Мишенная установка Российский патент 2023 года по МПК F41J1/00 F41J2/02 F41J7/06 

Предлагаемое изобретение относится к полигонному автоматизированному оборудованию, конкретно - к тепловым мишеням-имитаторам реальных объектов с заданными тепловыми характеристиками, предназначенным для обучения снайперской стрельбе в условиях ограниченной видимости с использованием инфракрасных прицельных устройств.

Наряду с обеспечением необходимой тепловой сигнатуры мишенного щита отдельным немаловажным требованием к подобным мишеням в условиях тренинга является условие их быстрого и относительно неожиданного, в пределах 1,0…1,5 с, появления в пределах мишенного поля полигона/стрельбища.

При подъеме мишеней из скрытого «лежачего» состояния в вертикальное наряду с весовыми характеристиками мишенного щита дополнительным препятствием для осуществления быстрого подъема является его парусность, особо сказывающаяся при встречном к направлению подъема ветре, что существенно увеличивает энергозатраты на подъем мишенного щита. Электропитание мишенных установок, применяемых в полигонных условиях, осуществляют в основном посредством аккумуляторных батарей. Поэтому уменьшение энергозатрат на подъем мишенного щита позволит увеличить срок их работоспособности, т.е. в итоге количество циклов подъема/опускания мишени в пределах времени, отведенного на тренировку личного состава, что должно положительно сказаться на ее результатах.

Одним из путей уменьшения парусности мишенных щитов может быть их сегментирование, т.е. разделение на несколько независимых частей, соединяемых при подъеме в одно целое.

Анализ известных конструкций мишенных установок с сегментированными мишенными щитами показал следующее.

Сегментированная мишень /1/, состоит из нескольких виброизолированных друг от друга сегментов и предназначена для постоянного фиксированного позиционирования. Механизм подъема и устройство нагрева мишенного щита в конструкции не предусмотрены.

Мишенные установки /2, 3/ содержат составной мишенный щит из двух раздельных частей, сопрягаемых в вертикальной плоскости посредством пространственного шарнирно-параллелограммного механизма. Недостатком данных устройств является достаточно сложный и громоздкий механизм подъема, а также полное отсутствие нагрева частей мишенного щита.

Складной мишенный щит устройства /4/ состоит из двух частей, соединенных расположенным в их верхней части горизонтальным шарниром. Недостатки здесь те же, что и у вышеописанных устройств, - достаточно сложный механизм подъема, отсутствие устройства нагрева. А кроме того, при подъеме при встречном ветре - дополнительные нагрузки вследствие относительно большой парусности мишенного щита. В этой конструкции разделение мишенного щита на две части его парусности не уменьшает, что сказывается на быстродействии.

Наконец, универсальная мишенная установка /5/ предусматривает мишенный щит, состоящий из двух половин, одна из которых установлена в держателе, соединенном с поворотным валом мишенной установки, а другая - в держателе, соединенном с дополнительным поворотным валом, который соединен с поворотным валом мишенной установки таким образом, что когда первый вращается в одну сторону, второй - в противоположную и наоборот. В этой конструкции при любом направлении ветра в направлении подъема мишенного щита парусность отрицательно будет сказываться только для одной его половины. Однако, установка имеет увеличенные габариты при скрытом положении половин мишенного щита, не обеспечивает их нагрев, а дополнительная механическая передача второго поворотного вала усложняет конструкцию.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является мишенная установка (тепловая мишень) /6/, содержащая мишенный щит из фольгированного пластика, механизм его подъема, опорное устройство, а также размещенный в нем нагревательный индуктор, снабженный механизмом регулируемого продольного перемещения внутри полости опорного устройства.

Эта мишенная установка обеспечивает быстрый, и с относительно малыми энергозатратами, бесконтактный индукционный нагрев мишенного щита, или его отдельных заданных зон с созданием тепловой сигнатуры адекватной реальному объекту благодаря фрагментированию фольгового покрытия. Причем нагрев мишени может производиться многократно, не зависит от разрушаемости мишенного щита, а сам мишенный щит обладает высокой ремонтопригодностью.

Однако, как показала практика испытаний данной мишени, парусность мишенного щита значительно сказывается на энергозатратах, требуемых для обеспечения его подъема с заданной скоростью, что существенно снижает ресурс аккумуляторной батареи и ограничивает количество циклов подъем/опускание в пределах одного ее полного заряда.

Технической задачей предлагаемого изобретения является снижение энергозатрат на подъем мишенного щита, а тем самым - обеспечение рационального использования ресурса аккумуляторной батареи и увеличение количества циклов подъема/опускания в пределах одного ее заряда.

Решение задачи достигается тем, что в известной мишенной установке, содержащей мишенный щит из фольгированного пластика, механизм его подъема, опорное устройство, а также размещенный в нем нагревательный индуктор, снабженный механизмом регулируемого продольного перемещения внутри полости опорного устройства, в соответствии с изобретением мишенный щит выполнен из двух шарнирно соединенных по вертикальной оси частей, верхняя поверхность опорного устройства выполнена со сквозным продольным пазом, а нагревательный индуктор размещен в опорном устройстве с ориентацией магнитных полюсов в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению его перемещения.

Необходимость и достаточность вышеуказанных отличительных признаков предложенного технического решения может быть пояснена следующим образом.

Размещение нагревательного индуктора в опорном устройстве с ориентацией магнитных полюсов в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению его перемещения позволяет при его продольном перемещении внутри полости опорного устройства осуществлять одновременный нагрев обеих шарнирно соединенных частей мишенного щита, находящихся в «сложенном» состоянии.

Сквозной продольный паз на верхней поверхности опорного устройства необходим для обеспечения соответствующего перемещения индуктора вдоль полости опорного устройства при нагреве частей мишенного щита.

Выполнение мишенного щита из двух шарнирно соединенных по вертикальной оси частей позволяет осуществлять его подъем в сложенном состоянии, что существенно уменьшает его парусность, а раскрытие в рабочее положение производить на завершающей стадии подъема.

Изобретение поясняется следующей графической информацией.

На фиг. 1 в качестве примера представлена принципиальная схема мишенной установки в стадии нагрева (мишень №8 - ростовая фигура, состоящая из двух шарнирно соединенных частей в сложенном состоянии).

На фиг. 2 - принципиальная схема мишенной установки с поднятым мишенным щитом перед стрельбой (мишень №8 - ростовая фигура в развернутом рабочем состоянии).

На фиг. 3 - вариант шарнирного соединения частей мишенного щита гибким элементом, вид сверху.

На фиг. 4 - схема для пояснения теоретического обоснования принципа раскрытия мишенного щита установки.

Мишенная установка (фиг. 1, 2) содержит мишенный щит 1, 1' из фольгированного пластика с механизмом подъема 2, опорное устройство 3, и размещенное внутри него устройство для нагрева щита или отдельных его теплопоглощающих элементов - нагревательный индуктор 4, генерирующий вращающееся магнитное поле, снабженный механизмом регулируемого перемещения внутри полости опорного устройства.

Стрелками на иллюстрации фиг. 1 показаны возможные перемещения вращающегося индуктора внутри полости опорного устройства.

Мишенный щит состоит из двух частей 1 и 1', соединенных посредством шарнира 5.

Верхняя поверхность опорного устройства 3 выполнена со сквозным продольным пазом 6, а нагревательный индуктор 4 размещен в опорном устройстве с ориентацией магнитных полюсов в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению его перемещения (фиг. 2).

Для обеспечения складывания частей 1 и 1' мишенного щита при его опускании в условиях возможной встречной ветровой нагрузки на верхней поверхности опорного устройства размещены направляющие 7.

Механизм подъема содержит систему из соединенных перекладиной рычагов 8 с присоединенным к ней держателем мишенного щита 9.

Для упрощения изображения механизм перемещения индуктора внутри полости опорного устройства, привод механизм подъема, а также проводные линии электропитания мишенной установки от внешней аккумуляторной батареи здесь условно не показаны.

В качестве примера на иллюстрациях фиг. 1, 2 показан нагревательный индуктор 4, генерирующий вращающееся магнитное поле, выполненный в виде диска, с размещенными по периметру его контура постоянными цилиндрическими магнитами (с аксиальной намагниченностью) 10 с чередованием полярности полюсов, ориентированных перпендикулярно его плоской поверхности. Торцы магнитов размещены заподлицо с поверхностью диска, т.е. его толщина равна высоте магнитов 10 (фиг. 2, выносной элемент А). Механизм регулируемого перемещения индуктора может быть выполнен в виде реечного механизма, шарико-винтовой передачи или простого винтового механизма, обеспечивающего перемещение по одной координатной оси вдоль паза 6.

Части мишенного щита 1, 1' выполнены из пластика, фольгированного, например, алюминием. Для обеспечения более точных тепловых сигнатур зон нагрева фольговое покрытие фрагментировано путем удаления тонких полосок металлической фольги с образованием на поверхности мишенного щита мозаичной структуры из одинаковых или разных геометрических фигур, разделенных некоторыми промежутками, теплопередача по которым значительно ниже, чем по металлу фольги. Снаружи фольговое покрытие защищено от атмосферного воздействия и снижения тепловых потерь тонкой полимерной пленкой или бумагой с внешним влагозащитным слоем, на которую может быть нанесено изображение объекта поражения или отдельных его элементов (на иллюстрациях не показано ввиду очевидности данной конструкции).

Шарнирное соединение 5 частей мишенного щита 1, 1' может быть как традиционного исполнения - «ось-втулка», так и на основе гибких ленточных элементов 11 (фиг 3) с введением в конструкцию соединения дополнительного продольного упрочняющего элемента 12, обеспечивающего ее устойчивость.

Работа мишенной установки осуществляется следующим образом. Мишенный щит в сложенном состоянии изначально располагается на опорном устройстве 3 с прилеганием торцовых поверхностей его частей 1 и 1', соединенных на шарниром 6, к верхней поверхности опорного устройства 3 параллельно пазу 6. Индуктор 4 приводится во вращение, и вследствие наличия на нем постоянных магнитов 10, установленных с чередованием полярности полюсов и ориентированных перпендикулярно его плоской поверхности, генерирует вращающееся переменное магнитное поле. Одновременно соответствующим приводом осуществляется перемещение индуктора 4 вдоль паза 6. При взаимодействии вращающегося переменного магнитного поля индуктора 4 с отдельными фольговыми фрагментами частей мишенного щита 1 и 1', находящихся в зоне действия индуктора, они нагреваются одновременно вследствие теплового действия наводимых вихревых токов.

В случае, когда между фольговыми элементами будут иметься промежутки (имеющие низкую теплопроводность), зона нагрева будет ограничена некой геометрической фигурой, образованной совокупностью отдельных фольговых фрагментов, подвергнутых воздействию переменного магнитного поля индуктора 4. Таким образом можно получить тепловую сигнатуру мишени (отдельных ее участков) адекватную реальному объекту.

Т.к. несущий материал частей мишенного щита 1, 1' - пластик имеет более низкую теплопроводность, чем металл его фольгового покрытия, тепловое излучение нагретых зон мишенного щита в поднятом и раскрытом состоянии будет распространяться преимущественно во фронтальном направлении, без существенных потерь вследствие малой толщины покрывающей пластик защитной тонкой полимерной пленки (или бумаги).

По завершении индукционного нагрева по команде с пульта управления (или автоматически) включается механизм подъема 2. Поворотом на заданный угол соединенных перекладиной рычагов 8 с присоединенным к ней держателем 9 осуществляется подъем прикрепленного к держателю мишенного щита 1, 1' в сложенном состоянии. На завершающей стадии подъема, при останове привода механизма 2, занимающим короткое время, под действием инерционных сил и силы тяжести, происходит раскрытие частей 1 и 1' мишенного щита в рабочее положение (вследствие наличия соединяющего их шарнира 5). Мишень готова для обучения стрельбе в условиях ограниченной видимости с использованием инфракрасных прицельных устройств. Регистрация попаданий осуществляется традиционными способами.

После остывания нагретых зон мишенного щита, когда его тепловая сигнатура «сливается» с естественным фоном окружающей среды, щит опускается для осуществления его очередного нагрева и последующего повторения стрелкового упражнения. Причем скорость опускания может быть существенно ниже скорости подъема. При наличии встречной опусканию ветровой нагрузки, складыванию частей 1 и 1' мишенного щита под действием силы тяжести и позиционированию на верхней поверхности опорного устройства 3 способствуют направляющие элементы 7.

Адекватность решения технической задачи предлагаемого изобретения может быть дополнительно пояснена расчетными зависимостями, выведенными для упрощения с учетом следующих допущений:

- атмосферный ветер отсутствует;

- учитываются энергозатраты, требуемые непосредственно только для преодоления ветровой нагрузки поверхностью мишенного щита при его подъеме;

- суммарный вектор ветровой нагрузки приложен к центру тяжести мишенного щита, поэтому скорость его перемещения при подъеме принята усредненной, равной скорости перемещения центра тяжести (без учета разных радиусов поворота отдельных сечений);

- в качестве мишенного щита принята ростовая мишень №8.

В сложенном состоянии плоскости отдельных частей мишенного щита (фиг. 1) при подъеме расположены параллельно возникающему набегающему воздушному потоку. И поверхность взаимодействия с ним S_СЛ будет определяться толщиной листового материала мишени δ, условным диаметром (шириной) шарнирного соединения, который конструктивно может иметь тот же размер δ, а также высотой мишенного щита - H:

Так для ростовой мишени №8 при толщине листового материала мишенного щита δ равной 0,05 м, и высоте H равной 1,50 м, величина S_СЛ составит 0,0225 м². В то же время расчетная площадь поверхности «развернутой» мишени S_М составляет 0,6389 м². Разница - в 28,4 раза.

Таким образом величина ветровой нагрузки, воздействующей на мишенный щит при его подъеме в сложенном состоянии, определяемая зависимостью:

может снижена почти в 30 раз.

В данной зависимости обозначено:

F_В - величина ветровой нагрузки на мишенный щит при подъеме, Н;

ρ_В - плотность воздуха, кг/м³;

V - приведенная скорость подъема мишенного щита, м/с;

S_М - площадь поверхности поднимаемого мишенного щита, м².

Подъем мишенного щита (фиг. 2, 3) осуществляется по дуге окружности, поэтому приведенная скорость его подъема может быть определена как:

где ω - угловая частота поворота держателя мишенного щита, осуществляемого поворотным устройством исходя из необходимого времени подъема мишени, 1/с;

R - радиус поворота центра тяжести мишенного щита при подъеме, м.

При условии подъема мишенного щита в пределах времени t секунд, с соответствующим поворотом держателя на угол ϕ радиан, угловая частота его вращения ω составит:

где π=3,14.

Центр тяжести мишенного щита при подъеме с одной стороны должен приобрести при включении подъемного устройства скорость V, быть поднят на величину R, и одновременно же преодолевая усилие от встречной ветровой нагрузки F_В совершить перемещение по дуге окружности ϕ ⋅ R.

Тогда, энергия Е_Ц, необходимая для подъема «целого» мишенного щита будет определяться как:

В случае же сложенного мишенного щита зависимость (5) преобразуется к виду:

где m - масса шарнира, соединяющего части мишенного щита, кг;

Анализ полученных выражений (5) и (6) показывает следующее:

- При пренебрежимо малой массе шарнира m по сравнению с массой мишенного щита М (или его частей), первые и вторые слагаемые выражений (5) и (6) по величине практически сопоставимы.

- В случае ростовой мишени №8 третьи члены данных выражений отличаются, как показано выше, более чем в 28 раз, что подтверждает существенное снижение общих энергозатрат на подъем мишенного щита.

Раскрытие частей 1 и 1' мишенного щита в рабочее положение осуществляется посредством их поворота относительно оси шарнира за счет момента от инерционных сил, проявляющихся на завершающей стадии подъема, а также силы тяжести.

Для нормального раскрытия мишенного щита и удержания его в этом состоянии, поворот держателя из горизонтального положения должен осуществиться на угол ϕ больший, чем π/2, таким образом, чтобы в итоге его продольная ось была наклонена к горизонтали на некоторый угол α=π-ϕ. По результатам экспериментов на физической модели оптимальная величина угла α в градусном выражении составила 70°…80°. При α<70° достаточно значительно (почти на 10%) снижается высота фронтальной проекции мишенного щита на вертикальную плоскость, а при α>80° - ухудшаются условия его раскрытия.

При обеспечении оптимальной циклограммы работы подъемного устройства 2, выбег привода его механизма по завершению подъема мишенного щита занимает существенно более короткое время Δt, по сравнению с общим временем подъема t. Тогда приобретаемое частями мишенного щита в момент завершения подъема ускорение может быть определено как V/Δt, и соответственно исходный «раскрывающий» момент М_Р от инерционных сил для каждой из них будет определяться величиной:

где r_i - текущее расстояние от точки приложения силы инерции (центра тяжести, на фиг. 2, 4 обозначен буквой «С») до оси вращения, м. Причем в начальный момент раскрытия (см. фиг. 1)

Раскрытие щита осуществляется с одновременным изменением положения (опусканием) его центра тяжести С на величину

где r - радиус инерции площади отдельной части мишенного щита относительно его вертикальной оси, м.

Так с учетом условного диаметра шарнира, равной ранее указанной толщине материала мишени δ=0,005 м, для мишени №8 величина r составляет порядка 0,12 м. При величине α=75° (средней из вышеуказанного диапазона) расчетная величина Δh составляет порядка 0,03 м (30 мм).

Наряду с силой тяжести на отдельную часть мишенного щита при ее раскрытии действует вертикальная составляющая от силы инерции, которую можно определить как

То есть, наряду с ускорением силы тяжести g раскрываемая часть щита подвергается еще и воздействию дополнительной вертикальной составляющей ускорения :

А, кроме того, на начальный момент раскрытия имеется и вертикальная составляющая скорости , определяемая соответственно как:

Тогда, приняв изменение положения центра тяжести части мишенного щита при его раскрытии, как результат свободного падения, можно ориентировочно определить время раскрытия путем решения квадратного уравнения:

В случае появления природного ветрового потока, допустимая величина его может быть определена из условия удержания под действием силы тяжести мишенного щита в раскрытом состоянии. Это будет возможно, когда нормальная составляющая к поверхности отдельной части щита силы тяжести (фиг. 4) будет равна нормальной составляющей от воздействия ветрового потока.

На фиг. 4 обозначено:

1 и 1'' - отдельная часть мишенного щита в нераскрытом и раскрытом состоянии;

С и С'' - координаты центра тяжести площади отдельной части мишенного щита в нераскрытом и раскрытом состоянии;

F_В - усилие, формируемое ветровым потоком со скоростью V_В, с индексом «n» - нормальная составляющая к поверхности части мишенного щита, с индексом «o» составляющая параллельная его продольной оси;

где ρ_М - плотность материала мишенного щита, кг/м³.

Откуда

При нормальных условиях (давление 101,325 кПа, температура +20°С) плотность воздуха равна 1,2041 кг/м³. Расчет по зависимости (14) для мишенного щита из винипласта (ρ_М=1380 кг/м³) толщиной δ=0,005 м (5 мм) при угле наклона α=75° дает результат V_В=5,49 м/с, что соответствует условиям среднего ветра.

Предварительные испытания лабораторного образца мишенной установки с электропитанием от автомобильной аккумуляторной батареи (12В, 60 А⋅ч), с учетом дополнительных энергозатрат на нагрев мишенного щита показали возможность увеличения общего количества циклов его подъема/опускания на 12…14 единиц в пределах одного ее заряда, что подтверждает выполнение поставленной технической задачи снижения энергозатрат на подъем мишенного щита с обеспечением рационального использования ресурса аккумуляторной батареи.

Нагрев мишени может производиться многократно и не зависит от разрушаемости мишенного щита. После нагрева мишень сохраняет необходимую тепловую сигнатуру в течение 4…6 минут (в зависимости от окружающих климатических условий), что вполне достаточно для выполнения упражнений при стрельбе как с использованием стрелкового, так и артиллерийского вооружения. Сам же мишенный щит имеет высокую ремонтопригодность в связи с простотой конструкции и доступности отечественных конструктивных материалов.

Отработка огневых задач в условиях ограниченной видимости по подобным мишеням-имитаторам различного типа с использованием практических или штатных боеприпасов позволит существенно повысить боеспособность личного состава мотострелковых и артиллерийских подразделений сухопутных войск.

Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки

1) US 2012091660 A1 Target impact-point sensing system, F41J 5/00, 2012.

2) Патент КНР CN 111692925 A Multi-target switching device, 2020.

3) Патент КНР CN 212658139 U Multi-target switching device, F41J 7/06, 2020.

4) Патент США US 5865439 A Pop-up target system, F41J 7/06, 1999.

5) Полезная модель РФ № 74704 Универсальная мишенная установка, F41J 7/06, 2008.

6) Патент РФ № 2681768 Тепловая мишень, F41J 1/00, F41J 2/02, 2019 - прототип.

Заявленное изобретение относится к полигонному автоматизированному оборудованию, конкретно – к тепловым мишеням-имитаторам реальных объектов. Сущность заявленного изобретения заключается в следующем. Мишенная установка содержит мишенный щит из фольгированного пластика, механизм его подъема, опорное устройство, а также размещенный в нем нагревательный индуктор с механизмом регулируемого продольного перемещения внутри полости опорного устройства. Мишенный щит выполнен из двух шарнирно соединенных по вертикальной оси частей, верхняя поверхность опорного устройства выполнена со сквозным продольным пазом, нагревательный индуктор размещен в опорном устройстве с ориентацией магнитных полюсов в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению его перемещения. На верхней поверхности опорного устройства могут быть установлены направляющие элементы для складывания частей мишенного щита при опускании перед нагревом. Механизм подъема мишенного щита обеспечивает позиционирование его плоскости в раскрытом состоянии под углом 75°…80° к горизонтальной поверхности. Технический результат состоит в снижении энергозатрат на подъём мишенного щита. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Мишенная установка, содержащая мишенный щит из фольгированного пластика, механизм его подъема, опорное устройство, а также размещенный в нем нагревательный индуктор, снабженный механизмом регулируемого продольного перемещения внутри полости опорного устройства, отличающаяся тем, что мишенный щит выполнен из двух шарнирно соединенных по вертикальной оси частей, верхняя поверхность опорного устройства выполнена со сквозным продольным пазом, а нагревательный индуктор размещен в опорном устройстве с ориентацией магнитных полюсов в горизонтальном направлении, перпендикулярном направлению его перемещения.

2. Мишенная установка по п. 1, отличающаяся тем, что на верхней поверхности опорного устройства установлены направляющие элементы для складывания частей мишенного щита при опускании перед нагревом.

3. Мишенная установка по п. 1, отличающаяся тем, что механизм подъема обеспечивает позиционирование плоскости мишенного щита в раскрытом состоянии под углом 75°…80° к горизонтальной поверхности.