Ю. В. ПАВУТНИЦКИЙ, В. И. ХОВАЙКО
629.193
П 125
47 613 у
МЕТОДИКА РАСЧЕТА
ПАРАМЕТРОВ ЛАЗЕРНЫХ СИСТЕМ
ИНИЦИИРОВАНИЯ
ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ УСТРОЙСТВ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ ТЕХНИКИ
Учебное пособие
военный' инженерно~-косми'ч1скйй университет
имени А. Ф. МОЖАЙСКОГО
Санкт-Петербург — 2001

УДК [629.193+662.16+621.378.3] (075.8)
Учебное пособие предназначено для изучения
курсантами новых перспективных систем инициирования
различных пиротехнических устройств, широко
применяемых б ракетах-носителях, ракетных
двигателях, космических аппаратах и других объектах
ракетно-космической техники. В пособии рассмотрены
вопросы расчета параметров принципиально новых,
лазерных ср1стем инициирования - Такие системы
имеют ряд серьезных преимуществ по сравнению с
существующими электрическими системами с мостиками
накаливания.
Пособие может быть также использовано при
выполнении курсового и дипломного проектирования,
при проведении научных исследований курсантами,
адъюнктами и соискателями.
ВИКУ им. А. Ф. Можайского, 2001
Подп. к печати 21.11.2001 Печ л. 2,5 Уч.-изд. jr. 2,25
Зак. 1225 Бесплатно
Типография ВИКУ имени А. Ф. Можайского

3
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 4
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА. МЕТОДИКИ 7
1.1. Назначение и структура методики 7
1.2. Основные этапы расчета 11
1.3. Анализ результатов расчета .15
2. ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ 16
2.1. Расчет потребных энергетических характеристик
лазерного излучения, обеспечивающих заданную
вероятность безотказного срабатывания системы .... 17
2.2. Определение параметров источника накачки 21
3. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ 27
3.1. Назначение и порядок проверочного расчета 27
3.2. Проверка реализуемости параметров системы 29
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 37
ЛИТЕРАТУРА 38

4
ВВЕДЕНИЕ
Функционирование современных ракет-носителей и
космических аппаратов, а также ряда элементов наземного (стартового)
технологического оборудования невозможно без пиротехнических
средств (ПТС). Они используются в качестве компактных
источников энергии в системах автоматики и запуска двигательных
установок (ДУ), разделения и торможения ступеней, сброса
створок головного обтекателя, аварийного спасения и мягкой
посадки и др. Как показывает анализ перспектив развития РКТ,
общее число бортовых ПТС имеет тенденцию к возрастанию.
Уровни надежности и живучести ПТС во многом определяют
и уровни этих свойств самих объектов, на которых они
установлены. Поэтому одним из основных требований, предъявляемых к
ПТС, является обеспечение их высокой надежности и живучести.
В настоящее время наиболее широкое распространение
получили ПТС, оснащенные электрическими средствами
инициирования (СИ) . Принципиальной особенностью этих средств является
наличие электрического мостика накаливания, расположенного в
навеске взрывчатого вещества (ВВ). Инициирование ВВ
осуществляется путем пропускания электрического тока через этот
мостик. Источником электрической энергии являются, как правило,
бортовые системы энергопитания, а электрическая цепь
формируется с помощью достаточно протяженных кабельных линий.
Соответствующая команда на задействование того или иного
пиротехнического устройства подается от системы управления
объектом.
Электрические средства инициирования имеют ряд
существенных недостатков:
-наличие опасности несанкционированного (без подачи
соответствующей команды) срабатывания СИ в результате
воздействия электромагнитных импульсов (полей) природного и
искусственного происхождения;
-создание в результате срабатывания условий для
замыкания шин бортовых источников питания между собой и на корпус
объекта;

-отсутствие гарантии выявления преждевременно
сработавших и имеющих внутренние дефекты СИ/
-возможность превышения максимально допустимого значения
времени срабатывания СИ.
Как показывает опыт эксплуатации ракетно-космической
техники, имелись неоднократные случаи отказов ПТС,
обусловленные перечисленными недостатками. Полностью преодолеть эти
недостатки не представляется возможным, т.к. дальнейшее
совершенствование электрических СИ в этом направлении
затруднено по причинам принципиального характера. Эти причины
обусловлены самим способом инициирования взрыва, требующим
наличия контактирующего с взрывчатым веществом (ВВ) мостика
накаливания и протяженных кабельных линий. Различные
технические улучшения электрических систем, как правило, влияют на
уровень надежности ПТС несущественно, но увеличивают массу и
габаритные размеры системы в целом.
Для кардинального решения вопроса повышения надежности
СИ, функционирующих в условиях воздействия электромагнитных
полей различной природы, необходимо обеспечить электрическую
развязку между источником питания (Pffl), бортовой кабельной
сетью (БКС) с одной стороны, и средством инициирования с
другой, а также исключить из состава СИ элементы, между
которыми возможен электрический разряд через ВВ. Принятие таких
мер в рамках традиционных электрических СИ не представляется
возможным.
Таким образом, для повышения надежности, живучести и
безопасности ПТС требуется разработка принципиально новых
способов их задействования, избавленных от недостатков
электрических СИ. Одним из таких способов является лазерное
инициирование, при котором на первичный заряд СИ воздействует
импульс лазерного излучения (ЛИ). В этом случае из схемы
задействования ПТС исключаются мостики накаливания и
металлические провода и обеспечивается полная электрическая
изоляция СИ от MIL Это делает СИ практически нечузствительныш к
различным электромагнитным воздействиям, и позволяет тем
самым существенно повысить их жмвучесть, надежность и
безопасность ,

При этом использование лазерного инициирования ВВ
предоставляет возможность:
-снизить время воспламенения на несколько порядков,
соответствующим образом уменьшая и разброс этой
характеристики/
-сократить число ВВ, используемых в составе СИ и
упростить конструкцию самого устройства;
-уменьшить суммарную массу устройств задействования пи-
росредств, прежде всего за счет исключения из их состава
протяженных экранированных силовых кабельных линий.
Помимо этого, полная изоляция СИ от источника
электропитания устраняет необходимость принятия мер по
предотвращению замыкания электрических цепей между собой и на корпус
объекта после срабатывания ПТС.
Задействование ПТС с помощью лазера предполагает
наличие на борту лазерной системы инициирования (ЛСИ).
Обязательными элементами такой системы являются СИ, действующее от
лазерного излучения, а также лазер с источником накачки и
средствами управления. В качестве канала передачи лазерного
излучения к СИ может использоваться волоконно-оптическая
линия. Структура ЛСИ, как правило, зависит от конкретного
назначения системы, и в зависимости от целей использования ЛСИ
те или иные элементы могут отсутствовать, либо объединяться с
целью расширения функциональных возможностей.
В настоящем пособии представлена методика расчета
лазерных систем инициирования пиротехнических систем. Она
позволяет рассчитывать параметры таких систем, обеспечивающие
заданные требования по их надежности.

7
1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДИКИ
1.1.Назначение и структура методики
Назначение методики состоит в определении
энергетических и массогабаритных параметров ЛСИ, обеспечивающих
уровень надежности не менее требуемого в заданных условиях
эксплуатации. Структурная схема такой ЛСИ изображена на рис. 1.1.
Поскольку ЛСИ является неаосстанавливаемыми объектами, то
надежность таких систем практически полностью определяется их
безотказностью.
Знание параметров ЛСИ необходимо, как для формирования
тактико-технических требований к перспективным СИ, так и для
оценки достижимости этих требований на современном уровне
развития техники.
Необходимо отметить, что все определяемые параметры ЛСИ
находятся в тесной взаимосвязи. Так масса и габариты системы
главным образом обусловлены соответствующими параметрами
лазера и, прежде всего, его блока питания (источника накачки).
Масса и размеры источника накачки в основном определяются
величиной энергии накачки и, в конечном итоге, величиной
энергии излучения лазера, необходимой для обеспечения требуемой
надежности средства инициирования. Последняя, в свою очередь,
зависит от свойств ВВ, параметров излучения и внешних
условий.
Определение параметров такой системы является достаточно
сложной задачей. Для ее решения была разработана методика,
структурная схема которой представлена на рис. 1.2.
Исходными данными в общем случае являются:
- требуемые уровни надежности системы, в качестве
показателей которой выступает вероятность безотказного
срабатывания ПТС;
- структура системы и циклограмма ее работы/
- ограничения, накладываемые на массу и габариты
системы;
- условия функционирования.

Структурная схема ЛСИ
ЗУ
ИИ
СУ
Г ft ; ;
j' ! !
OP
И
АО '
Ao i
I си
Ф ; * l\ ^ DD ;
Рис. 1.1
ИН - источник накачки; ЗУ - зарядное устройство; РК - разрядный контур;
СУ - система управления; И - излучатель; ОС - осветительная система; ОР - резонатор;
АЭ - активный элемент; Ф - фокусирующая система; СИ - средство иницирования;
К - конструкция СИ; ВВ - взрывчатое вещество.

Структурная схема методики расчета параметров ЛСИ
Ввод исходных
данных
X, х, ВВ.СИ
П ред верительный
выбор параметров
ЛСИ
Анализ
влияния
температурных
условий
Проверка возможности
обеспечения
требуемой степени
фокусировки
Определение
энергии
накачки
Определение
параметров
источника накачки
Проверочный расчет
ЛСИ
с учетом реальных
характеристик
разброса параметров
Выбор новых
принципиальных
решений
Ужесточение
требований
к элементам
нет
Вывод
результатов
Рис. 1.2

10
При достигнутой к настоящему времени высокой надежности
твердотельных лазеров /1, 2/ надежность ЛСИ будет в основном
зависеть от надежности средства инициирования, действующего
от лазерного луча. Вероятность безотказного срабатывания СИ,
используемых на борту РСН и РКН, назначают, как правило,
равной 0.99995 или 0.9999.
Как было выше отмечено, ПТС структурно входят в состав
различных систем РКТ (систем разделения и торможения
ступеней, систем автоматики и запуска ДУ, аварийного спасения и
мягкой посадки и др.). Поэтому требования к структуре ЛСИ и
циклограмме его работы обусловлены назначением этих систем и
условиями их функционирования. Эти обстоятельства в первую
очередь определяют момент времени выполнения каждой команды и
число СИ, срабатывающих по этой команде.
Особое значение при этом приобретает разброс времени
срабатывания отдельных СИ. Как правило, техническими
условиями задается максимально допустимое время срабатывания СИ,
обычно не превышающее нескольких миллисекунд. В ряде случаев
указывается диапазон, из которого не должно выходить время
срабатывания. Для большинства СИ величина этого диапазона не
превосходит десятых долей миллисекунды.
Учитывая достигнутый уровень миниатюризации
твердотельных лазеров (ТЛ), можно предположить, что ограничения по
массе и габаритам ЛСИ не будут играть значительной роли при
определении ее параметров.
Окружающая среда может оказывать существенное влияние
на надежность, как СИ, так и лазера. Выше было показано, что
отказ ЛСИ может произойти под воздействием факторов, как
электромагнитной природы, так и тепловой, а также под
воздействием перегрузок и вибраций.
Согласно предлагаемой методике, задача расчета
параметров ЛСИ решается в три этапа.

11
1.2.Основные этапы расчета
На первом этапе на основе анализа исходных данных и
имеющихся результатов экспериментальных исследований
чувствительности различных ВВ к импульсу лазерного излучения
производится предварительный выбор параметров системы, включая:
- конструкцию СИ;
- тип ВВ;
- массу первичного заряда ВВ;
- материал активного элемента лазера;
- размеры активного элемента;
- тип осветительной системы;
- лампу накачки;
- режим генерации излучения;
- фокусирующую систему.
Эти параметры могут быть достаточно обоснованно выбраны
на основе следующих общих рекомендаций.
Так, при разработке конструкции СИ, действующего от
импульса лазерного излучения, целесообразно использовать в
качестве прототипов существующие СИ, которые действуют от
традиционных видов начального импульса, например, луча огня. Это
позволяет обеспечить выполнение требований, предъявляемых к
СИ, и совместимость разрабатываемой системы с конструкцией
ПТС.
Кроме того, необходимым элементом конструкции СИ,
действующего от лазерного импульса, должна быть прозрачная
пластина, плотно прилегающая к облучаемой поверхности ВВ.
Проведенные эксперименты показали пригодность для этой цели
органического стекла толщиной 1 мм.
Выбор типа взрывчатого вещества основывается на данных,
получаемых в результате экспериментального исследования
чувствительности достаточно большого спектра взрывчатых веществ
к различного рода внешним воздействиям. Выбранное ВВ должно,
с одной стороны, обладать высокой чувствительностью к
лазерному излучению, а с другой - обладать минимальной
восприимчивостью к другим воздействиям.
Как показывают результаты, полученные большинством
исследователей, изучавших проблему чувствительности ВВ к лазер-

12
ному излучению, из традиционных ИВВ наиболее приемлемым для
использования в составе ЛСИ является азид свинца. При этом
наиболее целесообразно использование поливиниловой формы
азида свинца. Недостатком ИВВ является их высокая
чувствительность к традиционным видам воздействия, которые для ЛСИ
могут играть роль помех, приводящих к несанкционированному
срабатыванию.
В ряде случаев, например, при одновременном
задействовании большой группы СИ от одного лазера, может возникнуть
необходимость значительного снижения энергозатрат на
задействование одного СИ. Этого можно достигнуть, в частности, за счет
использования светочувствительных взрывчатых веществ и
составов /3/.
Однако для рассматриваемой схемы ЛСИ (см. рис. 1.1.)
аномально высокая чувствительность ВВ к лазерному импульсу не
является необходимым условием работоспособности системы. Это
позволяет отказаться от рассмотренных выше типов ВВ и
использовать СИ, снаряженные пиротехническими составами, которые
обладают достаточной степенью восприимчивости к импульсу
лазерного излучения. Как показали проведенные экспериментальные
исследования, в этом качестве может быть использован состав
Si-Pb3O4.
Масса заряда ВВ зависит в первую очередь от
функционального назначения СИ и будет определятся не условиями
возникновения взрывчатого превращения, а возможностью создания
инициирующего импульса необходимой величины. Поэтому массу
заряда в СИ, действующего от лазерного импульса, можно принимать
равной заряду в СИ, используемого в качестве аналога.
Большая номенклатура существующих твердотельных лазеров
делает разработку специального излучателя для ЛСИ не
целесообразной. Для использования в составе ЛСИ наиболее
рациональным представляется выбор лазера из перечня изделий,
разработанных и изготовляемых в настоящее время промышленностью. Как
уже было отмечено, в составе бортовых ЛСИ предпочтительным
является использование ТЛ на четырехуровневых активных средах
(АС). Проведенные расчеты показали, что при температурных
условиях, в которых могут функционировать рассматриваемые
системы, предъявляемым требованиям удовлетворяют неодимсодержа-
щие АС, такие как калий-гадолиниевый вольфрамат (КГБ), ит-

13
трий-алюминиевый гранат ИАГ и неодимовое стекло. Наиболее
приемлемым является выбор лазера с активным элементом,
диаметр которого равен 3...5 мм, а длина - 50 мм.
В качестве осветительной системы (ОС) следует остановить
выбор на одноламповой системе, как наиболее простой и
дешевой. По сравнению с такой ОС использование более сложных
систем, например двухламповых, в условиях одиночного импульса не
обеспечит существенных преимуществ. Выбор типа АС, габаритов
АЭ, осветительной системы однозначно определяет набор
спектроскопических и генерационньк параметров излучателей.
Учитывая температурные условия работы ЛСИ, наиболее
целесообразным является йог .озование лазера, работающего в
режиме свободной генерации.
Расчеты показывают, что использование тонкой линзы в
рассматриваемой системе позволяет получить необходимую
степень фокусировки лазерного излучения не поверхности ВВ,
несмотря на возникающие дифракционные эффекты, аберрации и
температурные деформации. Благодаря своей компактности,
надежности, экономичности, такая простейшая система наиболее
приемлема для использования в составе ЛСИ.
Необходимо отметить, что выбор любого из перечисленных
параметров ЛСИ, должен быть тесно взаимоувязан с выбором
других параметров. Это обусловлено зависимостью чувствительности
ВВ, как от свойств самого вещества, так и параметров
излучения и внешних условий.
Известно, что перегрев активного элемента излучателя и
возникновение оптических искажений в резонаторе приводят к
снижению энергии излучения ТЛ, что в свою очередь может стать
причиной отказа СИ. Кроме того, снижение степени фокусировки
излучения на поверхности ВВ из-за возникающих дифракционных
эффектов, аберраций и температурных деформаций может также
привести к отказу СИ.
Фокусировка излучения зависит как от параметров
фокусирующей системы, так и параметров излучателя и, прежде всего,
от величины выходной апертуры. Перечисленные обстоятельства
вызывают необходимость после предварительного выбора
параметров ЛСИ с одной стороны провести анализ влияния температурных

14
условий на генерационные свойства лазера, а с другой -
выполнить проверку возможности обеспечения требуемой степени
фокусировки излучения на поверхности ВВ.
На втором этапе осуществляется проектировочный
расчет параметров излучателя и источника накачки. Его целью
является определение параметров лазера, обеспечивающих для
предварительно выбранной на первом этапе ЛСИ достижения
вероятности безотказного срабатывания СИ не ниже заданной.
Исходным пунктом решения этой задачи является
определение величины математического ожидания (среднего значения)
энергии излучения лазера, обеспечивающей заданную надежность
СИ (величину вероятности безотказного срабатывания СИ не ниже
заданной). Нахождение этой энергии излучения позволяет при
выбранных предварительно параметрах излучателя с учетом
температурных условий функционирования лазера рассчитать
необходимую энергию накачки и обеспечивающие ее параметры источника
накачки. При этом характеристика рассеяния энергии излучения
лазера выбирается на основании статистических данных,
характеризующих современный уровень развития разработки и
производства лазеров. На основе полученного среднего значения
энергии излучения лазера производится детерминированный
расчет его основных параметров, который выполняется для их
средних значений с использованием математической модели,
описывающей зависимость основных генерационных свойств лазера от
его конструктивных параметров, свойств АС и факторов внешней
среды. Результатом расчета является набор средних значений
основных конструктивных и энергетических параметров
излучателя и источника накачки.
На третьем этапе проводится проверочный расчет ЛСИ, цель
которого состоит в получении оценки вероятности безотказного
р
срабатывания СИ бс . Исходными данными для этого расчета
служат средние значения параметров ЛСИ, определенные в ходе
проектировочного расчета, и характеристики их разброса,
которые выбираются на основании статистических данных. Это выбор
опирается на реально существующие значения распределений
параметров, обусловленные современным уровнем развития
технологии в производстве лазеров.

15
1.3. Анализ результатов расчета
После завершения третьего этапа производится
сравнение полученной в ходе его оценки РБС с требуемым,
согласно ТЗ, значением Р^. Если выполняется условие
БС$ , (1.1)
то принимаются полученные в ходе проектировочного расчета
значения параметров ЛСИ. В противном случае проводится их
уточнение. Это уточнение может быть в три этапа, которые
отличаются друг от друга уровнем сложности. Переход от одного
этапа к более сложному осуществляется при невозможности
достигнуть с помощью принимаемых мер выполнения условия (1.1).
На первом этапе уточнения можно добиться путем
увеличения характеристики рассеяния энергии излучения лазера. Это в
свою очередь приводит к увеличению получаемого в ходе
проектировочного расчета среднего значения энергии излучения,
необходимого для обеспечения заданной вероятности
безотказного срабатывания СИ, и к изменению всех остальных
параметров ЛСИ. Этим обстоятельством обусловлена
необходимость повторения проектировочного расчета.
На втором этапе уточнение средних значений параметров
реализуется за счет принятия мер конструктивного и
технологического характера, позволяющих добиться уменьшения разброса
параметров лазера и источника накачки, влияющих на величину
энергии излучения. В качестве таких мер могут выступать
смягчение теплового режима работы лазера, уменьшение токов утечки
в источнике накачки и др. После этого повторяется проверочный
расчет.
Если в результате осуществления первого и второго этапов
не удается добиться выполнения условия (1.1), возникает
необходимость в принятии схемных и конструктивных решений более
общего характера. Такими решениями могут быть выбор более
чувствительного ВВ, изменение режима работы лазера и ряд
других.

16
2. ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ
2.1. Расчет потребных энергетических характеристик
лазерного излучения, обеспечивающих заданную
вероятность безотказного срабатывания системы
В основе расчета требуемой величины математического
ожидания энергии излучения лазера т"?и лежит выполнение условия
обеспечения заданного уровня надежности СИ. Необходимым
условием обеспечения требуемого значения вероятности
безотказного срабатывания СИ является превышение энергии излучения Ёи
критического значения энергии инициирования Ё^,,
характеризующего чувствительность выбранного ВВ в рассматриваемых
условиях, Ёи>Ёкр. При этом необходимо иметь в виду, что
величины Ёи и Ёф имеют случайный характер.
Вероятность выполнения условия Ёи > Ёкр может быть
вычислена как
Р{ЕШ >Ej= ] \<?&„{Еи) Ф^К,) dEadEv, (2.1)
О О
где уЁи(Еи) - плотность распределения случайной величины Ёи1
<р^ {Еф) - плотность распределения случайной величины Е^.
Введем в рассмотрение вспомогательную случайную
величину z, которую определим как разность
z = Eu-Ev. (2.2)
В случае, когда случайные величины Ёи и Ёкр имеют
нормальный закон распределения, вероятность безотказного
срабатывания СИ можно определить следующим образом /4/:
ф(у), (2.3)
где Ф(у) - табличное значение функции Лапласа, y = wf/af -

17
параметр безопасности (аргумент функции Лапласа), mi и af -
соответственно математическое ожидание и среднее квадратиче-
ское отклонение случайной величины £. При этом параметр
безопасности определяется исходя из требуемого уровня
надежности СИ (вероятности безотказного срабатывания Р^):
(2.4)
При отсутствии корреляционной связи между случайными
величинами Еи и Ёц, параметр ^безопасности определяется через
параметры их функций распределения:
в:р
Отсутствие корреляционной связи между величинами Ёи и Ё^,
принятое в качестве допущения, является достаточно очевидным,
так как первая величина характеризует излучение, а вторая -
свойство ВВ.
При известном p£Z выражения (2.4, 2.5)позволяют
рассчитать т^.
Как уже было отмечено,, инициирование заряда ВВ должно
происходить в жестко ограниченном временном интервале.
Например, это может быть обусловлено необходимостью одновременного
срабатывания группы СИ. Невыполнение этого требования
приводит к невыполнению заданных функций СИ, что в конечном итоге
равносильно отказу СИ. Поэтому в качестве необходимого
условия безотказного срабатывания СИ следует также принимать
требование непревышения времени срабатывания СИ своего
максимально допустимого значения. Это условие можно выразить
следующим образом:
хсраб
(2.6)
где хсра6 - время срабатывания СИ, которое является случайной
величиной, т^ - максимально допустимое время срабатывания.

18
Из всех составляющих времени срабатывания, от энергии
лазерного излучения зависит только время задержки воспламенения
ВВ, также имеющее случайный характер. Поэтому условие (2.6)
можно представить в виде:
х3<хГ/ (2.7)
где т3, if1* - соответственно время задержки воспламенения ВВ
и его максимально допустимое значение. При этом необходимо
учитывать, что условие (2.7) имеет смысл только при
срабатывании СИ. Кроме того, для большинства исследованных к
настоящему времени ВВ, и прежде всего, ИВВ имеет место
функциональная зависимость времени задержки воспламенения от величины
энергии излучения.
Таким образом, критерий надежности в общем случае
будет иметь вид:
{){\) (2.8)
Следует отметить, что с учетом современного уровня
требований к временному диапазону срабатывания СИ и реальных
характеристик величин задержки воспламенения разность величин
тХз и тТ"* составляет более порядка, а величина дисперсии
времени задержки воспламенения сравнительно невелика. В этом
случае критерий надежности приводиться к виду
{Eu>EKp)f (2.9)
и в случае нормального закона распределения показателя
чувствительности Екр допустимо использование выражений (2.4, 2.5).
В остальных случаях для определения т^ целесообразно
воспользоваться численными методами.
Величину т1^ можно найти, построив зависимость
Рбс. - f{mEu) и определив т™? как величину аргумента,
соответствующую требуемому значению показателя надежности РЦ .
Расчет условной вероятности безотказного срабатывания СИ

19
был проведен методом статистического моделирования. При этом
в качестве условий безотказного срабатывания были выбраны
рассмотренные выше условия:
ЕШ*Е„ ; (2.10)
т3<тГ. (2.11)
Как уже было отмечено, условие (2.11) имеет смысл только при
выполнении условия (2.10).
Блок-схема алгоритма расчета вероятности безотказного
срабатывания СИ представлена на рис. 2.1. Исходными данными
для расчёта являются числовые характеристики закона
распределения энергии излучения лазера Ёи (математическое ожидание
тЁии среднеквадратическое отклонение сЁи), размер зоны
воздействия de и допустимое время срабатывания if*.
На первом этапе выполнения цикла расчета проводится
проверка условия (2.10). Числовые характеристики закона
распределения случайной величины ЁкТ рассчитываются по результатам
натурного эксперимента. Реализации нормально распределенных
случайных величин Ёи и Ёкр могут быть получены с помощью
стандартных математических функций любых из распространенных
в настоящее время математических пакетов.
В случае невыполнения условия (2.10) счетчик циклов
увеличивается на 1, после чего повторяются процедуры получения
реализаций случайных величин Ёи и Ё^ с последующей
проверкой условия (2.10). Если данное условие выполнялось, то
производился расчет параметров закона распределения случайной
величины времени задержки воспламенения, с последующим
получением конкретного значения этой величины посредством
стандартной функции используемого математического пакета. Далее
проводится проверка условия (2.11). В случае невыполнения
этого условия счетчик циклов увеличивается на 1, а при его
выполнении на 1 увеличивается и счетчик безотказных
срабатываний.

Блок-схема алгоритма расчета вероятности безотказного срабатывания СИ
Исходные банные
N - число циклов
0-»п -счетчик
циклов
0->т -счетчик
безотказных
срабатываний
Числовые
характеристики
закона
распределения
энергии
излучения
лазера
Размер зоны
воздействия
Допустимое
время задержки
воспламенения
Получение
реализации
случайной
величины
энергии
излучения
лазера
Расчет числовых
характеристик
закона
распределения
критической энергии
инициирования
Получение
реализации
случайной величины
критической энергии
инициирования
da
<
нет
nind
да
Расчет числовых характеристик закона
распределения времени задержки
воспламенения
Получение реализации случайной
величины времени задержки
воспламенения
нет
to
= /П/Л/
Рис. 2.1

21
Расчет повторяется, пока число циклов не достигнет
заданного значения. После этого вычисляется оценка вероятности
безотказного срабатывания
Рвс^* " (2.12)
где т- число безотказных срабатываний, N- число циклов.
Необходимое число циклов N определялось исходя из заданных
значений е и а, характеризующих соответственно точность и
достоверность оценки Р^ /5/:
V (2.13)
4 е
где, ta выбирается из таблиц нормального распределения для
заданного а .
Выполнение расчета Р^ при различных значениях
математического ожидания энергии излучения позволяет получать
зависимость рБС= f(mEu), что в свою очередь дает возможность
определить оценку т^, которая при выбранных сЁи обеспечивала
требуемое значение вероятности безотказного срабатывания СИ
за время не превышающее т^.
2.2. Определение параметров источника накачки
Найденная таким образом оценка т^итр позволяет перейти к
определению связанных с ней энергетических затрат. При
выбранных параметрах излучателя для расчета необходимой
величины энергии накачки могут быть использованы зависимости,
которые позволяют рассчитать энергию накачки лазера с учетом
ухудшения его генерационных свойств из-за перегрева АЭ и
возникновения оптических искажений в резонаторе.
После этого осуществляется определение параметров
источника накачки. Основными функциональными элементами
импульсного источника накачки ТЛ являются (рис. 1.1): разрядный
контур (РК), содержащий накопитель энергии и устройство
включения нагрузки; зарядное устройство (ЗУ), предназначенное для
зарядки накопителя энергии от первичного источника питания и
образующее с накопителем зарядный контур; система управления,

22
координирующая работу всех входящих в источник накачки
приборов /б/. Так как напряжение в зарядном и разрядном контурах
ИН может достигать тысячи вольт и более, ЗУ необходимо
размещать на борту РСН (РКН)- вблизи накопителя. Первичный источник
питания, напряжение которого значительно ниже, может
располагаться на борту ракеты или входить в состав наземного
оборудования стартового комплекса.
Особенно важным является правильный выбор и расчет
элементов РК, определяющего основные характеристики излучения. В
настоящее время в системах накачки твердотельных лазеров, как
правило, используются емкостные накопители энергии.
Индуктивные накопители, несмотря на ряд преимуществ, не получили пока
широкого применения. Это обусловлено трудностями,
возникающими при разработке устройств коммутации токовых цепей,
сложностью стабилизации энергии накопителя в ждущем режиме, большой
массой и габаритами накопителя, сложностью защиты от
аварийных режимов /б/.
Для лазера, входящего в состав ЛСИ, наиболее приемлемой
является одноконтурная схема зажигания импульсной лампы
накачки, представленная на рис. 2.2. В качестве накопителя
энергии в такой схеме используется конденсатор 1.
Индуктивность 2, введенная в схему, позволяет согласовать
сопротивление ЛН в проводящем состоянии с характеристическим
сопротивлением разрядного контура.
Исходными величинами для расчета разрядного контура
являются энергия накачки WH , длительность импульса
разрядного тока и "размеры светящейся области лампы (длина / и
диаметр d). В результате расчета должны быть определены емкость
накопителя энергии Сн , разрядная индуктивность Lpf а также
напряжение иСни ток, необходимые для питания лампы.
При определении параметров разрядного контура следует
учитывать нелинейность вольтамперной характеристики
импульсной ЛН. Эта особенность не позволяет назвать какое-либо
конкретное значение сопротивления лампы, так как оно меняется в
процессе разрядки накопителя энергии. Следовательно,
параметры разрядного контура следует определять с помощью методики
расчета электрической цепи с нелинейным элементом.

23
Принципиальная схема зажигания лампы накачки
Рис. 2.2
1 - накопительный конденсатор; 2 - индуктивность;
3-лампа накачки; 4-генератор импульса зажигания.

24
Для определения параметров представленной выше
одноконтурной- схемы, можно воспользоваться соотношениями,
полученными авторами работы /6/ в результате решения интегро-
дифференциального уравнения, описывающего работу этой схемы:
(2.14)
(2.15)
(2.16)
где а - величина, обратная добротности разрядного контура и
определяющая характер колебательного процесса в разрядной
цепи; к0 - постоянный коэффициент, зависящий от геометрических
размеров лампы; Т = 2n^LpCH =t/x; t - длительность импульса
накачки; т - безразмерное время. В работе /7/ было показано,
что энергия -излучения будет максимальной если длительность
накачки будет равна времени жизни метастабильного уровня.
Кроме того, в расчетных зависимостях принималось а = 0.8,
ко=1.3 l/d.
Для того чтобы иметь возможность осуществлять заряд
накопительного конденсатора не от бортовых, а от наземных
источников электропитания, необходимо обеспечить стабилизацию
энергии накопителя в ждущем режиме. Необходимую длительность
ждущего режима можно обеспечить зарядом накопительного
конденсатора до напряжения, превышающего иСн . Величину этого
напряжения можно рассчитать с помощью выражения:
(2.17)
где tp- длительность ждущего режима; тр - постоянная времени
саморазряда конденсатора.
Определенные в ходе проектировочного расчета оценки
емкости накопителя Сн и напряжения Uco позволяют осуществить
выбор накопительного конденсатора, параметры которого
удовлетворяют полученным оценкам.

25
Электрические конденсаторы являются одними из наиболее
массовых изделий, используемых в радиоэлектронной аппаратуре.
В настоящее время создана довольно обширная номенклатура этих
изделий и продолжают разрабатываться новые типы с более
высокими электрическими и эксплуатационными характеристиками. В
большинстве случаев в системах накачки импульсных лазеров
используются импульсные накопительные конденсаторы, обладающие
высокими удельными (отнесенными к запасаемой энергией) массо-
габаритными показателями.
Кроме того, из-за крайне ограниченного числа циклов
срабатывания ЛСИ (проверочные и одно боевое срабатывание),
отсутствует необходимость обеспечивать долговечность работы
источника накачки, входящего в состав ЛСИ, что дает возможность
использовать более жесткие режимы работы накопительного
конденсатора, в частности, режим полной разрядки. Это, в свою
очередь, позволяет свести массы и размеры накопителя к
минимальным значениям.
В общем случае оценку общей массы системы можно получить
с помощью выражения
М=МСИ +МИ +МШ (2.18)
где Мси, Ми, Мт - соответственно массы СИ, излучателя и
источника накачки.
Как было отмечено, при разработке конструкций СИ,
действующих от импульса лазерного излучения, наиболее
целесообразным является применение существующих СИ в качестве
аналогов. Особенности лазерного инициирования позволяют при этом
использовать изделия с наибольшей степенью миниатюризации.
Кроме того, осуществимость лазерного инициирования
пиротехнических составов, позволяет в ряде случаев упростить
конструкцию СИ за счет исключения промежуточных элементов. Таким
образом, несомненным является факт, что масса и габариты СИ,
действующего от импульса лазерного излучения, не будут
превышать соответствующие показатели СИ, используемых в настоящее
время.
Масса и габариты ИН будут определяться в общем случае
соответствующими параметрами зарядного устройства (ЗУ) и
разрядного контура (РК). Масса первичного источника электроэнер-

26
гии (ПИ) при этом не учитывается, т.к. в этом качестве могут
использоваться как наземные источники электропитания, так и
бортовые, используемые и для других целей. Необходимо иметь в
виду, что источники накачки ТЛ выполняются из общих для
радиоэлектроники элементов - конденсаторов, резисторов,
трансформаторов, дросселей, вентилей, коммутирующих устройств,
кабельных изделий и т.п. В существующих источниках накачки
импульсных ТЛ накопительные конденсаторы являются основным
элементом. Их объем и масса могут составлять до 75% объема и
массы всего блока питания /8/. При достаточно незначительных
массе и габаритах рассматриваемых ТЛ, массогабаритные
параметры системы будут в основном зависеть от типа
накопительного конденсатора, обеспечивающего необходимый уровень накачки
лазера. Поэтому приближенную оценку массы источника накачки
можно получить с помощью выражения
Мш~ъМс) (2.19)
где Мс - масса конденсатора, выбранного из существующей
номенклатуры по соответствию требуемым энергетическим
параметрам РК, оценки которых рассчитываются с помощью выражений
(2.14 ... 2.17).

27
3. ПРОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ СИСТЕМЫ
3.1.Назначение и порядок проверочного расчета
Структура алгоритма проверочного расчета (см. рис.3.1)
аналогична структуре алгоритма расчета РБС, проводимого в
ходе проектировочного расчета. Однако в отличие от
проектировочного расчета величина энергии излучения рассчитывается с
помощью определенных на предыдущем этапе значений параметров
лазера и внешней среды.
Исходные величины для такого расчета выбираются на
основе предварительного анализа (см. п. 1.2.) и по результатам
проведения проектировочного расчета. Часть из этих величин
можно принять в качестве детерминированных, другая часть
носит заведомо случайный характер. В виду функциональной
зависимости от этих параметров величина энергии излучения будет
также случайной.
Перечень параметров излучателя, источника накачки и
внешней среды рассматриваемых в качестве случайных приведен в
таблице 3.1.
Таблица 3.1.
Перечень случайных параметров
Параметр
Угол разъюстировки резонатора
Максимальный температурный
перепад между образующими АЭ
Угол между плоскостями
разъюстировки и клиновой
термической деформации
Температура АЭ
Постоянная времени саморазряда
накопительного конденсатора
Напряжение на накопительном
конденсаторе в момент
окончания его заряда
Обозначение
AS
Ф
. Т
ь
Закон
распределения
нормальный
нормальный
равномерный
нормальный
нормальный
нормальный

Блок-схема алгоритма проверочного расчета ЛСИ
Исходные данные
N - число циклов
О -> п - счетчик
циклов
О -> m - счетчик
безотказных
срабатываний
Числовые
Характеристики
законов
распределения
случайных величин,
влияющих на
процесс генерации
излучения
Детерминированные
величины
Параметры
излучателя и
источника накачки
Размер зоны
воздействия
Допустимое
время задержки
воспламенения
Получение
реализаций
случайных
величин
Расчет числовых
характеристик
закона
распределения
критической энергии
инициирования
Получение
реализации
случайной величины
критической энергии
инициирования
. Расчет
эн врги и
излучения лазера
Расчет числовых характеристик закона
распределения времени задержки
воспламенения
Получение реализации случайной
величины времени задержки
воспламенения
PBC=m/N
Рис. 3.1

29
Параметры законов распределения большинства приведенных
в таблице величин выбираются на основе анализа статистических
данных и условий функционирования ЛСИ. Математическое
ожидание напряжения на накопительном конденсаторе определяется в
ходе проектировочного расчета.
Определенные таким образом параметры распределения
используются в ходе проверочного расчета ЛСИ при получении
реализаций случайных величин. Полученная ранее математическая
модель позволяет, используя детерминированные параметры
лазера, рассчитать для каждой реализации случайных параметров
величину энергии излучения. Дальнейший порядок действий
повторяет алгоритм расчета РБСГ описанный в п. 2.1.
3.2. Проверка реализуемости параметров системы
Описанная выше методика расчета позволяет определить
основные параметры ЛСИ и проверить возможность удовлетворения с
их помощью предъявляемых требований по надежности системы.
На рис. 3.2. представлены результаты расчета вероятности
безотказного срабатывания СИ, выполненного в ходе
проектировочного расчета системы, средство инициирования которого было
снаряжено пиротехническим составом Si-Pb3O4. В качестве
источника излучения рассматривался лазер на неодимовом стекле,
работающий в режиме свободной генерации. Приведенные
зависимости были получены при эффективном диаметре зоны воздействия
равном 200 мкм. В расчетах также принималось, что среднеквад-
ратическое отклонение энергии излучения составляет в
исследуемом диапазоне величину равную 0.2 мДж. Полученные
зависимости позволяют, в частности, графическим методом, исходя из
заданной величины Р^, определить т"?и .
Ужесточение требований к надежности системы с одной
стороны и к его быстродействию с другой может приводить к
необходимости значительно увеличивать энергию излучения лазера.
При снаряжении средства инициирования пиротехническим
составом Si-Pb3O4, время задержки воспламенения которого
уменьшается с ростом энергии падающего излучения, снижение
максимально допустимого времени задержки до 3 мс практически
не влияет на т^ (см. рис. 3.3). В то же время,
необходимость дальнейшего уменьшения xf", особенно начиная с 1 мс,

30
Вероятность безотказного срабатывания СИ,
снаряженного пиротехническим составом Кр15Сс85К
ГБС
1.000
0.9995
0.999 .
Рве
1.0
-
I I I I
/
/
(-
I
f
I
i
i
I
I
/0.9999
i
0.5
0.0
0.01 0.02
а.
0.03
- Iff
-V
/// r
г'
Допустимое
время
задержки
воспламенения
™- 0,5 мс
Л К/Гч
^^^^^^^ 1 ML/
1,5мс
2 мс
3 мс
0.01
б.
Рис. 3.2
0.02

31
приводит к значительному росту требуемой величины энергии
излучения. Однако следует учесть, что требуемые значения
времени задержки воспламенения штатных воспламенителей, как
правило, превышают 1 мс.
На величину энергии лазера, обеспечивающей заданный
уровень надежности, существенно влияет размер зоны воздействия
излучения на ВВ. Так при уменьшении de с 0.2 мм до 0,1 мм
приводит к уменьшению т"?и почти на 30% (см. рис. 3.4). В то
же время, влияние величины рассеяния энергии излучения лазера
на mfu ввиду высокой стабильности выходных энергетических
параметров ТЛ, работающих в режиме свободной генерации,
проявляется достаточно слабо (см. рис. 3.5).
По полученным для различных исходных данных значениям
т^ были рассчитаны необходимые значения энергии накачки
лазера. Расчет проводился для лазеров с активными элементами из
неодимового стекла марки ГЛС-22. Как показывают результаты
расчетов, лазеры с меньшими размерами АЭ элемента,
обеспечивают требуемый уровень энергии излучения при меньших
энергетических затратах. При этом значительное увеличение энергии
излучения может быть достигнуто за счет относительно
небольшого увеличения энергии накачки.
Полученные значения энергии накачки позволяют рассчитать
основные энергетические параметры разрядного контура и по
имеющейся номенклатуре выпускаемых отечественной
промышленностью конденсаторов осуществить выбор накопительного
конденсатора, удовлетворяющего предъявляемым требованиям.
Приведенные выше результаты расчетов показывают, что
достаточно оправданным является построение ЛСИ на базе
неодимового лазера и СИ, снаряженного пиротехническим составом Si-
РЬзО4. Основные результаты расчета такой системы
реализованного на базе лазеров на неодимовом стекле марки ГЛС-22 при
различных размерах АЭ представлены в таблице 3.2.
Как показывают представленные результаты расчета, масса
и размеры накопительного конденсатора зависят не только от
энергетических параметров ЛСИ, которые необходимо обеспечить,
но и от выбора элементов системы. При этом решающую роль
играет даже не столько чувствительность ВВ, сколько правильный
выбор элементов излучателя.

32
Влияние максимально допустимого времени задержки воспламенения
на требуемую величину средней энерги излучения
т а ,мДж
20
10
\
Р%£ =0.9999
^-—-—
-
1 2
Рис. 3.3
тГ*. мс
Влияние размера зоны воздействия
на требуемую величину средней энерги излучения
tg ,мДж
20
10
р$ =о.9999
^^
I
I
I
I
!
0.1
0.2
Рис. 3
.4
0.3
de, мм

33
Влияние величины рассеяния энергии излучения лазера
на ее среднее значение, требуемое для обеспечения РБС=0.9999
ГБС
1.0000
0.9995
0.9990
11
12
CKD энергии излучения
0.2 мДж
0.4 мДж
1 мДж
13
, мДж
Рис. 3.5

34
Результаты расчета ЛСИ
Таблица 3.2.
Размер АЭ, мм
Размер
светящейся
области ЛН, мм
рТЗ
03 х 50
03 х 45
05 х 90
03 х 75
05.5 х 80
010 х 130
07 х 120
0.9999
Проектировочный расчет
ml, цЦж
WHl Дж
Си, мкФ
ис, в
исо, в
Накопитель
Состав (тип
конденсатора
х число)
Суммарный
объем, см3
Суммарная
масса, кг
12,6
3.9
43
426
520
К50-17
X
3
111
0,18
4.95
23.6
648
792
К75-59
X
3
185
0,25
18.3
75
698
853
К50-13
X
3
119
0,21
32.7
73
946
1155
50И-8,
К50-17
х 2
260
0,42
Проверочный расчет
Рве
0.99992
0.99992
0.99993
0.99991
Это обстоятельство подтверждает анализ параметров
существующих импульсных конденсаторов. Как видно из данных,
представленных на рис. 3.6, одни и те ж уровни энергии накачки
могут быть реализованы при помощи различных конденсаторов
существенно отличающиеся друг от друга по массе и габаритам.
Конкретный выбор при этом зависит от параметров разрядного
контура.
Как видно из представленных в таблице 3.2. результатов
расчета, современный уровень элементной базы позволяет
обеспечить требуемую надежность СИ при достаточно низких
значениях массы накопительного конденсатора. Приближенные оценки,
полученные с помощью выражения (2.19), показывают, что масса
всего ИН при использовании алюминиевых оксидно-
электролитических конденсаторов не будет превышать нескольких
сотен грамм.

Параметры импульсных электрических конденсаторов
2.0
1.6
1.2
0.8
0.4
0.0
С
-
А
^лАл о О
]
1
А
A L
А А
J О А
* до
д
ОО<
о о о^<
L... . -
п
D
А
□ Бумажные (высоковольтное)
^ Алюминиевые оксидно-
электролитические
А Комбинированные
П А '
д
i A
А
о
: о
1
А Л
А
А
Л
А
О
о о о
1 '
20 40
Запасаемая энергия, Дж
Рис. 3.6
60
80
СП

36
К настоящему времени использованием современной
элементно-узловой базы разработана достаточно широкая
номенклатура малогабаритных импульсных твердотельных лазеров.
Основные энергетические и габаритные параметры излучателей
некоторых из таких ТЛ приведены в таблице 3.3. Масса
представленных излучателей меняется в зависимости от варианта от 50 ...
300 г.
Таблица 3.3
Параметры излучателей малогабаритных ТЛ
Габаритные
размеры
Излучателя
Режим
генерации.
Энергия
излучения,
мДж
0 15 х 110
0 20 х 150
0 25 х 190
0 25 х 200
СГ
150
200
300
500
CD
ОО
т—\
X
о
СЧ1
Q
0 25 х 250
ми
15
40
Таким образом, совокупная масса лазера, включающая массу
источника накачки и массу излучателя, не превышает 1 кг, что
сравнимо с массой самого пиротехнического средства. Следует
отметить, что использование различных схемных решений
основных блоков как ИН, так и ЛСИ в целом, позволяет в широких
пределах изменять массу и габариты системы /8/.
Несмотря на то, что определенная выше оценка массы
является приближенной, полученный результат позволяет сделать
вывод о том, что переход на способ инициирования ПТС,
основанный на новых физических принципах, которым является
лазерное инициирование, позволяя существенно повысить надежность,
безопасность и живучесть систем, использующих ПТС, не связан
с увеличением массогабаритных параметров этих систем.

37
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Учебное пособие посвящено разработке методических
подходов к расчету одного из весьма перспективных и принципиально
новых технических устройств ракетно-космической техники -
лазерных систем инициирования разнообразных пиротехнических
элементов. Внедрение таких устройств в современную технику
позволяет существенно увеличить уровень ее надежности и
живучести.
Построение подобных систем возможно по различным схемам.
В учебном пособии рассмотрена методика расчета наиболее
простой схемы, в которой используются, так называемые,
«лазерные» пиропатроны, т.е. когда каждое средство инициирования
снабжено индивидуальным источником лазерного излучения -
малогабаритным лазером. Параметры данного лазера должны
обеспечивать задействование пиросредства с вероятностью не менее
заданной. В условиях современного фантастического уровня
миниатюризации твердотельных лазеров такая схема представляется
наиболее перспективной.
Однако значительный интерес может также представлять и
схема построения пиротехнической системы с использованием
всего одного лазера, излучение которого передается к
многочисленным средствам инициирования по оптоволоконным линиям
связи. Изложенный в пособии материал позволяет подойти к
расчету и таких устройств. Для этого требуется дополнить данную
методику блоком расчета оптоволоконной линии с учетом ее
разветвлений, энергетических потерь и пр. Такие разветвленные
системы могут быть весьма актуальными, в частности, для
систем отделения ракет-носителей и космических аппаратов.

38
ЛИТЕРАТУРА
1. Авдеев О.И., Лукин А.В., Любченко В.В., Миллер В.А.
Малогабаритные твердотельные лазеры многоцелевого
назначения //Оптический журнал. -1995. -№7. -с.70-71.
2. Беренберг В. А., Болдырев С.А., Леонов Г.С.,• Нестеренко
В.Ф., Павлюк А.А. Твердотельные микролазеры с накачкой
миниатюрными импульсными лампами// Квантовая электроника.
-1985. -т.12. -№2. -с.375-377.
З.Илюшин М.А., Целинский И.В., Чернай А.В.
Светочувствительные взрывчатые вещества и составы и их инициирование
лазерным моноимпульсом //Российский химический журнал. -
1997. -т.41. -№4. -с.81-88.
4. Волков Л.И., Шишкевич A.M. Надежность летательных
аппаратов. Учеб. пособие для авиационных вузов. -М.: "Высшая
школа", 1975. -296 с.
5.Демидович Б.П., Марон И.А. Основы вычислительной
математики.-М.: "Наука", 1966. -664 с.
б. Волков И.В., Вакуленко В.М. Источники электропитания
лазеров. -Киев: Техн1ка, 1976. -176 с.
7.И.Ф. Балашов, В.А. Беренберг, B.C. Терпугов, А.В. Уточкин.
Исследование генерационных характеристик твердотельных
микролазеров на высококонцентрированных неодимовых средах
//Известия Академии Наук СССР. Серия физическая. -1981. -
т.45. -№ 2. -с.439-443.
8. Импульсные источники света/(Маршак И.С., Дойников А. С.,
Жильцов В.П. и др.); Под общ. рёд. И.С. Маршака. -2-е
изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1978. -472 с.