АВТОНОМНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ АРТИЛЛЕРИЙСКОГО СНАРЯДА С ДИСТАНЦИОННЫМ ПОДРЫВОМ В ВОЗДУХЕ Российский патент 2024 года по МПК F42C13/00 G01S13/58 G01P3/481 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Предлагаемое изобретение относится к управлению дистанционным подрывом снарядов в воздухе нарезной артиллерии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В артиллерии нашли широкое применение программируемые снаряды воздушного подрыва. Вычислительный комплекс артиллерийской системы определяет и вводит в снаряд заданное время 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 технического решения является программируемый снаряд (патент RU 2535313 на изобретение, заявка: 2012137290/03, МПК F42C (2006.01) опубликован: 10.12.2014. Бюл. №34).

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.

Другим аналогом является способ измерения дульной скорости снаряда (патент RU 2406959 С1 на изобретение, заявка: 2009126134/02, МПК F41A, В21С (2006.01) опубликован: 20.12.2010. Бюл. №35). В этом аналоге предложено использовать ствол или дульный тормоз в качестве волновода. При этом используется эффект допплеровского изменения частоты принимаемого сигнала. В описании патента рассмотрен также способ 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 рассмотренного способа измерения дульной скорости снаряда является также усложнение конструкции артиллерийских орудий.

Следующим аналогом, является артиллерийский боеприпас (патент RU 2310154 С1 на изобретение, заявка: 2006114810/02, МПК F42B (2006.01) опубликован: 10.11. 2007. Бюл. №31).

В данном аналоге, повышение точности дистанционного инициирования подрыва малокалиберных вращающихся артиллерийских снарядов достигается тем, что в корпусе снаряда размещен датчик скорости вращения, выполненный преимущественно в виде связанного с магнитным полем Земли магнитометра. 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 полярностей 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.

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 сокращает 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.

Недостатком данного способа измерения скорости вращения снаряда, является погрешность измерения скорости вращения снаряда обусловленная прецессионными и нутационными движениями снаряда.

Наиболее близким изобретением, прототипом (патент RU 2703835 С1 на изобретение заявка: 2018135544 МПК F41F 1/00 (2006.01), G01P 3/481 (2006.01), опубликован: 22.10.2019 Бюл. №30), является инерционный способ определения начальной скорости управляемого снаряда нарезного орудия.

В прототипе 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. По величине скорости вращения снаряда определяется скорость его полета с учетом шага нарезки на дульном участке ствола орудия. При выстреле, на устройство действуют огромные инерционные силы, направленные вдоль его продольной оси. Поэтому в состав подшипникового узла кроме радиального шарикоподшипника включен также упорный подшипник. Существующие в настоящее время технические решения, материалы и миниатюрные шарикоподшипники позволяют реализовать изделие, пригодное для установки в артиллерийских снарядах малых и средних калибров.

При измерении скорости вращения корпуса снаряда относительно неподвижного вначале маховика, маховик под воздействием моментов связи между ними начинает вращаться.

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 наличие вращающегося измерительного маховика, который должен работать при больших линейных и угловых ускорениях снаряда.

Таким образом, в области техники существует необходимость в появлении способа измерения начальной скорости артиллерийского снаряда, свободного от указанных недостатков.

Технической задачей изобретения является упрощение способа.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что на снаряд направляют плоско поляризованное излучение лазера поляризационным анализатором, установленным в задней части снаряда, преобразуют его в периодически изменяющееся излучение, частота которого равна удвоенной угловой скорости вращения снаряда, переменную составляющую полученного излучения конвертируют фотоприёмником в электрический сигнал и измеряют его частоту, а по частоте электрического сигнала вычисляют начальную скорость снаряда:

где d - калибр ствола,

α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия,

ƒ - частота электрического сигнала.

Чтобы уменьшить погрешность измерения частоты, за ограниченное время счета, частоту электрического сигнала с фотоприемника преобразуют частотным преобразователем, с коэффициентом преобразования N>1.

Данное положение поясняется следующим. Плоско поляризованное излучение лазера направляется на заднюю часть движущегося снаряда. В задней части снаряда последовательно по ходу луча установлены анализатор плоскости поляризации излучения и фотоприемник. При вращении снаряда с угловой скоростью Ω, вместе с ним вращается анализатор плоскости поляризации падающего на снаряд излучения. Интенсивность прошедшего через анализатор и падающего на фотоприемник излучения, в соответствии с законом Малюса:

где I₀ - интенсивность попадающего на анализатор плоско-поляризованного излучения;

ϕ - угол между плоскостями поляризации излучения лазера и поляризационным анализатором.

Поскольку, снаряд вращается с угловой скоростью Ω, угол между плоскостью поляризации излучения лазера и поляризационного 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 ƒ=2Ω/2π=Ω/π.

Начальная 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=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=3910 Гц, а после умножителя частоты 21, частота составит ƒ_уч=N*ƒ=N*3910 Гц.

Относительная погрешность измерения частоты равна [1] Метрология, стандартизация и технические измерения: (Учебник для вузов/А.С. Сигов, В.И. Нефедов; Под ред. А.С. Сигова. - М.: Высш. Шк., 2008. - 624 с.; ил):

где T_сч - время счета.

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

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 T_сч=0,1 сек. и N=10, относительная погрешность измерения частоты составит [1]:

δƒ=±1/ƒ_прT_счN=1/3910*0,1*10=0,000256

или 0,000256*100=0,0256%.

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=0,255 м,

а на дальности L=2000 м ΔL=0,51 м. Дистанция подрыва L, вводится в блок дистанционного управления и расчета времени подрыва при помощи кодирования излучения лазера. Здесь предполагается, что дистанция подрыва задана точно.

Основным техническим результатом предлагаемого изобретения является возможность создания в снаряде автономного способа измерения его начальной скорости.

Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, является следующая совокупность действий:

1. На заднюю часть движущегося снаряда направляется плоско поляризованное излучение лазера;

2. Анализатор плоскости поляризации излучения, размещенный в задней части вращающегося снаряда, преобразует плоско поляризованное излучение лазера в периодически изменяющуюся интенсивность излучения;

3. При вращении снаряда с угловой скоростью Ω интенсивность излучения после анализатора изменяется по синусоидальному закону с удвоенной круговой частотой ω=2Ω, при этом частота электрического сигнала ƒ=Ω/π;

4. Частота электрического сигнала преобразуется частотным преобразователем, с коэффициентом преобразования N>1, что позволяет при ограниченном времени счета, повысить точность воздушного подрыва по дальности.

Заявляемый способ является результатом научно исследовательской и экспериментальной работы.

На фигуре 4 приведена схема проведения экспериментов, где:

В корпусе 1 снаряда содержится наполнение 2 взрывчатым веществом, блок 3 дистанционного управления, оптическое окно 5, за которым расположены анализатор плоскости поляризации излучения 22 и фотоприемник 7, соединенный с блоком 3 дистанционного управления.

При выстреле внешнее передающее устройство, включающее лазер 7, связанное с орудием, излучает плоско поляризованное лазерное излучение, которое несет кодовую комбинацию - информацию о расстоянии до цели.

Излучение лазера, пройдя анализатор плоскости поляризации 5, попадает на фотоприемник 6. При вращении снаряда 1 с угловой скоростью Ω, вместе с ним вращается анализатор плоскости поляризации 5 излучения падающего на снаряд. Интенсивность прошедшего через анализатор 5 и падающего на фотоприемник 6 излучения, в соответствии с законом Малюса соответствует формуле (1).

При этом переменная составляющая сигнала с приемника 6 изменяется с удвоенной частотой ƒ по отношению к угловой скорости вращения снаряда.

По частоте электрического сигнала f вычисляется начальная скорость снаряда:

Таким образом, использование предлагаемого изобретения позволяет значительно упростить, снизить вес и повысить надежность измерительной системы, а также улучшить ее энергетические характеристики. Вес анализатора размещаемого в снаряде, составляет не более двух грамм.

Изобретение относится к управлению дистанционным подрывом снарядов нарезной артиллерии в воздухе. Автономный способ определения начальной скорости артиллерийского снаряда с дистанционным подрывом в воздухе, включающий измерение угловой скорости вращения снаряда, вычисление по ней начальной скорости, отличающийся тем, что на снаряд направляют плоско поляризованное излучение лазера поляризационным анализатором установленным в задней части снаряда, преобразуют его в периодически изменяющееся излучение, частота которого равна удвоенной угловой скорости вращения снаряда, переменную составляющую полученного излучения конвертируют фотоприемником в электрический сигнал и измеряют его частоту, а по частоте электрического сигнала вычисляют начальную скорость снаряда: Vo =πfd/2tanα, где d - калибр ствола, α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия, f - частота электрического сигнала. Частоту электрического сигнала преобразуют с коэффициентом преобразования N>1. Техническим результатом является повышение точности воздушного подрыва по дальности при ограниченном времени счета, 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Автономный способ определения начальной скорости артиллерийского снаряда с дистанционным подрывом в воздухе, включающий измерение угловой скорости вращения снаряда, вычисление по ней начальной скорости, отличающийся тем, что на снаряд направляют плоско поляризованное излучение лазера поляризационным анализатором, установленным в задней части снаряда, преобразуют его в периодически изменяющееся излучение, частота которого равна удвоенной угловой скорости вращения снаряда, переменную составляющую полученного излучения конвертируют фотоприемником в электрический сигнал и измеряют его частоту, а по частоте электрического сигнала вычисляют начальную скорость снаряда:

,

где d - калибр ствола,

α - угол наклона нарезов ствола на дульном участке ствола орудия,

ƒ - частота электрического сигнала.

2. Автономный способ определения начальной скорости артиллерийского снаряда с дистанционным подрывом в воздухе, по п. 1, отличающийся тем, что частоту электрического сигнала преобразуют с коэффициентом преобразования N>1.