основана на относительно медленном накоплении электрической энергии кинетическим генератором и двойном способе доставки её к поражаемому объекту: контактным воздействием высокой амплитудой напряжения через корпус и бесконтактной инициацией кратковременной широкополосной вспышки РЧЭМИ. При этом достижение поставленного результата обусловлено тем, что процесс вспышки поражающего излучения основан на концентрации энергии в объеме газового диэлектрика вблизи катода в условиях высокого пробойного перенапряжения. Образующиеся при этом самотормозящиеся лавины препятствуют образованию стримеров, достигающих анода и блокируют пробой, накапливая при этом энергию. Наступающий затем широкий многолавинный пробой имеет очень малое время формирования, очень высокие токи и мощность. По сути, кумулятивное воздействие на магнитное поле в ВМГ заменено на такое же воздействие на проводимость (сопротивление) канала, когда напряжение в десятки и даже сотни кВ резко падает почти до нуля, а ток достигает огромных значений (от десятков кА до МА). Взаимосвязь B = μμ₀I и U = RI (R = 1/σ - сопротивление = 1/проводимость) ставит в однозначное соответствие кумуляцию d²B/dt² и d²σ/dt² как величины одного порядка влияния.

Заявленное устройство поясняется фиг. 1, на которой представлен примерный вариант конструкции заявленного устройства функционального поражения радиоэлектронных систем (РЭС) объектов противника на базе боевой части средства доставки - боеприпаса (для специалиста очевидно, что калибр, геометрические размеры и т.п. параметры боеприпаса выбираются исходя из решаемых практических задач), а также фиг. 2 с принципиальной функциональной схемой такого устройства.

Конструкция заявленного устройства по своей сути позволяет реализовать как прямое воздействие путем прямого контакта с корпусом поражаемого объекта в следствие попадания в него средства доставки, так и путем дистанционного воздействия широкополосным радиочастотным электромагнитным излучением (ШП РЧЭМИ), генерируемым в самом устройстве. Источником э/м энергии в данном изделии является движение магнита внутри канала через последовательно соединенные катушки индуктивности с разнонаправленной намоткой провода.

Со ссылкой на фиг. 1 заявленное устройство содержит следующие основные элементы:

1 - капсула из токопроводящего материала;

1-1 - постоянные магниты;

2 - катушки индуктивности со встречной намоткой;

3 - диэлектрический канал;

4 - конденсатор-накопитель;

5 - токопроводящий контактный наконечник боеприпаса, потенциал «-»;

6 - игольчатый элемент, потенциал «-», опционально - подробнее см. ниже;

7 - прочный корпус средства доставки - боеприпаса;

8 - камера;

9 - взрывчатое вещество, например, пороховой заряд;

10 - контактный провод, связывает носовую часть боеприпаса и/или проводящую торцевую стенку диэлектрического канала и/или игольчатый элемент с конденсатором, потенциал «-»;

11 - шток, например, полый;

12 - поршень, например, из углепластика;

13 - изоляционная заливка между устройством и внутренней стенкой прочного корпуса боеприпаса;

14 - детонатор;

15 - вытяжной (подвижный) контактный провод, связывающий конденсатор через вставку-анод с магнитом (капсулой), потенциал «+»;

16 - стопорное кольцо;

17 - вставка, анод.

Со ссылкой на фиг. 2 в заявленном устройстве реализуется кинетическая генерация электроэнергии путем быстрого перемещения капсулы 1, выполненной из токопроводящего материала с размещенным в ней по меньшей мере одним постоянным магнитом 1-1, посредством толчкового заряда, вызванного детонацией взрывчатого вещества 9, по диэлектрическому каналу 3, например, из углепластика, который при достаточных прочностных характеристиках позволяет существенно уменьшить вес всего устройства в целом.

Торец канала 3, обращенный к носовой части средства доставки (боеприпаса) закрыт электропроводящей стенкой (катод). Капсула 1 выполнена из токопроводящего, например, медного материала, с каналом для скрутки контактного провода 15, связывающим капсулу в течение всего движения внутри канала с положительным выводом конденсатора 4 через вставку-анод 17. Электрическая цепь устройства коммутирована таким образом, что отрицательный генерируемый потенциал собирается на обкладке конденсатора 4 «-», которая, в свою очередь, замкнута на упомянутой носовой части боеприпаса посредством провода 10.

Вокруг канала 3 расположены последовательно соединенные катушки индуктивности 2 с разнонаправленной намоткой провода. Для специалиста очевидно, что размеры катушек, расстояния между ними, а также конструкция магнита определяются из технических соображений обеспечения баланса мощности и КПД устройства. Так, слишком длинный магнит и катушка будут менее эффективны из-за компенсационной ЭДС, возникающей позади хода магнита в канале. То же самое будет происходить с намоткой пары катушек в одну сторону - будет момент, когда их ЭДС начнут противодействовать друг другу.

Внутреннее пространство канала между стенкой и магнитом (капсулой) заполнено газом или смесью газов. В процессе движения, прилегающий к стенкам канала магнит (капсула) работает как поршень в отношении указанного газа. Магнит-капсула по мере продвижения по каналу нагнетает в области катода - носовой части боеприпаса/торцевой стенки канала давление Р таким образом, чтобы на расстоянии от катода до плоскости анода δ рост параметра Рδ препятствовал преждевременному пробою лавинно-стримерным или таусендским механизмами. По мере продвижения магнита в зависимости от пройденного расстояния плотность газа в канале растет линейно, а давление по близкой к адиабате зависимости. Конечное давление в объеме между стенкой и магнитом увеличивается более чем на порядок. При этом, варьируя в конструкции указанное расстояние и задавая начальные состав и давление газа, которое, в зависимости от состава газа, может быть как меньше, так и больше атмосферного, внутри канала обеспечивают режим перенапряжения и самоторможения лавин в широком диапазоне начальных давлений или величин ЭДС (пробойных напряжений). Но при этом минимальное толчковое давление порохового заряда по-прежнему будет превосходить любое давление в камере на порядки, а начальный импульс будет очень велик (на уровне выстрела), то есть влиянием противодавления в динамике поршня можно пренебречь. Для специалиста также очевидно, что количество вырабатываемой и запасаемой в конденсаторе 4 электроэнергии и разность потенциалов между его обкладками зависит от индуктивности катушек, скорости поршня и средней напряженности поля магнита.

Принцип работы заявленного решения очевиден из его устройства. Контактный, инерционный или программируемый детонатор срабатывает при столкновении с целью или дистанционно в заданной области и ракурсе цели.

При контактном срабатывании токопроводящий наконечник 5 на краткое время входит в плотный электрический контакт с заземленным или нет корпусом объекта поражения. Пороховой заряд (ВВ) 9 в результате детонации посредством штока 11 ускоряет капсулу 1. В конструкции устройства, для достижения соответствующего эффекта, достаточно применения обычных артиллерийских порохов для малокалиберных ствольных пушек, дающих начальное давление 300 ÷ 400 МПа без ударных волн и бризантных эффектов. Капсула, не теряя контакта с анодом пролетает катушки индуктивности, возбуждает в них высоковольтную ЭДС и инициирует значительный, но кратковременный ток, заряжающий конденсатор 4. Катодный потенциал разряжается на атакуемый объект, нанося вред его РЭС потенциалом высокой амплитуды и малой длительности. Одновременно, капсула 1, работая как поршень и неся потенциал анода, инициирует в канале перенапряжённый пробой за время порядка < 10τ_ϕ с выбросом импульса РЧЭМИ, которое также наносит поражение элементам РЭС уже хорошо известным в функциональной РЭБ способом. Энергия обоих видов воздействия примерно одинакова и для каждого воздействия равна половине запасенной в конденсаторе при полном оконченном движении магнитной капсулы. В данном случае τ_ϕ - это время формирования разряда. Для перенапряженных состояний в газе τ_ϕ ~ 1 нс и менее.

При бесконтактном воздействии подрыв порохового заряда 9 осуществляется дистанционно без непосредственного попадания в объект или в контактную с ним поверхность. В этом случае потенциал катода не разряжается и вся запасенная в конденсаторе энергия идет на инициацию РЧЭМИ и оно является единственным поражающим фактором, воздействуя на РЭС противника при возникновении пробоя газа при его сжатии в канале между игольчатым элементом 6 и капсулой 1. При возникновении такого пробоя образуется плазменный шнур с током, где напряжение резко падает, а ток растет максимально, который сжимается собственным магнитным полем давлением В²/μ₀ (Z-пинч-эффект). Указанное приводит к дальнейшему росту индукции В на поверхности шнура (по закону Био-Савара-Лапласа), при этом происходит адиабатический нагрев газа и, с одной стороны, растет его проводимость, с другой - растет термодинамическое давление, препятствующее сжатию. Условием остановки процесса сжатия условно является равенство магнитного и термодинамического давлений: В²/μ₀ = nkT (СИ). Очевидно, что чем больше будет достигнута глубина сжатия, тем выше будет индукция на поверхности шнура (плотность силы тока) и тем выше будет мощность РЧЭМИ - вспышки. Дополнительно повысить эффективность сжатия среды можно путем эффективного отвода теплоты, выделяемой при адиабатном нагреве, путем добавления в газовую компоненту небольшого количества газов из группы воздух, ксенон, азота, криптона, что обеспечивает достаточно интенсивное охлаждение плазменного шнура и его глубокое сжатие при пинч-эффекте, а также повышает устойчивость процесса.

В предлагаемой концепции устройства первичная э/м энергия запасается на 1-2 порядка медленнее, без применения мощных и дорогих ВВ и средств детонации. Всё ключевое оборудование и элементная база широко доступны и производится в ассортименте. Особенно важно то, что излучение РЧЭМИ организуется независимо от процесса накопления энергии в рабочем теле, а сами рабочие тела для процесса генерации и накопления и процесса разряда различны, что выгодно отличает заявленное устройство от известных аналогов. В свою очередь, это позволяет с высокой долей устойчивости характеристик (повторяемости) прогнозируемо и контролируемо за счет закладки начальных условий в конструкцию устройства обеспечивать наивысшую мощность разряда в газе с четко задаваемым перенапряжением.

Представленное техническое решение на базе этой концепции позволит создавать дешёвые, эффективные, энергоемкие, универсальные по объектам применения (наземная, надводная, подводная, воздушная техника широкого спектра) и по средствам доставки (баллистические, реактивные, управляемые и неуправляемые снаряды, мины, торпеды на различных носителях) ЭМИ-боеприпасы функционального поражения РЭС противника.

Изобретение относится к средствам радиоэлектронной борьбы (РЭБ) для временного или полного выведения из строя компонентов радиоэлектронных систем (РЭС) противника во время боевых действий. Технический результат - повышение эффективности средств радиоэлектронной борьбы, основанных на воздействии радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ). Устройство функционального поражения радиоэлектронных систем, выполненное с возможностью размещения в средстве доставки к поражаемой цели, содержит диэлектрический канал, в котором, с возможностью продольного перемещения, расположен по меньшей мере один постоянный магнит. Один из торцов канала закрыт проводящей электричество стенкой, обращенной к носовой части средства доставки, а внутреннее пространство канала заполнено газом или смесью газов, количество которого удовлетворяет условию возникновения лавинного разряда и пробоя газа при его сжатии. Вдоль канала последовательно расположены по меньшей мере две катушки индуктивности со встречно направленными друг к другу обмотками вокруг канала. Устройство содержит также конденсатор-накопитель, анод которого электрически связан с упомянутым магнитом, а катод - с носовой частью средства доставки и/или с проводящей электричество торцевой стенкой диэлектрического канала. 4 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство функционального поражения радиоэлектронных систем, выполненное с возможностью размещения в средстве доставки к поражаемой цели и содержащее:

диэлектрический канал, в котором, с возможностью продольного перемещения, расположен по меньшей мере один постоянный магнит, при этом один торец канала обращенной к носовой части средства доставки закрыт электропроводящей стенкой, а внутреннее пространство канала между стенкой и магнитом заполнено газом или смесью газов, количество которого удовлетворяет условию возникновения лавинного разряда и пробоя газа при его сжатии вследствие продольного перемещения магнита к указанной стенке;

средство обеспечения продольного перемещения упомянутого магнита;

по меньшей мере две катушки индуктивности, последовательно расположенные вдоль канала со встречно направленными друг к другу обмотками вокруг канала;

конденсатор-накопитель, анод которого электрически связан с упомянутым магнитом, а катод – с носовой частью средства доставки и/или упомянутой стенкой диэлектрического канала.

2. Устройство по п.1, дополнительно содержащее игольчатый элемент, установленный в стенке канала из условия расположения его острия во внутреннем пространстве канала между упомянутой стенкой и магнитом.

3. Устройство по п.1, дополнительно содержащее камеру со взрывчатым веществом и детонатором, при этом средство обеспечения продольного перемещения магнита выполнено в виде штока, один конец которого связан с магнитом, второй - с указанной камерой из условия продольного перемещения после детонации взрывчатого вещества.

4. Устройство по любому из пп.1-3, в котором магнит помещен в капсулу из токопроводящего материала.

5. Устройство по любому из пп.1-3, в котором диэлектрический канал образован цилиндрической камерой.