Неконтактные радиовзрыватели

Общие сведения о неконтактных взрывателях, их классификация и основные характеристики

Авиационные неконтактные взрыватели

Неконтактные взрыватели (НВ), так же как и взрыватели контактного или дистанционного действия, предназначены для приведения в действие боевого снаряжения боеприпасов в тре­буемый момент времени. Отличительной особенностью НВ явля­ется то, что его датчик сигнала реагирует на физическое поле цели. Это означает, что он формирует команду на срабатывание исполнительных устройств взрывателя под действием энергии, излучаемой или отражаемой целью. Таким образом, под не­контактными взрывателями понимают такие элементы системы подрыва ДСП, которые обеспечивают срабатывание их БЧ на некотором расстоянии от цели, то есть при отсутствии механического контакта с ней, но под действием сигнала, полученного от ее первичного (излучаемого) или вторичного (отражаемого) поля.

В соответствии с приведенным определением к НB не отно­сятся телескопические взрывательные устройства авиабомб и взрывательные устройства с упредителем (лидером), летящим впереди бомбы и имеющим электрическую связь с исполнитель­ным устройством взрывателя с помощью гибкого шнура. Хотя эти взрыватели тоже обеспечивают подрыв авиабомб на неко­тором расстоянии от поверхности земли (или цели), их датчики команд (сигнала) срабатывают в момент механического взаи­модействия с преградой. Поэтому их относят к группе контактных взрывателей.

К неконтактным взрывателям условно отнесены и такие устройства, которые реагируют не на физическое поле цели, а на параметры, характеризующие состояние среды. Примером таких НВ могут служить взрыватели с гидростатическими и барометрическими датчиками сигналов. Первые срабатывают в момент погружения ДСП в воду на заданную глубину, а вто­рые - при достижении ими некоторой высоты в процессе вертикального движения – в воздухе, относительно поверхности земли.

Под определение неконтактных взрывателей подпадают также и так называемые координаторы целей самоприцеливаю­щихся боеприпасов. Конечно такие взрывательные устройства являются более сложными и имеют свои специфические осо­бенности. Например, они имеют весьма совершенную систему выделения сигнала от малоразмерных целей на фоне земной поверхности, а их узкий визирный луч датчика сигнала дает возможность применять боевые части направленного действия. Однако по принципу действия и основному назначению так на­зываемые координаторы цели ничем не отличаются от обычных неконтактных взрывателей.

Из приведенного определения неконтактных взрывателей следует также, что они могут применяться для снаряжения только таких средств поражения, которые имеют боевые части дистанционного действия. Таким действием, как известно, обла­дают фугасные боевые части с большой массой ВВ, осколоч­ные, осколочно-фугасные и стержневые БЧ, боевые части куму­лятивного типа, использующие кумулятивный эффект для фор­мирования ударных поражающих элементов различных видов (кумулятивной струи, ударного ядра и др.). Применительно к противолодочным боеприпасам в качестве боевых частей дис­танционного, действия можно рассматривать чисто фугасные заряды, так как дистанционное действие у них может быть обеспечено с помощью ударной волны. Наконец, к боевым час­тям дистанционного действия можно отнести и некоторые дру­гие, например боевые части кассетного тина, поражающие цели путем метания субснарядов или боевых элементов, которые са­ми в принципе могут быть боеприпасами ударного действия.

Говоря о назначении неконтактных взрывателей, нельзя не остановиться на оценке той роли, которую они играют в процес­се' боевого применения и поражающего действия боеприпасов различных видов. Так, для управляемых ракет класса «воздух - воздух» неконтактные взрыватели в известной мере компенсиру­ют недостатки систем наведения, которые, образно говоря, не всегда обеспечивают прямое попадание ракеты в цель. Ясно, что подрыв боевой части на некотором расстоянии от воздушной цели не может быть более эффективным, чем ее взрыв при прямом попадании в нее. Однако это не исключает целесооб­разности неконтактного срабатывания взрывателя, так как при этом используется возможность нанесения цели определенного ущерба даже при наличии значительных промахов ракеты. В противном случае, то есть при отсутствии неконтактного взрывателя, любой промах ракеты приводил бы к тому, что пуск ракеты становился бы бесполезным. Такая же картина имеет место и для неконтактных взрывателей, применяемых в проти­володочных авиабомбах и торпедах. В приведенных примерах неконтактные взрыватели, не изменяя поражающих свойств боевой части, могут привести к увеличению общей вероятности поражения цели выпущенной по ней ракетой (торпедой) или сброшенной авиабомбой. Некоторая осторожность, выраженная словами «может привести», здесь ire лишняя, а ее суть заклю­чается в том, что для обеспечения заданной или достижения максимальной вероятности поражения цели следует опреде­лить и реализовать соответствующие значения параметров не­контактного взрывателя. Если на это не обращать внимание, то можно создать абсолютно надежно срабатываемый некон­тактный взрыватель, осуществляющий подрыв боевой части в такой области, из которой цель вообще не может быть пора­жена. Другими словами, неправильно реализуемый неконтакт­ный подрыв может исключить возможность прямого попада­ния ДСП в цель даже в тех случаях, когда такое попадание могло бы произойти. Из сказанного следует, что неконтактные взрыватели средств поражения воздушных и подводных целей должны действовать по принципу обеспечения неконтактного подрыва на минимально возможном промахе от цели и только в том случае, когда прямого попадания средств поражения в нес произойти не может.

Несколько другую и неоднозначную роль играют неконтакт­ные взрыватели в авиабомбах и ракетах, применяемых для по­ражения наземных целей.

Если наземные цели заглублены, находятся в траншеях и в обвалованиях, то поражающее действие боевых частей, снаряженных контактными взрывателями, может быть замет­но ослаблено или вообще сведено к нулю, так как элементар­ные цели атакуемого объекта могут оказаться в так называе­мых «мертвых зонах». В таком случае приземный пли надпо-верхностный взрыв, осуществляемый с помощью неконтактного взрывателя, приводит к уменьшению «мертвых зон» и, сле­довательно, к повышению эффективности поражающего дейст­вия боеприпасов. Иногда эффективность поражающего дейст­вия повышается в несколько раз по сравнению с контактным взрывом.

Если же наземные цели находятся на поверхности земли и не защищены укрытиями, то контактный взрыв боеприпасов может оказаться даже более эффективным. Объясняется это тем, что для таких целей в некоторых случаях (например, при больших углах встречи средств поражения с поверхностью земли и малой относительной скорости соударения) схема дей­ствия боеприпасов аналогична атаке воздушной цели, при этом контактный взрыв автоматически соответствует взрыву БЧ с минимальным промахом.

Определяющую роль играют неконтактные взрыватели в самоприцеливающихся боеприпасах, предназначенных для по­ражения легкобронированной и бронетанковой техники. Мож­но без преувеличения сказать, что принцип действия этих бое­припасов, поражающих элементарные цели, находящиеся на значительных расстояниях от точки взрыва, полностью опреде­ляется работой взрывателя. Обеспечить действие таких боепри­пасов с помощью взрывателей других типов вообще невоз­можно.

На контактные взрыватели, так же как и на взрыватели других типов, кроме выполнения основной функции - обеспе­чение срабатывания боевого снаряжения средства поражения в заданный момент времени, возлагается также решение целого ряда других задач. Одной из основных из них является обес­печение безопасности как в служебном обращении, так и при боевом применении. Некоторые НВ решают также задачу са­моликвидации средства поражения в случае несостоявшегося срабатывания взрывателя в районе цели при боевом примене­нии и т. д. Следует подчеркнуть, что, решая эти и другие зада­чи, неконтактные взрыватели осуществляют свое функциониро­вание не только при действии механических и климатических факторов, возникающих в процессе боевого применения, но и в условиях интенсивного воздействия различного рода помех - активных и пассивных, внутренних и внешних и т. д. Это, есте­ственно, приводит к тому, что для реализации требования обе­спечения высокой надежности ожидаемого действия, неконтак­тные взрыватели имеют сложные электронные схемы, собран­ные на современной элементной базе, имеют дефицитные и вы­сокотехнологичные датчики сигналов. В целом ИВ являются весьма сложными по устройству и более дорогими по сравне­нию с взрывателями других типов.

Обобщенная блок-схема НВ приведена на рисунке 14.30. Из ее анализа следует, что НВ состоит из следующих основных эле­ментов: датчика сигнала, блока обработки сигнала (БОС), устройства формирования команды, блока задержки и исполни­тельного блока. Сам же НВ в общем случае является состав­ной частью более сложного устройства - системы подрыва, ко­торая дополнительно включает также предохранительно-испол­нительный механизм (ПИМ) и систему контактных датчиков (СКД). Последние обеспечивают подрыв боевого снаряжения при прямом попадании ДСП в цель, то есть играют роль кон­тактного взрывателя.

Рисунок 14.30. Блок-схема системы подрыва

Датчики сигнала в результате неконтактного взаимодейст­вия с целью или поверхностью земли (воды) формируют элек­трический сигнал, поэтому иногда датчики сигналов называют индикаторами цели. По принципу действия датчиков сигнала IIВ подразделяются на активные, пассивные и полуактивные.

В активных НВ датчик сигнала реагирует на отраженное поле цели, которое формируется при отражении прямых (зон­дирующих) сигналов, создаваемых передающими устройствами самих взрывателей. Поэтому в состав датчиков сигнала актив­ных НВ входят приемопередающие устройства различного ти­па. Пассивные НВ принимают сигналы, создающиеся собствен­ным нолем цели. В полуактивных НВ датчики сигнала реаги­руют на вторичное поле цели, представляющее собой отражен­ные зондирующие сигналы, излучаемые специальными переда­ющими устройствами, установленными на земле или летатель­ном аппарате.

В зависимости от природы поля цели, на которые реагирует датчик сигнала, НВ подразделяются на радиовзрыватели, опти­ческие (лазерные), электростатические, магнитные, акустичес­кие и другие взрыватели. Ясно, что у взрывателей различного типа датчики сигналов работают на различных принципах дей­ствия. Например, датчиками или индикаторами целей радио-взрывателей являются приемные антенны со смесителями и де­текторами, в которых происходит предварительная фильтрация принимаемых сигналов и их выделение на фоне помех. Опти­ческие НВ в качестве датчиков сигналов имеют фоторезисторы пли другие приемники, реагирующие на энергию теплового поля цели, и т. д. В блока* обработки сигналов осуществляется фильтрация сигналов, состоящая в амплитудной, частотной, спектральной, временной и других видах селекции. В дальней­шем принятый сигнал формируется в виде команды в специ­альном устройстве и через блок временной задержки посту­пает на исполнительный блок (рисунок 14.30). У многих НВ ко­манда формируется по сигналам, поступающим по одному ка­налу приема и обработки. Такие взрыватели называются одноканальными. Для повышения помехозащищенности некоторые взрыватели принимают сигналы не одним, а двумя и большим числом датчиков. Каждый из принятых сигналов проходит по своему каналу обработки и поступает на устройство формиро­вания команды, которое представляет собой логическую схему «и». На выходе этой схемы формируется команда лишь в том случае, когда принимаются сигналы от всех датчиков цели. Такие НВ принято называть многоканальными. По сравнению с одноканальными многоканальные НВ обладают большей по­мехозащищенностью.

Следует иметь в виду, что в практике разработки НВ уп­равляемых ракет, описания их устройства и принципа действия многоканальными были названы и такие взрыватели, у которых содержатся несколько датчиков сигнала, каждый из которых принимает сигнал с некоторого одного заданного направления. В совокупности все они обеспечивают круговой обзор прост­ранства вокруг ракеты. Устройство формирования команды та­ких НВ работает по принципу логической схемы «ИЛИ», и на его выходе формируется команда в случае появления сигнала хотя бы от одного из датчиков. Ясно, что с точки зрения поме­хозащищенности такие взрыватели являются одноканальными, а использование применительно к ним понятия многоканальности отражает лишь особенности схемного решения тракта прие­ма и обработки сигналов.

Как любое техническое устройство, НВ и система подрыва в целом характеризуются различными параметрами. Условно их можно разделить на общетехнпческне (масса НВ; его габа­риты, мощность источников питания, несущая частота передат­чика, полоса пропускания усилителя и т. д.) и специальные. Специальные характеристики НВ определяют его возможности в условиях боевого применения, поэтому часто их назы­вают также тактическими характеристиками. К основным из них относятся: поверхность реагирования, поверхность срабаты­вания, радиус срабатывания (высота срабатывания у бомбовых ИВ) и время задержки.

Поверхность реагирования определяется как геометрическое место относительного положения НВ (ракеты) и цели в момент начала реагирования на нее датчика сигнала, то есть в момент появления первого сигнала от цели. Обычно поверхность реа­гирования задается в декартовой системе координат с началом в середине пели и осью , направленной в сторону, обратную направлению векто­ра относительной скорости ракеты и цели (рисунок 14.31).

Рисунок 14.31. Поверхности реагировании

и срабатывания НВ

Аналогичным об­разом определяется и поверх­ность срабатывания НВ, кото­рая определяет положение ра­кеты и цели в момент выдачи НВ сигнала на подрыв БЧ. Уравнение поверхностей реа­гирования и срабатывания г₀ условно могут быть записа­ны в виде

(14.19)

Плоскость обычно называют картинной плоскостью. При нахождении в этой плоскости ракеты расстояние между ней и целью будет минимальным. Оно определяется координатами и называется промахом ракеты.

Определяемые в виде (14.19) поверхности реагирования и срабатывания в общем случае представляют собой поверхности весьма сложной формы, зависящей от размеров и конфигура­ции цели, направления относительного движения ракеты и пе­ли, формы диаграммы направленности приемных устройств дат­чиков сигнала ИВ и т. д. Чтобы упростить решение многих за­дач, о которых речь пойдет ниже, и получить аналитические выражения для зависимостей (14.19), принимают некоторые до­пущения. Чаще всего цель рассматривают в виде цилиндра, имеющего длину . Считается, что физическое иоле такой пели является осесимметричным, при этом осесимметричными будут и поверхности реагирования и срабатывания. Принима­ется также допущение о том, что траектории движения ракеты и пели параллельны, то есть их векторы и коколлинеарны. В таком случае положение цели однозначно может быть определено в системе координат , расположенной в центре цели. Ось в данном случае совпадает с продольной осью пели, а ось называется промахом. Плоскость , пересека­ясь с поверхностью реагирования или срабатывания, образуем линии или , которые называют соответственно сле­дом поверхности реагирования или срабатывания-. Нетрудно понять, что в условиях принятых допущений кривые и представляют собой образующие поверхностей реа­гирования и срабатывания. Сами же поверхности можно полу­чить путем вращения указанных кривых вокруг оси .

Минимальное расстояние (промах) ракеты соответствует условию . Максимальное значение промаха ракеты , при котором ИВ еще реагирует на цель и выдает команду на срабатывание БЧ, называется радиусом срабатывания взрыва­теля. Если ракета летит так, что ее промах взрыватель отказывает в действии.

У бомбовых неконтактных. взрывателей характеристикой, аналогичной , является высота неконтактного срабатывания .

Важнейшей тактической характеристикой НВ является так­же его время задержки .. Оно определяется как отрезок времени между моментом появления первого сигнала от цели и моментом срабатывания НВ. Образно говоря, время задерж­ки определяется временем перелета ракеты от точки, лежащей на поверхности реагирования, к соответствующей точке на по­верхности срабатывания. В приближенной схеме участок траек­тории ракеты в процессе ее движения обозначен отрезком (рисунок 14.31. Тогда имеем

(14.20)

В общем случае время задержки можно представить двумя составляющими: временем , определяющим инерци­онность блока обработки и устройства формирования команды, и временем , формируемым блоком задержки

=+. (14.21)

Из-за влияния на работу НВ большого числа случайных факторов положение ракеты (бомбы) в момент срабатывания взрывателя будет случайным. Таким образом, в каждом кон­кретном случае соответствующие координаты на поверхностях реагирования и срабатывания, а также радиус (высота) сраба­тывания и время задержки будут приобретать конкретные зна­чения, являющиеся случайными величинами. В таком случае в расчетах используют не сами случайные величины, а их средне­статистические значения или математические ожидания. Соот­ветствующим образом определяют и тактические характерис­тики взрывателя. Например, поверхность срабатывания взрывателя. может быть определена как математическое ожидание координат, определяющих положение центра массы ракеты относительно середины цели в момент срабатывания ИВ. В координатах уравнение поверхности срабатывания, опре­деленной таким образом, имеет вид:

, (14.22)

где - условный закон рассеивания точек срабатывания НВ по оси ракеты, летящей с промахом . Аналогичным образом можно определить математическое ожидание высоты срабатывания бомбовых неконтактных взрывателей

, (14.23)

где - закон рассеивания точек подрыва неконтактного взрывателя по высоте .

Рассматривая НIB как устройство со случайными характе­ристиками, необходимо оперировать не только их средними значениями, по и величинами, определяющими отклонение фактических значений величин от их средних. Ими могут быть среднеквадратические отклонения величин, входящих, например, в условные законы выражений (10.4) и (10.5). Таким образом, в качестве важнейших параметров НВ следует рассматривать их точностные характеристики.

Из общетехнических характеристик особое значение имеют помехоустойчивость и надежность действия.

Помехоустойчивостью ИВ называется их способность не сра­батывать под действием ложных сигналов - помех. Подвержен­ность ИВ воздействию помех является их основным недостат­ком по сравнению с взрывателями других типов. Помехи быва­ют естественные и искусственные. Естественные помехи обус­ловлены тепловыми и вибрационными шумами радиотехничес­ких деталей, шумами источников питания, неоднородностями ат­мосферы, сигналами, отраженными от облаков, дождя, снега, тумана и т. д. Искусственные помехи создаются противником специально с целью вызвать преждевременное срабатывание НВ на расстояниях, являющихся безопасными для атакуемой пели. Вид искусственных помех зависит от типа целен. Напри­мер, для РВ специальными станциями противника могут передаваться радиосигналы, которые принято называть активными помехами. В качестве пассивных помех могут рассматриваться сигналы собственного взрывателя, отраженные от облаков, отра­жателей из металлических лент или волокон, созданных про­тивником.

Надежность неконтактных взрывателей определяется вели­чиной вероятности безотказного действия (или обратной вели­чиной - вероятностью отказа), а также вероятностью прежде­временного срабатывания.

Причинами отказов могут быть неисправности деталей, ме­ханизмов и устройств (блоков), обусловленные такими явле­ниями, как обрывы цепей, сгорание резисторов, пробой конден­саторов и т. д. Преждевременные срабатывания вызываются скачками напряжений, возникающими в схеме НВ, например, в момент включения источников питания. Причинами прежде­временных срабатываний НВ могут быть детали, у которых но­минальные значения параметров вышли за пределы установ­ленных допусков как в процессе хранения, так и за время по­лета самолета или ракеты. На траектории ракеты причинами преждевременных срабатываний НВ могут быть вибрации, теп­ловые шумы, шумы источников питания и др.

Наконец, отказ в действии взрывателя может произойти из-за недостатка мощности принятого сигнала от цели. Вероят­ность такого отказа зависит от промаха ракеты.

В сравнении с взрывателями других типов НВ обладают меньшей надежностью, что объясняется наличием в их конст­рукции большого числа электротехнических деталей и элект­ронных приборов (схем), уступающих по надежности механи­ческим устройствам.

Радиовзрыватели (РВ) представляют наиболее распростра­ненную группу НВ АСП. Их датчики сигналов реагируют на электромагнитную энергию, излучаемую целью в диапазоне радиоволн. В авиационных боеприпасах, как правило, приме­няются РВ активного типа, хотя в некоторых случаях исполь­зуются и полуактивные (взрыватели ракеты «Спарроу» США) и пассивные (взрыватель ракеты «Шрайк» США) радиовзрыватели. В зависимости от принципа действия РВ делятся на доплеровские, импульсно-доплеровские, частотно-модуляционные и импульсные.

По принципу действия датчика сигнала и способу выделе­ния сигнала все РВ подразделяются на гетеродинные и автодинные. В гетеродинных РВ излучение зондирующего сигнала и прием сигнала, отраженного от цели, осуществляются различ­ными антеннами. Эти РВ обладают большой помехозащищен­ностью и устойчивостью к внутренним шумам, а также практи­чески неограниченной дальностью действия. Вместе с тем ге­теродинные взрыватели более сложны по устройству. В автодинных РВ передача и прием сигналов происходит на одну и ту же антенну. Они отличаются простотой устройства, меньшей массой и габаритами, однако имеют ограниченную дальность действия. Автодинныс РВ более подвержены влиянию внутрен­них шумов и для устранения этого влияния требуются специ­альные компенсационные устройства.

В историческом плане первые неконтактные радиовзрыватели авиабомб и ракет были автодинными доплеровскими РВ. Они создавались в таком же конструктивном исполнении, как и обычные моноблочные взрыватели контактного действия. В дальнейшем более широкое распространение получили гетеро­динные РВ, обладающие лучшими тактико-техническими харак­теристиками, и прежде всего повышенной помехозащищенно­стью и помехоустойчивостью.