ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПОРОХОВЫХ ЗАРЯДОВ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СИСТЕМ ВООРУЖЕННЫХ СИЛ США

ЗАРУБЕЖНОЕ ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ № 11/2010, стр. 40-44

ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ВОСПЛАМЕНЕНИЯ ПОРОХОВЫХ ЗАРЯДОВ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СИСТЕМ ВООРУЖЕННЫХ СИЛ США

В. ЗУБОВ,

кандидат технических наук

Первые успешные попытки применения лазерной системы воспламенения (ЛСВ) порохового заряда артиллерийских систем были совершены в середине 1990-х годов. Лазерная система разрабатывалась ARDEC (Armament Research, Development and Engineering Center) - основным центром по исследованию и разработке вооружений для армии США совместно с корпорацией «Кигр». Позже к разработке была привлечена лаборатория «Сандия».

Первые испытания лазерной системы воспламенения заряда на гаубице М198

В феврале 1995 года ЛВС LRS-200 была продемонстрирована на 155-мм самоходной гаубице М109А6 «Паладин» на территории школы полевой артиллерии ВС США. В 1996 году гаубица «Паладин» с экспериментальной ЛСВ была испытана в Кувейте, сделав 43 выстрела. В этом же году, кроме того, указанная система прошла проверку на 155-мм буксируемой гаубице М198. Эти гаубицы, как и большинство орудий полевой артиллерии США и Великобритании, имеют раздельно-гильзовое или картузное заряжание, при котором переменный боевой заряд, состоящий из основных или дополнительных пакетов, собирается перед загрузкой в зарядную камору.

Обычно для воспламенения боевого заряда в поршень затвора снаружи вставляется воспламенительная трубка, по которой при спуске бьет ударник. Форс пламени от трубки по осевому каналу внутри затвора передается на воспламенитель, находящийся в торце порохового заряда. Такой метод заряжания является трудоемким, относительно небезопасным и в ряде случаев может занимать много времени.

Обычная схема воспламенения боевого заряда при безгильзовом заряжании

По мнению американских разработчиков, применение ЛСВ позволит отказаться от воспламенительной трубки, повысит безопасность процесса заряжания, сократит количество операций, требуемых для производства выстрела, решит проблему автоматизированного процесса заряжания и увеличения темпа стрельбы.

Первоначально лазерная система воспламенения испытывалась на модифицированных стандартных пороховых зарядах МЗА1, М4А2. Обычный воспламенитель в виде навески пороха, размещаемый в донной части заряда, был заменен на прочную акриловую трубку диаметром около 2,5 см и длиной 15 см, заполненную специальным воспламенительным составом массой 26 г. Трубка изготавливалась из алюминиевой оболочки и прозрачного торца для входа лазерного луча. Для расположения трубки точно напротив окна в затворе использовали картонный гофрированный центрирующий диск с отверстием. Луч лазера через отверстие в затворе по осевому каналу попадал на воспламенитель и инициировал воспламенительный состав.

В устройстве лазера выделяют три основных элемента: источник энергии (механизм «накачки»), рабочее тело и систему зеркал («оптический резонатор»). В рабочем теле под воздействием поступающей энергии «накачки» происходит вынужденное излучение фотонов. Если в лазере в качестве рабочего используется твердое тело - кристаллы или стекло, то такие лазеры обычно «накачиваются» импульсной лампой или другим лазером.

Сначала рассматривалась возможность применения различных типов лазеров - как твердотельных, так газовых и жидкостных. Однако размеры, сложность конструкции и эксплуатации последних ограничили число возможных вариантов. В результате дальнейшие испытания проводились с твердотельными лазерами двух типов: первый - с «накачкой» от импульсных ламп, второй - с лазерными диодами. Впоследствии в ходе многочисленных экспериментальных исследований было выявлено, что применение импульсных ламп нежелательно, так как их рабочий диапазон рассчитан на высокое напряжение, что может быть небезопасным в полевых условиях.

Безопасной альтернативой являются лазерные диоды, которые компактны, более эффективны и работают при меньших напряжениях. Использование нескольких лазерных диодов увеличивает интенсивность лазерного луча и обеспечивает надежность воспламенения заряда. В качестве рабочего тела могут использоваться многие широко применяемые для этих целей материалы, например кристаллы алюмо-иттриевого граната (АЙГ), легированные ионами неодима (Nd), дающие инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1,064 мкм.

Модифицированный заряд для лазерного воспламенения

Схема устройства рубинового лазера системы воспламенения заряда

Рабочее тело представляет собой стержень цилиндрической формы и может быть диаметром от 2 до 10 мм или более. Небольшие размеры лазерных диодов и стержня позволяют разместить их сверху на поршне затвора. Сформированный мощный поток лазерного излучения проходит через пропускающее свет окно в затворе и попадает на воспламенитель заряда. Окно в затворе может быть сделано из сапфира или другого прочного оптически прозрачного материала, способного выдержать нагрузки, возникающие при выстреле.

Сборка лазерных диодов генерирует один или серию импульсов. Длительность импульса либо серии импульсов может быть скорректирована в зависимости от используемых типов боеприпасов и зарядов, а также в связи с изменениями в атмосфере или внешних условий, которые могут потребовать продления необходимого времени воспламенения. Со временем из-за ухудшения оптических свойств окна либо его загрязнения образовавшимся от сгорания порохового заряда нагаром может потребоваться больше импульсов или увеличения их мощности.

Параллельно с развитием лазерной системы воспламенения в США шла разработка модульных пороховых зарядов MACS (Modular Artillery Charge System) для 155-мм артиллерийских систем. Были разработаны модульные заряды двух типов - массой 1,93 и 2,65 кг. В торцах зарядов находится воспламенительный состав, закрытый красными лавсановыми дисками. Модульные пороховые заряды изначально разрабатывались под лазерную систему воспламенения, поэтому дальнейшая отработка ЛСВ велась уже с модульными зарядами MACS.

Были опробованы разные варианты размещения лазера: как непосредственно на наружной стороне поршня затвора, так и отдельно. Во втором случае лазерное излучение от генератора передавалось к затвору по волоконно-оптическому кабелю (ВОК). Однако в ходе испытаний выяснилось, что далеко не все ВОК способны выдержать многократные ударные и вибрационные нагрузки, возникающие при выстреле, в том числе и в процессе отката-наката ствола. Кроме этого, луч лазера, вышедший из такого кабеля, обладает худшими свойствами, чем луч из излучателя, установленного непосредственно на поршне затвора. В частности, он быстрее рассеивается и увеличивается рассеивание луча, а расстояние, на котором заряд может воспламеняться, значительно сокращается. Например, если в случае размещения лазера непосредственно на затворе эффективное расстояние, на котором происходит стабильное воспламенение порохового заряда, составляет 50 см, то в случае передачи излучения по ВОК оно составит 10 см, то есть сократится в 5 раз. Таким образом, лазер, установленный непосредственно на затворе, позволяет допускать в 5 раз большие ошибки в позиционировании порохового заряда, что немаловажно при стрельбе меньшим количеством зарядов, не заполняющих весь объем каморы. Испытания подтвердили преимущество такого расположения лазера.

При размещении лазера непосредственно на затворе рассматривались два варианта его размещения: перпендикулярно оси орудия и вдоль оси. В первом варианте для поворота луча лазера на 90° использовалась оптическая призма, смонтированная на конце лазерного стрежня. Однако при подобном расположении лазера в ходе испытаний были обнаружены повреждения из-за высоких ударных нагрузок. Соосное расположение лазера, наоборот, позволило резко повысить его живучесть в условиях высоких ударных нагрузок.

Смонтированные на затворе лазерные системы воспламенения (Breech Mount Laser Ignition System - BMLIS) были разработаны, установлены и испытаны на многих артиллерийских системах армии США, в том числе на буксируемых гаубицах М198, М777 и самоходных М109А6 «Паладин», ХМ 1203 NLOS-C и ХМ2001 «Крусейдер», которая в конечном счете не пошла в серийное производство.

Схемы лазерного воспламенения модульных пороховых зарядов MACS

Разработка перспективной гаубицы «Крусейдер» предусматривала установку ЛСВ порохового заряда. Лазер генерировал единичный импульс энергии в 10 Дж и продолжительностью 5 мс. Количество импульсов варьировалось в зависимости от условий стрельбы. Диаметр пучка на выходе лазера составлял приблизительно 5 мм. В процессе разработки из опытных образцов «Крусейдер» с применением ЛСВ было сделано 14 тыс. выстрелов. Окно в затворе выдерживало более 1 тыс. выстрелов на полном заряде, а сама система выдерживала более 3 тыс. выстрелов. После закрытия программы «Крусейдер» в 2002 году ее лазерная система воспламенения менее чем за 10 месяцев была адаптирована к перспективной 155-мм гаубице ХМ 1203 NLOS-C, на которой получила свое дальнейшее развитие.

Гаубица Ml203 NLOS-C создавалась в рамках закрытой в 2009 году программы «Боевая система будущего». Проект самоходной артиллерийской установки (САУ) NLOS-C был свернут, но некоторые работы продолжаются. Например, изучаются: применение элементов технологии «стеле»; гибридная дизель-электрическая силовая установка; система корректировки полета снаряда; автомат заряжания; использование модульных метательных зарядов MACS; лазерная система воспламенения порохового заряда (пока применяется только на некоторых экспериментальных САУ).

Лазерный блок, смонтированный на поршневом затворе гаубицы NLOS-C

Один из последних вариантов лазерной

системы воспламенения на поршневом затворе гаубицы NLOS-C

Лазерный блок воспламенения и генератор лазерных импульсов, специально разработанные для такого типа орудий корпорацией «Кигр», могут обеспечить темп стрельбы до 15 выстр./мин. Лазерный блок, размещается на поршне затвора. В лазерной системе воспламенения гаубицы NLOS-C твердотельное рабочее тело «накачивается» излучением нескольких полупроводниковых лазерных диодов. Для очистки внутренней поверхности каморы от нагара, в том числе и лазерного окна в затворе, применяется впрыск 5 см3 полиэтиленгликоля до открытия затвора.

Так как в ходе испытаний ЛСВ на гаубице NLOS-C выявилась нестабильность работы системы под воздействием ударных и вибрационных нагрузок, позже к разработке ЛСВ была привлечена национальная лаборатория «Сандия» в Калифорнии, специализирующаяся в том числе и на создании средств защиты от ударных нагрузок. Специалисты лаборатории совместно с «БАэ системз» и ARDEC предложили новую систему изоляции между лазером и затвором. На основе моделирования нагрузок и динамики физических процессов внутри системы лазерного воспламенения была разработана виброизоляция и были внесены другие конструктивные изменения. Испытания показали, что виброизоляция, которая действует подобно фильтру, приводит к гораздо более низким уровням ударно-вибрационного воздействия.

К настоящему времени выпущено не менее восьми опытных образцов NLOS-C (Р1-Р8), но серийное производство гаубицы в ближнесрочной перспективе не планируется. Образцы и лазерная система воспламенения будут подвергнуты жестким проверкам, которые намечается проводить как на различных испытательных стендах, так и в виде стрельбы на полигонах, с последующей сертификацией и оценкой.