УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В СОВМЕЩЕННОЙ С БАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ТРАССОЙ ИНВАРИАНТНОЙ СВЕТОВОЙ МИШЕНИ Российский патент 2010 года по МПК F41J5/02 

Изобретение относится к мишеням и баллистическим трассам для определения внешнебаллистических параметров (начальной скорости, баллистического коэффициента, скорости на заданной дальности и координат) пуль и снарядов при стрельбе прямой наводкой и может использоваться для экспериментального определения внешнебаллистических параметров, а также меткости и кучности стрельбы, приведения оружия к нормальному бою и для обучения и тренировки.

Известен способ и устройство для реализации инвариантной световой мишени [Афанасьева Н.Ю. Информационно-измерительная система на основе световых экранов для испытаний стрелкового оружия. Кандидатская диссертация. - Ижевск: Ижевский Гос. Техн. Ун-т, 2003. - 127 с.].

Наиболее близким аналогом является световая мишень и реализованный в ней способ идентификации [Световая мишень. Патент РФ №2213320 от 27.09.2003 по заявке №2002116940, кл. F41J 5/02 от 24.06.2002. ВНИИГПЭ / Авторы Афанасьева Н.Ю., Веркиенко Ю.В., Казаков В.С., Коробейников В.В. (прототип)]. Инвариантная мишень содержит 5 экранов, один из которых Э₀ является отсчетным и совпадает или параллелен плоскости регистрации (мишени), по два из других экранов попарно параллельны и наклонены под острыми углами относительно отсчетного, причем первая пара экранов Э₁, Э₂ повернута относительно поперечной (боковой) оси Z, а вторая пара экранов Э₃, Э₄ - относительно вертикальной оси Y. При предположении постоянства скорости на коротком блокируемом участке траектории приборный коэффициент равный отношению времени пролета между соответствующими экранами, зависит только от вертикальной координаты y_d и не зависит от скорости и от наклона траектории (соответственно от координат позиции y_p, z_p). Аналогично приборный коэффициент зависит только от боковой координаты z_d и не зависит от скорости и от наклона траектории (соответственно от координат позиции y_p, z_d). Т.е. мишень инвариантна к скорости пули или снаряда и положению позиции. Так как экраны из-за погрешностей установки дополнительно повернуты на небольшие углы относительно других осей, зависимости приборных коэффициентов от координат имеют вид

для определения коэффициентов моделей (1), (2) проводят идентификацию, в процессе которой для серии выстрелов одновременно измеряют времена пролета пули или снаряда через световые экраны и координаты точек попадания в плоскость регистрации (мишень), а затем, например, по методу наименьших квадратов по условным уравнениям вида (1), (2) для всех выстрелов определяют коэффициенты a_i, b_i. После идентификации модели (1), (2) используют в режиме функционирования мишени для определения координат точек попадания.

Недостатком способа и устройства является невозможность определения внешнебаллистических параметров (начальной скорости, баллистического коэффициента и скорости на заданной дальности). В случае баллистической трассы для определения внешнебаллистических параметров измеряют координаты позиции y_p, z_p и координаты точки попадания y_d, z_d на заданной дальности.

В случае отсутствия датчика начала отсчета (ДНО) времена измеряют относительно первого экрана и начало отсчета времени τ неизвестно. К тому же из-за последействия пороховых газов использовать ДНО нежелательно. В результате общее количество неизвестных при решении обратной задачи внешней баллистики равно 8. Это тангенс угла бросания γ₀, начальная скорость ν₀, баллистический коэффициент c, координаты позиции y_p, z_p, координаты точки попадания y_d, z_d и время начала отсчета τ. Таким образом, для инвариантных мишени и баллистической трассы необходимо установить минимум 8 экранов.

Недостатком существующего способа и устройства для его реализации является большое количество световых экранов и необходимость их расположения по всей длине трассы, в том числе на участке непостоянства баллистического коэффициента, на котором происходит затухание нутационных колебаний. Установка всех световых экранов в конце трассы приводит к большим погрешностям определения внешнебаллистических параметров из-за неточных измерений времени пересечения световых экранов. Кроме того, расстояния между источниками света и оптико-электронными преобразователями экранов Э₃, Э₄ больше расстояний между источниками света и оптико-электронными преобразователями остальных экранов, что приводит к сигналам разной величины и увеличению погрешности измерения времени пересечения пулей или снарядом световых экранов.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков известного устройства путем совмещения инвариантной мишени и баллистической трассы, содержащей 5 световых экранов, расположенных в конце трассы, и создания устройства, позволяющего наряду с координатами точки попадания определить остальные внешнебаллистические параметры на участке установившегося угла нутации (соответственно установившегося баллистического коэффициента) и сократить число неизвестных до 6-ти. Можно также определить координаты точки попадания y_d, z_d непосредственным измерением координат пробоин в бумажной мишени. Остальные неизвестные определяют по уравнениям внешней баллистики, записанным минимум для двух выстрелов. В случае двух выстрелов неизвестными являются 2 тангенса угла бросания, 2 начальные скорости, 2 времени начала отсчета, 2 координаты позиции и баллистический коэффициент, который для одинаковых пуль или снарядов на установившемся участке одинаков. Таким образом, в случае минимум двух выстрелов количество неизвестных меньше количества уравнений, что обеспечивает определение внешнебаллистических параметров при минимальном количестве экранов, равном пяти, при их расположении в конце баллистической трассы, где произошло затухание нутационных колебаний. Кроме того, дополнительно исключается последействие пороховых газов при выходе пули или снаряда из канала ствола. При установке дополнительного экрана, параллельного опорному, для каждого выстрела по уравнениям внешней баллистики определяют все параметры и индивидуальные баллистические коэффициенты каждой пули или снаряда.

Для обеспечения одинаковых расстояний между источниками света и оптико-электронными преобразователями экраны Э₀, Э₁, Э₂ повернуты относительно вертикальной оси против часовой стрелки, а экраны Э₃, Э₄ - на такой же по абсолютной величине угол, но в противоположном направлении.

Технический результат - предложенное устройство совмещенной инвариантной световой мишени и баллистической трассы обеспечивает одинаковые условия работы всех оптико-электронных преобразователей и определение внешнебаллистических параметров при минимальном количестве экранов, независимо от положения позиции и скорости при расположении всех экранов на участке установившегося баллистического коэффициента.

На фиг.1 изображена схема световой мишени; на фиг.2 - схема расположения оптико-электронных преобразователей и источников света в тире; на фиг.3 - задание положения экрана уравнением в следах; на фиг.4 - определение точки пересечения траектории с экраном; на фиг.5 - разложение движения на переносное и относительное под действием силы тяжести (ЛБ - линия бросания; y_сп - провисание траектории под действием ускорения силы тяжести).

Устройство содержит источники света И₁, …, И₄, оптико-электронные преобразователи Д₀, …, Д₄, контрольную рамку КР, коаксиальные линии связи 1, блок согласующих и пороговых устройств 2, схему ИЛИ 3, вычислитель 4, устройство отображения информации с пультом испытателя 5; блок питания излучателей 6. Оружие для испытаний устанавливается на станке 7 или удерживается испытателем.

Выходы усилителей фототока оптико-электронных преобразователей коаксиальными линиями связи 1 соединены с входами блока согласующих и пороговых устройств 2, выходы которого соединены с входами схемы ИЛИ 3, выход схемы ИЛИ соединен с вычислителем 4, соединенным с устройством отображения информации и пультом испытателя 5.

Источники света установлены, например, в вертикальной плоскости (на стене тира), два из них И₃, И₄ установлены параллельно с наклоном на угол α=10-15° в сторону мишени, и два источника света И₁, И₂ наклонены относительно первых двух в противоположном направлении, образуя с ними угол 2α. Оптико-электронные преобразователи Д₀, Д₁, Д₂ установлены на противоположной относительно снопа траекторий стороне (стене тира) с одинаковым смещением относительно источников света в сторону мишени (контрольной рамки), устанавливаемой для идентификации после источника света И₄. Оптико-электронные преобразователи Д₃, Д₄ смещены в сторону позиции на такую же по абсолютному значению величину как остальные. Оптико-электронные преобразователи ориентированы на источники света и наклонены так, чтобы их щелевые диафрагмы были параллельны соответствующим источникам света. При этом на источник света И₄ ориентированы два оптико-электронных преобразователи Д₀, Д₄. Такое расположение обеспечивает минимальную ширину световых экранов, параллельность экранов Э₁, Э₂ и экранов Э₃, Э₄, наклон экранов Э₁, Э₂ по отношению к опорному экрану Э₀ с поворотом относительно боковой оси и экранов Э₃, Э₄ - с поворотом относительно вертикальной оси. Параллельность пар экранов и наклон их относительно опорного с поворотом относительно вертикальной и боковой осей обеспечивают инвариантную к положению позиции и скорости пули или снаряда мишень с моделями (1), (2) при одинаковых условиях работы всех оптико-электронных преобразователей.

Математическая сущность способа изобретения заключается в следующем.

При выстреле в моменты пересечения пулей или снарядом световых экранов в таймере вычислителя фиксируются времена t₁, …, t₄, t₀. В случае отсутствия датчика начала отсчета время пересечения экрана Э_i равно t_i+τ, т.е. измеряется с точностью до неизвестного отсчета τ.

Для решения обратной задачи внешней баллистики используют систему уравнений по аргументу x (дальность) [Коновалов А.А., Николаев Ю.В. Внешняя баллистика. - Ижевск: Изд. ИПМ УрО РАН, 2003. - 191 с.]

и по аргументу t (время)

Здесь - проекция скорости на ось Х; γ=tgϑ - тангенс угла наклона вектора скорости; G(ν)- функция сопротивления по закону 1943 года; c(x) - баллистический коэффициент пули или снаряда, зависящий от дальности стрельбы; Н(y)=П(y)/П₀ - отношение плотности воздуха на высоте y к плотности воздуха при нормальной атмосфере (в нашем случае Н(y)=1).

Обозначим решение уравнений баллистики по аргументу x:

и по аргументу t:

Положение экрана в системе координат XYZ зададим уравнением в следах (фиг.3)

где а=tgα, b=-tgβ; положительные направления отсчета углов α и β выбраны в правой системе координат при повороте от X к Y и от Z к X против часовой стрелки.

В плоскости XY уравнение экрана

В плоскости стрельбы X*Y* уравнение экрана

где

Абсциссы (дальности) (фиг.4) можно определить из совместного решения уравнения экрана (14) и уравнения траектории

Если внешнебаллистические параметры γ₀, ν₀, c(x) неизвестны, то для провешивания траектории и определения точек пересечения траектории с экранами воспользуемся разложением движения на переносное вдоль линии бросания и относительное вертикально вниз под действием силы тяжести, как показано на фиг.5. Имеем

где y_сп - провисание за счет свободного падения; g=9.8065 м/с² - ускорение силы тяжести.

Система работает следующим образом.

В режиме идентификации непосредственно за отсчетным световым экраном Э₄ устанавливают контрольную рамку КР с наклеенной на нее миллиметровой бумагой. После выстрела пуля последовательно пересекает световые экраны. При пересечении светового экрана часть светового потока, падающего от линейного протяженного источника света на фотоприемник оптико-электронного преобразователя, затеняется, и на выходе усилителя фототока формируется электрический импульс, который по коаксиальной линии связи 1 поступает на вход блока согласующих и пороговых устройств 2, с его выхода поступает на схему ИЛИ 3. С выхода схемы ИЛИ 3 на шину прерывания компьютера 4 последовательно поступают электрические сигналы, соответствующие всем световым экранам. По сигналам прерывания фиксируется состояние таймера компьютера, и коды времени записываются в его память. После производства серии выстрелов в заданные точки контрольной рамки или после каждого из них измеряют координаты пробоин (и отмечают их во избежание перепутывания). После заданного числа выстрелов, например, по методу наименьших квадратов проводят идентификацию моделей (1), (2). При этом каждый раз вычисляют сумму квадратов отклонений и отклонения для каждого выстрела. Выстрелы с большими отклонениями бракуют и производят либо дострел, либо бракованные точки просто исключают и повторяют определение коэффициентов моделей. Если в режиме функционирования определяют координаты точек попадания с помощью световой мишени, то контрольную рамку снимают.

В режиме функционирования (рабочий режим) аппаратура работает аналогично режиму идентификации. После не менее двух выстрелов и записи в память компьютера моментов времени пересечения пулей или снарядом световых экранов из системы уравнений (1), (2) определяют координаты точки попадания. После этого записывают систему уравнений внешней баллистики для времени пересечения не менее чем двумя пулями всех световых экранов с известными координатами точек попадания и неизвестными начальными скоростями, углами бросания, временами отсчета времени для каждого выстрела и одинаковыми для всех выстрелов координатами позиции и баллистическим коэффициентом и, наконец, из решения этой системы определяют неизвестные внешнебаллистические параметры. При наличии дополнительного экрана, параллельного опорному, для каждого выстрела по уравнениям внешней баллистики определяют все параметры и индивидуальный баллистический коэффициент каждой пули или снаряда.

Предложенное устройство совмещенной инвариантной световой мишени и баллистической трассы обеспечивает определение внешнебаллистических параметров для любого положения позиции и любой скорости пули или снаряда благодаря измерению координат инвариантной мишенью или по пробоинам в миллиметровой мишени, а также повышение точности измерений благодаря одинаковым условиям работы оптико-электронных преобразователей всех экранов.

Изобретение относится к мишеням для определения внешнебаллистических параметров пуль и снарядов при стрельбе прямой наводкой и может использоваться для экспериментального определения внешнебаллистических параметров, а также меткости и кучности стрельбы, приведения оружия к нормальному бою и для обучения и тренировки. Устройство содержит контрольную рамку, коаксиальные линии связи, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, вычислитель, устройство отображения информации с пультом испытателя, блок питания излучателей, линейные протяженные источники света и оптико-электронные преобразователи, образующие, по меньшей мере, пять световых экранов. Опорный экран из них совпадает с мишенью или установлен непосредственно перед ней, а две пары других экранов попарно параллельны и наклонены под острым углом к опорному экрану. Первая пара экранов повернута относительно боковой оси, а вторая - относительно вертикальной оси. Источники света, образующие опорный экран и экраны второй пары, наклонены в сторону мишени, а источники света, образующие экраны первой пары, - в противоположную сторону на одинаковые по абсолютной величине углы. Оптико-электронные преобразователи, образующие опорный экран и экраны первой пары, смещены в сторону мишени, а оптико-электронные преобразователи, образующие экраны второй пары - в противоположную сторону на одинаковые по абсолютной величине расстояния относительно исходного положения. Устройство может быть снабжено шестым экраном, установленным параллельно опорному экрану. Обеспечивается повышение точности измерений для любого положения позиции стрельбы и любой скорости пули или снаряда. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство определения внешнебаллистических параметров в совмещенной с баллистической трассой инвариантной световой мишени, содержащее контрольную рамку, коаксиальные линии связи, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, вычислитель, устройство отображения информации с пультом испытателя, блок питания излучателей, линейные протяженные источники света и оптико-электронные преобразователи, образующие, по меньшей мере, пять световых экранов, опорный экран из которых совпадает с мишенью или установлен непосредственно перед ней, а две пары других экранов попарно параллельны и наклонены под острым углом к опорному экрану, при этом первая пара экранов повернута относительно боковой оси, а вторая - относительно вертикальной оси, отличающееся тем, что источники света, образующие опорный экран и экраны второй пары, наклонены в сторону мишени, а источники света, образующие экраны первой пары - в противоположную сторону на одинаковые по абсолютной величине углы, при этом оптико-электронные преобразователи, образующие опорный экран и экраны первой пары, смещены в сторону мишени, а оптико-электронные преобразователи, образующие экраны второй пары - в противоположную сторону на одинаковые по абсолютной величине расстояния относительно исходного положения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено шестым экраном, установленным параллельно опорному экрану.