СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МОМЕНТА ВСТРЕЧИ ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЯ С ПРЕГРАДОЙ Российский патент 2015 года по МПК G01S5/18 

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники и может быть использовано при испытаниях объектов, движущихся со сверхзвуковой скоростью.

Известен мобильный комплекс траекторных измерений ZETLab (www.zetlab.ru / ЗАО «Электронные технологии и метрологические системы». Мобильный комплекс траекторных измерений ZETLab), который представляет собой техническую систему на базе видеорегистраторов и сейсмостанций, предназначенную для проведения измерений при испытаниях высокоскоростных изделий ракетных комплексов.

Мобильный комплекс траекторных измерений позволяет определять координаты места встречи объекта с землей, а также время момента встречи.

При работе комплекса осуществляется способ, заключающийся в оптическом наблюдении за движущимся объектом, регистрации получаемого при этом видеоизображения, регистрации сейсмических волн, возникающих в момент соприкосновения объекта с землей и последовательно воздействующих на все сейсмодатчики, установленные в измерительных точках (ИТ) с известными координатами и определении момента времени и координат места встречи объекта с землей, по результатам обработки зарегистрированной информации.

Несмотря на достоинства способа, он характеризуется низким разрешением по времени, то есть не позволяет определять времена встречи с преградой нескольких ОИ, подходящих к ней с малой разновременностью. Это обусловлено особенностями распространения сейсмических волн в грунтах. Кроме того, применяемость способа может быть ограничена погодными условиями, обеспечивающими оптическую непрозрачность воздушной среды (туман, запыленность атмосферы, осадки и пр.). Этот способ выбран в качестве прототипа.

Заявляемый способ направлен на решение технической задачи определения момента встречи объекта испытания (ОИ), летящего со сверхзвуковой скоростью, с преградой (в частном случае с поверхностью земли) по результатам регистрации возбуждаемой им в воздушной среде баллистической ударной волны (скачка уплотнения) (Фабрикант Н.Я. «Аэродинамика», Издательство «Наука»; 1964 г., Красильников В.А. «Звуковые волны в воздухе, воде и твердых телах», М., 1954 г.).

Техническим результатом осуществления способа является его высокая разрешающая способность, обеспечивающая определение моментов встречи с преградой нескольких ОИ, подходящих к ней с малой разновременностью, вне зависимости от массогабаритных характеристик объектов, а также относительная простота и компактность используемых средств измерений, малые затраты на постановку и проведение измерений.

Технический результат достигается за счет того, что в заявляемом способе определения момента встречи ОИ с преградой, включающем регистрацию по крайней мере в одной измерительной точке с известными координатами сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, определение времени его регистрации в ИТ (t_рег) и расчет момента встречи ОИ с преградой, в отличие от прототипа в качестве сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, регистрируют баллистическую ударную волну (БУВ), возбуждаемую полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью, на основании фактической или априорной информации о величинах углов, образуемых траекторией его движения с осями выбранной прямоугольной системы координат, и координатах точки встречи ОИ с преградой рассчитывают расстояние от ИТ до траектории движения ОИ, с использованием которого и значения угла между образующей конуса возмущения и траекторией движения ОИ, полученного на основании фактической или априорной информации о скорости полета ОИ, рассчитывают расстояние R от поверхности конуса возмущения в момент встречи ОИ с преградой до ИТ, а момент встречи ОИ с преградой определяют по формуле:

$$t=t_{рег}-\frac{R}{{с}_{зв}},\left(1\right)$$

где с_зв - скорость распространения звука в воздушной среде в момент проведения испытания.

Регистрация БУВ, возбуждаемой полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью, позволяет решить техническую задачу даже в условиях плохого прогнозирования места встречи ОИ с преградой, когда реальная точка встречи ОИ с преградой может располагаться от ИТ дальше, чем ожидаемая. Это возможно благодаря относительно большому уровню давления во фронте БУВ и ее слабому затуханию при распространении на большие расстояния от траектории. Наличие у БУВ крутого фронта (длительность единицы микросекунд) позволяет определять время его регистрации в ИТ (t_рег) с высокой точностью. Характерная N-образная форма БУВ позволяет легко ее идентифицировать среди прочих сигналов. В конечном итоге эти преимущественные особенности БУВ в отличие от сейсмических волн позволяют повысить разрешающую способность способа, что обеспечивает определение моментов встречи с преградой нескольких ОИ, подходящих к ней с малой разновременностью.

Измерительные средства и вспомогательное оборудование для осуществления заявляемого способа компактны и могут быть в короткие сроки развернуты и подготовлены к измерениям, в том числе и на необорудованных специальным образом площадках. Для повышения надежности измерений можно использовать несколько датчиков, но для решения задачи достаточно получить измерения всего одним.

Способ поясняется чертежами. На фигуре 1 приведен результат регистрации баллистической ударной волны в ИТ датчиком давления, на фигуре 2 - схема распространения конуса возмущения после встречи ОИ с преградой, на фигуре 3 - схема, поясняющая алгоритм расчета момента встречи ОИ с преградой.

Способ определения момента встречи ОИ с преградой реализуется следующим образом.

По крайней мере в одной измерительной точке, размещаемой в районе подхода ОИ к преграде, устанавливают датчик избыточного давления, регистрирующий возмущения воздушной среды. Точку установки датчика выбирают таким образом, чтобы он оказался в «перелетной» зоне относительно прогнозируемой точки встречи ОИ с преградой (фиг.2). Перед проведением испытаний выполняют геодезическую привязку датчика к системе пространственных координат измерительной площадки (полигона). Датчик давления подключают к автономному устройству регистрации информации или через адаптер сбора данных к ПЭВМ. Метеостанцией измеряют параметры невозмущенной воздушной среды (не показано).

В ходе проведения испытания регистрируют баллистическую ударную волну, возбуждаемую полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью. Регистрируемый сигнал представлен на фиг.1.

В момент встречи ОИ с преградой (фиг.2) огибающая баллистических ударных волн, возбужденных ОИ на траектории, имеет форму конуса, называемую конусом возмущения. Его осью является траектория движения ОИ. Угол α между образующей конуса и его осью связан с числом Маха М соотношением: sin α=1/M (Фабрикант Н.Я. «Аэродинамика», Издательство «Наука»; 1964 г.) После встречи ОИ с преградой образующая конуса возмущения продолжает распространяться в пространстве со скоростью звука по нормали к своей поверхности, достигая датчика давления, расположенного в точке В.

По результатам регистрации баллистической ударной волны определяют момент времени t_рег, соответствующий достижению БУВ измерительной точки В (фиг.1).

Точкой возбуждения волны, достигшей измерительной точки В, является точка А, принадлежащая траектории движения ОИ, а в момент встречи ОИ с преградой фронт БУВ, распространяющийся в направлении точки В, находится в точке N.

Траекторию движения ОИ в пространстве на конечном участке его полета (фиг.3) можно описать уравнением (2) с использованием следующих параметров: |V_ou| - величина скорости движения ОИ; β_x, β_y, β_z - углы между положительными направлениями осей выбранной прямоугольной системы координат и траекторией движения ОИ, рассчитываемые с использованием значений азимута и угла подхода ОИ к поверхности преграды; X_o, Y_o, Z_o - координаты точки О встречи ОИ с преградой

В ходе расчетов предполагается, что скорость движения ОИ на конечном участке траектории является постоянной.

Координаты точки встречи ОИ с преградой (X_o, Y_o, Z_o) определяют путем координирования воронки, образованной при встрече ОИ с преградой. Остальные параметры движения ОИ (|V_ou|, β_x, β_y, β_z) могут быть получены как расчетным путем с использованием математической модели движения объекта по траектории, так и экспериментально, путем измерения необходимых параметров непосредственно в ходе испытания.

Используя уравнение прямой (2) и уравнение перпендикуляра, опущенного на нее из точки В (фиг.3), составляют систему уравнений (3). Путем решения системы (3) с использованием набора известных параметров X_o, Y_o, Z_o, β_x, β_y, β_z, |V_ou| находят координаты основания перпендикуляра P(X_P, Y_P, Z_P):

Затем находят длину отрезка NB (d_NB=R), величина которой необходима для определения времени встречи изделия с преградой.

Расстояние R - это расстояние, преодолеваемое БУВ с момента встречи ОИ с преградой до момента ее появления в ИТ (фиг.2). Полагая скорость распространения БУВ равной скорости звука (Красильников В.А. «Звуковые волны в воздухе, воде и твердых телах», М., 1954 г.), определяют время, за которое БУВ преодолевает расстояние R, то есть время распространения БУВ с момента встречи ОИ с преградой до момента ее регистрации в ИТ (t_распр):

С использованием формулы (1) определяют момент времени встречи ОИ с преградой.

Для отработки и применения предлагаемого способа использовались общеизвестные технические средства:

1. Датчики измерения импульсных давлений воздушной среды (например, содержащиеся в Государственном реестре средств измерений, датчики АДИД.406233.001).

2. Адаптер сбора аналоговых данных (ADLINK Technology Inc., 64-канальный адаптер аналогового ввода-вывода DAQ-2204).

3. Экранированные измерительные линии, соединяющие датчики и схему запуска с регистратором (кабель ГПЭУ 6/012).

4. Электронный тахеометр для геодезической привязки ИТ к выбранной системе координат (TRIMBLE М3).

5. Автоматическая метеорологическая станция АМС-2000.

Работоспособность способа и его возможности подтверждены в ряде экспериментов. При этом результаты, полученные с использованием данного способа, согласуются с данными, полученными другими измерительными средствами.

Решение задачи определения момента встречи ОИ с преградой при его полете со сверхзвуковой скоростью производилось следующим образом.

Согласно заявляемому способу на измерительной площадке в одной ИТ был размещен датчик избыточного давления воздушной среды и выполнена его геодезическая привязка к системе пространственных координат измерительной площадки (X_B=-100 м, Y_B=0 м, Z_B=-60 м). Датчик был подключен к адаптеру сбора аналоговых данных DAQ-2204, входящему в состав регистрирующей ПЭВМ. Метеостанцией были измерены параметры воздушной среды (температура воздуха Т_в=13°C).

В ходе проведения испытания датчиком была зарегистрирована БУВ, порожденная полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью, и определен момент времени t_рег=113.9399 с, соответствующий достижению баллистической ударной волной ИТ.

После проведения эксперимента было выполнено координирование воронки, образованной при падении объекта (X_o=340.27 м, Y_o=0 м, Z_o=-166.08 м).

Используя координаты точки встречи ОИ с преградой и расчетные параметры его движения при подходе к поверхности преграды (β_x=135°, β_y=45°, β_z=90° |V_ou|=1200 м/с), путем решения системы уравнений (3) были найдены координаты основания перпендикуляра (X_P,Y_P,Z_P), опущенного из ИТ на траекторию движения ОИ. При дальнейших расчетах было найдено расстояние R=144.01 м. С использованием времени регистрации возмущения в ИТ (t_рег), скорости звука с_зв=339.65 м/с для соответствующих метеоусловий (Т_в) и расстояния R по формуле (1) был определен момент встречи ОИ с преградой (t=113.5159 с). Рассчитанное значение времени встречи ОИ с преградой хорошо согласуется с временем срабатывания контактного датчика, установленного на преграде (113.5169 с).

При практическом применении способа подтверждены надежность регистрации БУВ и технический результат, заключающийся в надежном определении момента встречи ОИ с преградой, возможности его применения на необорудованных площадках, при его относительной простоте и малых затратах на применение. В ряде экспериментов применение этого способа обеспечило определение момента встречи с преградой каждого из группы ОИ, подходящих к ней с малой разновременностью.

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники. Достигаемый технический результат - высокая разрешающая способность, обеспечивающая определение моментов встречи с преградой нескольких объектов испытания, а также простота и компактность используемых средств. Указанный результат достигается за счет того, что способ включает регистрацию в измерительной точке (ИТ) с известными координатами сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, определение времени его регистрации в ИТ (t_рег) и расчет момента встречи ОИ с преградой. В качестве сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, регистрируют баллистическую ударную волну, возбуждаемую полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью. На основании фактической или априорной информации о величинах углов, образуемых траекторией его движения с осями выбранной прямоугольной системы координат, и координатах точки встречи ОИ с преградой рассчитывают расстояние от ИТ до траектории движения ОИ, с использованием которого и значения угла между образующей конуса возмущения и траекторией движения ОИ, полученного на основании фактической или априорной информации о скорости полета ОИ, рассчитывают расстояние R от поверхности конуса возмущения в момент встречи ОИ с преградой до ИТ. Момент встречи ОИ с преградой определяют по формуле , где с_зв - скорость распространения звука в воздушной среде, соответствующая метеоусловиям в момент проведения испытания. 3 ил.

Способ определения момента встречи объекта испытания (ОИ) с преградой, включающий регистрацию по крайней мере в одной измерительной точке (ИТ) с известными координатами сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, определение времени его регистрации в ИТ (t_рег) и последующий расчет момента встречи ОИ с преградой, отличающийся тем, что в качестве сигнала, содержащего информацию о подходе ОИ к преграде, регистрируют баллистическую ударную волну, возбуждаемую полетом ОИ со сверхзвуковой скоростью, на основании фактической или априорной информации о величинах углов, образуемых траекторией его движения с осями выбранной прямоугольной системы координат, и координатах точки встречи ОИ с преградой рассчитывают расстояние от ИТ до траектории движения ОИ, с использованием которого и значения угла между образующей конуса возмущения и траекторией движения ОИ, полученного на основании фактической или априорной информации о скорости полета ОИ, рассчитывают расстояние R от поверхности конуса возмущения в момент встречи ОИ с преградой до ИТ, момент встречи ОИ с преградой определяют по формуле , где с_зв - скорость распространения звука в воздушной среде в момент проведения испытания.