Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда Российский патент 2025 года по МПК F42B15/01 

Изобретение относится к области военной техники, в частности к вращающимся в полете артиллерийским снарядам.

В электрических взрывателях артиллерийских снарядов обычно используются постоянные источники электрического питания, например тепловые или ампульные батареи. Наличие постоянных источников электрического питания во взрывателях существенно ухудшает безопасность людей ввиду возможности случайного взведения взрывателя при его транспортировке, хранении, комплектации выстрела, заряжании и разряжании орудия, а также снижает надежность и срок сохраняемости взрывателя.

Известны устройства электроснабжения электрических взрывателей, в которых для выработки электроэнергии используется энергия, образующаяся при выстреле, что не требует наличия постоянного источника электропитания и повышает безопасность при проведении работ со снарядом.

Уровень техники в данной области характеризует импульсный магнитоэлектрический генератор (патент RU № 2122177), в котором внутри кольцевого магнита с продольной намагниченностью расположена катушка индуктивности. Магнит с катушкой перекрыты ферромагнитным якорем. При выстреле артиллерийский управляемый снаряд движется по каналу ствола с ускорением, которое задает ему метательный заряд. Величина ускорения определяется условиями эксплуатации и применяемым метательным зарядом. При этом инерционная масса якоря, преодолевая усилие удержания якоря магнитом и разрушая мембрану, перемещается относительно магнита, что приводит к генерированию в катушке импульсной ЭДС.

Общим признаком с заявленным изобретением является отсутствие во взрывателе постоянного источника электрического питания.

Недостатками известного магнитоэлектрического генератора являются низкая эффективность при выработке короткого во времени импульса напряжения, а также возможность разрушения устройства при больших значениях сил инерции. Кроме того, вследствие ограниченного объема вырабатываемой электроэнергии, существенно ограничиваются возможности использования во взрывателе эффективных электронных систем, повышающих боевые возможности применения снаряда.

Известно устройство для выработки электрической энергии в артиллерийском снаряде по патенту RU № 2679768. Устройство содержит катушку индуктивности и кольцевой постоянный магнит, способный под действием сил инерции перемещаться относительно катушки индуктивности вдоль оси снаряда, и, кроме того, содержит основание с направляющим стержнем из бронзы, чашку сердечника броневого типа из феррита, в которой размещена катушка индуктивности, связанную с основанием направляющего стержня, ферромагнитную шайбу, закрепленную на торце направляющего стержня, и кольцевой постоянный магнит с радиальной намагниченностью, связанный силами взаимного притяжения с ферромагнитной шайбой, при этом магнит удален вдоль направляющего стержня на некоторое расстояние от чашки сердечника и имеет возможность под действием сил инерции преодолеть силы притяжения к ферромагнитной шайбе и перемещаться к чашке сердечника вдоль направляющего стержня. При этом в сердечнике возникает магнитное поле с быстро возрастающей амплитудой, а на катушке возникает соответствующее напряжение. Оси симметрии деталей устройства совпадают с продольной осью снаряда.

Общим признаком с заявляемым взрывателем является наличие постоянного магнита и катушки индуктивности, способных перемещаться относительно друг друга при движении снаряда.

Недостатком данного устройства является то, что выработка электроэнергии осуществляется за счет использования перегрузок, возникающих только в момент выстрела или в момент встречи снаряда с препятствием. На остальной траектории полета снаряда выработка электроэнергии не происходит. Вследствие ограниченного объема вырабатываемой электроэнергии существенно ограничиваются возможности использования во взрывателе эффективных электронных систем, повышающих боевые возможности применения снаряда.

Кроме того, конструкция данного взрывателя не предусматривает возможность его использования для воздействия на траекторию полета снаряда с целью повышения точности поражения цели.

Известно, что неуправляемые артиллерийские снаряды, полет которых до цели осуществляется по баллистической траектории без компенсации отклонений от требуемой для поражения цели траектории, обладают низкой точностью стрельбы, особенно при стрельбе на предельную дальность, что увеличивает расход боеприпасов и время выполнения боевой задачи.

Известны технические решения, направленные на повышение боевой эффективности применения боеприпасов.

Уровень техники в данной области характеризует управляемый реактивный снаряд (патент RU № 2164657). Управляемый реактивный снаряд включает управляющий и разгонный блоки и отличается тем, что управляющий блок выполнен в виде двух модулей: носового с головкой самонаведения и органами управления реактивным снарядом и хвостового, жестко закрепленного посадочным гнездом на головной части разгонного блока, при этом между собой указанные модули соединены посредством цилиндрического шарнира с осью вращения, совпадающей с продольной осью разгонного блока. Результатом предлагаемого изобретения должно стать расширение возможностей боевого применения баллистических снарядов за счет создания управляемых реактивных снарядов на базе существующих неуправляемых реактивных снарядов, реализующих полет к цели по баллистической траектории со стабилизирующим поворотом по крену. При этом обеспечение стабилизации носового модуля управляющего блока позволяет использовать традиционные алгоритмы управления антенным устройством головки самонаведения и, соответственно, допускает применение ранее созданных головных частей ракет, снарядов и бомб с системами самонаведения практически без изменения их программно-математического обеспечения.

Общим признаком с заявленным изобретением является стабилизация управляющего блока по крену на вращающемся снаряде.

Недостатком данного технического решения является то, что его можно реализовать только во вновь разрабатываемых конструкциях реактивных снарядов, но нельзя использовать для модернизации и повышения боевой эффективности существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.

Известен описанный в патенте RU № 2502937 способ управления реактивным снарядом. Способ заключается в том, что старт или полет снаряда осуществляют со стабилизацией по крену его головного отсека, соединенного с остальными отсеками снаряда через цилиндрический шарнир, и отличается тем, что стабилизацию головного отсека снаряда по крену осуществляют электрическим моментным двигателем; управляющее воздействие на электрический моментный двигатель формируют блоком управления креном по командам от блока управления полетом на основе информации от блока системы навигации и ориентации об угле поворота по крену (относительно неподвижной системы координат) управляющего модуля. Управляющее воздействие на реактивный снаряд формируют одной парой аэродинамических рулей, неподвижно закрепленных на внешней поверхности управляющего модуля под фиксированным углом к продольной оси управляющего модуля. Управление реактивным снарядом на траектории осуществляют путем изменения направления вектора подъемной силы рулей за счет поворота по крену управляющего модуля на углы, вычисляемые блоком управления полетом. Технической задачей, решаемой в изобретении, является упрощение алгоритмов функционирования системы управления реактивным снарядом и повышение его боевой эффективности.

Общим признаком с заявленным изобретением является использование моментного электропривода для стабилизации блока управления вращающимся снарядом.

Недостатком известного способа является то, что данный способ управления можно использовать только во вновь разрабатываемых конструкциях реактивных снарядов, в которых головной отсек соединен с остальными отсеками снаряда через цилиндрический шарнир, но нельзя применить для усовершенствования и повышения боевой эффективности существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.

Недостатком известного способа также является то, что для обеспечения электрическим питанием электронных блоков и электрического моментного двигателя необходимо наличие на борту готового к использованию источника тока, что приводит к снижению безопасности при использовании снаряда, а также к снижению надежности и срока сохраняемости снаряда. В то же время, электрический моментный двигатель используется только для стабилизации головного отсека снаряда по крену, а энергия, образующаяся при выстреле, не используется для решения задач электроснабжения систем снаряда.

Наиболее близким к заявленному изобретению является взрыватель корректирующий для вращающегося снаряда, описанный в патенте RU № 2725331. Взрыватель корректирующий содержит детонатор, электронные модули системы управления, трехосевой преобразователь магнитной индукции и линейного ускорения, спиральную антенну, ионистор и антенну неконтактного ввода установок. Кроме того, имеется устройство для выработки электрической энергии. При этом взрыватель состоит из двух частей - вращающейся части - ВЧ, имеющей возможность неподвижного закрепления на корпусе снаряда, и стабилизированной части - СЧ, установленной на ВЧ с возможностью свободного вращения относительно нее вокруг общей оси. В качестве устройства для выработки электрической энергии использован вентильный электрогенератор - ЭГВ. Ротор и статор ЭГВ расположены коаксиально. Ротор охватывает статор. Цилиндрический статор ЭГВ с электрическими обмотками жестко закреплен в корпусе ВЧ. Цилиндрический ротор ЭГВ в виде нескольких постоянных магнитов жестко закреплен в корпусе СЧ. На наружной поверхности корпуса СЧ содержит две пары жестко закрепленных аэродинамических поверхностей - АП. Эти АП установлены таким образом, чтобы одна пара АП могла создавать аэродинамическую подъемную силу, а вторая пара АП могла создавать тормозящий аэродинамический момент. Кроме того, обе пары АП могут быть установлены таким образом, чтобы каждая из АП могла создавать как аэродинамическую подъемную силу, так и тормозящий аэродинамический момент.

Общими признаками с заявленным изобретением являются отсутствие постоянных источников электропитания, использование моментного электрогенератора для стабилизации аэродинамических поверхностей относительно Земли и выработки электроэнергии, схема расположения неподвижных аэродинамических поверхностей в стабилизированной части, а также возможность использования для модернизации существующих артиллерийских снарядов.

Недостатком известного способа является то, что стабилизируется относительно Земли только ротор генератора и корпус СЧ с аэродинамическими поверхностями, в то время как блок управления вращается вместе с артиллерийским снарядом с угловой скоростью порядка 200-250 об/с. Таким образом, из-за влияния вращения на акселерометры (центростремительное ускорение) и на датчики угловых скоростей (уход из-за необходимости обеспечения широкого динамического диапазона) во взрывателе затруднительна реализация инерциальной навигационной системы, тем самым обеспечив его работу в ситуации, когда прием сигналов глобальных спутниковых навигационных систем невозможен (например, при применении противником средств радиоэлектронной борьбы), а также реализация других системы самонаведения (лазерная полуактивная головка самонаведения, телевизионная или тепловизионная система самонаведения, в которую перед выстрелом загружается «портрет цели», и т.д.), требующих стабилизации блока управления относительно Земли.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание системы коррекции траектории (СКТ) вращающегося артиллерийского снаряда, позволяющей повысить точность поражения снарядом цели, в том числе в условиях применения противником средств радиоэлектронной борьбы, обеспечить энергообеспечение электрооборудования СКТ, повысить безопасность служебного обращения со снарядом, увеличить срок сохраняемости СКТ, а также обеспечить возможность модернизации существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.

Задача решается за счет того, что СКТ состоит из вращающейся вместе со снарядом части (ВЧ), содержащей ротор генератора с постоянными магнитами или зубчатый безобмоточный ротор индукторного генератора, намагничивание которого, при необходимости, осуществляется внешним устройством перед выстрелом, и стабилизированной относительно Земли части (СЧ), установленной на ВЧ с возможностью свободного вращения относительно нее вокруг общей оси, содержащей предохранительно-исполнительный механизм, статор генератора с обмотками, систему управления с приемником и антенной сигналов глобальной навигационной спутниковой системы и датчиками инерциальной навигационной системы, а также жестко установленные на корпусе СЧ аэродинамические поверхности, обеспечивающие создание аэродинамической подъемной силы, корректирующей траекторию снаряда, и аэродинамического момента, противоположного направлению вращения снаряда, обеспечивающего выработку генератором электрической энергии и стабилизацию СЧ относительно Земли в требуемом положении.

Содержание заявленного изобретения иллюстрируется нижеприведенными фигурами:

фиг. 1 - принципиальное устройство СКТ;

фиг. 2 - внешний вид СКТ;

фиг. 3 - аэродинамическая схема ʺплюсʺ СКТ;

фиг. 4 - аэродинамическая схема ʺиксʺ СКТ;

фиг. 5 - схема коррекции траектории снаряда с использованием опорной траектории (интегральный метод наведения);

фиг. 6 - схема коррекции траектории снаряда с использованием прогнозной точки падения снаряда (терминальный метод наведения).

Система коррекции траектории, принципиальное устройство которой приведено на фиг. 1, состоит из вращающейся вместе со снарядом части (ВЧ) и стабилизированной относительно Земли части (СЧ), которые свободно вращаются друг относительно друга посредством подшипников 6 и 20, установленных на продольной оси.

ВЧ имеет возможность жесткого закрепления на корпусе снаряда и состоит из корпуса ВЧ 1, подшипникового щита 2, тарельчатой пружины 3, предназначенной для разгрузки подшипника 6 от перегрузок, возникающих при выстреле, и удерживаемой крышкой 7, корпуса генератора 8, в котором установлен ротор 11, включающий в себя постоянные магниты 10 и постоянные магниты датчика положения ротора 12, закрепленные в корпусе генератора гайкой упорной 9, тарельчатой пружины 13, предназначенной для разгрузки подшипника 20 от перегрузок, возникающих при досылании снаряда в орудие, и удерживаемой гайкой 14.

СЧ включает в себя предохранительно-исполнительный механизм (ПИМ) 5, предназначенный для инициации взрывчатого вещества снаряда, стопорного кольца 4, удерживающего подшипник 6, вала 15, на котором посредством колец 16 и 19 установлен статор 17 с обмотками и датчик положения ротора 18, втулки 22, на которой посредством накидной гайки 21 установлен комплект электронных модулей (КЭМ) 24 и корпус СЧ 25, при этом для защиты КЭМ от проворачивания после монтажа электрических соединений на втулке 22 установлены штифты 23.

На корпусе СЧ 25 запрессован радиопрозрачный обтекатель 27 и жестко установлены четыре аэродинамические поверхности 26, предназначенные для создания подъемной силы и аэродинамического момента.

В КЭМ 24 установлены навигационная аппаратура, предназначенная для определения координат и вектора скорости СКТ по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и (или) локальных навигационных систем (ЛНС), прием которых осуществляется посредством антенны 29, чувствительные элементы инерциальной навигационной системы и магнитометр 28, предназначенный для определения ориентации СЧ в пространстве, а также для определения координат и вектора скорости СКТ в случае невозможности приема сигналов ГНСС и (или) ЛНС (например, вследствие радиоэлектронной борьбы), а также контроллеры системы управления, обеспечивающие стабилизацию СЧ относительно Земли посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) ключа генератора таким образом, чтобы сумма моментов на генераторе и моментов трения на подшипниках 6 и 20 была равна по модулю противоположному по знаку аэродинамическому моменту, создаваемому аэродинамическими поверхностями 26. При этом, в случае необходимости измерения положения СЧ относительно Земли, система управления изменяет скважность ШИМ, уменьшая или увеличивая момент на генераторе, вследствие чего ориентация СЧ изменяется в направлении вращения снаряда (в случае увеличения скважности ШИМ) или в противоположном вращению снаряда направлении (в случае уменьшения скважности ШИМ).

Генератор, включающий в себя статор 17 и ротор 11, предназначен как для выработки электрической энергии для питания КЭМ и ПИМ (другие источники электропитания в СКТ отсутствуют), так и для стабилизации СЧ относительно Земли.

Аэродинамические поверхности 26, создающие результирующую подъемную силу Ry, предназначенную для коррекции траектории снаряда, и аэродинамический момент Мх, за счет которого обеспечивается как выработка генератором электроэнергии, так и стабилизация СЧ относительно Земли, жестко установлены на корпусе СЧ 25 по аэродинамической схеме «плюс» или «икс» в соответствии с фиг. 2.

При аэродинамической схеме «плюс» (фиг.3) правая и левая аэродинамическая поверхность создают одинаковые по модулю и направлению подъемные силы Rп и Rл соответственно, сумма которых составляет результирующую подъемную силу Ry, тогда как верхние и нижние аэродинамические поверхности создают одинаковые по модулю и противоположные по направлению подъемные силы Rв и Rн, за счет чего образуется противоположный направлению вращения снаряда аэродинамический момент Мх.

При аэродинамической схеме «икс» (фиг.4) результирующая подъемная сила Ry образуется суммой подъемных сил всех аэродинамических поверхностей, при этом равные между собой по модулю подъемные силы правой-верхней и правой-нижней поверхности Rпв и Rпн больше по модулю, чем равные между собой по модулю подъемные силы левой-верхней и левой-нижней поверхности Rлв и Rлн, за счет чего образуется противоположный направлению вращения снаряда аэродинамический момент Мх.

Коррекция траектории снаряда осуществляется следующим способом - после определения текущих координат и вектора скорости снаряда СЧ стабилизируется таким образом, чтобы вектор результирующей подъемной силы Ry был направлен в точку О пересечения опорной траектории с плоскостью, образованной вращением вектора Ry вокруг продольной оси снаряда (интегральный метод наведения, фиг. 5), или таким образом, чтобы угол γ между вектором проекции направленной вверх местной вертикали на плоскость, образованной вращением вектора Ry вокруг продольной оси снаряда и вектором Ry был равен углу γ' между вектором из проекции О' снаряда О на горизонтальную плоскость в цель Т и вектором из прогнозируемой точки падения снаряда до коррекции D в цель Т, положительный угол γ (+) и γ'(+) отчитывается по часовой стрелке от вектора соответственно, если смотреть в направлении полета снаряда (терминальный метод наведения, фиг. 6).

В случае если траектория полета снаряда с допустимой погрешностью совпадает с опорной, движение снаряда осуществляется по спирали в окрестности опорной траектории, вектор результирующей подъемной силы Ry при этом должен осуществлять равномерное вращательное движение вокруг продольной оси снаряда.

Изобретение относится к области военной техники, в частности к головным взрывателям вращающихся в полете артиллерийских снарядов. Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда состоит из вращающейся вместе со снарядом части (ВЧ), содержащей ротор генератора с постоянными магнитами или зубчатый безобмоточный ротор индукторного генератора, и стабилизированной относительно Земли части (СЧ), установленной на ВЧ с возможностью свободного вращения относительно нее вокруг общей оси, содержащей предохранительно-исполнительный механизм, статор генератора с обмотками, систему управления с приемником и антенной сигналов глобальной спутниковой навигационной системы и/или сигналов локальной навигационной системы и датчиками инерциальной навигационной системы, а также жестко установленные на корпусе СЧ две пары аэродинамических поверхностей (АП), обеспечивающих создание аэродинамической подъемной силы, корректирующей траекторию снаряда, и аэродинамического момента, противоположного направлению вращения снаряда, обеспечивающего выработку генератором электрической энергии и стабилизацию СЧ относительно Земли в требуемом положении. АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы одна пара АП могла создавать аэродинамическую подъемную силу, а вторая пара АП могла создавать аэродинамический момент, или обе пары АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы каждая из АП могла создавать как аэродинамическую подъемную силу, так и аэродинамический момент. Технический результат – повышение боевой эффективности вращающегося снаряда. 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда, состоящая из вращающейся вместе со снарядом части (ВЧ), содержащей ротор генератора с постоянными магнитами или зубчатый безобмоточный ротор индукторного генератора, намагничивание которого, при необходимости, осуществляется внешним устройством перед выстрелом, и стабилизированной относительно Земли части (СЧ), установленной на ВЧ с возможностью свободного вращения относительно нее вокруг общей оси, содержащей предохранительно-исполнительный механизм, статор генератора с обмотками, систему управления с приемником и антенной сигналов глобальной спутниковой навигационной системы и/или сигналов локальной навигационной системы и датчиками инерциальной навигационной системы, а также жестко установленные на корпусе СЧ две пары аэродинамических поверхностей (АП), обеспечивающих создание аэродинамической подъемной силы, корректирующей траекторию снаряда, и аэродинамического момента, противоположного направлению вращения снаряда, обеспечивающего выработку генератором электрической энергии и стабилизацию СЧ относительно Земли в требуемом положении, при этом АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы одна пара АП могла создавать аэродинамическую подъемную силу, а вторая пара АП могла создавать аэродинамический момент, или обе пары АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы каждая из АП могла создавать как аэродинамическую подъемную силу, так и аэродинамический момент.

2. Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда по п. 1, отличающаяся тем, что генератор включает в себя датчик положения ротора, выполненный с постоянными магнитами.

3. Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда по любому из пп. 1, 2, отличающаяся тем, что в СЧ установлена лазерная полуактивная головка самонаведения.

4. Система коррекции траектории вращающегося артиллерийского снаряда по любому из пп. 1-3, отличающаяся тем, что в СЧ установлена телевизионная или тепловизионная система самонаведения, в которую перед выстрелом загружается «портрет цели».