СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ДУЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА Российский патент 2010 года по МПК F41A21/32 B21C51/00 

В известных устройствах и способах измерения используется, по меньшей мере, одна пара катушек, расположенная, как правило, за дульным тормозом ствола. Катушки расположены на определенном расстоянии друг от друга, причем скорость V_o определяется измеренным временем, которое требуется снаряду, чтобы пройти определяемый катушками путь.

Такое устройство известно из СН 691143 А5. Для измерения скорости снаряда на дуле ствола орудия с высоким темпом стрельбы на расстоянии друг от друга на несущей трубе расположены два датчика. Эти срабатывающие на изменение магнитного потока датчики связаны с обрабатывающей электроникой и содержат пару катушек и замкнутый магнитный контур. Измеренная скорость снаряда или актуализованное, таким образом, время установки взрывателя передается снаряду в качестве информации, как правило, перед его вылетом из дульной зоны.

В DE 69709291 Т2 (ЕР 0840087 В1) раскрыты средства для управления начальной скоростью снаряда. При этом предусмотрен датчик, который может измерять относящийся к дульной скорости параметр. Это осуществляется с помощью расположенных, по меньшей мере, в или на стволе датчиков, которые могут воспринимать более высокое давление в нем, устанавливающееся на стволе за счет нагрева пороховых газов. В качестве датчиков используются тензометры, пригнанные так, что они имеют контакт со стволом. При этом измеряется протяженность ствола. По разнице времени между регистрацией прохождения снаряда посредством обоих отдельных датчиков определяются движение и тем самым скорость снаряда.

В DE 10352047 А1 предложено расположить, по меньшей мере, два отстоящих друг от друга датчика на стволе или интегрировать их непосредственно в него. При прохождении снаряда датчики из-за давления газов на его дно приобретают расширение, которое преобразуется в электрический сигнал и при необходимости после усиления подается к подключенному устройству его обработки. В качестве датчиков используются преимущественно кварцевые датчики в виде продольных измерительных дюбелей, которые расположены в несущем кольце на стволе или вокруг ствола или непосредственно в нем. Кварцевые датчики обладают тем большим преимуществом, что они могут преобразовывать в сигналы даже малейшие изменения давления, сами выполнены очень стабильными, могут быть интегрированы с высокой точностью посадки, т.е. в прочном контакте без возможности смещения относительно ствола. Механические нагрузки ствола не оказывают за счет этого никаких воздействий на результат косвенного измерения давления. К тому же датчики не подвергаются непосредственно давлению газов и в дополнение к имеющемуся корпусу встроены в прочную конструкцию.

Напротив, в DE 102005024179 А1 полностью отсутствует непосредственное измерение актуальной дульной скорости, поскольку фактическая дульная скорость определяется за счет информации об актуальной скорости полета снаряда, т.е. обратно вычисляется по ней. На основе этой актуальной скорости снаряда корректируется время его взрывания с помощью нормальной дульной скорости, и предварительно установленное время взрывания используется в качестве актуального времени установки взрывателя. Для передачи этой информации снаряду служит микроволновый передатчик, работающий преимущественно в гигагерцовом диапазоне, который передает боеприпасу или снаряду актуальную, определяемую пунктом управления огнем установку взрывателя.

Другой способ заключается в том, чтобы использовать ствол в качестве круглого волновода и измерять доплеровскую скорость снаряда в стволе, как это описано в ЕР 0023365 А2. Частота сигнала лежит при этом выше предельной частоты для соответствующей моды волновода. Возникающая при этом электромагнитная волна распространяется в стволе и отражается от снаряда. Кроме того, возникает доплеровский частотный сдвиг, зависимый от скорости в данный момент.

При этом недостаток в том, что два датчика должны находиться на определенном расстоянии друг от друга. Эта конструкция удлиняет измерительное устройство на дуле ствола. Это может привести к нестабильности всего орудия или вызвать проблемы при использовании подкалиберных боеприпасов. Освобождающиеся при выходе из ствола пороховые газы могут повредить измерительное устройство. Кроме того, датчики должны быть закреплены непосредственно в или на стволе. Во многих случаях поставщик ствола и поставщик устройства для измерения дульной скорости не одно и то же лицо. Это приводит к тому, что расположение датчиков на или в стволе возможно лишь в сложных условиях или оно вообще невозможно. Устройство для измерения дульной скорости должно функционировать независимо от используемого ствола без вмешательства в сам ствол. Другой недостаток возникает из-за того, что измерения скорости полета и программирование времени взрывания вне ствола посредством микроволнового передатчика требуют определенной помехоустойчивости при передаче информации между передатчиком и снарядом. Помехи естественного рода, как и умышленные помехи за счет мешающего передатчика могут препятствовать измерению скорости полета и последующему программированию вплоть до их невозможности. Кроме того, методами ведения «электронной войны» можно обнаружить излучение передатчика и засечь местоположение орудия. Таким образом, местоположение орудия становится известно противнику, который может принять ответные меры по его подавлению. В настоящее время действует принцип «видеть, но быть невидимым». Выдав свое местоположение за счет излучения, орудие становится крайне уязвимым со стороны эффективных систем вооружения. Кроме того, при измерении доплеровского частотного сдвига к стабильности осциллятора предъявляются определенные требования. Вибрации, возникающие при выстреле, могут изменить частоту передатчика в данный момент и повысить затраты на точное измерение частотного сдвига. К тому же ствол действует в качестве открытого круглого волновода и может действовать в качестве антенны. Это означает, что внешнее подслушивающее устройство может обнаружить излучение и засечь местоположение орудия.

Задачей изобретения является бесконтактное измерение дульной скорости, которое было бы лишено названных недостатков.

Эта задача решается посредством признаков п.1 формулы. Предпочтительные варианты приведены в зависимых пунктах.

В основе изобретения лежит идея использования ствола и/или частей дульного тормоза также в качестве волноводов (волноводом считается труба характерной формы сечения, которая имеет стенку очень хорошей электропроводности. В технике широко распространены, прежде всего, прямоугольные и круглые волноводы), которые, однако, эксплуатируются ниже предельной частоты соответствующей моды волновода. (Основы этого см. http://people.ee.ethz.ch/~kkrohne/AMIV/Wellenleiter.pdf. стр.24-33 или http://prp0.physik.tu-darmstadt.de/~ejakobi/Mikrowel.pdf, на которые дана ссылка.) В эксплуатируемом, таким образом, волноводе не может распространяться электромагнитная волна, и тем самым не происходит переноса энергии вдоль волновода. Электромагнитное поле экспоненциально уменьшается в направлении волновода, что основано не на омическом затухании, а возникает как решение уравнений Максвелла.

Электромагнитное поле должно отвечать краевому условию для круглого волновода и краевому условию на снаряде. При этом следует учесть, что круглый волновод необязательно должен иметь точно кругообразное сечение. Напротив, в стенке волновода может быть выполнен также профиль для достижения желаемого поперечного распределения электромагнитного поля. На фиг.3 показано, как ребристая структура в дульном тормозе обеспечивает селекцию моды. При выполнении всех краевых условий возникает сила сигнала в месте z=0 (если Z_k=0), которая определяется положением z=z_P снаряда в волноводе. Смещение Z_K между передающим 3.1 и приемным 3.2 элементами связи может служить, при необходимости, для лучшей селекции моды. Как правило, однако, должно быть Z_K=0, и это относится только к приемному элементу связи, расположенному ближе всего к передающему элементу связи 3.1. На фиг.3 изображено устройство, состоящее из передающего 3.1 и приемного 3.2 элементов связи. Однако, как видно на фиг.4, для повышения точности измерения несколько приемных элементов связи 4.2 могут быть расположены последовательно очень близко друг к другу и тем самым компактно в направлении конца ствола и перед передающим элементом связи 4.1. При этом дульный тормоз не удлиняется искусственным путем, что исключает недостаток длинного устройства для измерения дульной скорости.

Измерительное устройство образовано орудийным стволом или другим трубчатым выстреливающим устройством, снарядом, дульной зоной ствола, например дульным тормозом, а также, по меньшей мере, одним осциллятором, передающим элементом связи и, по меньшей мере, одним или несколькими приемными элементами связи, причем это число зависит от нужной точности измерения измерительного устройства.

Преимущество этого простого измерительного устройства в том, что дульную зону или дульный тормоз не приходится удлинять искусственным путем. Измерительное устройство интегрировано непосредственно в дульный тормоз. К тому же оно может использоваться независимо от типа снарядов (полно- или подкалиберные). Измерительное устройство компактное, поскольку ствол и дульная зона, в частности используемый, как правило, на орудийном стволе дульный тормоз, входят в измерительную конструкцию. Точность самого измерения не зависит от частоты осциллятора, так что используемый осциллятор необязательно должен иметь высокую частотную стабильность, как при известных измерениях доплеровской частоты. Только нижняя и верхняя частоты не должны быть соответственно ниже или выше заданных значений. Простое измерение возникает к тому же за счет того, что регистрируется не частота, а огибающая. Измерительное устройство может эксплуатироваться в одномодовом режиме.

Изобретение более подробно поясняется на примере его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых представлено следующее:

фиг.1 - измерительное устройство для измерения дульной скорости снаряда;

фиг.2 - схематично ограниченный круглый волновод по фиг.1;

фиг.3 - измерительная секция, интегрированная в дульный тормоз и снабженная ребристой структурой для селекции моды;

фиг.4 - измерительная секция по фиг.3 с несколькими элементами связи.

На фиг.1 и 2 изображена принципиальная конструкция измерительного устройства 100 для осуществления способа измерения. Устройство 100 содержит орудийный ствол 1, здесь с дульным тормозом 3, и осциллятор 4, который через линию 5 подачи сигнала электрически соединен для возбуждения с передающим элементом связи 6. Приемный элемент связи 7 служит для приема сигнала и кабелем 8 соединен с приемным блоком 9, состоящим из детектора 9.1 и устройства 9.2 для обработки сигнала. Оба элемента связи 6, 7 интегрированы в дульный тормоз 3 и образуют пару.

Осциллятор 4 возбуждает через передающий элемент связи 6 моду ТЕ; ТМ волновода. При этом в данном примере выбирается частота, находящаяся ниже предельной частоты данной моды волновода. Нужная мода волновода возбуждается посредством механической и электромагнитной селекции. За счет системы «ствол» 1 (на фиг.2 волновод 1') и снаряд 2 (на фиг.2 цилиндр 2') возникает сила сигнала в месте z=0, которая зависит от положения z=z_P снаряда 2. Приемный элемент связи 7, здесь датчик «pick-up», принимает этот сигнал, направляемый к приемному блоку 9.

Как уже сказано, измерительное устройство 100 при выбранной моде волновода эксплуатируется ниже предельной частоты этой моды (below cutoff frequency) волновода или его части, интегрированной в дульный тормоз. Это не только основная мода, но и возможны более высокие моды. Различать следует между поперечной электрической ТЕ и поперечной магнитной ТМ модами. Обе моды используются и здесь.

С помощью фиг.2 более подробно поясняется основной принцип способа измерения. Если ограничить круглый волновод 1' цилиндрической цапфой 2', то электромагнитное поле должно удовлетворять, с одной стороны, краевым условиям на стенках волновода, а с другой стороны, краевым условиям на дне цилиндра. Стенки и дно цилиндра имеют идеальную проводимость. Это означает, что тангенциальная составляющая напряженности электрического поля на этих поверхностях «Е=0 V/m» (нуль) и что нормальная составляющая магнитной индукции на этих поверхностях «В=0 Т» (нуль). Это может достигаться с вводом двух долей поля: первоначального электромагнитного поля, которое удовлетворяет только краевым условиям на стенках, и дополнительной доли, которая имеет такое же поперечное распределение, что и первоначальное поле, и тем самым тоже удовлетворяет краевым условиям на стенках. Частота лежит ниже предельной частоты для выбранной моды волновода. Чтобы удовлетворять краевым условиям на дне цилиндра z=z_P, вырабатывается вторая доля поля, которая за счет наложения устраняет тангенциальную составляющую напряженности электрического поля и нормальную составляющую магнитной индукции первоначального поля. Наложение обеих долей дает в месте z=0 силу сигнала, которая зависит от положения дна цилиндра в месте z=z_P.

Если проанализировать временную характеристику силы сигнала в месте z=0, то можно сделать вывод о дульной скорости V₀.

Как видно на фиг.3, желаемая мода волновода может быть возбуждена за счет механических конструктивных мер, здесь, например, с помощью ребристой структуры на стенке волновода. Кроме того, селекция моды поддерживается видом возбуждения с помощью передающего элемента связи 10.1. На фиг.3 волновод изображен как часть дульного тормоза. Смещение Z_K между передающим 10.1 и приемным 10.2 элементами связи может служить, при необходимости, для лучшей селекции моды. Как правило, однако, должно быть Z_K=0, и это относится только к приемному элементу связи, расположенному ближе всего к передающему элементу связи 10.1.

На фиг.4 показано, как с несколькими приемными элементами связи 11.1 повышается точность измерения. Следует обратить внимание на то, что наиболее удаленный от конца ствола приемный элемент связи 11.2 находится на таком же удалении от конца ствола, что и передающий элемент связи 11.1. Это означает, что после передающего элемента связи 11.1 не следует располагать никаких приемных элементов связи 11.2.

Недостатки описанных выше методов в уровне техники устранены за счет предложенного измерительного устройства благодаря следующим свойствам.

- Элементы связи (передающие и приемные) расположены очень близко друг к другу и тем самым интегрированы в дульный тормоз 3. Удлинять дульный тормоз не требуется. Кроме того, элементы связи могут быть установлены также в стволе, если это возможно.

- Измерительное устройство интегрируется только в дульный тормоз (фиг.3), если это невозможно в стволе. Таким образом, измерительное устройство не зависит от ствола и тем самым также от его поставщика.

- Измерение происходит внутри дульного тормоза или ствола, чем достигается более высокая помехоустойчивость.

- Волновод эксплуатируется ниже предельной частоты, а за счет его длины минимизируются также излучения наружу.

- К осциллятору не предъявляются высокие требования в отношении стабильности, поскольку не требуется измерять доплеровскую частоту.

Предложено использовать ствол или дульный тормоз в качестве волновода, который эксплуатируется ниже предельной частоты соответствующей электрической и/или магнитной моды (ТЕ и ТМ) волновода. Волновод и снаряд образуют систему, в которой положение снаряда влияет на электромагнитное поле на приемном элементе связи. Характеристическое временное изменение напряженности электромагнитного поля в месте расположения приемного элемента связи, возникающее за счет изменения расстояния между снарядом и приемным элементом связи, измеряется и используется для определения дульной скорости снаряда. Способ обеспечивает бесконтактное измерение скорости снаряда и функционирует независимо от используемого ствола без вмешательства в его конструкцию. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ измерения дульной скорости снаряда в орудийном стволе или дульном тормозе, при котором ствол или дульный тормоз используют в качестве волновода, отличающийся тем, что волновод используют ниже предельной частоты соответствующей электрической и/или магнитной моды (ТЕ и ТМ) волновода.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость снаряда в данный момент непрерывно измеряют и записывают в память.

3. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что характеристику скорости снаряда определяют в зависимости от времени.

4. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что во время движения снаряда в волноводе и до вылета снаряда прогнозируют скорость.

5. Способ по любому из п.1 или 2, отличающийся тем, что в качестве времени обработки выбирают момент, когда снаряд находится точно в месте расположения приемного элемента связи, причем измеряемый сигнал превращается в нуль или имеет другой характеристический параметр, и затем измеряют скорость.

6. Измерительное устройство для осуществления способа по любому из пп.1-5, содержащее ствол, дульный тормоз, генератор сигналов, который через линию подачи сигналов электрически соединен, по меньшей мере, с одним передающим элементом связи для возбуждения ствола, и приемную линию для передачи измеренных, по меньшей мере, на одном приемном элементе связи сигналов на устройство обработки.

7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что генератор сигналов генерирует несущую частоту в режиме непрерывного излучения (CW-режим).

8. Устройство по п.6, отличающееся тем, что генератор сигналов генерирует модулированный сигнал.

9. Устройство по любому из пп.6-8, отличающееся тем, что генератор сигналов выполнен в виде осциллятора.