Лазерная система воспламенения порохового заряда США


Первые успешные попытки применения лазерной системы воспламенения (ЛСВ) порохового заряда артиллерийских систем были совершены в середине 1990-х гг. Лазерная система разрабатывалась центром Armament Research, Development and Engineering Center (ARDEC)  основной организацией по исследованию и разработке вооружений для армии США совместно с корпорацией Kigre Inc. Позже к разработке привлекли лабораторию Sandia (Sandia National Laboratories). В феврале 1995 г. лазерную систему воспламенения LRS-200, установленную на самоходной артиллерийской установке (САУ) гаубице Paladin, продемонстрировали на территории Школы полевой артиллерии Армии США. В 1996 г. это орудие с системой LRS-200 испытали в Кувейте, произведя 43 выстрела. В этом же году ЛВС протестировали на буксируемой гаубице М198 . Эти орудия имеют безгильзовое заряжание, при котором основной метальный заряд, располагаемый в мешках, загружается вручную в камору заряжания. Обычно для воспламенения порохового заряда в поршень затвора снаружи вставляется воспламенительная трубка,по которой при спуске бьёт ударник . Форс пламени от трубки по осевому каналу внутри затвора передаётся на воспламенитель, находящийся в торце порохового заряда. При такой системе воспламенения процесс заряжания  трудоёмок, небезопасен и занимает много времени.Применение ЛСВ позволит отказаться от воспламенительной трубки, увеличит безопасность расчёта орудия, сократит количество операций, требуемых на производство выстрела, позволит автоматизировать процесс заряжания и увеличить темп стрельбы.


Первоначально лазерная система воспламенения испытывалась на модифицированных стандартных пороховых зарядах М4А2 и МЗА1 , используемых в гаубицах с без-гильзовым заряжанием. Обычный воспламенитель в виде подушечки, размещаемый в донной части заряда, был заменён на акриловую трубку диаметром около 2,5 см и 15 см длиной, заполненную специальным воспламенительным составом массой 26 г (рис.4). Трубка имела тонкостенную алюминиевую оболочку и прозрачный торец 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 прозрачный торец воспламенителя и зажигал воспламенительный состав.В устройстве лазера выделяют следующие основные элементы: источник энергии (механизм «накачки»), рабочее тело и «оптический резонатор»  систему зеркал . В рабочем теле под воздействием поступающей энергии «накачки» происходит вынужденное излучение фотонов. Если в лазере в качестве рабочего тела используются кристаллы или стекло, то такие лазеры обычно «накачиваются» импульсной лампой или другим лазером.

В процессе работы над лазерной системой воспламенения сначала были рассмотрены различные типы лазеров (твёрдотельные, газовые и жидкостные). В конце концов решили работать только с твёрдотельными лазерами двух типов: первый с «накачкой» импульсными лампами, второй лазерными диодами. В ходе многочисленных экспериментальных исследований было выявлено, что применение импульсных ламп нежелательно, поскольку они работают при высоких напряжениях, что может быть небезопасным в полевых условиях. Единственным приемлемым вариантом признали лазерные диоды, которые компактны, более эффективны и работают при меньших напряжениях. Поэтому в дальнейшем основные усилия направили на разработку лазерной системы воспламенения с диодной накачкой  diode pumped laser ignition system (DPLIS). Использование сразу нескольких лазерных диодов увеличивает интенсивность лазерного луча и обеспечивает надёжность воспламенения заряда. В качестве рабочего тела могут использоваться разные материалы, например кристаллы алюмо-иттриевого граната (АИГ), легированные ионами неодима (Nd), дающие инфракрасное лазерное излучение с длиной волны 1,064 мкм. Рабочее тело представляет собой стержень цилиндрической формы 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 окно в затворе, пропускающее свет , 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 .Одним из проблемных вопросов, которые приходилось решать при создании лазерной системы воспламенения, стало обеспечение необходимой прочности лазерного окна в условиях интенсивных ударных, вибрационных и тепловых нагрузок. Оптически-прозрачный материал (например, сапфир) при выстреле должен выдерживать давления в тысячи атмосфер и перепады температур в тысячи градусов. В этих условиях материал может покрыться трещинами и сколами. Поэтому важно было найти такую схему крепления сапфирового окна в металлической пробке, которая обеспечивала бы его целостность при многократных ударных и тепловых нагрузках. Отработка разных конструкций велась как на натурных стрельбах, так и в манометрических бомбах. Однако в бомбе разрушение оптически прозрачного материала происходило гораздо быстрее, так как время воздействия высоких температур и давления было значительно больше, чем при выстреле .

Сборка лазерных диодов генерирует один или серию импульсов, длительность которых может быть скорректирована в зависимости от используемых типов боеприпасов, зарядов, атмосферных условий (например, повышенная влажность воздуха) или других обстоятельств, которые могут потребовать продления необходимого времени воспламенения. Например, в процессе длительной эксплуатации из-за ухудшения оптических свойств окна или его загрязнения образовавшимся от сгорания порохового заряда нагаром может потребоваться больше импульсов или увеличения их мощности. В ходе дальнейших испытаний выяснилось, что этого недостаточно для надёжного воспламенения зарядов, из-за чего пришлось на перспективной гаубице ХМ1203 NLOS-C создать специальную систему промывки, впрыскивающую очищающую жидкость на окно при открытом затворе.