Короткодуговая ксеноновая лампа для устройства оптоэлектронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет
Полезная модель относится к газоразрядным лампам, в частности к конструкции короткодуговой ксеноновой лампы с колбой из бесцветного лейкосапфира, предназначенной для использования в качестве источника модулированного инфракрасного излучения в составе установленного на борту летательного аппарата устройства оптоэлектронного противодействия инфракрасной головке самонаведения управляемой ракеты. Особенность предлагаемой конструкции состоит в том, что лампа выполнена трехэлектродной, причем вспомогательный электрод (электрод поджига) вводится в разрядную камеру лампы через держатель одного из основных электродов - катода. Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции короткодуговой ксеноновой лампы с колбой из лейкосапфира, заключается, с учетом аппаратурного использования лампы, в повышении эффективности оптоэлектронного противодействия за счет обеспечения возможности формирования помехового излучения в виде регулярной последовательности пачек импульсов инфракрасного излучения одинаковой амплитуды, частота повторения которых в пачке составляют не менее 700 Гц, а частота повторения пачек составляет не более 200 Гц.
Полезная модель относится к газоразрядным источникам оптического излучения, в частности к конструкции импульсных частотных ксеноновых ламп сверхвысокого давления с короткой дугой, предназначенных для использования в качестве излучающего элемента в устройствах индивидуальной защиты летательных аппаратов (ЛА) от управляемых ракет (УР) с инфракрасной (ИК) головкой самонаведения (ГСН).
Известно, что при разработке любого оптического излучателя, характеристики входящего в его состав излучающего элемента определяются назначением и особенностями функционирования этого излучателя, которые, в свою очередь, определяются особенностями функционирования объекта воздействия.
В данном случае объектом воздействия является входящая в состав переносного зенитно-ракетного комплекса УР, которая представляет собой носитель, снабженный системой наведения на цель (атакуемый ЛА) пассивного типа, т.н. ГСН, воспринимающий элемент которой выполнен реагирующим на собственное тепловое (ИК) излучение атакуемого ЛА. Принцип функционирования ИК ГСН и механизм противодействия ее нормальному функционированию посредством постановки имитирующей активной помехи в виде модулированного по амплитуде ИК излучения, т.н. оптоэлектронное противодействие (ОЭП) ИК ГСН УР, достаточно хорошо известны [1, 2]. Максимальная эффективность ОЭП, т.е. срыв самонаведения УР, как это показано в работе [2], достигается при условии, что имитирующая активная помеха формируется в спектральном диапазоне, соответствующей диапазону спектральной чувствительности ИК ГСН на частоте близкой к частоте модуляции ИК излучения от цели, принятой в ГСН, а величина ее пиковой силы превышает интенсивность ИК излучения от цели. В работе [2] показано, что это превышение должно составлять не менее одного порядка (10 раз) и, следовательно, практическое обеспечение необходимой величины превышения тесно связано с вопросом формирования узконаправленной индикатрисы помехового излучения, т.к. простое увеличение интенсивности помехового излучения за счет увеличения потребляемой мощности излучающим элементом лимитировано возможностями бортовой энергетической установки ЛА, а единственной альтернативой является использование в составе формирующего имитирующую активную помеху устройства (т.н. устройство ОЭП ИК ГСН УР) излучателя прожекторного типа. Именно поэтому устройство ОЭП ИК ГСН УР представляет собой, как правило, световой прибор, содержащий излучающий элемент в виде газоразрядной лампы (ГРЛ), оптически сопряженный с оптической системой направленного типа, которая обеспечивает концентрацию светового потока от ГРЛ в узкий луч [3]. Известно [4], что для достижения максимальной эффективности световых приборов прожекторного типа необходимо, чтобы объем светящего тела, входящего в его состав излучающего элемента был минимальным и обладал при этом максимальной яркостью. Указанное условие может быть реализовано при использовании в качестве излучающего элемента ГРЛ с коротким дуговым разрядом, которая, по существу, представляет собой устройство, преобразующее электрическую энергию от внешнего источника в оптическое излучение при прохождении электрического тока через плазмообразующую среду в межэлектродном промежутке ГРЛ, импульсно-периодический временной профиль которого обеспечивается за счет модуляции разрядного тока по частоте и определяется модулирующей функцией, принятой во внешнем по отношению к ГРЛ блоке формирования управляющего воздействия [4]. Такой излучающий элемент позволяет получить необходимую (с учетом аппаратурного использования) последованность импульсов оптического излучения высокой интенсивности.
Спектральный диапазон генерируемого ГРЛ оптического излучения обеспечивается, во-первых, за счет выбора оптимального состава плазмообразующей среды, в которой формируется разряд, а, во-вторых, использованием ограничивающей разряд колбы из прозрачного в заданной области оптического спектра материала. Известно, что ИК излучение в спектральном диапазоне 3,5-5,0 мкм, который соответствует диапазону спектральной чувствительности ИК ГСН УР, обеспечивает электрический разряд в ксеноне [5], давление которого при отсутствии разряда составляет 8-10 атм, а прозрачностью в указанной области оптического спектра обладает ограничивающая разряд колба, выполненная из бесцветного лейкосапфира [6].
Известна, выбранная в качестве прототипа, короткодуговая ксеноновая лампа с колбой из бесцветного лейкосапфира [7], которая имеет двухэлектродное исполнение и предназначена для использования в качестве излучающего элемента устройства ОЭП. В соответствии с работой [4] следует, что частотные возможности излучения, генерируемого короткодуговой лампой сверхвысокого давления ограничиваются временем восстановления электрической пробивной прочности ее газового промежутка в послеразрядный период, длительность которого для данного типа ГРЛ составляет порядка 1-2 мсек [8], т.е. нижняя граница ее частотного режима составляет около 500 Гц.
Минимальное время воздействия на ИК ГСН УР имитирующей активной помехи в виде однократно модулированного ИК излучения, необходимое для срыва самонаведения атакующей УР, обеспечивается при ее формировании на частоте, близкой к несущей частоте модуляции ИК излучения от цели, принятой в ГСН атакующей УР [2]. Величины несущих частот модуляции ИК излучения от цели, принятые в ГСН УР различных типов, составляют диапазон от 700 до 1800 Гц [2] и, следовательно, короткодуговая ксеноновая лампа с колбой из лейкосапфира, выбранная в качестве прототипа, с точки зрения возможности функционирования в заданном частотном режиме в полной мере соответствует требованиям, предъявляемым к излучающему элементу в составе устройства формирования имитирующей активной помехи в виде однократно модулированного ИК излучения.
Следует, однако, отменить, что в реальных условиях эксплуатации устройства ОЭП ИК ГСН УР по причине отсутствия достоверной информации о типе атакующей УР имеет место расхождение частоты модуляции помехового излучения, определяемой заложенной в блок формирования управляющего воздействия устройства ОЭП программой, и несущей частоты модуляции излучения от цели, принятой в ГСН атакующей УР. Это несовпадение частот модуляции с необходимостью приводит к увеличению времени воздействия имитирующей активной помехи на ГСН атакующей УР, необходимого для срыва самонаведения УР на цель, достигая в критическом случае величины сравнимой с минимальным временем полета УР до атакуемого ЛА, что абсолютно недопустимо. Однако, как следует из работы [2], даже при значительной величине рассогласования частоты модуляции помехового излучения относительно несущей частоты модуляции от цели, принятой в ГСН атакующей УР, эффективность ОЭП существенно возрастает при использовании имитирующей активной помехи в виде регулярной последовательности серий (пачек) импульсов одинаковой амплитуды (т.н. двукратно модулированной имитирующей активной помехи), временной интервал между которыми (пачками) соответствует полупериоду огибающей частоты модуляции ИК излучения от цели, принятой в ГСН. Диапазон указанных частот у ГСН УР различных типов составляет от 60 до 200 Гц [2].
Таким образом, с учетом особенностей аппаратурного использования короткодуговой ксеноновой лампы в составе устройства ОЭП ИК ГСН УР возникает необходимость ее эксплуатации в режиме генерации регулярной последовательности серий (пачек) импульсов ИК излучения одинаковой амплитуды, частота повторения которых в серии составляет не менее 700 Гц, а частота следования пачек составляет не более 200 Гц. Для простоты изложения будем в дальнейшем называть этот режим эксплуатации циклическим режимом.
Недостаток конструкции короткодуговой лампы, выбранной в качестве прототипа, проявляется при аппаратурном использовании в составе устройства ОЭП ИК ГСН УР и заключается в принципиальной невозможности ее функционирования в циклическом режиме поскольку нижняя граница ее частотного режима составляет 500 Гц.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, состоит в устранении указанного недостатка и обеспечении возможности функционирования ГРЛ в циклическом режиме с частотой следования пачек импульсов ИК излучения в диапазоне от 60 до 200 Гц.
Технический результат, достигаемый при использовании предлагаемой конструкции короткодуговой ксеноновой лампы, предназначенной для использования в качестве излучающего элемента устройства ОЭП, заключается в повышении эффективности противодействия ИК ГСН УР за счет обеспечения возможности формирования устройством ОЭП имитирующей активной помехи в виде двукратно модулированного ИК излучения.
Заявляемая короткодуговая ксеноновая лампа для устройства ОЭП ИК ГСН УР, как и короткодуговая ксеноновая лампа, выбранная в качестве прототипа, снабжена прямой трубчатой колбой из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой соосно с ней герметично установлены электродные узлы - анодный и катодный, содержащие наразъемно соединенные держатель соответствующего электрода, примыкающий по части боковой поверхности к внутренней поверхности колбы, и герметизирующий элемент, спай которого с колбой выполнен охватывающим.
Отличие заявляемой лампы от прототипа состоит в том, что в держателе катода, вне его оси, выполнено продольное сквозное круглое в поперечном сечении отверстие, в котором вакуумно-плотно установлен электрод поджига, отделенный от стенок отверстия изоляционным элементом в виде прямой трубки из твердого с высокой термостойкостью диэлектрического материала.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение варианта конкретного исполнения заявляемой ГРЛ, а на фиг.2- схема ее электропитания.
Заявляемая ГРЛ содержит колбу 1 и установленные на ее противоположных концах электродные узлы, которые образуют в совокупности разрядную камеру 2. В данном конкретном случае колба 1 выполнена в виде прямой цилиндрической трубки из бесцветного лейкосапфира, электродные узлы выполнены в виде комбинации неразъмно соединенных электродов (катода 3 и анода 4), держателей электродов 5 и герметизирующих элементов 6. Держатели электродов 5 в данном конкретном случае выполнены из ковара (сплава 29НК). Герметичность разрядной камеры 2 обеспечена посредством охватывающего спая (на фиг. 1 не показан), входящих в состав электродных узлов герметизирующих элементов 6 с колбой 1. Подобный конструктивный прием достаточно хорошо известен и не требует специального пояснения. Разрядная камера 2 заполнена ксеноном, давление которого составляет 15÷20 атм. В держателе 5 катода 3 вне его оси выполнено продольное сквозное отверстие 7, в котором установлен дополнительный электрод - электрод поджига 8, отделенный от стенок отверстия 7 посредством изоляционного элемента 9. В данном конкретном случае отверстие 7 выполнено круглым в поперечном сечении, а изоляционный элемент 9 выполнен в виде прямой трубки из алюмооксидной керамики А-995 [9], обладающей высокой термостойкостью. В данной конструкции ГРЛ изоляционный элемент 9 выполняет функцию пространственной фиксации электрода поджига 8 в разрядной камере 2, изоляцию электрода поджига 8 от электрического контакта с держателем 5 катода 3, выполняющего в рабочем состоянии ГРЛ функцию токоведущего элемента, и функцию герметизации разрядной камеры 2. В обеспечение выполнения указанных функций сопряжение изоляционного элемента 9 с электродом поджига 8 и держателем 5 катода 3 выполнено посредством цилиндрических спаев (на фиг. 1 не показаны). Спаи выполнены на основе медного припоя, который заполняет зазоры между обращенными друг к другу внутренней поверхностью отверстия 7 в держателе 5 катода 3 и наружной поверхностью изоляционного элемента 9, наружной поверхностью электрода поджига 8 и внутренней поверхностью изоляционного элемента 9, соответственно. Варианты выполнения подобного типа спая достаточно хорошо известны [9, 10] и не требуют специального пояснения.
Следует отметить, что трехэлектродная конструкция ГРЛ, содержащая вспомогательный электрод (электрод поджига) известна. Однако, в известных конструкциях ГРЛ, колба которых выполнена преимущественно из кварцевого стекла, вспомогательный электрод, как правило, заключен в стенку колбы и электрически изолирован материалом последней. Применительно к ГРЛ с колбой из лейкосапфира такой прием абсолютно не приемлим и, именно потому, все известные до настоящего времени ГРЛ с колбой из лейкосапфира имеют двухэлектродную конструкцию. Особенность заявляемой конструкции состоит в том, что ГРЛ с колбой из лейкосапфира выполнена трехэлектродной, но вспомогательный электрод вводится в разрядную камеру ГРЛ не через колбу, а через держатель катода, т.е. совмещен с одним из электродных узлов. Такая конструкция применительно к ГРЛ с колбой из бесцветного лейкосапфира, предназначенной для эксплуатации в составе устройства ОЭП ИК ГСН УР, используется впервые.
Электроды 3,4 и 8 электрически связаны с блоком электропитания 10 через блок формирования управляющего воздействия 11, который представляет собой электронное устройство и предназначен для формирования сигнала управляющего воздействия, определяющего процесс формирования разряда в плазмообразующей среде (ксеноне) разрядной камеры 2. Различные варианты конструктивного выполнения устройств данного типа достаточно хорошо известны [11, 12].
Принцип работы заявляемой короткодуговой ксеноновой лампы основан на преобразовании электрической энергии от блока 10, в определенным образом, структурированное ИК излучение, импульсно-периодический профиль которого определяется заложенной в блок формирования управляющего воздействия 11 программой. Возникающий между основными электродами 3 и 4 разряд является примером несамостоятельного разряда [13], т.е. таким разрядом, в котором разрядный ток поддерживается только за счет образования заряженных частиц каким-либо внешним источником и прекращается после прекращения действия этого источника образования зарядов. Особенность функционирования заявляемой короткодуговой ксеноновой лампы в циклическом режиме (с учетом ее аппаратурного использования) состоит в том, что лампа эпизодически отключается от блока электропитания 10 на время, соответствующее временному интервалу между следующими друг за другом сериями (пачками) импульсов излучения, длительность которого, как было указано выше, превосходит время восстановления электрической пробивной прочности ее газового промежутка (газовый промежуток между электродами 3 и 4) в послеразрядный период, который переходит в непроводящее состояние. Переход газового промежутка между электродами 3 и 4 из непроводящего в проводящее состояние достигается путем создания начальной ионизации газа (ксенона) с помощью электрода поджига 8, на который подается импульс поджига от блока 11, в результате чего создаются необходимые условия для развития основного сильноточного разряда между электродами 3 и 4. Особенностью пробоя газового промежутка между основными электродами 3 и 4 в этих условиях является его возникновение одновременно с моментом зажигания разряда во вспомогательном промежутке между катодом 3 и электродом 8. Для обеспечения функционирования короткодуговой ксеноновой лампы в циклическом режиме импульс поджига с блока формирования управляющего воздействия 11 на электрод 8 подается с заданной частотой следования пачек импульсов излучения, а модуляция разрядного тока между основными электродами 3 и 4 (катодом и анодом) за счет формируемого блоком 11 сигнала управляющего воздействия осуществляется в течение временного интервала, соответствующего заданной длительности пачки (серии) импульсов.
Принцип управления моментом зажигания ГРЛ за счет использования вспомогательного электрода (электрода поджига) хорошо известен [4, 13], но применительно к короткодуговым ксеноновым лампам с колбой из лейкосапфира, предназначенным для устройств ОЭП РЖ ГСН УР, используется впервые.
Таким образом предлагаемая конструкция короткодуговой ксеноновой лампы обеспечивает возможность ее функционирования в циклическом режиме и, следовательно, ее использование в качестве излучающего элемента устройства ОЭП ИК ГСН УР повышает надежность срыва самонаведения УР за счет сокращения времени воздействия имитирующей активной помехи на ГСН атакующей УР.
Короткодуговая ксеноновая лампа с оболочкой из бесцветного лейкосапфира в соответствии с заявляемым решением разработана для серийного производства с использованием типовых технологий, материалов и стандартного оборудования.
Литература:
1. Лазарев Л.П. Оптико-электронные приборы наведения летательных аппаратов, М.: Машиностроение, 1984.
2. Самодергин В.А. Исследование и разработка энергоизлучающих систем активных помех инфракрасным головкам самонаведения с оптимальными энергетическими характеристиками: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1988.
3. ЗВО, 1966, 
8, с. 39-41.
4. Маршак И.С. и др. импульсные источники света, М.: Энергия, 1978.
5. Зайдель А.Н., Прокофьев В.К., Райский С.М. Таблицы спектральных линий, М.: Гос. Изд. Физико-теоретической литературы, 1952.
6. Антонов П.И., Затуловский Л.М., Костылев А.С. Получение профилированных монокристаллов и изделий методом Степанова, Л.: Наука, 1971.
7. Патент на ПМ 88210, 27.10.2009 Бюл. 30.
8. Жильцов В.П. Пути повышения частоты вспышек импульсных источников света: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1965.
9. Батыгин В.Н., Метелкин И.И., Решетников A.M. Вакуумно-плотная керамика и ее спаи с металлами, М.: Энергия, 1973.
10. Рубашев М.А. и др. Термостойкие диэлектрики и их спаи с металлом в новой технике, М.: Атомиздат, 1980.
11. Булатов С.Г., Иванов B.C., Панфилов Д.И. Тиристорные схемы включения высокоинтенсивных источников света, М.: 1975.
12. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства, М.: Радио, 1975.
13. Рохлин Г.Н. газоразрядные источники света, М.: Энергия, 1966.
Короткодуговая ксеноновая лампа для устройства оптоэлектронного противодействия инфракрасным головкам самонаведения управляемых ракет с прямой трубчатой колбой из бесцветного лейкосапфира, на противоположных концах которой соосно с ней герметично установлены электродные узлы - анодный и катодный, содержащие неразъемно соединенные держатель соответствующего электрода, примыкающий на части боковой поверхности к внутренней поверхности колбы, и герметизирующий элемент, спай которого с колбой выполнен охватывающим, отличающаяся тем, что в держателе катода, вне его оси, выполнено продольное сквозное круглое в поперечном сечении отверстие, в котором вакуумно-плотно установлен электрод поджига, отделенный от стенок отверстия изоляционным элементом в виде прямой трубки из твердого с высокой термостойкостью диэлектрического материала.
РИСУНКИ
