АРТИЛЛЕРИЙСКИЙ СНАРЯД С СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ ДИСТАНЦИОННОГО ПОДРЫВА Российский патент 2023 года по МПК F42B12/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое изобретение относится к автономным устройствам определения начальной скорости с управляемым инициированием подрыва снарядов нарезной артиллерии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В артиллерии нашли широкое применение программируемые снаряды воздушного подрыва. Вычислительный комплекс артиллерийской системы определяет и вводит в снаряд заданную дистанцию его подрыва после выстрела. Фактическое время подрыва может отличаться от заданного вследствие различных свойств заряда и износа ствола орудия. Измерение и ввод в снаряд значения его начальной скорости существенно увеличивает эффективность артиллерийской системы.

Аналогом данного устройства является (патент RU №194159 на изобретение заявка: 2019131329 МПК F42C (2006.01) опубликован: 29.11. 2019. Бюл. №34). В этом устройстве для дистанционного подрыва артиллерийского снаряда осуществляется контролируемое инициирование подрыва осколочного или фугасного снаряда в воздухе без его непосредственного контакта с поражаемой целью при значительной экономии боеприпасов. В устройстве для дистанционного подрыва артиллерийского снаряда в виде дистанционного взрывателя с элементом приведения его в действие на заданном расстоянии от точки выстрела, диаметр задней части корпуса взрывателя превышает внешний диаметр головной части корпуса снаряда с формированием кольцевой поверхности с размещенным на ней лазерным датчиком, принимающим сигнал для инициирования подрыва. На кольцевой поверхности корпуса взрывателя размещено несколько приемников управляющего сигнала. На фиг. 1 представлена головная часть артиллерийского снаряда с взрывателем и несколькими фотоприемниками.

Взрыватель артиллерийского снаряда содержит корпус 1 конической формы, диаметр задней его части (большего основания конуса) превышает наименьший диаметр головной части снаряда 2 с образованием кольцевой поверхности 3, в которой просверлено отверстие и установлен фотоприемник 4 сигнала на подрыв снаряда, принимающий лазерный сигнал на подрыв снаряда. Фотоприемник 4 ориентируют в направлении, противоположном направлению выстрела. Размер отверстия и глубина установки фотоприемника 4 определяется эмпирическим путем с целью максимального отсечения «чужих» сигналов лазерного излучения.

Для повышения надежности приема сигнала на кольцевой поверхности 3 в могут быть смонтированы насколько равномерно установленных фотоприемников 4. На борту снаряда отсутствуют какие-либо вычислительные системы только приемник 4 сигнала (с шифратором или без) и инициатор подрыва. Указанными приемниками 4 сигнала могут быть дооборудованы существующие конструкции взрывателей.

Устройство работает следующим образом.

Устройство применяют в отношении поражаемой цели, находящейся за некоторой преградой вне прямой видимости. Предварительно осуществляют расчет оптимального времени подрыва снаряда посредством танкового баллистического вычислителя (ТБВ). При этом учитывают расстояние до цели, осуществляют поправки на скорость цели, скорость ветра и его направление, температуру заряда и др., а также характер поражаемой цели (бронеобъект, пехота, беспилотник).

Устройство применяют в отношении видимой поражаемой цели на дальностях до 10 км. Так, в отношении бронеобъекта подрыв должен осуществляться на расстоянии 3-5 Ом, для пехоты и беспилотника 20-500 м, Сигнал на отсчет времени поступает в ТБВ от датчика отката орудия в момент производства выстрела. Сигнал на подрыв снаряда посредством лазерного излучения подается после расчета ТБВ. Лазерный сигнал на инициирование детонатора подают от прямого (направленного) источника, размещенного на танке или артиллерийском орудии

Сигнал лазерного излучения может быть как шифрованный, так и обычный. Недостатком данного устройства является то, оно применяется в отношении видимой поражаемой цели, а сигнал на инициирование детонатора подают от источника (лазера), что не всегда даст нужный результат.

Другим аналогом является (патент RU №2535313 на изобретение заявка: 2012137290/03 МПК F42C (2006.01) опубликован: 10.03.2014. Бюл. №7), в котором программируемый снаряд содержит накопитель энергии, электронный блок, взрыватель и датчик приема сигналов и энергии. Программирование, так же как передача энергии, осуществляется при прохождении снаряда через ствол орудия, дульный тормоз или подобный элемент, выполняющий функции волновода. Фактическое время подрыва может отличаться от заданного вследствие различных свойств заряда и износа ствола орудия. Измерение и ввод в снаряд значения его начальной скорости существенно увеличивает эффективность артиллерийской системы. Еще одним аналогом является (патент RU №2406959 на изобретение заявка: 2009126134/02 МПК F41A (2006.01) опубликован: 20.12. 2010. Бюл. №35), для измерения дульной скорости снаряда предложено использовать ствол или дульный тормоз в качестве волновода. При этом используется эффект допплеровского изменения частоты принимаемого сигнала. В описании патента рассмотрено также устройство измерения скорости снаряда с помощью пары катушек индуктивности, расположенных за дульным тормозом на определенном расстоянии между собой. При этом скорость определяется измерением интервала времени прохода снарядом расстояния между катушками. В известных системах с управляемыми боеприпасами, например, AHEAD, расстояние между катушками индуктивности составляет 10 см. Небольшое расстояние между катушками, форма их электромагнитного поля, окружающая температура и пороховые газы ограничивают точность измерения скорости снаряда.

Измеренное значение скорости выхода снаряда из ствола орудия поступает в вычислительный комплекс и определяется необходимое время запаздывания подрыва снаряда. Эта величина должна быть введена в снаряд через устройства связи до полного выхода снаряда из ствола. Малый промежуток времени порядка 10^-4 секунды для выполнения указанных процедур предъявляет жесткие требования к каналу связи и вычислительным устройствам комплекса. При этом также ограничивается точность решения задачи. Недостатком рассмотренных устройств измерения начальной скорости снарядов является также усложнение конструкции артиллерийских орудий.

Следующим аналогом является (патент RU №2703835 на изобретение заявка: 2018135544 МПК F41F (2006.01) опубликован: 22.10.2019. Бюл. №30). В этом аналоге внутри снаряда установлен измеритель угловой скорости снаряда, в котором используется инерционный способ определения начальной скорости управляемого снаряда нарезного орудия.

При выстреле из нарезного орудия снаряд вместе измерителем угловой скорости снаряда начинает вращаться, а маховик измерителя вследствие своих инерционных свойств пытается сохранить свою начальную угловую ориентацию. Скорость вращения снаряда на выходе из ствола орудия определяется по интервалу времени между заданным числом импульсов напряжения на катушке индуктивности. Применение ферритового сердечника в катушке индуктивности обеспечивает измерение сигналов в широкой полосе частот. При этом появляется возможность с высокой точностью привязывать к шкале времени импульсы напряжения на катушке индуктивности. Стало возможным измерять скорость вращения снаряда по временному интервалу между заданным количеством импульсов на катушке индуктивности, связанным с количеством оборотов снаряда. Обеспечивается процедура измерений с погрешностью не более 0,1% на интервале времени менее 0,1 секунды.

Скорость полета снаряда определяется на начальном участке его полета по скорости его вращения с учетом шага нарезки на дульном участке ствола орудия. Для обеспечения возможности размещения устройства в снарядах малого и среднего калибра диаметр устройства должен быть достаточно малым.

Наиболее близким изобретением, прототипом, является артиллерийский боеприпас (патент RU №2310154 на изобретение заявка: 2006114810/02, МПК F42B (2006.01) опубликован: 10.11.2007. Бюл. №31).

Целью прототипа, является повышение точности дистанционного инициирования подрыва малокалиберных вращающихся артиллерийских снарядов по дальности.

Это достигается тем, что в артиллерийском боеприпасе с управляемым инициированием, включающем корпус, наполнение, взрыватель, содержащий преобразователь, предохранительный и исполнительный механизмы, а также блок дистанционного управления взрывателем в составе последовательных приемного устройства кода времени с дешифратором и устройства задержки. В корпусе снаряда размещен датчик скорости вращения малокалиберного снаряда, выполненный преимущественно в виде свзанного с магнитным полем Земли магнитометра. Датчик скорости через связанный с дешифратором приемного устройства счетчик заданного количества импульсов подключен к устройству задержки. Устройство задержки содержит связанные с дешифратором два управляемых тактовым генератором переключателя в линиях обработки сигналов, замкнутых через счетчик временем подрыва, один - через делитель, а другой - через две последовательные схемы «И», замкнутые счетчиком мерного интервала, причем обе линии связаны регистром через общую схему сравнения, при этом датчик скорости вращения малокалиберного снаряда подключен к первой из последовательно свзанных схем «И» устройства задержки. Используя прямую зависимость между угловой и линейными скоростями вращающегося изделия на начальном участке полета, определяют начальную скорость движения каждого снаряда, согласно которой адекватно регулировать в автоматическом режиме дистанцию (время) инициирования взрывателя. Скорость вращения снаряда вокруг его продольной оси измеряют посредством подсчета числа оборотов в единицу времени, при этом используют магнитное поле Земли. При вращения боеприпаса вокруг оси и пересечении силовых линий магнитного поля Земли возникает переменная по величине и полярностии ЭДС, в форме периодического импульсного сигнала, однозначно характеризующего линейную скорость, получаемую снарядом при выстреле. В зависимости от фактической начальной скорости, сравниваемой с установленным базовым уровнем, схемой задержки вырабатывается соответствующее замедление инициирования подрыва снарядов, с меньшей погрешностью по дальности и, следовательно, с меньшим удалением по дальности от цели, что значительно повышает эффективность поражающего действия снаряда. При этом значительно сокращается боекомплект, необходимый для выполнения боевой задачи.

Сущность прототипа поясняется рисунками, на которых изображены:

на фиг. 2 - общий вид снаряда в разрезе;

на фиг. 3 - функциональная схема управления инициированием подрыва.

В осколочно-фугасном корпусе 2 (фиг. 2) артиллерийского малокалиберного снаряда содержится наполнение 5 взрывчатым веществом, блок 6 дистанционного управления и датчик 7 скорости вращения снаряда вокруг продольной оси. В донной части корпуса 2 выполнено оптическое окно 8 через которое излучение лазера, расположенного в артиллерийской системе, попадает на приемное устройство 9 кода времени, состоящего из последовательно соединеных фотоприемника 10 и дешифратора 11. Блок 12 дистанционного управления соединен с электровоспламенителем 13 (фиг. 3), который оснащен штатным предохранительным механизмом 14 и исполнительным механизмом 15. Датчик скорости вращения снаряда 7 через регистр импульсов 16 и счетчик импульсов 17 соединен с блоком дистанционного управления 12.

Функционирует описанное устройство следующим образом.

После выстрела, через время задержки, внешнее передающее устройство, свзянное с пушкой, излучает в направлении снаряда кодовую лазерную посылку в виде двух пар импуьсов. Интервал между двумя парами импульсов пропорционален времени задержки подрыва снаряда, а временной интервал между импульсами в парах определяется максимально возможной начальной скоростью снаряда данного типа и одновременно служит индентификационным признаком для исключения приема случайных помеховых сигналов в качестве управляющих.

При поступлении на приемник 10 через оптическое окно 8 корпуса 2 двух пар управляющих кодированных импульсов в дешифраторе отсчитывается временной интервал между этими парами импульсов. Блок дистанционного управления 12 формирует сигнал который поступает на электровоспламенитель 13. Сигнал срабатывания электровоспламенителя 13 через штатное предохранительное устройство 14 вызывает срабатывание лучевого детонатора 15 инициирующего детонацию взрывчатого вещества наполнения 5 и подрыв снаряда в заданной точке траектории полета. При расчете среднеквадратической погрешности определения начальной скорости снаряда ±0,15% отклонение начальной скорости малокалиберного снаряда по уровню 3σ составит ±4,5 м/с. Автоматическое управление временем (дистанцией) подрыва заметно сокращет ошибку по дальности, так воздушный подрыв указанных малокалиберных снарядов по уровню 3σ характеризуется ошибками:

- на дальности 1 км ±7,8 м;

- на дальности 2 км ±13,4 м.

При вращении магнитометра 7 в составе снаряда на траектории полета со скоростями, присущими малокалиберным снарядам (100 тыс. оборотов в минуту), в магнитном поле Земли в нем возникает ЭДС уровня 10 мВ.

В качестве магнитометра 7 используются магниторезистивные датчики типа KMZ51 или НМС1001, выполненных в интегральном исполнении. Они чувствительны к величине и направлению вектора магнитного поля. Недостатком данного устройства измерения скорости вращения снаряда, является погрешность измерения возникающая при прецессионных и нутационных движениях снаряда.

Таким образом, в области техники существует необходимость в появлении более точного малогабаритного устройства, размещаемого в снаряде и измеряющего его начальную скорость.

Технической задачей изобретения является повышение точности дистанционного инициирования подрыва малокалиберных вращающихся артиллерийских снарядов по дальности.

Заявленный технический результат достигается за счет того что, в известном устройстве содержащим корпус, взрывчатое вещество, взрыватель с преобразователем, предохранительным и исполнительным механизмами, датчик угловой скорости и приемное устройство кода дистанции подрыва, установленные в снаряде и соединенные с модулем дистанционного управления взрывателем, согласно изобретению датчик угловой скорости установлен в донной части снаряда и содержит анализатор плоскости поляризации излучения поступающего от лазера на фотоприемник, выход фотоприемника последовательно соединен с формирователем импульсов и умножителем частоты импульсов, при этом выход умножителя частоты импульсов соединен со счетным входом микроконтроллера, определяющего по числу импульсов за заданный промежуток времени, частоту импульсов и начальную скорость снаряда, при этом управляющий выход микроконтроллера связан с входом схемы электровоспламенителя. Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по предлагаемому устройству, является следующая совокупность элементов и связей между ними:

1. Донная часть снаряда содержит анализатор плоскости поляризации излучения поступающего от лазера;

2. Прошедшее через вращающийся анализатор плоскости поляризации излучение попадает на фотоприемник. Круговая частота переменной составляющей сигнала с фотоприемника в два раза больше угловой скорости снаряда;

3. Выход фотоприемника через формирователь импульсов соединен с входом умножителя частоты импульсов, что позволяет увеличить частоту импульсов в N раз;

4. Выход умножителя частоты импульсов соединен со счетным входом микроконтроллера, который по числу импульсов за фиксированный промежуток времени определяет частоту сигнала. При этом относительная погрешность измерения частоты за установленное время счета, уменьшается в N раз.

5. При начальной скорости снаряда V₀=1000 м/сек, погрешность измерения начальной скорости составит: ΔV₀=0,255 м/сек., а систематическая погрешность воздушного подрыва на дальности L=1000 м. составит 0,255 м.

Заявляемое устройство являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.

Артиллерийский снаряд с управляемым инициированием подрыва (фиг. 4) содержит: анализатор плоскости поляризации излучения 18, фотоприемник 19, формирователь импульсов 20. Выход формирователя импульсов 20 соединен с умножителем частоты импульсов 21, а его выход соединен со счетным входом микроконтроллера 22, определяющего по числу импульсов за заданный промежуток времени, частоту импульсов и начальную скорость снаряда. Приемное устройство кода дистанции подрыва, включает в себя фотоприемник 19, выход которого через формирователь импульсов 20 соединен с входом микроконтроллера 22 декодирующим дистанцию подрыва. Вход электровоспламенителя 13, оснащен штатным предохранительным механизмом 14 и исполнительным механизмом 15. Устройство управляемого инициирования подрыва артиллерийского снаряда работает следующим образом. Лазер, установленный на артиллерийском орудии, излучает в направлении снаряда плоско поляризованное излучение. Излучение лазера, пройдя анализатор плоскости поляризации 18, попадает на фотоприемник 19. При вращении снаряда 2 с угловой скоростью Q, вместе с ним вращается анализатор плоскости поляризации 18 падающего на снаряд плоско поляризованного излучения лазера. Интенсивность прошедшего через анализатор 18 и падающего на фотоприемник 19 излучения, в соответствии с законом Малюса соответствует формуле:

где I₀ - интенсивность попадающего на поляризатор плоскости поляризации излучения; ϕ - угол между плоскостями поляризации плоско поляризованного излучения лазера и анализатора.

Поскольку, снаряд 2 вращается с угловой скоростью Ω, угол между плоскостью поляризации излучения лазера и анализатора 18, будет изменяться по закону:

Подставляя (2) в (1), получим:

Как следует из формулы (3), интенсивность отраженного от снаряда 2 излучения содержит постоянную и переменную составляющие. Переменная составляющая сигнала изменяется с удвоенной частотой по отношению к угловой скорости вращения снаряда ƒ_np=2Ω/2π=Ω/π.

Линейная скорость снаряда V₀ связана со угловой скоростью его вращения Ω, углом наклона нарезов ствола α на дульном участке ствола орудия, и калибром ствола d, и определяется по формуле:

Так, например, при скорости снаряда V₀=1000 м/сек, калибре ствола d=20 мм., угле наклона нарезов на дульном участке ствола орудия α=7°, угловая скорость снаряда составит:

Ω=12278,5 рад/сек., или 1955 об/сек=117310 об/мин. При этом ƒ_np=3910 Гц., а после умножителя частоты 21, частота составит ƒ_уч=N*ƒ_np=N*3910 Гц., где N - коэффициент умножения умножителя.

Относительная погрешность измерения частоты равна [1]:

где Т_сч - время счета.

Как следует из соотношения (5) относительная погрешность измерения частоты, тем меньше чем больше частота импульсов и время счета. Частота счета увеличена за счет умножителя частоты. Время счета ограничивается, временем нахождения снаряда на этапе промежуточной баллистики и принято равным Т_сч=0,1 секунды.

Микроконтроллер 22, за определенный промежуток времени считает число импульсов поступающих с умножителя частоты импульсов 21, определяет частоту импульсов ƒ_ф и вычисляет начальную скорость снаряда по формуле (4).

Начальная скорость снаряда вводится в систему расчета времени подрыва снаряда после выстрела с учетом введенной дистанции подрыва. При частоте счетных импульсов ƒ_пр=3910 Гц., времени счета Т_сч=0,1 сек. и N=10, относительная погрешность измерения частоты равна [1]:

Это позволит обеспечить измерение частоты с абсолютной с погрешностью Δƒ=3910*0,000256=1 Гц., а начальной скорости:

При этом систематическая погрешность воздушного подрыва на дальности L=1000 м. составит:

ΔL=ΔV*t=0,255* 1000/1000=0,25 5 м.,

а на дальности L=2000 м ΔL=0,51 м. Здесь предполагается, что дистанция подрыва L задана точно.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет повысить точность дистанционного подрыва артиллерийского снаряда, значительно упростить, снизить вес и повысить надежность измерительной системы, а также улучшить ее энергетические характеристики. Суммарный объем анализатора вместе с микроконтроллером, размещаемых в снаряде, составляет менее 1 см³, а вес не более десяти грамм.

Изобретение относится к устройствам дистанционного измерения начальной скорости программируемых снарядов. Артиллерийский снаряд с системой управления дистанционного подрыва содержит корпус, взрывчатое вещество, взрыватель с преобразователем, предохранительным (14) и исполнительным (15) механизмами, датчик угловой скорости (7) и приемное устройство (9) кода дистанции подрыва, установленные в снаряде и соединенные с модулем дистанционного управления взрывателем. Датчик угловой скорости (7), установленный в донной части снаряда, содержит анализатор плоскости поляризации излучения (18), поступающего от лазера на фотоприемник (19). Выход фотоприемника (19) последовательно соединен с формирователем импульсов (20) и умножителем частоты импульсов (21). Выход умножителя частоты импульсов (21) соединен со счетным входом микроконтроллера (22), определяющего по числу импульсов за заданный промежуток времени частоту импульсов и начальную скорость снаряда. Управляющий выход микроконтроллера (22) связан с входом схемы электровоспламенителя (13). Обеспечивается повышение точности дистанционного инициирования подрыва малокалиберных вращающихся артиллерийских снарядов по дальности. 4 ил.

Артиллерийский снаряд с системой управления дистанционного подрыва, содержащий корпус, взрывчатое вещество, взрыватель с преобразователем, предохранительным и исполнительным механизмами, датчик угловой скорости и приемное устройство кода дистанции подрыва, установленные в снаряде и соединенные с модулем дистанционного управления взрывателем, отличающийся тем, что датчик угловой скорости, установленный в донной части снаряда, содержит анализатор плоскости поляризации излучения, поступающего от лазера на фотоприемник, выход фотоприемника последовательно соединен с формирователем импульсов и умножителем частоты импульсов, при этом выход умножителя частоты импульсов соединен со счетным входом микроконтроллера, определяющего по числу импульсов за заданный промежуток времени частоту импульсов и начальную скорость снаряда, а управляющий выход микроконтроллера связан с входом схемы электровоспламенителя.