генератор широкополосного светового излучения

Формула изобретения

1. Генератор широкополосного светового излучения, содержащий корпус, в котором размещены заряд бризантного взрывчатого вещества и твердый светообразующий материал в виде тела с удлиненной полостью, отличающийся тем, что полость имеет в поперечном сечении форму ромба или звезды.

2. Генератор по п.1, отличающийся тем, что полость облицована слоем горючего, в качестве которого использован металл.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к взрывным источникам излучения и может быть использовано в устройствах подавления оптико-электронных средств (ОЭС).

Известны источники оптического излучения на основе пиротехнических смесей (ПТС), в которых используется излучение продуктов ряда экзотермических реакций. Как правило, ПТС состоят из смеси окислителя, горючего, связующего и регулирующих добавок. В качестве окислителей могут быть использованы хлораты, перхлораты, нитраты, перекиси, оксиды, а в качестве горючего - неметаллы, металлы и сплавы из них, и другие неорганические и органические вещества. Основными недостатками указанных источников излучения, предназначенных для подавления оптико-электронных средств, являются относительно низкие температуры и невысокие скорости горения составов, что приводит к малым плотностям мощности светового потока.

По патенту РФ №2121646 известен боеприпас подавления оптико-электронных средств, содержащий корпус с устройством замедления, зарядом взрывчатого вещества и герметичной капсулой из прозрачного материала, наполненной инертным газом и сопряженной с корпусом торцевой частью в виде элемента крепления. Основными недостатками этого технического решения являются малая масса светообразующего состава и, соответственно, небольшая энергия излучения, а также технические сложности, связанные с обеспечением герметичности капсулы, содержащей газообразный светообразующий состав, при применении и хранении.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому генератору широкополосного светового излучения (ГШСИ) является взрывной источник оптического излучения по патенту РФ №2202759, выбранный в качестве прототипа. Этот источник содержит корпус, в котором размещены: средство инициирования, заряд бризантного взрывчатого вещества и твердый светообразующий материал (ТСМ) с осесимметричной полостью, вытянутой вдоль оси источника. При функционировании источника ТСМ нагревается до больших (порядка десяти тысяч градусов Кельвина) температур, газифицируется (сублимирует) и частично ионизуется. Для краткости, это состояние ТСМ в дальнейшем называется плазмой. Плазма в силу своей значительной температуры и спектральных свойств, является источником светового излучения. Основным недостатком этого технического решения является относительно малая эффективность преобразования химической энергии взрывчатого вещества в энергию излучения. В начале сжатия полости доля ТСМ, перешедшего в плазму, может оказаться недостаточной. При схлопывании же полости в ТСМ создаются условия (большое давление и большая температура) для перехода в плазму всей массы ТСМ. Однако из-за задержки во времени процесса перехода ТСМ в плазму, канал для выброса плазмы по оси устройства оказывается перекрытым твердыми частицами ТСМ, газокумулятивная струя по оси устройства не развивается, что приводит затем к перекрытию излучения плазмы продуктами детонации заряда ВВ и, соответственно, к уменьшению энергии излучения.

Задачей заявляемого изобретения является увеличение энергии излучения за счет:

- повышения температуры и массы продуктов реакции светообразующего материала;

- создания условий для выброса струи плазмы наружу.

Для решения этой задачи поперечное сечение полости в ТСМ выполнено в виде ромба или звезды, полость облицована слоем металла-горючего.

При функционировании ГШСИ светообразующий материал подвергается воздействию ударных волн. При этом за счет формы полости образуются кумулятивные струи, движущиеся к оси ГШСИ с большей скоростью, чем стенки осесимметричной полости. К тому же в струе наблюдается явление перемешивания слоев ее материала [Свирский О.В., Власова М.А., Клопов Б.А. и др. Аналитический метод расчета проникания струй кумулятивных зарядов. Гидродинамика высоких плотностей энергии. - Новосибирск: Изд-во Ин-та гидродинамики им. М.А.Лаврентьева СО РАН, 2004. - 613 с.].

В отличие от прототипа дополнительное повышение температуры продуктов реакции светообразующего материала достигается за счет:

- разогрева при столкновении кумулятивных струй (в области столкновения струй материал струй превращается в плазму);

- дополнительного разогрева плазмы ударными волнами, возникающими при ее столкновении со стенками полости, движущимися навстречу плазме.

Увеличение массовой доли прореагировавшего ТСМ достигается за счет:

- большего давления в ТСМ при столкновении струй;

- интенсивного перемешивания слоев газа и ТСМ в струях при их столкновении и проникании струй в ТСМ;

- формирования в непосредственной близости с областью высокого давления (областью столкновения струй) каналов для выброса плазмы наружу;

- ударного сжатия плазмы, заполнившей каналы, при их схлопывании.

Дополнительное увеличение температуры и массовой доли ТСМ происходит в случае использования слоя металла-горючего, например алюминия, в качестве облицовки стенок полости. Это достигается за счет распыления металла-горючего в сталкивающихся кумулятивных струях и перемешивания полученных капель и пара с ТСМ, повышения температуры за счет происходящих химических реакций металла-горючего с ТСМ-окислителем.

При столкновении струй в полости формируются каналы, в которые затекает плазма, и через которые она, при схлопывании каналов, выбрасывается наружу по направлению оси ГШСИ. Вследствие газокумулятивного эффекта, плазма выбрасывается со скоростью, примерно вдвое превышающей скорость детонации заряда ВВ. Это обеспечивает отделение плазмы от продуктов детонации заряда ВВ, исключает перекрытие ими излучения плазмы. Выброшенная плазма интенсивно излучает свет в широком диапазоне длин волн, генерируя широкополосное световое излучение, подавляющее функционирование ОЭС. Энергия излучения в видимой области спектра составляет несколько десятков и сотен кДж при массе ТСМ несколько десятков и сотен грамм.

Общими признаками прототипа и заявляемого технического решения являются:

- корпус;

- средство инициирования;

- заряд ВВ;

- ТСМ с полостью.

Отличительные признаки предлагаемого изобретения усматриваются в:

- форме поперечного сечения полости в виде ромба или звезды;

- наличии у полости облицовки вышеупомянутого сечения из металла-горючего.

Наличие этих признаков определяет соответствие заявленного технического решения критерию "новизна".

В результате патентного поиска до даты подачи заявки не выявлено технических решений, которым присущи признаки, идентичные совокупности существенных признаков, содержащихся в заявке, что говорит об изобретательском уровне предлагаемого технического решения.

В заявляемом техническом решении используется бризантное ВВ, например окфол. В качестве средства инициирования заряда ВВ применен электронный взрыватель, обеспечивающий подрыв заряда в нужный момент времени. В качестве ТСМ применяются твердые материалы, например, XeF ₂, Ba, BaF₂, U, UF₃, ПТС и другие. В качестве материала облицовки могут быть использованы, например, Al, Zr, Ba.

Сущность предлагаемого технического решения и возможность его практической реализации поясняется графическими изображениями, приведенными на фиг.1÷7, где показан общий вид заявляемого генератора широкополосного светового излучения, возможные варианты исполнения внутренней полости твердого светообразующего материала, схемы и результаты численных расчетов функционирования вариантов.

На фиг.1 представлен вариант схемы генератора широкополосного светового излучения с поперечным сечением полости ТСМ в виде ромба, где в корпусе 1 помещен заряд ВВ 2, внутри которого расположен твердый светообразующий материал 3 с полостью 4 в поперечном сечении в виде ромба и средство инициирования 5.

На фиг.2 показаны варианты исполнения в ТСМ полости со звездообразной формой сечения, где:

- А - полость в форме трехлучевой звезды;

- В - полость в форме четырехлучевой звезды..

На фиг.3 представлена схема образования в ромбической полости ТСМ кумулятивных струй и плазмы, в момент сжатия полости и в последующие моменты времени, где:

- А - момент начала сжатия ТСМ, стрелками показаны направления сжатия;

- В - момент образования кумулятивных струй 6 в углах полости;

- С - момент образования плазмы 7 в области столкновения струй 6, начало формирования канала 8 для выброса плазмы наружу.

На фиг.4, 5 изображены результаты проверки решения технической задачи заявляемого изобретения, выполненной посредством использования численных методов расчета процесса сжатия полости в ТСМ, в вариантах ее исполнения, в динамике представлены элементы устройств в различные моменты времени, где:

- вариант 1 - устройство по прототипу (с удаленным лазерным элементом);

- вариант 2 - устройство с ромбической в сечении ТСМ полостью;

- вариант 3 - устройство со звездообразной в сечении ТСМ полостью (фиг.5).

На фиг.6 изображены графики зависимостей давления (кПа) от времени (мкс) в геометрическом центре устройства.

На фиг.7 изображен увеличенный фрагмент численного расчета местоположения материалов варианта 2 на момент времени 10 мкс.

Для проверки возможности реализации положительного эффекта при функционировании заявляемого технического решения выполнены численные расчеты процесса сжатия полости в ТСМ в трех вариантах устройств.

Вариант 1 соответствует прототипу (с удаленным лазерным элементом), содержит стальной корпус, кольцевой слой ВВ (окфол), ТСМ с цилиндрической полостью, отделенным от ВВ перегородкой.

Вариант 2 соответствует заявляемому техническому решению с профилем полости в ТСМ в виде ромба, содержит стальной корпус, кольцевой слой ВВ (окфол), ТСМ с полостью в виде ромба, облицованной слоем металла-горючего (алюминия), ТСМ отделен от ВВ перегородкой.

Вариант 3 соответствует заявляемому техническому решению с профилем полости в ТСМ в виде звезды. Геометрия узлов и материалы устройства, кроме полости, соответствуют геометрии и материалам варианта 2. Полость в виде 4-лучевой звезды получена посредством дополнительного выреза в ТСМ с имеющейся ромбической полостью.

Инициирование ВВ расчетных моделей осуществляется по обращенной к корпусу кольцевой поверхности. Массы корпуса, слоя ВВ, перегородки во всех вариантах одинаковы. Материал и величина масса ТМС вариантов 1 и 2 одинаковы, у варианта 3 величина массы ТСМ меньше (за счет дополнительного выреза).

Расчеты проведены с использованием имеющихся численных комплексов и уравнений состояния материалов. Расчетная сетка для корпуса и ВВ лагранжева, а для перегородки и ТСМ - эйлерова, с постоянным размером ячейки 0,2×0,2 мм. Облицовка задавалась в виде оболочки. Датчик давления размещался по центру устройства. Учитывалось гидродинамическое взаимодействие используемых материалов. Химические реакции и плазмообразование не рассчитывались ввиду отсутствия полного набора исходных данных по уравнению состояния ТСМ и недостаточности развития численных методов для выполнения таких расчетов. Однако подразумевается, что создание в ТСМ экстремально высоких давлений приводит к увеличению разогрева и термической ионизации ТСМ, причем, чем больше давление, создаваемое в ТСМ, тем больше температура и, соответственно, больше материала ТСМ переходит в плазму. Данное замечание подтверждается экспериментально.

Очевидно, что основные детали процесса сжатия полости в виде звезды и полости в виде ромба будут аналогичны. В углах звездообразной полости, также как в углах ромба, образуются кумулятивные струи, столкновение которых затем приводит к созданию больших величин давлений, при этом в сечении устройства остаются каналы для выхода плазмы, образовавшейся при столкновении струй, наружу. При последующем сжатии каналов образованная плазма еще более разогревается ударными волнами и выбрасывается по направлению оси корпуса, двигаясь со скоростью, примерно в 2 раза превышающей скорость детонации ВВ, что обеспечивает отделение плазмы от продуктов детонации.

Графики зависимостей давления от времени в геометрическом центре устройства (фиг.6) показывают, что в случае использования варианта 2 максимальное давление (возникающее в месте столкновения струй) примерно в 2 раза превышает максимальное давление, возникающее при схлопывании полости варианта 1.

Из-за большей, чем у цилиндрической полости, скорости струй максимальное давление в варианте 2 достигается раньше. В варианте 1 полость захлопывается, не оставляя каналов для выхода плазмы. В варианте 2 образуются кумулятивные струи, а после их столкновения в сечении устройства остаются каналы для выхода плазмы.

Увеличенный фрагмент варианта 2 на момент времени 10 мкс (фиг.7) демонстрирует, что в варианте 2 возникает разрыв и перемещение (перемешивание) материала облицовки среди материала ТСМ. У модели №1 такого перемешивания нет.

Предлагаемый генератор широкополосного светового излучения при использовании позволит более эффективно подавлять функционирование оптико-визуальных каналов, оптико-электронных средств прицеливания и наведения оружия, в том числе и высокоточного.