ОПТИЧЕСКИЙ ПРИЦЕЛ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА Российский патент 2002 года по МПК F41G7/26 

Изобретение относится к оптическим прицельным приспособлениям систем наведения самодвижущихся снарядов и может быть использовано в системах управляемого оружия с телеориентацией в луче лазера.

В настоящее время широко известны системы наведения, использующие принцип телеориентации управляемого снаряда в лазерном луче, информационная ось которого совмещена с линией визирования цели [1-4]. Основной проблемой, возникающей в таких системах, является проблема помехозащищенности, включающая в себя вопросы помехоустойчивости оптической линии связи и вопросы скрытности.

Помехоустойчивость линии связи "цель - визирный канал" и "лазерный канал наведения - приемник управляемого снаряда" в таких системах существенно снижается вследствие скопления дыма двигателя снаряда именно на линии визирования, что при малых боковых ветрах может приводить как к срыву управления снарядом, так и к потере видимости цели оператором.

Скрытность аналогичных систем при современном уровне развития и оснащения техники детекторами лазерного излучения практически пропадает и наложение лазерного луча наведения на цель в течение всего времени наведения дает противнику достаточно много времени для оказания противодействия (дымовые помехи для канала наведения, лазерное противодействие для визирного канала и т.п.).

Информационное сканирование поля управления лазерным лучом, которое используется в системах [2, 3], не приводит к повышению их помехозащищенности. Хотя в такой системе и осуществляются отклонения лазерного луча относительно линии визирования, информационная ось луча наведения остается совмещенной с линией визирования и снаряд ориентируется вдоль нее.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является оптический прицел [5], лишенный недостатка, присущего всем вышеописанным системам. Конструкция прицела [5] позволяет производить наведение снаряда на цель с отклонением его от линии визирования на начальном участке траектории.

Повышение помехозащищенности системы наведения, предпринятое в прицеле [5] , достигается введением в оптическую схему прицела плоскопараллельной пластины с возможностью поворота ее относительно оси, перпендикулярной оптической оси канала наведения. Поворачивая пластину на определенный угол, добиваются углового отклонения оптической оси луча наведения относительно линии визирования цели, пропорционального оптической толщине пластины и текущему значению эквивалентного фокуса формирующей оптической системы. Тем самым оптическая линия связи освобождается от дыма двигателя снаряда и значительно снижается возможность детектирования лазерного излучения целью, при этом оптическая система с переменным фокусным расстоянием обеспечивает постоянное линейное смещение луча наведения относительно линии визирования на текущей дальности снаряда. Рассчитав исходя из дальности цели и скорости полета снаряда время его полета до цели, возвращают пластину в начальное (исходное) положение при подлете снаряда к цели, выводя тем самым его на линию визирования. Для определения дальности цели в прицеле используется лазерный дальномер, показания которого являются исходными данными для определения момента возврата пластины в исходное положение.

Циклограмма работы прицела [5] в режиме ввода и снятия смещения (превышения) управляющего луча относительно линии визирования цели по описанной схеме представлена на фиг.1 пунктиром, где по вертикальной оси отложен размер текущего превышения. Для реализации схемы введения и снятия отклонения (возвращения пластины в нейтральное положение) в прицеле [5] используется механизм поворота пластины, содержащий двигатель, соединенный с ним редуктор, передающий вращение вала двигателя на ось поворота пластины, датчик нейтрального положения пластины, соответствующего перпендикулярному положению пластины относительно оптической оси канала наведения, и датчик максимального поворота пластины.

Использование в известном прицеле [5] вышеописанного механизма поворота пластины, который позволяет реализовать только линейный закон введения и снятия превышения, обуславливает недостатки прицела. Использование известного прицела в системах управления ограничено типом применяемых управляемых снарядов и конструкцией пусковой установки.

Во-первых, указанный прицел подходит только для конкретного типа снаряда, потому что снятие отклонения для различных типов снарядов должно производиться с различной скоростью, зависящей от их динамических характеристик. Кроме того, для некоторых типов снарядов необходимо производить снятие отклонения с переменной скоростью, т.е. с ускорением, которое прицел [5] не позволяет реализовать.

Во-вторых, известный прицел предполагает введение превышения до пуска снаряда с последующим его встреливанием в уже отклоненный управляющий луч с достаточной точностью попадания снаряда в поле управления этого луча. Поэтому известный прицел не может быть использован для снарядов, имеющих большое рассеяние при старте. Кроме жестких требований к рассеянию снарядов при пуске, прицел накладывает ограничения и на систему управления: система должна обеспечивать возможность выстреливания снаряда в направлении отклоненного луча (иметь пусковую установку, управляемую по положению). При отказе от выполнения указанных выше требований к снаряду и системе управления весьма вероятна потеря управления уже на стартовом участке полета, так как скорость снаряда претерпевает максимальные изменения именно в начальной фазе полета (момент разгона). В таком случае целесообразно использовать не линейное, а равномерно ускоренное либо ступенчатое введение превышения. Вариант циклограммы ступенчатого ввода превышения представлен на фиг.1 сплошной линией.

Задачей данного изобретения является создание универсального оптического прицела, позволяющего его использование в различных системах наведения управляемых снарядов с обеспечением их помехозащищенности, причем прицел не должен накладывать ограничения на использование системой наведения различных типов снарядов и различных способов встреливания в область управляющего луча.

Поставленная задача решается за счет того, что в оптический прицел системы наведения управляемого снаряда, имеющий в своем составе визирный, дальномерный каналы и канал наведения управляемого снаряда, состоящий из оптически сопряженных источника излучения, модулятора, плоскопараллельной пластины, снабженной механизмом поворота, состоящим из двигателя с редуктором и датчика исходного положения, со схемой управления двигателем, и оптической системы с переменным фокусным расстоянием, введены устройство выбора типа снаряда, программное устройство, механизм нелинейной передачи вращения, механически связанный с редуктором двигателя и плоскопараллельной пластиной, снабженный устройством возврата, связанным с программным устройством и схемой управления двигателем, причем выходная шина устройства выбора типа снаряда связана с входами программного устройства, другие входы и выходы которого подключены к шине управления системы наведения управляемого снаряда, еще один вход программного устройства соединен с датчиком исходного положения и еще один вход - с выходной шиной дальномерного канала, вход которого подключен к шине управления системы наведения управляемого снаряда. Двигатель в механизме поворота выполняется в виде электродвигателя с редуктором либо в виде шагового двигателя.

Повышение помехозащищенности системы наведения с предлагаемым прицелом осуществляется за счет поворота плоскопараллельной пластины на определенный угол, что приводит к угловому отклонению оптической оси луча наведения относительно линии визирования цели, пропорциональному оптической толщине пластины и текущему значению эквивалентного фокуса формирующей оптической системы. Оптическая система с переменным фокусным расстоянием обеспечивает линейное смещение луча наведения относительно линии визирования на текущей дальности снаряда. Смещение луча, а следовательно и снаряда, освобождает оптическую линию связи от дыма двигателя снаряда и значительно снижает возможность детектирования лазерного излучения целью.

Устройство выбора типа снаряда направляет на программное устройство код, соответствующий типу снаряда, для которого должно вводиться превышение.

Программное устройство позволяет реализовать набор законов ввода и снятия превышения и выбрать из них (по сигналу устройства выбора типа снаряда) необходимые для используемого снаряда и в нужный момент запустить весь механизм введения превышения. Кроме того, по полученным с дальномерного канала данным о дальности до цели программное устройство определяет момент начала снятия превышения и вывода снаряда на линию визирования непосредственно перед его подлетом к цели.

Схема управления двигателем по сигналам программного устройства регулирует подачу напряжения на двигатель таким образом, чтобы обеспечить его вращение с нужной скоростью и в нужном направлении. Механизм нелинейной передачи вращения обеспечивает необходимую циклограмму величины отклонения пластины от исходного положения, реализуя тем самым необходимую циклограмму введения и снятия превышения. Устройство возврата необходимо для быстрого снятия превышения в экстренных случаях.

На фиг.2 представлена структурная схема прицела системы наведения управляемого снаряда.

Примером реализации предлагаемого устройства служит оптический прицел (фиг.2), содержащий визирный канал 1, дальномерный канал 2 и канал наведения 3, в состав которого входят лазер 4, модулятор 5, плоскопараллельная пластина 6, механически соединенная с механизмом поворота 7, оптическая система с переменным фокусным расстоянием 8.

Механизм поворота 7 выполнен в виде электродвигателя 13, подсоединенного к редуктору 14, передающего вращение вала двигателя к оси поворота механизма нелинейной передачи вращения 15. Механизм нелинейной передачи вращения служит для нелинейного преобразования угла поворота равномерно вращающегося редуктора в угол отклонения пластины 6 от исходного (перпендикулярного оптической оси) положения. Механизм поворота снабжен устройством возврата в исходное положение 12.

Примером простейшей реализации механизма нелинейной передачи может служить механизм, состоящий из вращающегося кулачка и рычага с копирующим роликом на конце, на другом конце которого жестко крепится плоскопараллельная пластина. Рычаг имеет ось вращения, которая проходит через центр пластины. Поворот кулачка на угол ϕ преобразуется (через отклонение свободного конца рычага с роликом от оси вращения кулачка) в поворот плоскопараллельной пластины на угол α вокруг оси вращения рычага. Отклонение ролика от оси вращения кулачка определяется профилем кулачка, конкретно зависимостью его текущего радиуса ρ от угла поворота ϕ. В описанной реализации механизма нелинейной передачи закон преобразования угла поворота кулачка ϕ в угол поворота пластины α определяется как α = 2arcsin[Δρ(ϕ)/21], где Δρ(ϕ) - приращение текущего диаметра кулачка относительно начального, l - длина рычага.

Возможны и другие реализации механизма нелинейной передачи вращения, например: в описанном выше механизме плоский кулачок может быть заменен кулачком, выполненным в виде шнека с переменным шагом спирали либо в виде цилиндра с фигурной прорезью на боковой поверхности.

Устройство возврата 12 служит для быстрого возвращения пластины в исходное положение. Устройство возврата 12 может быть выполнено, например, в виде пружины, снабженной механизмом спуска и возвращающей механизм нелинейной передачи 15 в исходное положение при снятии напряжения с двигателя 13. В описанном выше варианте исполнения механизма нелинейной передачи пружина крепится к свободному концу рычага. Напряжение с двигателя 13 снимается схемой управления 9 по команде программного устройства 11 (с выхода 2), которая поступает и на устройство возврата 12 для одновременного его запуска.

Двигатель 13 приводится в движение схемой управления 9, представляющей собой в общем виде усилитель мощности, вход которого подключен к первому выходу программного устройства 11.

Механизм поворота 7 снабжен датчиком 16 исходного положения пластины, связанным с программным устройством 11. Датчик может быть выполнен по любой из известных схем электрических, электромагнитных или оптронных концевых выключателей.

Привод механизма поворота предпочтительно реализуется на шаговом двигателе, например, ДШР46-0,0025-1,8. Построение механизма поворота на шаговом двигателе значительно упрощает механическую часть прицела (за счет отказа от понижающего редуктора) и позволяет снизить массу и габариты прицела.

Структурная схема прицела системы наведения управляемого снаряда в варианте с использованием в механизме поворота шагового двигателя представлена на фиг.3. В таком варианте для обеспечения работы шагового двигателя в прицел введена схема распределения импульсов 17, вход которой связан с программным устройством 11, а выход - со схемой управления шаговым двигателем 9. В остальном прицел имеет устройство и принцип работы, аналогичные прицелу, представленному на фиг.2.

Примером простейшей реализации устройства выбора типа снаряда 10 может являться переключатель, положение которого выбирается оператором перед ПУСКОМ. В качестве устройства выбора типа снаряда 10 может выступать и коммутационно-контактное устройство, осуществляющее замыкание соответствующего набора контактов при установке на пусковую определенного снаряда. Сигнал ТИП СНАРЯДА поступает на первый вход программного устройства 11. В программном устройстве этот сигнал определяет выбор соответствующей программы. Сигнал выбора ТИПА СНАРЯДА, при наличии его в системе управления, может заводиться на программное устройство 11 и с шины управления (на второй вход).

Программное устройство представляет собой в общем виде контроллер, содержащий устройство отсчета времени. Контроллер может быть выполнен на однокристальной микроЭВМ 1830ВЕ51, реализующей, например, структурную схему, приведенную на фиг.4.

Представленный оптический прицел системы наведения работает следующим образом.

Оптические оси визирного канала 1 и канала наведения 3 при исходном (нормальном) положении пластины 6 съюстированы. Пластина 6 приведена в исходное положение по команде УСТАНОВКА ИСХОДНОГО (ВОЗВРАТ), поступающей на устройство возврата 12 с командного устройства 11. Команда ВОЗВРАТ может вырабатываться по нажатию оператором соответствующей кнопки, а на командное устройство поступает с шины управления. Программное устройство контролирует наличие на четвертом входе сигнал датчика исходного положения 16 и только при его наличии разрешает прохождение команды ПУСК на выход 1, в противном случае программное устройство вырабатывает сигнал ЗАПРЕТ ПУСКА, поступающий на шину управления для предотвращения преждевременного схода снаряда.

Оператор наводит ось визирного канала 1 на выбранную цель, измеряет расстояние до нее с помощью дальномерного канала 2 (команда ЗАМЕР ДАЛЬНОСТИ с шины управления) и производит пуск снаряда. Сигнал ПУСК с шины управления проходит на второй вход программного устройства 11, полученные данные о дальности цели поступают на третий вход программного устройства 11.

После пуска снаряда автоматически осуществляется введение превышения. По команде ПУСК запускается устройство отсчета времени, задающее временную сетку для контроллера программного устройства. Программное устройство 11 в зависимости от выбранного типа снаряда и измеренной дальности до цели (по данным с дальномерного канала) выбирает и запускает в действие одну из имеющихся в нем программ, обеспечивающую соответствующий закон вращения двигателя 13. Механизм нелинейной передачи 15 преобразует закон вращения редуктора 14 в соответствующий закон изменения угла отклонения пластины 6 от исходного положения.

Программное устройство в виде контроллера позволяет реализовать достаточно большой набор программ, что позволяет менять законы ввода-снятия превышения в зависимости не только от типа снаряда, но и от других условий, например от метеорологических. Необходимость таких изменений определяется различными динамическими характеристиками одного и того же снаряда в различных условиях окружающей среды. В таком случае сигнал, характеризующий условия, поступает с шины управления на второй вход программного устройства 11 для выбора соответствующей программы.

При отклонении пластины 6 информационная ось луча наведения смещается вверх относительно линии визирования цели на величину, которую в упрощенном виде можно представить зависимостью:

где: α- угол поворота плоскопараллельной пластины относительно оптической оси канала наведения в плоскости линии визирования;
h - оптическая толщина пластины;
n - показатель преломления материала пластины;
Д_сн - программная дальность снаряда;
F - эквивалентное фокусное расстояние оптической системы.

Каждая из имеющихся в программном устройстве программа предполагает достижение по определенному закону на начальном участке полета снаряда максимального отклонения, сохранения этого максимального отклонения в течение как можно большего отрезка времени и снятие по определенному закону (с использованием данных дальномерного канала) отклонения в конечной фазе полета (непосредственно при подлете к цели).

Закон изменения эквивалентного фокусного расстояния оптической системы 8 таков, что отношение фокусного расстояния F к текущей (программной) дальности снаряда Д_сн сохраняется постоянным в течение всего полета
таким образом при введении максимального отклонения величина смещения информационной оси луча наведения относительно линии визирования цели будет постоянна на текущей дальности управляемого снаряда и определяется параметрами h, n и максимальным углом отклонения α.
Описанный механизм поворота плоскопараллельной пластины при взаимодействии его с дальномерным каналом позволяет реализовать циклограмму работы прицела при наведении снаряда с введением и снятием превышения, представленную на фиг.1 сплошной линией.

Циклограммы на фиг.1 иллюстрируют работу механизмов прицела и величину превышения для одного варианта программы ввода и снятия превышения.

τ₀- ПУСК (начало ввода превышения),
τ₁- ввод максимального превышения;
τ₂- начало снятия превышения;
τ₃- снятие превышения (вывод снаряда на линию прицеливания).

В течение промежутка времени τ₀- τ₁, программное устройство 11, то запуская, то останавливая двигатель 13, через схему управления 9, осуществляет ступенчатый ввод превышения.

В течение промежутка времени τ₁- τ₂, как было показано выше, информационная ось луча на дальности снаряда смещена относительно линии визирования на постоянную максимальную величину Y_max, при этом снаряд ориентируется вдоль смещенной оси луча наведения и дым его двигателя не скапливается на линии визирования и, кроме того, луч наведения не наложен на цель, что препятствует детектированию излучения целью.

В момент времени τ₂ начинается возвращение луча наведения на линию визирования и в момент τ₃ он с линией визирования совмещается, что позволяет вывести снаряд на цель непосредственно перед его подлетом и поражением цели.

Предлагаемый прицел позволяет реализовать и циклограмму пуска, описанную в патенте [5]. Для этого необходима предварительная (до ПУСКА) подача через логическое устройство на программное устройство команды на запуск и выбор соответствующей программы ввода-снятия превышения. Такая программа должна предусматривать поворот механизма нелинейной передачи вращения до положения, соответствующего максимальному отклонению, пластины 6 с последующей ее остановкой в этом положении.

Источники информации
1. Патент США 5427328, НКИ 244-3.13, 12.02.85.

2. Патент США 3746280, НКИ 244-3.13, 17.07.73.

3. Патент США 4111383, НКИ 244-3.13, 05.09.78.

4. Патент ФРГ 4137843, МКИ F 41 G 1/38.

5. Патент РФ 2126946, МКИ 6 F 41 G 7/26, 25.11.97.

Изобретение относится к оптическим системам наведения самодвижущихся снарядов и может быть использовано в системах управляемого оружия с телеориентацией в луче лазера. Технический результат - повышение помехозащищенности систем наведения. Технический результат достигается тем, что в оптический прицел системы наведения, содержащий визирный, дальномерный каналы и канал наведения управляемого снаряда, состоящий из оптически сопряженных источника излучения, модулятора, плоскопараллельной пластины, снабженной механизмом поворота, состоящим из двигателя с редуктором и датчика исходного положения, со схемой управления двигателем, и оптической системы с переменным фокусным расстоянием, введены устройство выбора типа снаряда, программное устройство, механизм нелинейной передачи вращения, механически связанный с редуктором двигателя и плоскопараллельной пластиной, снабженный устройством возврата, связанным с программным устройством и схемой управления двигателем. Причем выходная шина устройства выбора типа снаряда связана с входами программного устройства, другие входы и выходы которого подключены к шине управления системы наведения управляемого снаряда, еще один вход программного устройства соединен с датчиком исходного положения и еще один вход - с выходной шиной дальномерного канала, вход которого подключен к шине управления системы наведения управляемого снаряда. 3 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Оптический прицел системы наведения управляемого снаряда, содержащий визирный, дальномерный каналы и канал наведения управляемого снаряда, состоящий из оптически сопряженных источника излучения, модулятора, плоскопараллельной пластины, снабженной механизмом поворота, содержащим двигатель и датчик исходного положения, со схемой управления двигателем, и оптической системы с переменным фокусным расстоянием, отличающийся тем, что в него введены устройство выбора типа снаряда, программное устройство, механизм нелинейной передачи вращения, механически соединенный с двигателем и плоскопараллельной пластиной, снабженный устройством возврата, связанным с программным устройством и схемой управления двигателем, причем выходная шина устройства выбора типа снаряда связана с входами программного устройства, другие входы и выходы которого подключены к шине управления системы наведения управляемого снаряда, еще один вход программного устройства соединен с датчиком исходного положения, и еще один вход - с выходной шиной дальномерного канала, вход которого подключен к шине управления системы наведения управляемого снаряда. 2. Прицел по п. 1, отличающийся тем, что двигатель в механизме поворота выполнен в виде шагового двигателя. 3. Прицел по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в него введена схема распределения импульсов, вход которой соединен с программным устройством, а выход - со схемой управления шаговым двигателем. 4. Прицел по п. 1, отличающийся тем, что двигатель в механизме поворота выполнен в виде электродвигателя с редуктором.