СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ОСКОЛОЧНОГО ПОЛЯ БОЕПРИПАСОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF FRAGMENTATION FIELD OF AMMUNITION, AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области испытаний боеприпасов и может быть использовано для определения характеристик осколочного действия боеприпасов.
Известен способ определения начальной скорости осколка, заключающийся во взрывном метании осколка в заданном направлении и определении времени пролета осколком расстояния от точки взрыва до некоторого экрана, приведении средней скорости осколка к начальной скорости осколка с помощью уравнения движения его центра массы (А.Н.Дорофеев, А.П.Морозов, Р.С.Саркисян. Авиационные боеприпасы. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1978, с.210-214, 218-219, 228).
Известно устройство для определения начальной скорости осколка, содержащее устройство метания, экран, устройство регистрации времени пролета осколка от точки взрыва до экрана (А.Н.Дорофеев, А.П.Морозов, Р.С.Саркисян. Авиационные боеприпасы. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1978, с.210-214, 218-219, 228).
Недостатком известных способа и устройства является недостаточная информативность, так как с их помощью определяется только начальная скорость одного осколка, но не определяются другие характеристики осколочного поля боеприпасов.
Известен способ определения характеристик осколочного поля боеприпасов, заключающийся в подрыве боеприпаса, расположенного горизонтально в центре полуцилиндрической мишени, и последующих расчетах дифференциального закона распределения осколков по направлениям разлета и закона распределения осколков по их массам (А.Н.Дорофеев, А.П.Морозов, Р.С.Саркисян. Авиационные боеприпасы. ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1978, с.210-214, 218-219, 228).
Известно устройство определения характеристик осколочного поля боеприпасов, состоящее из боеприпаса, полуцилиндрической мишени и устройства инициирования (А.Н.Дорофеев, А.П.Морозов, Р.С.Саркисян. Авиационные боеприпасы. ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, 1978, с.210-214, 218-219, 228).
Недостатком способа и устройства является недостаточная информативность, так как при их использовании не определяются скорости лидирующих и замыкающих осколков, средняя скорость и глубина осколочного поля поражения.
Наиболее близким к изобретению является способ определения характеристик осколочного поля боеприпасов, заключающийся в подрыве боеприпаса, расположенного горизонтально в центре полуцилиндрической мишени с помощью системы инициирования, при этом подрыв боеприпаса осуществляют во взрывной камере, получают временную зависимость фильтрованных частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля, относительно момента подрыва боеприпаса путем установки радиолокационного измерителя скорости так, что ось диаграммы направленности антенны составляет с плоскостью, проходящей через продольную ось боеприпаса и продольную ось щели взрывной камеры, острый угол α, фильтрации частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля, при его нахождении в пределах диаграммы направленности радиолокационного измерителя скорости, определении скорости лидирующих и замыкающих осколков, средней скорости и глубины осколочного поля по временной зависимости фильтрованных частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля, относительно момента подрыва боеприпас (Мужичек С.М., Шайморданов С.Г., Новиков И.А., Винокуров В.И. Патент на изобретение РФ №2451263 от 20.05.2012 г.).
Наиболее близким к изобретению является устройство определения характеристик осколочного поля боеприпасов, содержащее взрывную камеру, устройство инициирования и боеприпас, микроЭВМ, радиолокационный измеритель скорости, при этом взрывная камера имеет щель, ширина и длина которой позволяют улавливать часть осколочного поля боеприпаса, летящую в направлении, определяемом двугранным углом Δθ, радиолокационный измеритель состоит из последовательно соединенных антенны, генератора высокой частоты, n ключей соединены с выходом устройства инициирования, а ось диаграммы направленности антенны составляет с плоскостью, проходящей через продольную ось боеприпаса и продольную ось щели взрывной камеры, острый угол α, выходы n ключей соединены n входами ПЭВМ (Мужичек С.М., Шайморданов С.Г., Новиков И.А., Винокуров В.И. Патент на изобретение РФ №2451263 от 20.05.2012 г.).
Недостатком способа и устройства является недостаточная информативность, так как при их использовании не определяются законы распределения осколков по направлениям разлета и по массе, по секторам и в каждом секторе эшелонов осколочного поля поражения, а также динамика изменения осколочного поля в направлении перпендикулярном направлении полета осколочного поля.
Технической задачей изобретения является повышение информативности за счет определения законов распределения осколков по направлениям разлета и по массе по секторам, и в каждом секторе, количество эшелонов осколочного поля поражения и динамику изменения осколочного поля в направлении перпендикулярном направлении полета осколочного поля.
i
i
j
k
i
j
k
3
Решение технической задачи достигается в способе определения характеристик осколочного поля поражения боеприпасов, заключающимся в подрыве боеприпаса, расположенного горизонтально в центре полуцилиндрической мишени с помощью системы инициирования, при этом подрыв боеприпаса осуществляют во взрывной камере, получают временную зависимость фильтрованных частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля, относительно момента подрыва боеприпаса путем установки радиолокационного измерителя скорости так, что ось диаграммы направленности антенны составляет с плоскостью, проходящей через продольную ось боеприпаса и продольную ось щели взрывной камеры, острый угол α, фильтрации частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля при его нахождении в пределах диаграммы направленности радиолокационного измерителя скорости, определении скорости лидирующих и замыкающих осколков, средней скорости и глубины осколочного поля по временной зависимости фильтрованных частот Доплера сигналов, отраженных от части осколочного поля, относительно момента подрыва боеприпаса, отличающийся тем, что дополнительно размещают полуцилиндрическую мишень, выполненную в виде N секторов неконтактных датчиков, причем каждый сектор состоит из трех перпендикулярных матриц излучателей и матриц чувствительных элементов линеек фотоприемников, определяют дифференциальный закон распределения осколков по направлениям разлета в каждом эшелоне осколочного поля боеприпаса на основе последовательной фиксации комбинаций координат сработавших элементов матрицы чувствительных элементов линеек фотоприемника в картинной плоскости, относительно первой строки матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемников, расположенных по оси х, определяют массу осколков в соответствии выражением m=ρ*(n*n*n*k), где nnn - количество одновременно сработавших элементов; k - линейные размеры чувствительных элементов линеек фотоприемников, мм; ρ - плотность материала корпуса боеприпаса, кг/м; определяют закон распределения осколков по массе в каждом эшелоне осколочного поля боеприпасов на основе последовательной фиксации комбинации координат срабатывания элементов матрицы чувствительных элементов фотоприемников в пространстве, относительно первой строки матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемника, расположенных по оси х, определяют количество эшелонов осколочного поля боеприпаса, на основе определения последовательностей срабатывания первой строки элементов матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемника, расположенной по оси х, определяют динамику изменения распределения осколков по направлению и массе в каждом эшелоне осколочного поля боеприпаса, на основе фиксации комбинаций сработавших элементов матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемника в пространстве относительно каждой строки элементов матрицы чувствительных элементов фотоприемников, расположенных по оси Z.
Устройство реализующее способ определения характеристик осколочного поля боеприпасов, содержащее взрывную камеру, устройство инициирования и боеприпас, микроЭВМ, радиолокационный измеритель скорости, при этом взрывная камера имеет щель, ширина и длина которой позволяют улавливать часть осколочного поля боеприпаса, летящую в направлении, определяемом двугранным углом Δθ, радиолокационный измеритель состоит из последовательно соединенных антенны, генератора высокой частоты, блока широкополосных усилителей, n фильтров, первых входов n ключей, причем вторые входы n ключей соединены с выходом устройства инициирования, а ось диаграммы направленности антенны составляет с плоскостью, проходящей через продольную ось боеприпаса и продольную ось щели взрывной камеры, острый угол α, выходы n ключей соединены с n входами микроЭВМ, отличающееся тем, что дополнительно содержит полуцилиндрическую мишень, выполненную в виде бесконтактных датчиков с N секторами, N блоков первичной обработки информации, причем группа первых, вторых, третьих выходов и четвертый выход бесконтактных датчиков соединены с группой первых, вторых и третьих входов и четвертым входом блоков N-первичной обработки информации, выходы которых соединены с входами микроЭВМ.
Кроме того, блок первичной обработки информации содержит дифференцирующую цепь, первый, второй и третий элементы ИЛИ, сдвиговой регистр, счетчик, первый и второй блоки логики, блок памяти, причем группа первых, вторых, третьих входов и четвертый вход блока первичной обработки являются соответственно первыми и вторыми входами и первого и второго блока логики, третьим входом второго блока логики и входом дифференцирующей цепи, кроме того, первые и вторые входы блока первичной обработки информации являются соответственно входами первого и третьего элементов ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с первым входом сдвигового регистра, выходы которого соединены с входами второго элемента ИЛИ, выход которого соединен с первым входом счетчика и одновременно с одним из входов третьего элемента ИЛИ, выход которого соединен с третьим и четвертым входом соответственно первого и второго блока логики, выходы которых соединены соответственно со вторым и третьими входами блока памяти, первый вход которого соединен с выходом счетчика, выход дифференцирующей цепи соединен со вторыми входами сдвигового регистра, счетчика, выход блока памяти является выходом блока первичной обработки информации.
Кроме того, первый блок логики содержит матрицу элементов И, матрицу триггеров, блок памяти, дифференцирующую цепь, причем группа первых и вторых входов и третий вход первого блока логики являются соответственно первыми, вторыми входами N матриц элементов И и входом дифференцирующей цепи, выходы матриц элементов И соединены с первыми входами триггеров, вторые входы которых соединены с выходом дифференцирующей цепи, выходы триггеров соединены с входами блока памяти, выход которого является выходом первого блока логики.
Кроме того, второй блок логики состоит из квадратной матрицы n -порядка элементов И, квадратной матрицы n-порядка триггеров, блока памяти, дифференцирующей цепи, причем группа первых, вторых и третьих входов и четвертый вход второго блока логики являются соответственно первыми, вторыми, третьими входами квадратной матрицы n-порядка элементов И и входом дифференцирующей цепи, выходы квадратной матрицы n-порядка элементов И соединены с первыми входами квадратной матрицы n-порядка триггеров, выходы которых соединены с входами блока памяти, вторые входы квадратной матрицы n-порядка триггеров соединены с выходом дифференцирующей цепи, выход блока памяти является выходом второго блока логики.
На фиг.1 приведена схема устройства определения характеристик осколочного поля поражения боеприпаса, где: 1 - взрывная камера, 2 - полуцилиндрическая мишень, 3 - устройство инициирования, 4 - боеприпас, 5 -радиолокационное устройство, 6 микроЭВМ, 7 N - блоков первичной обработки информации, 8 - антенна, 9 - генератор высокой частоты, 10 - блок широкополосных усилителей, 11 - фильтры, 12- ключи. На фиг.2 приведена схема размещения боеприпаса во взрывной камере. На фиг.3 приведена схема сектора полуцилиндрической мишени 2 и блока 7 предварительной обработки информации, где 13 - излучающие диоды, 14 - линейки фотоприемников, 15 - источник питания, 16 - дифференцирующая цепь, 17, 18, 19 - первый, второй и третий элементы ИЛИ, 20 - сдвиговый регистр, 21 - счетчик, 22, 23 - первый и второй блок логики, 24 - блок памяти, на фиг.4 приведена схема первого 22 блока логики, где 25 - матрица элементов И, 26 - матрица триггеров, 27 - блок памяти, 28 - дифференцирующая цепь, на фиг.5 приведена схема второго23 блока логики, где 29 - матрица элементов И, 30 -матрица триггеров, 31 - блок памяти, 32 - дифференцирующая цепь.
Устройство определения характеристик осколочного поля поражения осколочно-фугасных боеприпасов содержит взрывную камеру 1, полуцилиндрическую мишень 2, устройство инициирования 3, боеприпас 4, радиолокационное устройство 5, микроЭВМ 6, N - блоков 7 первичной обработки информации. Радиолокационное устройство 5 состоит из антенны 8, генератора 9 высокой частоты, блока 10 широкополосных усилителей, фильтров 11, ключей 12. Полуцилиндрическая мишень 2 содержит N секторов, каждый из которых состоит из излучающих диодов 13, линейки фотоприемников 14, источника питания 15. Блок 7 первичной обработки информации содержит - дифференцирующую цепь 16, первый 17, второй 18 и третий 19 элементы ИЛИ, сдвиговый регистр 20, счетчик 21, первый 22 и второй 23 блоки логики, блок 24 памяти. Первый 21 блок логики состоит из матрицы 25 элементов И, матрицы 26 триггеров, блока 27 памяти, дифференцирующей цепи 28. Второй 22 блок логики состоит из матрицы 29 элементов И, матрицы 30 триггеров, блока 31 памяти, дифференцирующей цепи 32.
Устройство функционирует следующим образом.
Исследуемый боеприпас размещается во взрывной камере 3 на высоте h от пола так, чтобы продукты взрыва его заряда взрывчатого вещества не оказывали влияния на процесс измерения скорости осколков, а продольная ось боеприпаса была совмещена со щелью взрывной камеры таким образом, чтобы в щель попала часть осколочного поля боеприпаса, летящая в направлении, определяемом двугранным углом Δθ.
Пространство между щелью и полуцилиндрической мишенью 2 облучается СВЧ-энергией V, излучаемой генератором 6 через антенну 5.
Осколочное поле формируется за счет подрыва исследуемого боеприпаса и с помощью устройства 4 инициирования, которое одновременно подает сигнал на открывание т ключей 12.
п
n
При попадании заданной части осколочного поля боеприпаса в диаграмму направленности антенны 8 на выходе генератора 9 формируются сигналы с частотами Доплера Δf зависящими от скорости движения осколочного поля. Эти сигналы усиливаются в блоке широкополосных усилителей 10 и поступают на входы n фильтров 11. На выходе каждого фильтра 11 формируется сигнал, соответствующий частоте настройки фильтра f. Сигналы с выходов n фильтров 11 через первые входы n ключей 12 поступают на n входов ПЭВМ 6.
л
ПЭВМ 6 осуществляет отображение временной зависимости фильтрованных частот Доплера сигналов, отраженных от заданной части осколочного поля относительно момента подрыва боеприпаса 4, определяет частоту (скорость) лидирующих и замыкающих осколков и глубину осколочного поля. Так скорость лидирующих осколков определяется по значению частоты Доплера f сигнала первого относительно момента подрыва боеприпаса 4 из выражения
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>п</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>λ</mi><msub><mi>f</mi><mi>п</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
где λ - длина волны излучаемого сигнала, α - угол.
3
Скорость замыкающих осколков определяется по значению частоты Доплера f сигнала последнего относительно момента подрыва боеприпаса 4 из выражения
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>з</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>λ</mi><msub><mi>f</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mrow><mn>2</mn><mi>cos</mi><mi>α</mi></mrow></mfrac></mrow>
где λ - длина волны излучаемого сигнала, α - угол.
Средняя скорость осколочного потока определяется из выражения
<mrow><mi>V</mi><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>V</mi><mi>п</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>V</mi><mi>з</mi></msub></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
1
2
Далее определяют время t, соответствующее моменту возникновения сигнала, первого относительно момента подрыва боеприпаса 4 и время t, соответствующее моменту возникновения сигнала последнего относительно момента подрыва боеприпаса 4. Затем определяют с помощью ПЭВМ 10 глубину осколочного поля из выражения
п
з
2
1
L=(V-V)·(t-t).
Таким образом, на данном этапе работы устройства определяются скорости лидирующих и замыкающих осколков, средняя скорость и глубина осколочного поля поражения боеприпасов.
Определение законов распределения осколков по направлениям разлета и по массе в каждом эшелоне осколочного поля поражения боеприпасов осуществляется за счет конструкции полуцилиндрической мишени и N блоков 7 первичной обработки информации.
Каждый из N секторов полуцилиндрической мишени состоит из трех перпендикулярных матриц излучателей 13 и матриц фотоприемников 14, данная конструкция мишени позволяет создать трехмерное измерительное поле в направление движения осколочного поля поражения боеприпаса.
Предварительное обнуление блоков 7 первичной обработки информации происходит в момент включения источника питания 15 и подачи сигнала через дифференцирующую цепь 16, второй вход второго 18 элемента ИЛИ на третий и четвертый входы первого 19 и второго 20 блоков логики.
Кроме того, обнуление блоков 7 первичной обработки информации происходит и в момент пролета каждого эшелона осколков относительно горизонтально расположенной линейки фотоприемника 14.
Дифференциальный закон распределения осколков по направлениям разлета в каждом эшелоне определяют на основе фиксации координат сработавших чувствительных элементов фотоприемника в картинной плоскости x и y (фиг.3).
При этом сигналы с группы первых и вторых выходов полуцилиндрической мишени 2 поступают соответственно на первые и вторые входы первого 22 блока логики (фиг.3), обеспечивая тем самым срабатывания определенной комбинаций элементов матрицы элементов И 25, сигналы с выхода которых поступают на первые входы матрицы триггеров 26, с выхода которых поступает на входы блока 27 памяти (фиг.4).
Таким образом, комбинация сработавших элементов матрицы триггеров 26 соответствует дифференциальному закону распределения осколков по направлениям разлета в данном эшелоне осколочного поля боеприпаса.
В момент пролета следующего эшелона осколочного поля боеприпасов сигналы с выхода горизонтально расположенных чувствительных элементов линейки фотоприемника 14 через первый 17 элемент ИЛИ, сдвиговый регистр 20, второй 18 элемент ИЛИ, один из входов третьего 19 элемента ИЛИ поступают на третий вход первого 22 блока логики.
С третьего входа первого 22 блока логики сигнал через дифференцирующую цепь 28 поступает на вторые входы триггеров 26, обеспечивая их обнуления.
Затем аналогично осуществляется запись в блок 27 памяти дифференциального закона распределения осколков по направлениям разлета в данном эшелоне осколочного поля боеприпаса (фиг.4).
Закон распределения осколков по массе определяют на основе фиксации комбинации сработавших чувствительных элементов линейки фотоприемника 14 в пространстве, при этом сигналы с первых, вторых и третьих выходов полуцилиндрической мишени 2 поступают соответственно на первые, вторые, третьи входы второго 23 блока логики.
Сигналы с первого, второго и третьего входов второго блока логики поступают соответственно на первые, вторые и третьи входы матрицы элементов И 29 с выходов которых поступают на первые входы матрицы триггеров 30, с выходов которых поступают на входы блока 31 памяти (фиг.5).
Таким образом, комбинация сработавших элементов матрицы триггеров 31 второго 23 блока логики соответствует закону распределения осколков по массе в данном эшелоне осколочного поля боеприпаса.
В момент пролета следующего эшелона осколочного поля боеприпасов сигналы с выхода горизонтально расположенных чувствительных элементов линейки фотоприемника 14 через первый 17 элемент ИЛИ, сдвиговый регистр 20, второй элемент ИЛИ 18, один из входов третьего элемента ИЛИ поступают на четвертый вход второго 23 блока логики.
Сигнал с выхода второго 23 блока логики через дифференцирующую цепь 32 поступает на вторые входы триггеров 30, обеспечивая их обнуления.
Затем аналогично осуществляется запись в блок 31 памяти закона распределения осколков по массе данного эшелона осколочного поля боеприпаса (фиг.5).
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow>
j
0
Относительное число осколков по направлениям разлета относительно полуцилиндрической мишени определяется микроЭВМ 6 в соответствии с выражением
, где ΔN количество осколков по направлениям, N - общее количество осколков
Гистограммы распределения осколков по направлению определяется в соответствии с выражением:
<mrow><msup><mi>f</mi><mo>*</mo></msup><mo>=</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>φ</mi><mi>i</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><mi>Δ</mi><msub><mi>φ</mi><mi>j</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
, j=1, 2…n,
где j - угловой сектор разлета осколков.
Закон распределения осколков по углу разлета в меридиональной плоскости дает возможность определить плотность осколочного поля в любой точке в окрестности точки подрыва.
i
i
j
k
i
j
k
<mrow><mfrac><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow><mrow><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
МикроЭВМ 6 определяет массу осколков в соответствии выражением m=ρ*(n*n*n*k), где nnn - количества одновременно сработавших элементов, к - линейные размеры чувствительных элементов линеек фотоприемников, мм, ρ - плотность материала корпуса снаряда
.
ij
ij
Разлет осколков по массе определяется в виде двумерной матрицы N, где N - число осколков i-ой массовой группы в j-ой угловой зоне. Ширина угловой зоны Δϕ обычно принимается в пределах 2…5°.
Определяют количество эшелонов осколочного поля боеприпаса, на основе определения последовательности срабатываний первой строки элементов матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемника 14, расположенной по оси х.
Это происходит следующим образом: сигналы с выхода линейки фотоприемника 14 поступают на входы первого элемента ИЛИ, с выхода которого поступают на вход сдвигового регистра 20, с выходов которого через элемент ИЛИ 18 поступает на первый вход счетчика 21, с выхода которого поступает на первый вход блока памяти 24.
Таким образом, на выходе счетчика 21 формируется сигнал соответствующий количеству эшелонов осколочного поля боеприпаса.
Динамику изменения закона распределения осколков по углу разлета и массе осколочного поля боеприпаса определяют за счет периодического обнуления первого 22 и второго 23 логического блока.
Это происходит за счет последовательной выдачи сигналов с третьих выходов датчиков полуцилиндрической мишени 2 на входы третьего 19 элемента ИЛИ, с выхода которого сигнал поступает на третий и четвертый входы первого 22 и второго 23 логического блока (фиг.3).
С третьего и четвертого входов первого 22 и второго 23 логического блока сигналы поступают соответственно через дифференцирующие цепи (28, 32) на входы 26, 30 матрицы триггеров (26, 30), обеспечивая их обнуления (фиг.4, 5).
При этом с первого, второго и третьего выходов неконтактных датчиков полуцилиндрической мишени 2 поступают сигналы на первые и вторые входы первого 22 блока логики, на первые, вторые и третьи входы второго 23 блока логики. Комбинация данных сигналов соответствует закону разлета осколков по направлению и массе.
Таким образом, происходит определение закона распределения осколков снаряда по направлению и массе, количества эшелонов осколков и динамики изменения осколочного поля боеприпаса в направлении, перпендикулярном оси движения осколочного поля боеприпаса.