Взрыватель снаряда с оптическим датчиком цели Российский патент 2024 года по МПК F42C13/02 

Изобретение относится к области вооружений и может быть применено в неконтактных взрывателях, использующих лазерное излучение для обнаружения цели, например в зенитных боеприпасах.

Известен головной взрыватель для малокалиберных артиллерийских патронов (патент РФ №2205362 МКП F42C 9/14, приоритет от 09.06.2001 г.). Взрыватель содержит корпус, в котором установлены механизм инициирования взрыва при встречи с целью, предохранитель и механизм самоликвидации. Недостатком взрывателя является невозможность подрыва снаряда даже при небольших промахах по цели. Достоинством головного взрывателя является компактность конструкции, которую предприятие-ведущий разработчик и производитель малокалиберных боеприпасов обеспечил применением несущей конструкции цилиндрической формы, на которой монтируются все компоненты, и которая вставляется в корпус взрывателя со стороны резьбовой части, служащей для присоединения к корпусу снаряда.

Известен оптический блок неконтактного взрывателя боеприпаса (патент РФ №2546219, МПК. F42C 13/02, приоритет от 20.10.2013 г.), содержащий источник оптического излучения, коллимирующую линзу, фокусирующую линзу и фотоприемник, отличающийся тем, что за коллимирующей линзой установлена цилиндрическая линза, а фоточувствительный элемент фотоприемника выполнен в виде матрицы из М≥1 независимых рядов по N≥1 независимых фоточувствительных элементов в каждом ряду, имеющих индивидуальные выходы, при этом длина матрицы из N элементов, расположенной вдоль экваториальной плоскости боеприпаса, соизмерима с фокусным расстоянием фокусирующей линзы.

Недостатками этого устройства является сложность его настройки и большие - до 50% ошибки в измерении дальности до цели, поскольку для определения расстояния до цели требуется обеспечить пересечение луча зондирующего излучения и приемной диаграммы фотоприемного устройства точно под заданным углом при малом - от 3 до 10 см расстоянии между их оптическими осями. Также недостатком является сложность конструкции, поскольку используется несколько линз, которые требуют точной установки и юстировки. Кроме того, этот оптический блок невозможно использовать во взрывателе малокалиберных артиллерийских снарядов, поскольку нет места для установки нескольких линз и фотоприемника в виде матрицы.

Известен взрыватель снаряда с оптическим датчиком цели (патент РФ №2655705, МПК F42C 13/02, приоритет от 27.02.2017 г.), в корпусе которого размещены источник питания, детонатор, предохранительно-взводящий механизм, оптический датчик цели, содержащий приемоизлучающий канал, состоящий из импульсного лазерного диода и фотодиода, соединенных с электронным блоком, причем оптическая ось фотоприемника направлена параллельно или практически параллельно к продольной оси боеприпаса по направлению движения, а оптическая ось импульсного источника оптического излучения - лазерного диода - направлена под углом в диапазоне от 7,5° до 22,5° к продольной оси боеприпаса по направлению движения, причем плоскость, перпендикулярная длинной стороне излучающей площадки лазерного диода, направлена параллельно или практически параллельно к продольной оси боеприпаса. В описании изобретения (стр. 7 абзац 5) приведен вариант выполнения оптического датчика цели - «оптический датчика цели 7, содержащий, как минимум, два приемоизлучающих канала», с вариантом выполнения фотоприемника в виде фотодиода (стр. 7 абзац 45), который использован в качестве прототипа изобретения, наиболее близкого по совокупности существенных признаков к заявляемому изобретению.

В описании ориентации диаграммы излучения лазерного диода с большей расходимостью излучения - «плоскость, перпендикулярная длинной стороне излучающей площадки лазерного диода» допущено применение нестандартных терминов. А именно, при использовании общепринятых терминов в описании лазерных диодов указанную ориентации диаграммы описывают как «плоскость, перпендикулярной плоскости P-N перехода» (см. описание полупроводникового излучателя ИЛПИ-135А, фирмы АО «НИИ «Полюс им. М.Ф. Стельмаха», www.niipolyus.ru, или лазерного диода SPL PL90_3 фирмы Opto Semiconductors OSRAM, www.osram-os.com, или лазерного диода PGA S1S03H фирмы Perkinelmer, www.perkinelmer.com). Поэтому в дальнейшем отличительный признаках прототипа «плоскость, перпендикулярная длинной стороне излучающей площадки лазерного диода, направлена параллельно или практически параллельно к продольной оси боеприпаса» с использованием общепринятого термина, формулируется следующим образом - «плоскость, перпендикулярная плоскости p-n-перехода импульсного лазерного диода, параллельна продольной оси снаряда».

Недостатком этого взрывателя снаряда является небольшая величина промаха снаряда по цели, при котором он может обнаруживать цель, что обусловлено углом наклона оптической оси лазерного диода к оси снаряда в диапазоне от 7,5° до 22,5°. (Диапазон углов наклона рассчитан по приведенной в описании формуле (стр. 6 абзац 15), с учетом типичной величины расходимости излучения лазерного диода в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода около 30° по уровню 0,5). Поэтому при дальности L обнаружения цели в направлении по оптической оси лазерного диода, максимальная величина промаха Р по цели, когда она будет обнаружена, для угла наклона 22,5° составляет P=L⋅0,43. Кроме того, ширина приемной диаграммы фотодиода в прототипе составляет практически 180°, что приводит к значительному фоновому шуму на фотоприемнике, что также не позволяет увеличить величину промаха снаряда по цели, при котором цель может быть обнаружена. Кроме того, в конструкции фотодиод установлен в носовой части взрывателя, которая наиболее греется при полете, что приведет к нагреву фотодиода и увеличению тепловых шумов, что снижает его чувствительность. Также отметим, что конструкция взрывателя сложна для серийной сборки изделия, поскольку оптический датчик цели и электронный блок монтируются сверху - т.к. их диаметр больше проходного диаметра в корпусе взрывателя (стр. 10 по фигуре 1), а предохранительно-взводящий механизм и детонатор монтируются снизу и не могут быть одновременно смонтированы на одной несущей конструкции для обеспечения быстрой сборки взрывателя и проведения испытаний после сборки.

Задачей изобретения является увеличение эффективности применения снарядов с взрывателями с оптическим датчиком цели за счет обнаружения цели при больших величинах промаха снаряда по цели, а также упрощение сборки и конструкции взрывателя.

Технический результат - обнаружение цели при больших величинах промаха снаряда по цели достигается за счет увеличения угла наклона оптической оси лазерного диода к оси снаряда до значений от 60° до 80°. Кроме того, обеспечивается меньший нагрев фотодиода и достигается снижение уровня его фоновой засветки за счет смещения фотодиода в менее нагретую широкую часть корпуса взрывателя и углубления от боковой поверхности взрывателя. Кроме того, углубление фотодиода от боковой поверхности позволяет уменьшить его фоновую засветку за счет ограничения углов засветки. Эти изменения конструкции взрывателя также способствуют обнаружению цели при больших величинах промаха снаряда по цели. Кроме того, упрощается конструкция взрывателя за счет сборки оптического датчика цели в единой конструкции с ее дальнейшей установкой в корпус взрывателя снаряда.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Взрыватель снаряда с оптическим датчиком цели, в корпусе взрывателя снаряда размещены предохранительно-взводящий механизм, источник питания, детонатор, оптический датчик цели с приемоизлучающими каналами, каждый канал содержит электронный блок и соединенные с ним импульсный лазерный диод и фотодиод, ось излучения импульсного лазерного диода и оптическая ось фотодиода направлены под разными углами к продольной оси взрывателя снаряда, а плоскость, перпендикулярная плоскости p-n-перехода импульсного лазерного диода параллельна продольной оси взрывателя снаряда, причем электронные блоки приемоизлучающих каналов выполнены в виде единого электронного блока, соединенного с предохранительно-взводящим механизмом, угол между осью излучения импульсного лазерного диода и продольной осью взрывателя снаряда по направлению движения находится в диапазоне от 60° до 80°, фотодиод смещен от импульсного лазерного диода в плоскости, проходящей через ось оптического блока и ось излучения импульсного лазерного диода в широкую часть корпуса взрывателя и углублен от его боковой поверхности для ограничения углов фоновой засветки, корпус оптического датчика цели имеет цилиндрическую форму, в корпусе оптического датчика цели размещены печатная плата электронного блока с фотодиодами и печатная плата электронного блока с импульсными лазерными диодами, фотодиоды установлены в пазах на торце печатной платы так, что угол между оптической осью фотодиода и продольной осью взрывателя снаряда составляет 90°, а источник питания установлен в носовой части корпуса взрывателя под коническим обтекателем.

При этом оси отверстий в корпусе взрывателя снаряда напротив импульсного лазерного диода и фотодиода и ось излучения импульсного лазерного диода параллельны, а отверстия снабжены защитными окнами. Для установки защитных окон отверстия в корпусе взрывателя снаряда напротив импульсного лазерного диода и фотодиода имеют резьбу, защитные окна установлены в оправы, которые завинчены в эти отверстия.

Технический результат - обнаружение цели при больших величинах промаха снаряда по цели достигается за счет увеличения угла наклона оптической оси лазерного диода к оси снаряда до значений от 60° до 80°. Максимальная величина промаха снаряда по цели, при котором цель еще будет обнаружена, составляет Р=0,98⋅L для угла наклона 80°, т.е. более чем в два раза превышает величину промаха в прототипе, при котором возможно обнаружение цели. Также достигается снижение нагрева и фоновой засветки фотодиода за счет его углубления от боковой поверхности взрывателя. Возможность углубления фотодиода от боковой поверхности обеспечена его смещением в широкую часть корпуса взрывателя, что стало возможным благодаря переносу источника питания из средней части корпуса взрывателя в носовую часть под конический обтекатель. Для упрощения конструкции взрывателя разработан оптический датчик цели цилиндрической формы, диаметр которого определяется диаметром проходного отверстия в корпусе взрывателя с резьбой для привинчивания к снаряду, что позволяет максимально использовать внутренний объем корпуса взрывателя и упростить его сборку, также, как это сделано предприятием - ведущим разработчиком и производителем малокалиберных боеприпасов патронов (патент РФ №2205362 МКП F42C 9/14, приоритет от 09.06.2001 г.). Платы электронного блока установлены в корпусе оптического датчика цели, что позволяет монтировать импульсные лазерные диоды и фотодиоды непосредственно на печатных платах, причем фотодиоды установлены в пазах с торца печатной платы, что просто обеспечивает их монтаж на печатной плате и обеспечивает без дополнительных приспособлений фиксированный 90° угол между оптической осью фотодиода и осью взрывателя снаряда.

Снижение эффективной площади фотодиода при установке оптической оси фотодиода под углом к оси излучения импульсного лазерного диода не существенно, т.к. при максимальном угле между осями в 30° эффективная площадь фотодиода уменьшается на 14%, а дальность обнаружения цели на 7%. В корпусе взрывателя снаряда для вывода и ввода излучения напротив импульсного лазерного диода и фотодиода имеются соосные отверстия, снабженные защитными окнами. Для защиты фотодиода и импульсного лазерного диода от газов в канале ствола пушки, а также улучшения аэродинамических характеристик взрывателя отверстия снабжены защитными окнами, для установки которых отверстия могут иметь резьбу, а защитные окна могут быть установлены в оправы, которые завинчены в эти отверстия. Установка (вклейка) защитных окон в оправы с последующим их ввинчиванием в корпус взрывателя существенно упрощает сборку при серийном производстве взрывателей, поскольку не требуется времени на высыхание клея в каждом окне, если окна устанавливаются в корпус по очереди.

Изобретательский уровень предлагаемого взрывателя снаряда с оптическим датчиком цели, подтверждается тем, что он обеспечивает обнаружение цели при промахах снаряда около двух раз превышающих величину промаха, при котором возможно обнаружение цели в прототипе, а также упрощение конструкции и улучшении технологии сборки оптического датчика цели.

Краткое описание чертежей

На фигуре 1 показано сечение взрывателя снаряда плоскостью, проходящей через ось взрывателя снаряда и оптическую ось лазерного диода для варианта выполнения взрывателя с тремя приемоизлучающими каналами. Защитные окна и оправы окон не показаны.

На фигуре 2 показана установка фотодиодов в пазах с торца печатной платы электронного блока. Другие компоненты на плате не показаны.

На фигуре 3 показан фрагмент корпуса оптического датчика цели с защитными окнами отверстий в корпусе взрывателя снаряда напротив импульсного лазерного диода и фотодиода, защитные окна установлены в оправы.

На фигуре 4 показаны диаграммы излучения лазерного диода (в полярных координатах в плоскости, проходящей через ось взрывателя снаряда и оптическую ось лазерного диода) для взрывателя-прототипа изобретения (диаграмма 22, угол наклона оптической оси лазерного диода к оси взрывателя снаряда 22,5°) и в заявленном устройстве (диаграммы 23, 24 и 25) с разными углами наклона α (39°, 60°, 70° и 80°) и соответствующие величины промаха снаряда по цели Р, при котором цель будет обнаружена.

Осуществление изобретения.

Взрыватель снаряда (фигура 1) содержит корпус 1, конический обтекатель 2, источник питания 3, предохранительно-взводящий механизм 4, детонатор 5, оптический датчик цели 6 с приемоизлучающими каналами, каждый из которых содержит импульсный лазерный диод 7 и фотодиод 8, соединенные с электронным блоком (плата 9 лазерных диодов 7 и плата 10 фотодиодов 8). Ось излучения 11 импульсного лазерного диода 7 направлена под углом α в диапазоне от 60° до 80° к продольной оси 12 взрывателя снаряда по направлению движения. Оптическая ось 13 фотодиода 8 направлена под углом β равным 90° к продольной оси 12 взрывателя снаряда. Плоскость, перпендикулярная плоскости р-n-перехода импульсного лазерного диода 7 параллельна продольной оси 12 взрывателя снаряда. Фотодиод 8 смещен от импульсного лазерного диода 7 в плоскости, проходящей через ось 12 взрывателя снаряда и ось излучения 11 импульсного лазерного диода 7 в широкую часть корпуса 1 взрывателя и углублен от боковой поверхности взрывателя. Оптический датчик цели 6 имеет цилиндрическую форму, фотодиод 8 установлен (фигура 2) в пазе 14 с торца печатной платы 10 электронного блока, смонтированной в корпусе оптического датчика цели 6. Печатная плата 10 является общей для трех приемоизлучающих каналов и служит для обработки сигналов с фотодиодов 8. Печатная плата 9 также является общей и служит для формирования импульсов тока в импульсных лазерных диодах 7. Таким образом, электронные блоки приемоизлучающих каналов выполнены в виде единого электронного блока. Источник питания 3 установлен в носовой части корпуса взрывателя 1 под коническим обтекателем 2. Напротив фотодиода 8 в корпусе взрывателя 1 имеется отверстие 15, ось 16 которого параллельна оси 11 излучения импульсного лазерного диода 7 и соответственно оси отверстия 17 напротив импульсного лазерного диода 7. Оси отверстий 15 и 17 параллельны для обеспечения углового согласования диаграммы излучения импульсного лазерного диода 7 и приемной диаграммы фотодиода 8 с учетом размеров отверстия 15, которые выбираются так, чтобы обеспечить сужение углов фоновой засветки и обеспечить прием отраженного от цели излучения в пределах диаграммы излучения импульсного лазерного диода 7. Отверстия 15 и 17 могут быть снабжены защитными окнами 18 и 19 (фигура 3), которые могут быть установлены в оправы 20 и 21. Отверстия 15 и 17 могут иметь резьбу и оправы 20 и 21 завинчиваются в указанные отверстия.

Взрыватель снаряда 1 с оптическим датчиком цели 6 работает следующим образом. В момент выстрела от перегрузок ускорения снаряда в канале ствола инициируется источник питания 3 (как правило, выполненный в виде электролитической батареи с накольной ампулой) и подается питание на электронный блок (платы 9 и 10). По сигналам управления электронного блока импульсный лазерный диод 7 приемоизлучающего канала генерирует лазерное излучение. При наличии цели излучение отражается от нее и принимается фотодиодом 8. Сигнал с фотодиода 8 регистрируется электронным блоком и при получении заданного числа импульсов излучения (от одного до пяти, в зависимости от габаритов цели, ее скорости и других параметров) электронный блок в расчетный момент времени через предохранительно-взводящий механизм 4 выдает импульс на детонатор 5, который срабатывает и инициирует разрывной заряд снаряда.

В случае, когда фотодиод 8 не регистрирует отраженных от цели импульсов лазерного излучения, по истечении заданного времени электронный блок также через предохранительно-взводящий механизм 4 выдает импульс на детонатор 5, который срабатывает и происходит самоликвидация снаряда.

Следует отметить, что существенное - на 50%, увеличение по сравнению с прототипом (фигура 4 диаграмма 22 с углом наклона α=22,5° оси излучения 11 импульсного лазерного диода к оси взрывателя 12, P=0,43⋅L) промаха снаряда по цели P=0,65⋅L, при котором цель будет обнаружена, достигается уже при углах α=39° наклона оптической оси 11 лазерного диода 7 к оси снаряда 12 (диаграмма 23). Однако этот угол далек от оптимального угла обнаружения цели около 60° для формирования поля осколков (с учетом момента подрыва, относительной скорости и диаграммы разлета осколков снаряда), наиболее эффективно поражающих цель. Поэтому минимальная величина угла наклона α оптической оси 11 лазерного диода 7 к оси снаряда 12 в изобретении выбрана 60°, когда достигается значительное (в два раза) увеличение величины P=0,88⋅L (диаграмма 24), и одновременно реализуется формирование оптимального поля осколков. Поскольку с учетом скорости цели, ее габаритов и характеристик разлета поля осколков оптимальный угол обнаружения цели может увеличиваться, то максимальная величина угла наклона выбрана 80° (диаграмма 25, когда достигнута величина P=0,98⋅L), поскольку дальнейшее его увеличение не приводит к существенному повышению промаха снаряда по цели, при котором цель будет обнаружена.

Количество приемоизлучающих каналов в оптическом датчике цели взрывателя снаряда определяется калибром боеприпаса и габаритами источника питания, детонатора и предохранительно-взводящего механизма.

Авторами разработан и изготовлен макет взрывателя снаряда калибра 57 мм с оптическим датчиком цели, содержащим три приемоизлучающих канала. Использованы импульсные лазерные диоды SPL PL90_3 и фотодиоды BP 104. Угол между осью излучения импульсного лазерного диода и продольной осью взрывателя снаряда составлял 73°. Расходимость излучения составляла 25° (по уровню 0,5) в плоскости, перпендикулярной плоскости p-n-перехода импульсного лазерного диода. Испытания показали, что величина промаха по цели, при котором цель обнаруживается оптическим датчиком цели, более чем в два раза превышает промах, при котором цель обнаруживается прототипом. При этом существенно упрощаются технология сборки и конструкция взрывателя.

Изобретение относится к области вооружений, а именно к взрывателю снаряда с оптическим датчиком цели. Взрыватель снаряда с оптическим датчиком цели, в корпусе которого размещены предохранительно-взводящий механизм, источник питания, детонатор, оптический датчик цели с приемоизлучающими каналами. Каждый канал содержит электронный блок и соединенные с ним импульсный лазерный диод и фотодиод. Ось излучения импульсного лазерного диода и оптическая ось фотодиода направлены под разными углами к продольной оси взрывателя снаряда. Плоскость, перпендикулярная плоскости p-n-перехода импульсного лазерного диода, параллельна продольной оси взрывателя снаряда. Электронные блоки приемоизлучающих каналов выполнены в виде единого электронного блока, соединенного с предохранительно-взводящим механизмом. Угол между осью излучения импульсного лазерного диода и продольной осью взрывателя снаряда по направлению движения находится в диапазоне от 60° до 80°. Фотодиод смещен от импульсного лазерного диода в плоскости, проходящей через ось оптического блока и ось излучения импульсного лазерного диода, в широкую часть корпуса взрывателя и углублен от его боковой поверхности для ограничения углов фоновой засветки. Корпус оптического датчика цели имеет цилиндрическую форму. В корпусе оптического датчика цели размещены печатная плата электронного блока с фотодиодами и печатная плата электронного блока с импульсными лазерными диодами. Фотодиоды установлены в пазах на торце печатной платы так, что угол между оптической осью фотодиода и продольной осью взрывателя снаряда составляет 90°. Источник питания установлен в носовой части корпуса взрывателя под коническим обтекателем. Технический результат заключается в обеспечении обнаружения цели при больших величинах промаха снаряда по цели. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Взрыватель снаряда с оптическим датчиком цели, в корпусе взрывателя снаряда размещены предохранительно-взводящий механизм, источник питания, детонатор, оптический датчик цели с приемоизлучающими каналами, каждый канал содержит электронный блок и соединенные с ним импульсный лазерный диод и фотодиод, ось излучения импульсного лазерного диода и оптическая ось фотодиода направлены под разными углами к продольной оси взрывателя снаряда, а плоскость, перпендикулярная плоскости p-n-перехода импульсного лазерного диода, параллельна продольной оси взрывателя снаряда, отличающийся тем, что электронные блоки приемоизлучающих каналов выполнены в виде единого электронного блока, соединенного с предохранительно-взводящим механизмом, угол между осью излучения импульсного лазерного диода и продольной осью взрывателя снаряда по направлению движения находится в диапазоне от 60° до 80°, фотодиод смещен от импульсного лазерного диода в плоскости, проходящей через ось оптического блока и ось излучения импульсного лазерного диода, в широкую часть корпуса взрывателя и углублен от его боковой поверхности для ограничения углов фоновой засветки, корпус оптического датчика цели имеет цилиндрическую форму, в корпусе оптического датчика цели размещены печатная плата электронного блока с фотодиодами и печатная плата электронного блока с импульсными лазерными диодами, фотодиоды установлены в пазах на торце печатной платы так, что угол между оптической осью фотодиода и продольной осью взрывателя снаряда составляет 90°, а источник питания установлен в носовой части корпуса взрывателя под коническим обтекателем.

2. Взрыватель снаряда по п. 1, отличающийся тем, что оси отверстий в корпусе взрывателя снаряда напротив импульсного лазерного диода и фотодиода и ось излучения импульсного лазерного диода параллельны, а отверстия снабжены защитными окнами.