Устройство для определения внешнебаллистических параметров метательного элемента с помощью световых экранов

Изобретение относится к области определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости и углового положения метательных элементов - пуль и снарядов) при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам (мишеням). Технический результат - определение с повышенной точностью скорости, координат пролета и углов нутации и прецессии метательного элемента. Устройство содержит световую мишень для определения скорости и координат пролета. В устройстве обеспечивается измерение моментов времени входа метательного элемента в световые экраны и моментов выхода из них, вычисление моментов времени пересечения срединой метательного элемента световых экранов, использование которых при определении скорости и координат пролета исключает погрешность из-за нутации и прецессии. По разностям моментов времени, соответствующим длительностям пересечения световых экранов, с помощью заранее определенных расчетным путем или экспериментально теневых характеристик определяют углы нутации и прецессии. 6 ил.

 

Изобретение относится к области определения внешнебаллистических параметров (координат, скорости и углового положения метательных элементов - пуль и снарядов) при стрельбе прямой наводкой по вертикальным преградам (мишеням) и может использоваться при экспериментальном определении пробивной способности пуль и снарядов и качества брони в процессе их отработки или контроля при изготовлении.

Известны способ и аппаратура для определения углов нутации и прецессии, определяющих угловое положение метательного элемента (пули или снаряда) по характеру пробоины в специально обработанных (прокаленных) экранах из бумаги или картона [Ермолаев С.И., Комаров Л.Б., Чурбанов Е.В. Внешняя баллистика. - Л.: ВМАКВ им. А.М.Крылова, 1958. - 688 с.]. Пробоина имеет овальную (эллипсовидную) форму. Угол наклона овала является углом прецессии ν. Угол нутации δ функционально зависит от отношения большого диаметра овала d₁ к малому диаметру d₂. Зависимость может быть заранее вычислена по чертежу или определена экспериментально по тени элемента на экран в плоскопараллельном потоке света.

Недостатками устройства являются ручные измерения, затраты времени на установку и снятие экранов, необходимость замены расходных материалов после каждого выстрела и повышенная опасность из-за необходимости выхода в огневой коридор для снятия и установки экранов. Кроме того, при углах нутации примерно до 5-ти градусов отношение диаметров практически равно единице и, следовательно, угол нутации менее 5-ти градусов не регистрируется.

Известны способ и аппаратура для определения углов нутации и прецессии, определяющих угловое положение метательного элемента по наклону проекций на вертикальную и горизонтальную плоскости [Вердин Г.Д., Родин А.А. Прикладная баллистика. Методы и средства баллистических измерений. М.: Машиностроение, 1975. - 232 с. Баркан С.А. и др. Полигонные испытания боеприпасов артиллерии. - М.: Воениздат, 1958. - 630 с.]. Способ основан на фотографировании метательного элемента двумя скоростными камерами с двух взаимно перпендикулярных направлений. Для получения фотографий элемента используется метод фотографирования с засветкой фотобумаги или фотопленки двумя импульсными точечными источниками света.

Недостатками метода являются необходимость синхронизации момента вспышки, трудоемкость получения фотоснимков, расход материалов и ручная обработка фотоснимков.

Наиболее близким аналогом является световая мишень /Патент РФ № 2213320, кл. МКИ F 41 J 5/02. Бюл. № 27, 27.09.2003/ для определения скорости и координат пролета пули измерением временных интервалов между последовательным пересечением световых экранов (световых плоскостей), образованных с помощью протяженных линейных источников света (излучателей), расположенных по одну сторону от снопа траекторий, и оптически связанных с ними оптико-электронных преобразователей, расположенных по другую сторону от снопа траекторий. Световая мишень позволяет определить скорость пули на блокируемом участке траектории и координаты пролета через заданную плоскость регистрации (мишень), перпендикулярную направлению стрельбы.

Недостатком является то, что устройство не позволяет определить угловое положение метательного элемента. Кроме того, относительно низка точность определения скорости и координат пролета.

Задача изобретения заключается в устранении недостатков известного устройства для определения скорости и координат пролета метательного элемента (мишени), содержащего четыре световых экрана, первый из которых перпендикулярен направлению стрельбы, второй повернут на острый угол по отношению к первому относительно горизонтальной оси, перпендикулярной направлению стрельбы, третий - на острый угол относительно вертикальной оси, четвертый параллелен первому. В устройстве обеспечивается фиксация моментов времени входа метательного элемента в каждый экран и моментов времени выхода из каждого экрана, вычисление длительностей каждого из интервалов пересечения световых экранов и средних значений моментов времени пересечения световых экранов. Вычисление скорости и координат пролета осуществляется по средним значениям моментов времени пересечения световых экранов по уравнениям модели мишени, коэффициенты которой идентифицированы предварительно на основании результатов опытных выстрелов с фиксацией времен и координат попадания при каждом выстреле в контрольную рамку (мишень). Вычисление углового положения метательного элемента осуществляется по уравнениям модели, устанавливающим зависимость отношений длительностей интервалов времени пересечения наклонных световых экранов к длительности интервала времени пересечения светового экрана, перпендикулярного направлению стрельбы.

Технический результат - исключение расходных материалов (специально обработанных бумаги или картона, фотопленки или фотобумаги и химических реактивов для проявления и закрепления); безопасность (операторы не выходят в огневой коридор); автоматизация измерений и обработки результатов; сокращение времени подготовки к испытаниям и получения результатов; повышение точности определения внешнебаллистических параметров (скорости, координат пролета и углов, характеризующих угловое положение метательного элемента) и повышение информативности испытаний за счет одновременного определения всех внешнебаллистических параметров при одном выстреле.

На фиг.1 изображена схема устройства для определения углового положения метательного элемента на базе световых экранов; на фиг.2 показаны углы, определяющие угловое положение метательного элемента; на фиг.3 показана схема оптико-электронного преобразователя (приемника); на фиг.4 - световые экраны, образованные излучателями и приемниками; на фиг.5 - углы, определяющие переход от системы координат метательного элемента к системе координат тира и обратно; на фиг.6 - отношение длин «теней» на наклоненном световом экране к не наклоненному.

Устройство содержит излучатели 1₁, 1₂; блок питания излучателей 2; оптико-электронные преобразователи 3_i, i=1...4, образующие совместно с излучателями световые экраны 4_i; коаксиальные (информационные) линии связи 5; блок согласующих и пороговых устройств 6, состоящий из согласующих устройств 7_i, пороговых устройств (компараторов) с прямыми входами 8_i и инверсными входами 9_i и схемы ИЛИ 10; вычислитель (компьютер или микропроцессор) 11; устройство отображения информации 12; контрольную рамку (мишень) 13.

Приемник (оптико-электронный преобразователь) 3_i (фиг.3) имеет прямоугольную щелевую диафрагму перед объективом (линзой) 14, в фокальной плоскости которой (на фокусном расстоянии ƒ или меньшем до 0,5ƒ') расположена чувствительная площадка фотоприемника (фотодиода) 15, выход которого соединен с входом усилителя фототока 16. Выходы усилителей фототока коаксиальными линиями связи 5 соединены с входами согласующих устройств 7_i блока согласующих и пороговых устройств 6, выходы устройств 7_i соединены с прямыми входами пороговых устройств 8_i и инверсными входами пороговых устройств 9_i, выходы всех пороговых устройств соединены с входами схемы ИЛИ 10, выход которой соединен с входом прерываний вычислителя 11.

Фиг.2 иллюстрирует связь углов наклона оси метательного элемента ψ, θ с вспомогательными углами поворотов системы координат ψ*, θ* и углами прецессии ν и нутации δ.

Фиг.4 иллюстрирует расположение в огневом коридоре (система координат XYZ) излучателей 1₁, 1₂ и оптико-электронных преобразователей 3₁-3₄, образующих световые экраны 4₁-4₄. Световые экраны 4₁, 4₄ перпендикулярны направлению стрельбы X, световой экран 4₂ повернут на острый угол α вокруг горизонтальной оси Z, а световой экран 4₃ - на острый угол β (β=α) вокруг вертикальной оси Y.

Фиг.5 иллюстрирует переход от системы координат огневого коридора XYZ к системе координат X₂Y₂Z₂, связанной с метательным элементом.

На фиг.6 изображены теневые характеристики метательного элемента (конической пули).

Математическая сущность изобретения заключается в следующем. Метательный элемент (пуля или снаряд, например) представляет собой тело вращения, с которым связана система координат X₂Y₂Z₂, ось Х₂ которой совпадает с осью симметрии, ось Y₂ перпендикулярна оси Х₂ и лежит в вертикальной плоскости, проходящей через ось Х₂, а ось Z₂ образует с осями Х₂, Y₂ правую тройку. Профиль метательного элемента в плоскости X₂Y₂ задается уравнением

где L - длина метательного элемента.

Уравнение поверхности вращения есть

С огневой трассой (тира или полигона) связана прямоугольная система координат XYZ, ось Х которой направлена по направлению стрельбы, ось Y вертикальна, а ось Z образует с ними правую тройку (фиг.2, 4). Угловое положение метательного элемента (система координат X₂Y₂Z₂) характеризуется углами ψ, θ* или ψ*, θ, показанными на фиг.2. Для перехода от системы координат тира XYZ к системе координат метательного элемента X₂Y₂Z₂ нужно сделать поворот на угол ψ относительно оси Y (получается система X₁Y₁Z₁), a затем на угол θ* относительно оси Z₁ (получается система X₂Y₂Z₂, как показано на фиг.5). В случае определения координат поверхности вращения (2) в системе XYZ нужно сделать поворот в обратном направлении: сначала на угол -θ*, а затем на угол -ψ около соответствующих осей. В результате имеем

где М - матрицы вращения вокруг соответствующих осей на соответствующие углы, так что

где s₂=sinψ, c₂=cosψ, s₃=sinθ*, c₃=cosθ*.

Метательный элемент перемещается вдоль оси Х со скоростью V. Длина элемента вдоль оси X определяется крайними точками поверхности вращения в системе координат XYZ. Обозначим крайнюю точку донной части через х_min в случае, когда х₂=0, а крайнюю точку носовой части - через х_max в случае, когда х₂=L. Для получения аналитического решения представим первое уравнение системы (3) в виде

В случае нахождения точек донной и носовой частей метательного элемента, когда x₂=0 или х₂=L, имеем

По этим уравнениям с учетом дополнительного условия (2), решая задачу на условный экстремум функции (5) или (6) с помощью неопределенного множителя Лагранжа, находим x_min0 по (5), x_max0 по (6) и затем находим длину «тени» метательного элемента вдоль оси X, равную

где V - скорость полета, - время пересечения метательным элементом светового экрана, параллельного плоскости YZ (перпендикулярного направлению стрельбы), и - соответственно моменты входа метательного элемента в световой экран и выхода из него.

Если световой экран повернут, например, относительно оси Y на угол β, то разложим вектор скорости на две составляющие Vcosβ (перпендикулярно световому экрану) и Vsinβ (параллельно световому экрану). Тогда время перекрытия (пересечения) метательным элементом наклоненного светового экрана будет определяться длиной «тени» на направление, перпендикулярное световому экрану. Поэтому матрицу вращения М(у₁, -ψ) на угол -ψ нужно заменить на матрицу M(y₁, β-ψ). В результате получим соотношения, аналогичные (4)-(6), а вместо (7) получим

Для исключения неизвестной скорости полета ν составим отношение

из которого

При наличии светового экрана, повернутого на угол α относительно оси Z, изменим последовательность поворотов. Тогда вместо (3) с учетом второго поворота на угол α-θ получим

и аналогично (10) найдем

Очевидно, что функция k_α соответствует функции k_β с переменой аргументов местами, т.е.

Таким образом, в случае известного аналитического уравнения поверхности вращения ϕ(x₂) можно заранее рассчитать зависимости k_α(ψ, θ) и k_β(ψ, θ).

Если аналитического уравнения поверхности вращения не задано, то зависимости k_α(ψ, θ) и k_β(ψ, θ) можно определить экспериментально. Для этого нужно взять метательный элемент или его макет, поместить его в пучок параллельных лучей света и, задавая углы наклона θ и ψ, измерить длину тени между параллельными прямыми (параллельными оси Y (Z) или наклоненными на угол α (β)) на перпендикулярно расположенном по отношению к пучку лучей экране.

В частности, в случае тонкого метательного элемента (тонкого стержня длиной L) получим

В случае тупого метательного элемента (цилиндра длиной L и диаметром 2R) получим

В случае острого метательного элемента (конуса длиной L и основанием диаметром 2R) получим

В (14)-(16) А, В, С уравнения (4) определяются при соответствующих углах ψ, θ и углах наклона световых экранов α, β. Последняя модель является достаточно хорошим аналитическим приближением в случае пули или снаряда с острой носовой и тупой донной частями.

Зависимости отношения длин теней (10) в случае острого метательного элемента (конуса), вычисленные с учетом (16) и изображенные на фиг.6, показывают, что выбранное отношение практически мало зависит от второго угла и близко к линейной зависимости. На фиг.6 k1(j) соответствует углу ψ=-30°, a k2(j) - углу ψ=30° при угле β=30°. Угол θ равен θ=10j-30° так, что θ=-30° при j=0 и θ=30° при j=6. Третья зависимость k(j) является прямой линией, проходящей через точки k1(0) и k1(6), и характеризует нелинейность реальной зависимости. Так как в случае достаточно высоких требований к точности определения угла (погрешность до 0,5°) необходимо пользоваться реальной зависимостью и решать нелинейное уравнение, то по линейной зависимости можно найти начальное приближение, необходимое при решении нелинейного уравнения методом последовательных приближений.

В соответствии с фиг.2 для задания углов наклона оси метательного элемента, определения вспомогательных углов ψ*, θ* и углов нутации δ и прецессии ν имеем

Здесь l, m, n - направляющие косинусы оси метательного элемента.

В известной световой мишени [Световая мишень /Патент РФ № 2213320, класс МКИ F 41 J 5/02 Бюл. № 27, 27.09.2003/ Авт. Афанасьева Н.Ю., Веркиенко Ю.В., Казаков В.С., Коробейников В.В. по заявке № 2002116940/02 от 24.06.2002.] при пролете пули через световые экраны фиксируются моменты входа в экраны i=1...4 и вычисляются скорость полета где S - база (расстояние между параллельными световыми экранами 4₁ и 4₄), а также приборные коэффициенты

преимущественно зависящие соответственно от координат пролета пули. Из-за неидеального расположения световых экранов в реальных условиях модель световой мишени имеет вид

Коэффициенты A_i, B_i модели определяются по результатам испытаний в режиме идентификации. В этом случае в огневом коридоре устанавливают контрольную рамку 13, при каждом выстреле фиксируют t_вхi, а по пробоинам в контрольной рамке - координаты пролета каждой пули y, z. Затем после минимум пяти выстрелов с помощью уравнений (21), (22) для каждого выстрела определяют коэффициенты A_i, B_i. Для сглаживания погрешностей измерений производят n>5 выстрелов и обработку результатов (поиск A_i, B_i) осуществляют, например, по методу наименьших квадратов.

В режиме функционирования системы контрольная рамка отсутствует, а координаты определяют по приборным коэффициентам k_y, k_z с помощью моделей (21), (22) при предварительно идентифицированных коэффициентах А_i, В_i.

В предлагаемом устройстве для определения углового положения метательного элемента при каждом выстреле измеряют моменты времени входа в световые экраны и выхода из них Это дает возможность уменьшить погрешности определения скорости и координат пролета из-за влияния углового положения метательного элемента (углов нутации и прецессии). Для этого вычисляются моменты времени, соответствующие пересечениям световых экранов центром метательного элемента

и затем вместо (20) вычисляют

Аналогично вычисляют скорость полета

Следует отметить, что угол прецессии ν меняется линейно во времени. Поэтому в случае разнесенной системы световых экранов фиг.4 возникает погрешность определения углов нутации и прецессии. Это недостаток схемы фиг.4. Достоинством схемы фиг.4 является минимальное количество излучателей (два) для формирования четырех световых экранов, позволяющих одновременно определять скорость, координаты пролета и углы нутации и прецессии. Для уменьшения погрешности определения углового положения метательного элемента нужно, чтобы световые экраны (один перпендикулярный направлению полета и два наклонных) были расположены ближе друг к другу вдоль траектории в месте пролета метательного элемента (пересекались в одной точке). Чтобы выполнить это условие и сохранить базу S для измерения скорости, нужно ввести дополнительные излучатели. В случае пересечения световых экранов может быть нарушена последовательность моментов времени срабатывания датчиков и соответственно сигналы с выходов пороговых устройств нельзя объединить по схеме ИЛИ. В этом случае потребуется адресный ввод сигналов (с указанием от какого светового экрана пришел сигнал). Однако это принципиально не влияет на сущность изобретения.

Следует также отметить, что реальный световой экран имеет конечную «ширину». При выборе ширины излучателя равной ширине диафрагмы h оптико-электронного преобразователя, длина тени при пролете метательного элемента увеличится на величину h·cos^-1α или h·cos^-1β. В случае h=2-3 мм и длины метательного элемента L=150-200 мм погрешность определения углового положения метательного элемента будет незначительной. В случае относительно короткого метательного элемента изменение длины тени можно учесть заменой, например, величины приборного коэффициента в (10) на величину , где по-прежнему V - скорость полета метательного элемента вычисляется согласно (25).

Система работает следующим образом. В режиме функционирования (рабочий режим) после выстрела метательный элемент последовательно пересекает световые экраны. При входе в световой экран 4i часть светового потока, падающего от излучателя на фотоприемник оптико-электронного преобразователя 3i, затеняется и на выходе формируется электрический импульс, заканчивающийся в момент выхода метательного элемента из светового экрана. Импульс по коаксильной линии связи 5 поступает на согласующее устройство 7i блока согласующих и пороговых устройств 6, а с выхода устройства 7i - на прямой вход компаратора 8i и инверсный вход компаратора 9i. На вторые входы компараторов поданы пороговые напряжения и при превышении которых сигналами с выхода устройства 7_i на выходах компараторов формируются электрические сигналы, время появления которых соответствует моментам входа метательного элемента в световой экран 4_i и выхода из него.

Эти сигналы поступают на входы схемы ИЛИ 10, с выхода которой поступают на вход прерываний компьютера 11. По сигналам прерывания фиксируется состояние таймера компьютера, и коды времени записываются в память компьютера. После записи кодов всех и по (23)-(25) вычисляют времена t_i, приборные коэффициенты k_y, k_z и скорость полета ν. Затем по формулам (21), (22) вычисляют координаты пролета при известных A_i иB_i. Далее вычисляют длительности интервалов времени пересечения метательным элементом световых экранов по формулам

и приборные коэффициенты

Наконец, по уравнениям, аналогичным (10) для К_β и К_α, определяют углы наклона оси метательного элемента ψ и θ, а по уравнениям (19) - углы нутации δ и прецессии ν. Результаты вычислений выводятся на монитор 12.

В режиме идентификации устанавливают контрольную рамку. После каждого из n≥5 выстрелов фиксируют времена и измеряют координаты пролета через контрольную рамку. Затем вычисляют приборные коэффициенты k_y, k_z и из системы уравнений вида (21), (22) определяют коэффициенты A_i и B_i.

Для определения углов ψ, θ по уравнениям вида (10) предварительно по чертежу метательного элемента определяют функции длины тени ƒ₀(ψ, θ), ƒ_α(ψ, θ) и ƒ_β(ψ, θ), причем последняя функция в случае α=β получается из предыдущей сменой аргументов ψ и θ местами. Функции длины тени могут быть определены экспериментально по измерениям длины тени между параллельными прямыми (параллельными оси Y (Z) или наклоненными на угол α (β) от метательного элемента, наклоненного на заданные углы ψ, θ, в потоке плоскопараллельных лучей света на перпендикулярном потоку экране.

Предложенное устройство позволяет автоматически определять одновременно при каждом выстреле внешнебаллистические параметры: скорость, координаты пролета и углы нутации и прецессии и имеет высокую точность измерений, причем обеспечивает регистрацию углов нутации меньше 5° и имеет одинаковую точность регистрации при различных углах нутации.

Устройство для определения внешнебаллистических параметров метательного элемента с помощью световых экранов, содержащее устройство для определения углового положения метательного элемента, содержащее источники света, расположенные по одну сторону от снопа траекторий, и оптически связанные с ними оптико-электронные преобразователи, расположенные по другую сторону от снопа траекторий и образующие совместно с источниками света систему из четырех световых экранов, блок питания источников света, усилители фототоков, блок согласующих и пороговых устройств, схему ИЛИ, компьютер с устройствами отображения информации, контрольную рамку - мишень, отличающееся тем, что первый световой экран перпендикулярен направлению стрельбы, второй световой экран повернут на острый угол по отношению к первому вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной направлению стрельбы, третий - на такой же острый угол вокруг вертикальной оси, четвертый световой экран параллелен первому, и в блоке согласующих и пороговых устройств в качестве пороговых устройств использованы компараторы с прямыми и инверсными входами, причем компараторы с инверсными входами соединены с выходами согласующих устройств, выходы компараторов с инверсными входами соединены с входами схемы ИЛИ.