ПОЛЯРИЗАЦИОННЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА НАРЕЗНОГО АРТИЛЛЕРИЙСКОГО ОРУДИЯ Российский патент 2023 года по МПК G01S13/58 G01P3/36 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения начальной скорости снаряда, являющейся одной из важнейших баллистических характеристик оружия, оказывающей влияние на его боевые свойства.

Аналогом данного технического решения является способ измерения внешнебаллистических характеристик снаряда (патент RU 2515580 на изобретение заявка: 2013112556/07 МПК G01S 13/58 (2006.01), опубликован: 10.05.2014. Бюл. №13).

Способ основан на излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме электромагнитной энергии отраженной от снаряда, преобразовании аналогового сигнала в цифровой вид, записи сигналов в блок памяти, формировании последовательности дискретных значений его текущей скорости по реализациям доплеровского эхо-сигнала снаряда, вычислении по текущей скорости начальной скорости снаряда.

Недостатком данного способа является зависимость точности измерения начальной скорости снаряда от угла между траекторией движения снаряда и направлением наблюдения.

Другим способом измерения начальной скорости снаряда является (патент RU 2715994 на изобретение, заявка: 2019127089 МПК G01S 13/58 (2006.01), опубликован: 05.03.2019. Бюл. №7). В данном способе излучение лазера распространяется в направлении движения снаряда, а прием отраженной от снаряда электромагнитной энергии осуществляется двумя оптическими телескопическими системами с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2, причем угол а между их оптическими осями известен и неизменен. При этом излучения от каждой из телескопических систем суммируют с излучением лазера в двух оптических смесителях, а начальную скорость снаряда определяют по формуле:

где λ₀ - длина волны лазера и соответствующая ей частота ƒ₀;

(ƒ₀-ƒ_d1) - разностная частота излучения после первого смесителя;

(ƒ₀-ƒ_d2) - разностная частота излучения после второго смесителя.

На фигуре 1 приведена схема измерения начальной скорости снаряда, где:

1 - одночастотный лазер;

2, 3 - приемные телескопические системы;

4 - оптические смесители;

5 - блок обработки доплеровских эхо-сигналов с установленными в нем фотоприемниками.

Устройство измерения начальной скорости снаряда содержит лазер 1, излучение которого направлено на траекторию движения снаряда. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера ƒ_d1 и ƒ_d2 принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3. Принятые излучения подают в оптические смесители 4. Одновременно с этим в оптические смесители приходит излучение лазера 1 с частотой ƒ₀. После смесителей 4 оптические сигналы с разностной частотой направляются в блок обработки доплеровских эхо-сигналов 5 с установленными в нем фотоприемниками. Устройство измерения начальной скорости снаряда функционирует следующим образом. Отраженное от снаряда излучение лазера с частотами Доплера

принимается двумя оптическими телескопическими системами 2 и 3 угол между оптическими осями, которых равен α. Принятые излучения подают в оптические смесители - фотоприемники 4 вместе с излучением лазера 1 с частотой ƒ₀. После смесителей 4 сигналы с разностной частотой Δƒ₁=ƒ₀-ƒ_d1 и ƒ₂=ƒ₀-ƒ_d2 направляются в блок обработки доплеровских эхо-сигналов 5, который производит обработку сигналов и вычисление начальной скорости снаряда.

Недостатком данного способа является высокие частоты доплеровских сигналов и возникающие, в связи с этим, сложность их обработки.

Наиболее близким (прототип) инерционным способом определения начальной скорости управляемого снаряда нарезного орудия является (патент RU 2703835 на изобретение заявка: 2018135544 МПК F41F 1/00 (2006.01), G01P 3/481 (2006.01), опубликован: 22.10.2019 Бюл. №30).

В соответствии с инерционным способом определения начальной скорости снаряда с помощью установленного внутри снаряда миниатюрного маховика, связанного с корпусом снаряда подшипниковым узлом, содержащим упорный и радиальный подшипники, оси которых совпадают с продольной осью снаряда, и расположенными на маховике постоянными магнитами, измеряется на начальном участке траектории полета снаряда его скорость вращения относительно маховика, стремящегося сохранить свою начальную угловую ориентацию, по интервалу времени между заданным количеством импульсов напряжения на катушке индуктивности, связанной с корпусом снаряда и содержащей разомкнутый ферромагнитный сердечник, а по величине скорости вращения снаряда определяется скорость его полета с учетом шага нарезки на дульном участке ствола орудия. При выстреле на устройство, созданное по предложенному способу, на коротком промежутке времени действуют огромные инерционные силы, направленные вдоль его продольной оси. Поэтому в состав подшипникового узла кроме радиального шарикоподшипника включен также упорный подшипник.

Сущность прототипа поясняется конструктивной схемой, изображенной на фигуре 2. Согласно заявленному изобретению в цилиндрическом корпусе 6 измерителя угловой скорости снаряда расположен маховик 7, вал которого 8 связан с корпусом подшипниковым узлом с радиальным шарикоподшипником 9 и упорным шарикоподшипником 10. На маховике установлено два симметрично расположенных относительно оси вращения постоянных магнита 11 с осевой намагниченностью. На корпусе 6 установлена катушка индуктивности 12 с разомкнутым ферритовым сердечником гантельного типа. При вращении маховика 7 относительно корпуса 6 в катушке индуктивности 12 возникают два импульса напряжения на каждый оборот маховика. Продольная ось корпуса 6 совпадает с продольной осью снаряда.

До выстрела орудия маховик 7 неподвижен относительно корпуса 6. При выстреле из нарезного орудия снаряд вместе с корпусом 6 начинает вращаться, а маховик 7 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 12. 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. Для сохранения работоспособности устройства при больших линейных ускорениях снаряда в стволе орудия необходимо выполнить вращающуюся часть с маховиком минимальной массы.

Недостатком прототипа является сложность и не достаточная надежность инерционного механизма, размещенного в снаряде, определяющего его угловую скорость.

Технической задачей изобретения является упрощение способа, уменьшение частоты информационного сигнала, отраженного от снаряда.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что электромагнитное излучение направляют на отражатель, например уголковый, перед которым расположен поляризатор плоскости поляризации, при этом, отражатель и поляризатор размещены в задней части снаряда. Отраженное от уголкового отражателя и вторично прошедшее излучение через поляризатор плоскости поляризации направляют на анализатор плоскости поляризации, расположенный в приемной телескопической системе, прошедшее анализатор плоскости поляризации излучение преобразуют в электрический сигнал, измеряют частоту ω переменной составляющей электрического сигнала, по частоте ω вычисляют угловую скорость вращения снаряда Ω=ω/2 и его начальную скорость:

где d - калибр ствола, α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия.

Данное положение поясняется следующим. Электромагнитное излучение направляется на заднюю часть движущегося снаряда. В задней части снаряда последовательно по ходу луча установлены поляризатор плоскости поляризации излучения и уголковый отражатель. Уголковый отражатель изменяет направление падающего луча на противоположное, независимо от угла падения, что обеспечивает малые потери излучения. При вращении снаряда с угловой скоростью вместе с ним вращается поляризатор плоскости поляризации падающего на снаряд излучения и уголковый отражатель. Отраженное от уголкового отражателя и вторично прошедшее через поляризатор плоскости поляризации излучение, принимают телескопической системой, в которой расположен анализатор плоскости поляризации излучения. Интенсивность излучения прошедшего через поляризатор и анализатор, в соответствии с законом Малюса равна:

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

Поскольку, снаряд вращается с угловой скоростью Ω, угол между плоскостями поляризации поляризатора и анализатора, будет изменяться по закону:

Подставим (2) в (1), получим:

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

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

Так, например, при скорости снаряда V₀=1000 м/сек, калибре ствола d=150 мм., угле наклона нарезов на дульном участке ствола орудия α=7°, угловая скорость снаряда составит Ω=1637,127 рад/сек., (Ω=260,55 об/сек) или 15633,4 об/мин. Переменная составляющая сигнала, в этом случае, будет иметь удвоенную частоту 2Ω=521,1 Гц. Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:

1. В задней части снаряда установлен поляризатор плоскости поляризации излучения и уголковый отражатель;

2. Уголковый отражатель изменяет направление падающего луча на противоположное, независимо от угла падения, что обеспечивает малые потери излучения;

3. Нет необходимости использовать лазер с узким спектром излучения, как например, в доплеровских системах;

4. При вращении снаряда с угловой скоростью Ω плоскость поляризации отраженного от снаряда излучения вращается с этой же скоростью;

5. Принятое излучение, плоскость поляризации которого вращается с угловой скоростью Ω проходит через анализатор плоскости поляризации, преобразуется в электрический сигнал, частота которого в два раза выше частоты вращения снаряда;

6. Измеряют частоту ω переменной составляющей электрического сигнала, по которой вычисляют угловую скорость вращения снаряда Ω=ω/2 и его начальную скорость:

где d - калибр ствола, α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия.

Заявляемый способ являются результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.

На фигуре 3 приведена схема проведения экспериментов, где:

1 - узко - направленный источник излучения (лазер с широким спектром излучения);

13 - анализатор излучения;

14 - снаряд;

15 - поляризатор плоскости поляризации излучения;

16 - уголковый отражатель (катафот);

17 - модуль измерения угловой скорости снаряда и вычисления начальной скорости снаряда.

Устройство измерения начальной скорости снаряда содержит узконаправленный источник излучения 1, излучение которого направляется на заднюю часть снаряда 14. В задней части снаряда 14 расположены поляризатор плоскости поляризации излучения 15 и уголковый отражатель (катафот) 16. Отраженное от уголкового отражателя 16 излучение проходит через поляризатор плоскости поляризации излучения 15 и направляется через анализатор плоскости поляризации излучения 13 в модуль измерении угловой скорости снаряда 17 и вычисления начальной скорости снаряда. В модуле измерения угловой скорости снаряда 17, принятое излучение преобразуется в электрический сигнал, по частоте которого вычисляется угловая скорость и начальная скорость снаряда.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет значительно упростить, снизить вес и повысить надежность измерительной системы, а также улучшить ее энергетические характеристики. Суммарный объем анализатора вместе с отражателем, размещаемых в снаряде, составляет менее 1 см3, а вес не более двух десятков грамм.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения угловой скорости вращения и начальной скорости снаряда. Техническим результатом является повышение точности измерения угловой скорости вращения и начальной скорости снаряда. В заявляемом способе электромагнитное излучение направляют на уголковый отражатель, перед которым расположен поляризатор плоскости поляризации, при этом отражатель и поляризатор размещены в задней части снаряда. Отраженное от уголкового отражателя и вторично прошедшее через поляризатор плоскости поляризации излучение направляют на анализатор плоскости поляризации, расположенный в приемной телескопической системе. Далее излучение преобразуют в электрический сигнал, измеряют частоту ω переменной составляющей электрического сигнала. По частоте сигнала вычисляют угловую скорость вращения снаряда Ω=ω/2 и его начальную скорость , где d - калибр ствола, α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия. 3 ил.

Поляризационный способ определения начальной скорости снаряда нарезного артиллерийского орудия, заключающийся в излучении электромагнитной энергии в направлении движения снаряда, приеме отраженной от снаряда электромагнитной энергии телескопической системой, с последующей обработкой сигнала, отличающийся тем, что электромагнитное излучение направляют на отражатель, например уголковый, перед которым расположен поляризатор плоскости поляризации, при этом отражатель и поляризатор размещены в задней части снаряда, отраженное от уголкового отражателя и вторично прошедшее излучение через поляризатор плоскости поляризации направляют на анализатор плоскости поляризации, расположенный в приемной телескопической системе, прошедшее анализатор плоскости поляризации излучение преобразуют в электрический сигнал, измеряют частоту ω переменной составляющей электрического сигнала, по частоте ω вычисляют угловую скорость вращения снаряда Ω=ω/2 и его начальную скорость:

,

где d - калибр ствола, α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия.