СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ОБЪЕКТА ИСПЫТАНИЙ В МОМЕНТ ЕГО ПОДРЫВА

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения пространственных координат взрыва, вызванного подрывом объекта испытаний (ОИ).

Известен способ определения пространственных координат ОИ в момент его подрыва, см. ГОСТ Р51271-99 «Изделия пиротехнические. Методы сертификационных испытаний» (разделы 6.4, 6.5). Он основан на скоростной фотосъемке с нескольких позиций ОИ в процессе его движения по траектории и срабатывания. Этот способ заключается в установке на разных позициях не менее двух фотокамер и реперных знаков таким образом, чтобы при стрельбе было обеспечено попадание ОИ в угол обзора фотокамер и видимость всеми фотокамерами всех реперных знаков и обеспечении начала процесса фотосъемки до момента подрыва ОИ. Затем по снимкам с разных фотокамер, содержащим изображения реперных знаков и взрыв ОИ в один и тот же момент времени, по заданному алгоритму определяются координаты точки подрыва ОИ. Этот способ позволяет определить пространственные координаты и положение ОИ в нескольких точках траектории полета и координаты точки срабатывания. При его применении возникают следующие ограничения. Ограниченный угол обзора камер требует привязки к ожидаемой области срабатывания изделия, а ограниченная длительность фотосъемки - точной синхронизации с моментом срабатывания изделия, что в некоторых случаях обеспечить невозможно. Кроме того, погодные условия (недостаточная освещенность объекта съемки, туман, запыленность атмосферы, осадки и пр.) сильно влияют на точность и возможность применения этого способа.

Известен способ определения координат взрыва снаряда, включающий регистрацию ударной волны, сопровождающей его взрыв, двумя датчиками, соединенными через передающие устройства с входами приемного устройства, выходы которого связаны с входами вычислителя (заявка Великобритании №1371173, МПК G01S 5/18, F41J 5/00, опубликованная 23.10.74). Недостатком его является ограниченная область определения координат взрыва снарядов, т.к. используемые датчики ударной волны выполнены в виде протяженных конструкций и должны иметь размеры, соизмеримые с величиной главной оси эллипса рассеивания. Кроме того, с помощью данного способа невозможно определение пространственных координат точки срабатывания снаряда. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Заявляемый способ направлен на решение технической задачи определения пространственных координат ОИ в момент его подрыва.

Техническим результатом использования изобретения является получение пространственных (горизонтальных и высотной) координат подрыва изделия, расширение телесного угла определения координат до 4π, увеличение точности определения координат (особенно в случаях, когда отсутствует информация о составе и количестве ВВ в ОИ), мобильность и простота применения способа, работоспособность в неблагоприятных погодных условиях, возможность построения системы постоянного мониторинга воздушной среды с целью выявления источников ВУВ.

Техническая задача решается следующим образом. Способ определения координат ОИ в момент его подрыва включает регистрацию датчиками воздушной ударной волны (ВУВ), сопровождающей подрыв ОИ. В отличие от прототипа, ВУВ регистрируют датчиками ударной волны (ДУВ) не менее чем в трех измерительных точках (ИТ), имеющих геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки (ИП). На ИП устанавливают по крайней мере один светоприемник (СП) и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды (метеоаппаратуру). По сигналу СП фиксируют момент подрыва ОИ, а по сигналам ДУВ регистрируют моменты достижения ударной волной каждой ИТ и определяют фактическое энерговыделение подрыва. На основании полученных данных вычисляют расстояния от точки подрыва до каждой ИТ с учетом параметров невозмущенной воздушной среды и фактического энерговыделения подрыва. Определение координат срабатывания ОИ производят по известным координатам ИТ и расстояниям от точки подрыва до каждой ИТ.

Размещение датчиков не менее чем в трех ИТ позволяет получать пространственные координаты подрыва ОИ. Регистрация СП и ДУВ соответственно момента светового импульса и момента прихода ВУВ дает возможность определять координаты подрыва, независимо от того, в каком направлении относительно ИП он произведен. При этом размещение ДУВ в 3-х ИТ обеспечивает телесный угол определения пространственных координат до 2π, размещение ДУВ в 4-х и более ИТ, не лежащих в одной плоскости, обеспечивает телесный угол определения пространственных координат до 4π. Способ предусматривает использование датчиков измерения импульсных давлений, светоприемника, метеоаппаратуры и автономного регистратора. Это оборудование компактно и в случае смены места испытаний может быть в короткие сроки перемещено на новое место, что обеспечивает мобильность и простоту применения способа. Измерение ВУВ дает возможность определять координаты подрыва ОИ при неблагоприятных условиях (темное время суток, туман, запыленность атмосферы, осадки и пр.).

При подрыве ОИ выделяемая энергия может существенно отличаться от ожидаемой. Это может быть вызвано отклонением детонировавшей массы ВВ от ожидаемой, отклонением характеристик партии ВВ, несферичностью формы заряда ВВ, процессами догорания ВВ. В результате расстояния, преодолеваемые ВУВ, могут быть определены с недостаточной точностью. Определение фактического энерговыделения подрыва по результатам измерения ВУВ позволяет внести поправки на характеристики сработавшего ВВ, что в конечном итоге повышает точность определения координат подрыва ОИ.

Регистрация параметров невозмущенной воздушной среды также позволяет повысить точность определения координат подрыва ОИ и учитывать влияние ветра. При сопряжении автономного регистратора с ПЭВМ и организации непрерывной регистрации сигналов с СП, ДУВ и метеоаппаратуры возможно осуществление постоянного мониторинга воздушной среды.

Способ поясняется чертежами. На фигуре 1 приведена схема постановки измерений, на фигуре 2 - графики измерений ВУВ и регистрации светового импульса, на фигуре 3 - таблица 1 координат ИТ в системе пространственных координат ИП, на фигуре 4 - таблица 2 параметров невозмущенной воздушной среды, на фигуре 5 - график измерения ВУВ в одной из ИТ с наложенными на него, расчетными зависимостями P(t), соответствующими различному энерговыделению подрыва.

Способ определения координат ОИ 2 в момент его подрыва реализуется следующим образом.

Выбирают схему размещения ИТ 4, которая обладает наименьшей чувствительностью к случайным и систематическим ошибкам способа. ОИ 3 может быть доставлен в ожидаемую область подрыва любым известным способом (например, с земли 2 или с воздуха 1, см. фиг.1).

Число размещаемых ИТ 4 - не менее 3-х.

Перед проведением испытаний выполняют геодезическую привязку ИТ 4 к системе пространственных координат испытательной площадки (полигона).

В каждой ИТ 4 устанавливают датчик ударной волны (на фиг.1 не показан), на испытательной площадке устанавливается, как минимум один СП 5.

На испытательной площадке устанавливают аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды (на фиг.1 не показана).

Датчики ударной волны и СП 5 подключают к автономному устройству, регистрирующему поступающие сигналы (на фиг.1 не показано).

По результатам измерений определяют следующие данные.

По сигналу СП 5 определяют момент (время) подрыва ОИ 3 - τ_c.

По сигналам датчиков ударной волны определяют момент достижения фронтом ВУВ каждой ИТ 4 - τ_фi, где i - номер ИТ 4 (см. фиг.2).

Значение Δτ_фi=(τ_фi-τ_c) является временем движения фронта ВУВ от точки взрыва до i-ой ИТ 4.

Определяется ряд расчетных зависимостей P(t) в интервалах возможного разброса энерговыделения подрыва. Зависимости P(t) получаются интерполяцией газодинамических расчетов и являются профилями ВУВ для конкретного энерговыделения на заданном расстоянии от точки подрыва. Сигнал (профиль ВУВ) по крайней мере с одного ДУВ сравнивается с рядом расчетных зависимостей P(t). В результате сравнения определяют фактическое энерговыделение подрыва, принимая его эквивалентным величине энерговыделения, для которого была рассчитана зависимость P(t), наилучшим образом совпадающая с сигналом, зарегистрированным датчиком (см. фиг.5).

На основании полученных данных определяют расстояния от точки подрыва ОИ до i-ой ИТ 4 - R_i по зависимости R(τ), где τ=Δτ_фi. Зависимость R(τ) учитывает невозмущенное состояние атмосферы (температура воздушной среды, атмосферное давление, скорость и направление ветра) и фактическое энерговыделение подрыва, что особенно важно в случаях, когда состав и количество ВВ в ОИ не известно.

Расстояния R_i и известные координаты ИТ 4 определяют сферы с центрами в ИТ 4 и радиусами, равными расстояниям, пройденным фронтом ВУВ от точки подрыва до соответствующей ИТ 4, т.е. искомые координаты (X, Y, Z) подрыва ОИ 3 удовлетворяют системе уравнений:

(X-X_i)²+(Y-Y_i)²+(Z-Z_i)²=R_i ², i=1÷N; N≥3

В результате решения определяют координаты (X, Y, Z) ОИ 3 в момент его подрыва.

Для отработки и применения предлагаемого способа использовались общеизвестные технические средства:

1. Датчики измерения импульсных давлений воздушной среды (АДИД.406233.001 или ENDEVCO, тип 8510 В-1).

2. Светоприемник, чувствительным элементом которого является фотодиод (ФД263).

3. Автономный цифровой регистратор аналоговых сигналов с количеством измерительных каналов не менее 4 (ADLINK Technology Inc., модуль аналогового ввода-вывода DAQ-2010).

4. Экранированные измерительные линии, соединяющие датчики, светоприемник и схему запуска с регистратором (кабель ГПЭУ 6/012).

Способ показал хорошую сходимость результатов (±0.5% по каждой из координат X, Y, Z) с применяемым оптическим способом по ГОСТ Р51271-99 «Изделия пиротехнические. Методы сертификационных испытаний» (разделы 6.4, 6.5).

Работоспособность способа показана в экспериментах по его отработке, в которых пространственные координаты размещения ОИ в момент его подрыва были известны заранее. Кроме того, он успешно применялся в полигонных условиях.

Решение задачи определения координат ОИ в момент его подрыва производилось следующим образом. Согласно заявляемому способу была выбрана схема установки ИТ с учетом информации о предполагаемой области подрыва ОИ. В каждой ИТ было размещено по одному датчику УВ и выполнена геодезическая привязка ИТ к системе пространственных координат ИП (см. фиг.3).

На испытательной площадке были установлены СП и аппаратура, регистрирующая параметры невозмущенной воздушной среды (метеоаппаратура). Был произведен запуск и подрыв ОИ. Ожидаемое энерговыделение ВВ (на основании паспортных данных на заряд) составляло 30 кг в тротиловом эквиваленте.

Метеоаппаратурой были зарегистрированы параметры невозмущенной воздушной среды (см. фиг.4).

По сигналу СП (см. фиг.2 Д5-3) было определено время подрыва ОИ - τ_с=10.51028 с.

По сигналам датчиков ударной волны (см. фиг.2 Д4-1, Д5-2, Д6-1) определили моменты достижения фронтом ВУВ каждой из трех ИТ: τ_ф1=11.22236 с, τ_ф2=11.21994 с, τ_ф3=11.21418 с.

По формуле Δτ_ф=τ_ф-τ_с получили время движения фронта ВУВ от точки подрыва до каждой ИТ Δτ_ф1=0.71208 с, Δτ_ф2=0.70966 с, Δτ_ф3=0.7039 с.

В интервалах возможного разброса фактического энерговыделения подрыва от ожидаемого были рассчитаны зависимости P(t) для значений энерговыделения 10, 16, 18, 20, 30 и 40 кг ВВ (см. фиг.5). На этот же график был наложен сигнал датчика Д6-1. При сопоставлении профилей ВУВ, представленных расчетными зависимостями и зарегистрированных датчиком Д6-1, зависимость P(t) для значения энерговыделения 18 кг была определена, как наилучшим образом совпадающая с профилем ВУВ, зарегистрированным датчиком Д6-1. Эта величина была принята за фактическое энерговыделение подрыва ОИ.

На основании полученных данных определили расстояния R от точки подрыва ОИ до каждой ИТ по зависимости R(τ), которая в первом приближении имеет вид R(τ)=c_зв*Δτ_ф+r₀, где c_зв - скорость распространения звука при данных метеоусловиях, r₀ - поправка R на ударную волну. Величина r₀ была определена с использованием данных о параметрах невозмущенной воздушной среды и фактического энерговыделения подрыва.

Координаты ОИ (X, Y, Z) удовлетворяют системе уравнений:

(X-X'_i)²+(Y-Y'_i)²+(Z-Z'_i)²=R_i ², i=1÷N; N≥3,

где X'_i, Y'_i, Z'_i - координаты ИТ с учетом ветрового сноса.

В результате решения получили следующие координаты подрыва ОИ Х=1.3 м, Y=240.4 м, Z=15.9 м. Точность определения координат по осям составила ΔХ=±2 м, ΔY=±1.5 м, ΔZ=±1.8 м при доверительной вероятности Р=0.99. Следует отметить, что если в расчете использовать энерговыделение с учетом паспортных данных о мощности ВВ, то координаты подрыва ОИ составят Х=1.7 м, Y=242.1 м, Z=16.2 м.

Таким способом в серии экспериментов были определены координаты подрыва при различных вариантах взаимного расположения ИТ и ОИ. При этом расчеты, проведенные с учетом фактического энерговыделения подрыва, лучшим образом согласовались с результатами оптических измерений, чем расчеты с учетом паспортной мощности.

При практическом применении способа подтверждены его возможности и преимущества, заключающиеся в получении пространственных координат подрыва изделия, расширении телесного угла определения координат до 4π, увеличении точности определения координат, в том числе за счет определения и использования в расчете фактического энерговыделения подрыва, мобильности и простоте применения способа, работоспособности в неблагоприятных погодных условиях и возможности построения системы постоянного мониторинга воздушной среды с целью выявления источников ВУВ.