Результат интеллектуальной деятельности: Способ коррекции навесной траектории артиллерийского снаряда

Изобретение относится к боеприпасам ствольной артиллерии и может быть использовано во взрывателях артиллерийских снарядов для корректировки траектории их движения.

Известен способ коррекции времени срабатывания дистанционного устройства в артиллерийском снаряде, заключающийся в том, что с помощью приемников глобальной навигационной системы, например, GPS, определяются параметры движения снаряда на траектории, выполняется сравнение фактического положения снаряда с расчетным и проводится коррекция времени срабатывания дистанционного устройства, позволяющего осуществлять коррекцию траектории движения снаряда, например торможение (Кузнецов Н.С. Некоторые перспективные направления работ в ОАО «НЛП «Дельта» // Научно-технический сборник ГНЦ РФ ФГУП «ЦНИИХМ им. Д.И. Менделеева» // Боеприпасы, №2, 2014 г., с. 9-11).

Недостатком данного способа является то, что под действием радиопомех введение данных о фактической траектории движения снаряда с помощью GPS не представляется возможным.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ дистанционного подрыва снаряда, заключающийся в том, что вычисляют расстояние до точки коррекции снаряда от места выстрела, вводят эти данные в вычислительное устройство взрывателя, снабженное временным таймером. По команде от этого вычислительного устройства подают импульс управления на исполнительное устройство снаряда. При этом данные для определения точки коррекции вычисляют в процессе полета снаряда с помощью вычислительного устройства взрывателя. Перед выстрелом в вычислительное устройство взрывателя снаряда вводят значение угла возвышения орудия над линией горизонта а и расстояние до точки подрыва снаряда L_p, производят выстрел снарядом. Непрерывно, в функции времени, регистрируют электрические сигналы пропорциональные давлению атмосферы в зоне снаряда, датчиком давления, установленным во взрыватель снаряда. Информацию с датчика давления вводят в вычислительное устройство взрывателя. Выбирают два значения времени t_P1i и t_P2i (t_P1i<<t_P2i), при которых значения зарегистрированных давлений совпадают. С помощью соотношения V₀=g(t_P1i+t_P2i)/2sinα, где g - ускорение свободного падения, вычисляют начальную скорость снаряда V₀. С помощью соотношения t_p=L_p/V₀cosα вычисляют время подрыва снаряда t_p. Через время t=t_p сначала полета снаряда формируют импульс управления, который подают на исполнительное устройство взрывателя (Кузнецов Н.С. Способ дистанционного подрыва снаряда // Патент на изобретение РФ №2666378).

Этот способ может быть использован для осуществления коррекции снаряда торможением, если вместо команды на подрыв будет формироваться команда на включение устройства коррекции, например, устройства торможения снаряда.

Недостатком данного способа является низкая точность определения времени срабатывания, так как при расчете времени срабатывания устройства коррекции практически не учитывается сопротивление воздуха движению снаряда.

Предлагаемый способ свободен от этих недостатков. В основу предлагаемого способа коррекции траектории снаряда положены расчетно-экспериментальные данные автора по исследованию поведения снаряда на траектории с учетом сопротивления воздуха, и применению различных физических явлений для определения положения снаряда на траектории.

Предлагаемый способ коррекции траектории артиллерийского снаряда, заключается в том, что перед выстрелом в вычислительное устройство головного взрывателя снаряда вводят алгоритм определения расчетного значения времени включения тормозного устройства снаряда t_pi. Вводят ряд исходных данных, касающихся параметров орудия, параметров снаряда и параметров наведения орудия, а именно: расчетное расстояние L_p, при достижении снарядом которого формируют импульс управления, длину шага нарезов в стволе артиллерийского орудия угол возвышения орудия при выстреле α, безразмерный аэродинамический коэффициент лобового сопротивления C_D(M) (C_D(M)≅0,5), вес снаряда Р. Производят выстрел. Непрерывно регистрируют время полета снаряда t. С помощью датчика давления, установленного во взрыватель, непрерывно регистрируют давление атмосферы в зоне полета снаряда p_i. Информацию с датчика давления вводят в вычислительное устройство взрывателя в функции времени t. С помощью вычислительного устройства взрывателя выбирают два значения времени t_P1i и t_P2i (t_P1i<<t_P2i), при которых значения зарегистрированных давлений совпадают. С помощью соотношения T_мi=(t_P1i+t_P2i)/2 определяют время, соответствующее максимальной высоте полета снаряда T_мi. С помощью технических устройств, установленных во взрыватель снаряда в верхней точке траектории полета снаряда (в момент времени T_мi) измеряют число оборотов снаряда вокруг своей оси N_i. На основе данных, введенных в вычислительное устройство снаряда перед выстрелом и измеренных величин, по заданному алгоритму, с помощью вычислительного устройства взрывателя, производят вычисление величины t_Pi с помощью соотношения:

где - коэффициент, который вычисляется вычислительным устройством взрывателя с помощью соотношения:

k_i≅2P/V_0iρ_iQcosαC_D(M)+{[(2P/V_0iρ_iQcosαC_D(M)]²+8Psinα/ρ_iQsinαC_D(M)}^1/2/4Psinα/ρ_iQcosαC_D(M).

Расчеты, подтверждающие правомерность применения приведенных выше соотношений, приведены ниже.

Для анализа полета дальнобойного вращающегося снаряда (для определения точек коррекции на траектории) запишем известные соотношения, описывающие поведение снаряда на траектории, а также приведем известные в теории внешней баллистики экспериментальные данные.

Приближенное уравнение траектории вращающегося снаряда имеет вид:

где x - координата траектории в направлении движения, y - координата траектории по высоте, α - угол бросания, g - ускорение свободного падения, V₀ - начальная скорость снаряда, k - коэффициент. Такая траектория называется баллистической кривой.

Коэффициент k в соотношении (1) характеризует сопротивление движению снаряда в воздухе. Его величину можно оценить также с помощью известного соотношения:

где R - сила сопротивления воздуха, Р - вес снаряда, V - скорость движения снаряда.

В свою очередь, силу сопротивления воздуха R оценим с помощью известного соотношения:

где ρ - плотность воздуха, Q - площадь поперечного сечения снаряда, V - скорость движения снаряда, C_D(M), - безразмерный аэродинамический коэффициентом лобового сопротивления, ΔF - давление разряжения в донной части снаряда, q - площадь донной части снаряда.

Экспериментальные данные по определению C_D(M) в зависимости от скорости снарядов известны. Для диапазона скоростей основных артиллерийских снарядов можно принять величину C_D(M)≅0,5.

В дальнобойных снарядах за счет наличия полости в задней части снаряда величина ΔFq незначительна, поэтому в оценочных расчетах ею можно пренебречь. С учетом этого, подставив значение величины R из (3) в (2) получим значение коэффициента k:

С помощью этого соотношения, при известной скорости движения снаряда V и его геометрических Q и весовых Р параметрах для конкретной плотности воздуха ρ, можно определять численные значения параметра k.

Сопротивление воздуха снаряда вызывается тремя основными причинами: вязкостью воздуха, отрывом пограничного слоя с образованием завихрения и образованием баллистической волны.

На фиг 1. графически представлена траектория полета снаряда и указаны силы, действующие на снаряд.

Фиг. 1. Траектория вращающегося снаряда в воздухе: x - координата траектории в направлении движения, y - координата траектории по высоте, α - угол бросания, Н - максимальная высота подъема снаряда, L - дальность полета снаряда, S - дальность полета снаряда до достижения максимальной высоты Н, R - сила сопротивления, V₀ - начальная скорость снаряда, Р - вес снаряда, V_x - горизонтальная скорость снаряда, V_y - вертикальная скорость снаряда, V - результирующая скорость снаряда, К - точка коррекции, L_К - расчетное расстояние коррекции, T_мi - время сначала полета снаряда до достижения им максимальной высоты, Δt_pi - время до достижения снарядом расчетного времени коррекции после прохождения максимальной высоты.

На основе известных данных вычислений из теории баллистики запишем формулы для определения параметров, обозначенных на фиг. 1, а именно: Н, V_x, V_y, S, L, а также величину времени Т_м с момента вылета снаряда до достижения снарядом максимальной высоты. Эти величины и характер их изменения, будут учтены при разработке алгоритма определения положения снаряда на траектории, при котором предлагается выполнять коррекцию положения оси снаряда, и тем самым выполнять коррекцию траектории снаряда по дальности.

Максимальная высота подъема снаряда Н может быть определена с помощью соотношения:

А расстояние S по оси x, до момента достижения снарядом верхней точки траектории, можно оценить с помощью соотношения:

Горизонтальную скорость снаряда V_x можно оценить с помощью соотношения:

А вертикальную составляющую скорости снаряда можно определить с помощью соотношения:

Максимальную дальность полета снаряда можно оценить с помощью соотношения:

Время подъема снаряда до верхней точки можно определить с помощью соотношения:

Из приведенных выше соотношений видно, что для определения реальных значений параметров траектории снаряда необходимо знать целый ряд исходных данных практически для каждого снаряда и орудия и состояния атмосферы. Поэтому приведенные формулы для организации процесса коррекции представляется использовать как ориентировочные для выполнения оценочных расчетов.

Наиболее достоверно определение момента достижения снарядом максимальной высоты представляется проводить на основе инструментальных измерений давления среды в зоне снаряда. Такая методика предложена автором и рассмотрена в ряде работ. Суть методики заключается в непрерывном измерении времени t полета снаряда и давления атмосферы в зоне снаряда в функции p=ƒ(i).

На основании анализа данных измерения фактических значений функции p=ƒ(t) с помощью алгоритма, заложенного в вычислительное устройство взрывателя, определяют момент времени Т_м, при котором снаряд достигает максимальной высоты Н. Точное время, соответствующее моменту максимума высоты полета снаряда Т_м, предлагается определять из соотношения:

где t_P1 и t_P2 - моменты времени полета снаряда, при которых давления в зоне полета снаряда равны, т.е. p₁=p₂. Причем p₁ выбирается на участке возрастания высоты полета снаряда, а величина р₂ фиксируется на ниспадающем участке траектории.

Оценим величину V_x в верхней точке траектории. Эта величина будет определять общую скорость движения снаряда V, так как вертикальная составляющая скорости движения будет равна нулю, а именно: V_y=0. При этом снаряд будет практически занимать горизонтальное положение в направлении движения. Такое положение снаряда позволяет с помощью уже приведенных соотношений оценить значение параметра k, который имеет важное значение для оценки других характеристик движения снаряда. Для этого в соотношение (4) вместо значения V подставим значение V_x из (7) в момент времени Т_м. После подстановки получим:

Проведем преобразование (8) для момента времени Т_м, при котором вертикальная скорость V_y равна нулю, а именно:

Далее в (13) вместо значения e^-kgTм подставим эту величину из (12). И после преобразования запишем новое соотношение для параметра k:

Решение квадратного уравнения относительно k дает значение корня:

k_i≅(-2P/V_0iρ_iQcosαC_D(M)+{[(2P/V_0iρ_iQcosαC_D(M)]²+8Psinα/ρ_iQsinαC_D(M)}^1/2)/4Psinα/ρ_iQcosαC_D(M) (15).

Размерность параметра k - [с/м]. Как видно из (15) для определения параметра k необходимо знать значение скорости V₀ и плотность воздуха ρ в зоне снаряда.

Значение скорости V₀ можно, определить по информации, снимаемой с датчиков Холла установленных во взрыватель снаряда, и выполняющих роль миниатюрных магнетометров, в которых вследствие вращения на траектории вокруг оси боеприпаса при пересечении силовых линий магнитного поля Земли возникает переменная по величине и полярности ЭДС, в форме периодического импульсного сигнала, однозначно характеризующего число оборотов снаряда вокруг оси N. Если перед выстрелом в вычислительное устройство взрывателя введено значение длины шага нарезов на стволе орудия (длина участка канала ствола, на котором нарезы постоянной крутизны делают один полный оборот, называется шагом нарезов), то значение скорости V₀ можно вычислить с помощью соотношения:

Плотность воздуха ρ зависит от высоты, на которой находится снаряд. Значение этой плотности можно оценить в каждый конкретный момент полета снаряда по величине, измеренного в зоне снаряда давления. Как отмечено выше, давление в зоне снаряда измеряется непрерывно для каждого текущего значения времени.

Таким образом, приведенный анализ показывает, что для определения параметра k имеются все необходимые данные, а следовательно обеспечивается возможность определения t_pi для каждого снаряда с учетом фактического состояния системы «орудие-выстрел» и конкретных внешних условий.

Используя вышеприведенные соотношения вычислим величину времени включения корректирующего устройства t_pi. Из фиг. 1 видно, что величина времени коррекции t_pi может быть определена из соотношения:

где Δt_pi - время до достижения снарядом расчетного времени коррекции после прохождения максимальной высоты.

В свою очередь значение времени Δt_pi определим с помощью соотношения:

Тогда искомое значение времени определим с помощью соотношения:

Из (19) видно, что все необходимые данные для определения времени включения устройства коррекции для каждого снаряда имеются. Включение устройства коррекции будет обеспечивать включение тормозных устройств в момент достижения снарядом расчетного расстояния L_p, которое вводится в вычислительное устройство взрывателя перед выстрелом.

Изложенные сведения о заявленном изобретении, охарактеризованном в независимом пункте формулы, свидетельствуют о возможности его осуществления с помощью описанных в заявке и известных средств и методов. Следовательно, заявленный способ соответствует условию промышленной применимости.