Система наведения управляемого реактивного снаряда
Владельцы патента RU 2746340:
Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Михайловская военная артиллерийская академия" Министерства Обороны Российской Федерации (RU)
Изобретение относится к области техники вооружения, в частности к стрельбе управляемыми реактивными снарядами по наземным объектам. Изобретение может быть использовано при проектировании систем телеориентации управляемых снарядов в луче лазера. Технический результат – повышение точности наведения реактивных снарядов на цель за счет обеспечения постоянства размера сечения луча наведения на текущей дальности управляемого снаряда. Система наведения содержит систему визирования цели и систему наведения, включающую в себя источник лазерного излучения, модулятор и оптическую систему с переменным фокусным расстоянием. При этом система содержит бортовой компьютер. В его память занесены функции изменения дальности снаряда во времени для каждого значения плотности наземного воздуха в диапазоне от 1,5 до 1,1 кг/м3 с шагом 0,1 кг/м3, а также измеренные за 30 мин до стрельбы данные метеоинформации - температуры и давления наземного воздуха. Бортовой компьютер обеспечен возможностью расчета плотности наземного воздуха на основании введенной метеоинформации, выбора из его памяти функции изменения дальности снаряда во времени, соответствующей рассчитанной плотности наземного воздуха, и формирования команды управления оптической системой. Оптическая система включает в себя усилитель, электромотор и редуктор для перемещения ее элементов в соответствии с выбранным законом изменения дальности снаряда. Кроме того, система наведения содержит алфавитно-цифровую клавиатуру для введения в компьютер значений температуры и давления наземного воздуха, контроллер и цифроаналоговый преобразователь. 3 ил.
Изобретение относится к области техники вооружения, в частности, к стрельбе управляемыми реактивными снарядами по наземным объектам. Изобретение может быть использовано в системах телеориентации управляемых снарядов в луче лазера.
Применение предлагаемого изобретения позволит повысить точность наведения реактивных снарядов на цель за счет обеспечения постоянства размера сечения луча наведения на текущей дальности управляемого снаряда.
Решение технической задачи достигается тем, что в систему наведения, состоящую из канала визирования цели и канала наведения, включающего в себя источник лазерного излучения, модулятор, формирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием и схему управления оптической системой, введен бортовой компьютер, в памяти которого находятся функции изменения дальности во времени, определяемые плотностью воздуха, выход которого через цифроаналоговый преобразователь и усилитель соединен со схемой управления оптической системой с переменным фокусным расстоянием. Причем в бортовой компьютер вводятся измеренные значения наземного давления атмосферы и наземной температуры воздуха. В соответствии с выбранным законом изменения дальности снаряда бортовой компьютер формирует команду управления для схемы управления оптической системой, соответствующую метеопараметрам атмосферы. В соответствии с данной командой элементы оптической системы перемещаются таким образом, чтобы размера сечения луча наведения на дальности снаряда оставался постоянным.
В настоящее время известны системы наведения, использующие принцип наведения снарядов луче лазера, состоящие из снаряда, снабженного приемником лазерного излучения и прицела, состоящего из канала визирования цели и канала наведения, включающего в себя источник лазерного излучения, модулятор и формирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием [1], [2]. Данные системы наведения обеспечивают постоянство размера сечения луча наведения на текущей дальности управляемого снаряда, за счет чего достигается постоянство энергетического потенциала и точности канала наведения на всей траектории полета снаряда.
Недостатками данных технических решений является то, что в них не представлена возможность выбора временного закона изменения фокусного расстояния оптической системы в зависимости от изменения силы лобового сопротивления управляемого снаряда, которое зависит от плотности воздуха.
Известна также система оружия [3] с оптическим прицелом, включающим в себя канал визирования цели и канал наведения, содержащий источник лазерного излучения, модулятор и оптическую систему с переменным фокусным расстоянием. Модулятор обеспечивает кодирование информационного поля луча наведения, постоянство линейного размера сечения которого на текущей дальности управляемого снаряда обеспечивается формирующей оптикой с переменным фокусным расстоянием за счет перемещения по определенному закону подвижных компонент оптической схемы. Данная система оружия также обладает указанным выше недостатком.
Известен также способ наведения управляемого снаряда и система наведения для его осуществления [4], сущность которого заключается в том, что на первой фазе управления, начинающейся с момента схода снаряда и продолжающейся до окончания переходных процессов, в аппаратуре управления прибора наведения формируют на его выходе сигнал, эквивалентный нулевой команде. Одновременно создают на выходном валу рулей рулевого привода снаряда дополнительный момент, противодействующий отклонению рулей от их нулевого положения. Управление рулями привода снаряда в соответствии с координатами его отклонения от линии визирования производят на второй фазе до конца полета.
Данный способ не учитывает влияние изменяющейся плотности воздуха на лобовое сопротивление снаряда.
Наиболее близкой по технической сущности к предполагаемому изобретению является система наведения управляемого снаряда [5]. Решение технической задачи в данном изобретении достигается тем, что в оптический прицел системы наведения, состоящий из визирного канала и канала наведения, включающего в себя источник лазерного излучения, модулятор и формирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием, введена схема управления оптической системой, а в управляемый снаряд введен формирователь признака снаряда по типу баллистических характеристик. Данная система обладает тем достоинством, что позволяет унифицировать систему наведения для управляемых снарядов с различными баллистическими характеристиками. Однако, данная система, как и выше описанные, не позволяет выбирать временной закон изменения фокусного расстояния оптической системы в зависимости от изменения силы лобового сопротивления управляемого снаряда, которое зависит от плотности воздуха.
Таким образом, можно сделать вывод, что в известных системах наведения управляемых снарядов фокусное расстояние оптической системы изменяется по жесткой программе, определяемой баллистическими характеристиками снаряда. При этом не учитывается изменение плотности воздуха в зависимости от температуры и давления. В то же время плотность воздуха оказывает существенное влияние на лобовое сопротивление снаряда [6, с. 37] и, соответственно, на его скорость. Следовательно, для одного и того же снаряда при разных метеорологических условиях закон изменения дальности во времени будет различным, что при использовании жесткой программы изменения фокусного расстояния оптической системы приведет к ошибкам фокусировки и, следовательно, к ухудшению качества изображения.
Для оценки степени влияния метеорологических условий на закон движения снаряда рассмотрим выражение для силы сопротивления воздуха [6, с. 37]:
где i - эмпирический коэффициент, учитывающий форму снаряда; S - площадь поперечного сечения снаряда; ρV2/2 - скоростной напор; ρ - плотность воздуха; 
Отклонение плотности воздуха от табличной записывается [6, с. 121]:
где ∆П% - отклонение плотности в процентах; h - давление атмосферы; tV - виртуальная температура
Виртуальная температура - это температура, приведенная к сухому воздуху. Разница между виртуальной и настоящей температурами равноценна влажности по ее влиянию на плотность воздуха. Понятие виртуальной температуры вводится для учета влияния влажности воздуха на его плотность.
Поскольку отклонение плотности воздуха от табличной определяется:
где ПN - нормальная (артиллерийская) плотность воздуха, равная 1,206 кг/м3 [6, с. 117],
то из выражений (2, 3) получаем величину действительной плотности воздуха:
Ускорение силы лобового сопротивления определяется [6, с. 39]:
Для одного и того же снаряда, находящегося в разных метеорологических условиях, в данной формуле изменяется плотность воздуха П, остальные параметры остаются постоянными, определяемыми баллистическими характеристиками снаряда. Поэтому ускорение силы лобового сопротивления J изменится во столько раз, во сколько изменится плотность воздуха П. На графике (фиг. 1) показаны зависимости наземной плотности воздуха от наземной температуры воздуха при различных наземных давлениях атмосферы, построенные по выражению (4).
Как видно из данного рисунка, при изменении температуры от - 40 до +40°С и давлении воздуха 750 мм рт. ст. плотность воздуха изменяется от 1,5 до 1,1 кг/м3, т.е. в 1,36 раз. Таким образом, ускорение силы лобового сопротивления J в данном диапазоне температур изменится в 1,36 раз, т.е. на 36%. При этом закон изменения дальности от времени одного и того же снаряда будет существенно отличаться при изменении наземной температуры воздуха.
На фиг. 2 приведен пример расчетного движения снаряда (зависимости горизонтальной дальности х от времени) на активном и пассивном участках для двух значениях температуры воздуха (−40 и + 40°С) при давлении воздуха 750 мм рт. ст.
Данные зависимости получены путем решения систем дифференциальных уравнений на активном [7, уравнения (3.76)] и пассивном участках траектории [7, уравнения (5.8)].
Как видно из данного рисунка, неучет изменения температуры воздуха может привести к отклонению дальности до снаряда относительно расчетной в конце активного участка до 200 м, а в конце пассивного участка до 300 м, что приводит к непостоянству размера сечения луча наведения на текущей дальности управляемого снаряда.
Сущность заявляемого изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 3 приведена структурная схема системы наведения снарядом.
Система наведения (фиг. 3) состоит из канала визирования цели и канала наведения, включающего в себя бортовой компьютер, в память которого занесены функции изменения дальности снаряда во времени для различных значений плотности наземного воздуха, алфавитно-цифровую клавиатуру, с помощью которой в компьютер вводятся значениях температуры и давления наземного воздуха, контроллер, цифро-аналоговый преобразователь (АЦП), схему управления оптической системой, состоящую из усилителя, электромотора и редуктора, перемещающие подвижные элементы оптической системы, источник лазерного излучения, модулятор и формирующую оптическую систему с переменным фокусным расстоянием.
Данная система работает следующим образом.
Заблаговременно производят испытательные стрельбы управляемым реактивным снарядом на максимальную дальность при различных значениях температуры и давления наземного воздуха, при этом рассчитывают плотность наземного воздуха. Одновременно при проведении испытательных стрельб производят измерение закона изменения дальности снаряда во времени для каждого значения плотности наземного воздуха в диапазоне от 1,5 до 1,1 кг/м3 с шагом 0,1 кг/м3 и записывают в память компьютера.
Накануне предполагаемой стрельбы измеряют температуру наземного воздуха, например, термометром психрометрическим ртутным ТМ-4 [8, с. 231] и наземное давление, например, барометром-анероидом МД-49-2 [8, с. 259]. Метеорологические параметры вводят в память бортового компьютера с помощью алфавитно-цифровой клавиатуры.
Время от момента метеоизмерений до начала стрельбы не должно превышать 30 мин. В противном случае необходимо повторно произвести метеоизмерения.
На основании введенной метеоинформации бортовой компьютер рассчитывает плотность наземного воздуха и выбирает из памяти функцию изменения дальности снаряда во времени, соответствующий рассчитанной плотности наземного воздуха.
Затем оператор наводит канал визирования на цель и после принятия решения на обстрел цели производит пуск снаряда, одновременно сопровождая цель в оптический визир.
В соответствии с выбранным законом изменения дальности снаряда бортовой компьютер формирует команду управления для схемы управления оптической системой, соответствующую метеопараметрам атмосферы. Команда управления поступает на контроллер, далее - в ЦАП, где преобразуется в аналоговый сигнал, усиливается усилителем и подается на электромотор. Электромотор, вращая редуктор, передвигает элементы оптической системы в соответствии с выбранным законом изменения дальности снаряда. При этом обеспечивается постоянство размера сечения луча наведения на текущей дальности управляемого снаряда, что и является задачей предлагаемого технического решения.
Источники информации
1. Laser beam rider guidance utilizing beam quadrature detection. Патент США № 5427328, U.S. Cl 244/3.13, Feb. 12, 1985.
2. Laser beam rider guidance system. Патент США № 4111385, U.S. Cl 244/3.13, Sep. 5 1978.
3. Waffensystem mit in das hauptzielfernrohr integriertem laser-entfernungsmesser. Патент ФРГ № DE 4137843 А1, МКИ F41G 7/263, 1993-05-19.
4. Способ наведения управляемого снаряда и система наведения для его осуществления. Патент РФ № 2179296.
5. Способ наведения управляемого снаряда и система наведения для его осуществления. Патент РФ № 2179296.
6. Курс артиллерии. Книга 3. Внешняя баллистика. Метеорология в артиллерии. Полная подготовка данных для стрельбы. Под общей редакцией Блинова А.Д. Военное издательство. -М:. 1948. 288 с.
7. Внешняя баллистика. Дмитриевский А.А. - М:. «Машиностроение». 1972, 584 с.
8. Основы метеорологии, климатологии. Метеорологические приборы и методы наблюдений: Учебник/В.К.Моргунов. - Ростов-Д.: Феникс. - Новосибирск: Сибирское соглашение, 2005. - 331 с. - с ил. (Высшее образование).
Система наведения управляемого реактивного снаряда, содержащая систему визирования цели и систему наведения, включающую в себя источник лазерного излучения, модулятор и оптическую систему с переменным фокусным расстоянием, отличающаяся тем, что она содержит бортовой компьютер, в память которого занесены функции изменения дальности снаряда во времени для каждого значения плотности наземного воздуха в диапазоне от 1,5 до 1,1 кг/м3 с шагом 0,1 кг/м3, а также измеренные за 30 мин до стрельбы данные метеоинформации - температуры и давления наземного воздуха, причем компьютер обеспечен возможностью расчета плотности наземного воздуха на основании введенной метеоинформации, выбора из его памяти функции изменения дальности снаряда во времени, соответствующей рассчитанной плотности наземного воздуха, и формирования команды управления оптической системой, которая включает в себя усилитель, электромотор и редуктор для перемещения ее элементов в соответствии с выбранным законом изменения дальности снаряда, также система наведения содержит алфавитно-цифровую клавиатуру для введения в компьютер значений температуры и давления наземного воздуха, контроллер и цифроаналоговый преобразователь.
