Способ управления автоматической стрельбой ракетно-артиллерийского вооружения, устанавливаемого на подвижном носителе
METHOD OF MANAGEMENT OF AUTOMATIC SHOOTING OF ROCKET ARTILLERIAN WEAPONS, INSTALLED ON MOBILE CARRIER

Предлагаемое изобретение относится к области военной техники, предназначено для повышения точности стрельбы ракетно-артиллерийских установок и может быть использовано при ведении стрельбы как из существующих, так и перспективных систем вооружения, устанавливаемых на любых подвижных носителях - наземных, плавсредствах и летательных аппаратах, например автоматических пушек типа ГШ-23, 2А42, пусковых устройств (блоков) типа Б-8, Б-13 для запуска неуправляемых авиационных ракет типа С-8, С-13 и т.п.
Известен способ повышения точности стрельбы, заключающийся в стабилизации позиции орудийного ствола артиллерийского оружия, установленного на подвижном носителе, в заданном направлении относительно цели /1/. Способ предложено реализовать посредством системы автоматизированного управления (САУ), включающей наряду с традиционными инерциальными устройствами и датчиками ускорений, передающими показания на компьютерную систему обработки информации, также и датчик, фиксирующий вызванные внешними воздействиями на дульную часть ствола колебания последней в районе дульного среза. Указанные колебания вызываются как за счет разнонаправленной вибрации подвижного носителя при перемещении в окружающей среде, так и за счет явлений, вызываемых непосредственно стрельбой. С учетом зафиксированных датчиками различных кинематических и динамических факторов САУ выдает команды на соответствующие исполнительные механизмы, посредством которых и осуществляется наводка и стабилизация ствола оружия в направлении, оптимальном для стрельбы по цели.
Недостатком указанного способа является то, что он предназначен только для осуществления некой «усредненной» стабилизации ствола оружия в направлении цели. Невзирая на съем информации о колебаниях дульного среза, т.е. фактически координат и поведения точки покидания боеприпасом ствола, в системе управления, судя по описанию патента, команда на разрешение очередного выстрела не предусмотрена. На момент выстрела величина вектора радиальной составляющей колебательной скорости/ускорения дульного среза может быть весьма высокой, что естественно скажется на точности выстрела, осуществляемого членом экипажа.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ управления автоматической стрельбой артиллерийской установки /2/, заключающийся в формировании системой управления артиллерийской установки команды на разрешение очередного выстрела, отличающийся тем, что команду на разрешение выстрела формируют с учетом собственных угловых колебаний дульной части ствола, а выстрел производят в момент максимального значения скорости собственных угловых колебаний.
В данном техническом решении предложено после каждого выстрела измерять частоту и амплитуду скорости угловых колебаний дульной части, после чего, с учетом результатов измерений, системой автоматизированного управления дается команда на очередной выстрел.
Описанный способ не лишен некоторых недостатков.
В соответствии с определением /3/: «ВЫСТРЕЛ - 1) явление, совокупность процессов, происходящих в стволе с момента воспламенения порохового заряда до момента окончания истечения газов из канала ствола после вылета снаряда. Явление В. включает в себя следующие основные процессы: воспламенение пороха, горение пороха, образование пороховых газов, расширение пороховых газов, поступательное движение снаряда, вращательное движение снаряда, движение откатных частей, истечение пороховых газов из канала ствола…». Таким образом, процесс выстрела можно условно разделить на несколько стадий - инициирование метательного заряда, последующее движение снаряда в канале ствола артиллерийского орудия под действием давления газообразных продуктов его сгорания и, наконец, комплекс явлений, происходящих после вылета снаряда из ствола.
Исходя из вышеприведенного определения можно сделать вывод, что в патенте - прототипе под командой на разрешение выстрела подразумевается команда именно на разрешение инициирования метательного заряда ввиду того, что конкретная стадия процесса выстрела здесь конкретно не оговорена. Т.е. время движения снаряда по каналу ствола от момента инициирования метательного заряда и вплоть до момента в способе не учитывается.
Но, т.к. команда на выстрел проходит до покидания снарядом канала ствола, то к моменту пересечения днищем снаряда дульного среза орудия предложенное техническим решением /2/ условие максимального значения скорости собственных угловых колебаний ствола - дульного среза не соблюдается. Тем не менее, на выходе из канала ствола снаряд наряду с линейной составляющей скорости приобретает еще и некоторую "радиальную" относительно оси ствола, но уже непредсказуемую по величине и направлению, вследствие его угловых колебаний. Пусть и не максимальную, как указано в описанном техническом решении, но тем не менее влияющую на точность поражения цели.
Технической задачей предлагаемого изобретения является устранение вышеуказанных недостатков способа-прототипа, а именно - повышение точности стрельбы.
Решение поставленной технической задачи достигается тем, что в известном способе управления автоматической стрельбой ракетно-артиллерийского вооружения, устанавливаемого на подвижном носителе, заключающемся в формировании системой управления команды на разрешение очередного выстрела с учетом колебаний дульного среза пушечного ствола или выходных отверстий стволов пускового блока, в соответствии с изобретением выстрел производят с опережением по времени, равным интервалу между моментом инициирования метательного заряда соответствующего боеприпаса и его полным выходом из дульного среза в момент максимального значения ускорения колебаний.
Опережение по времени, равное интервалу между моментом инициирования метательного заряда соответствующего боеприпаса и его полным выходом из дульного среза в момент максимального значения ускорения угловых колебаний, т.е. фактически равное времени движения боеприпаса по каналу ствола (пускового блока), позволит обеспечить предсказуемое минимально возможное наложение на движущийся боеприпас радиальной составляющей скорости, вызванной колебаниями дульного среза, и с ее учетом осуществить коррекцию линии прицеливания, тем самым повысив точность поражения цели. Конкретная величина этого опережения для каждого вида артиллерийско-ракетного вооружения и используемых боеприпасов устанавливается предварительно как расчетным, так и экспериментальным путем.
Как уже отмечалось выше, разнонаправленная вибрация подвижного носителя при перемещении в окружающей среде, вибрации от его двигателя и движителя, внешние воздействия на дульную часть ствола, а также явления, вызываемые непосредственно выстрелом, приводят к возникновению вынужденных колебаний дульного среза, точное позиционирование которого существенно сказывается на точности стрельбы.
Ввиду того, что подвижный носитель находится непосредственно на боевой траектории и стрельба с него осуществляется в короткий промежуток времени, указанные возмущающие воздействия в течение данного временного промежутка можно принять квазистационарными, т.е. практически неизменными, а колебания - гармоническими, причем, как показывает практика, вследствие большой массы носителя совершаемыми и наиболее ощутимыми преимущественно в двух взаимно перпендикулярных направлениях относительно траектории движения.
В общем случае колебания дульного среза могут быть описаны зависимостями:
Т.е. колебания дульного среза в условной системе координат, размещенной в плоскости, перпендикулярной оси канала ствола и с началом координат в точке пересечения оси канала с данной плоскостью, принятой для стационарных условий (без колебаний), можно считать, осуществляемыми по некоторому гармоническому закону. Тогда относительно принятого начала координат, вследствие колебаний, центр отверстия дульного среза будет совершать некоторое осциллирующее движение по замкнутой траектории (фигуре Лиссажу). Фигуры Лиссажу вписываются в прямоугольник, центр которого совпадает с началом координат, а стороны параллельны осям координат и расположены по обе стороны от них на расстояниях, равных амплитудам колебаний.
Для упрощения пояснения предлагаемого технического решения рассмотрим случай перемещения центра дульного среза по эллиптической траектории (Фиг. 1).
Приняв систему прямоугольных координат XOY, где О - начало координат, а X и Y - координаты смещения дульного среза в направлении соответственно большой и малой осей эллипса, можно записать параметрические уравнения принятой эллиптической траектории движения центра дульного среза вследствие колебаний в более простой форме (т.к. однонаправленные колебания по осям могут быть просуммированы, а сдвиг фаз разнонаправленных колебаний - «компенсирован» соответствующим поворотом осей):
При этом составляющие его скорости по направлению координатных осей составят:
И ускорения, соответственно:
а и b - соответственно, большая и малая полуоси эллипса, м;
-1
ω - круговая частота колебаний, с;
t - текущий момент времени, с.
Абсолютные результирующие величины скорости и ускорения центра дульного среза определяются как
и
Из курса теории колебаний известно, что для совершающей гармонические колебания материальной точки максимальному значению скорости соответствует минимальное ускорение, и наоборот - максимальному значению ускорения соответствует минимальная скорость. Условию экстремума зависимости (6), необходимого для нахождения максимального ускорения (и соответственно минимальной скорости) колеблющегося центра дульного среза, соответствует равенство нулю первой производной выражения. Дифференцирование (6) и выполнение несложных преобразований в итоге дает упрощенное выражение:
Откуда
Реально же условию максимального значения ускорения и соответственно минимальной скорости перемещения при движении центра дульного среза по эллиптической траектории под действием наложенных вынужденных колебаний для данного примера соответствуют точки пересечения траектории с осью X, т.е. когда
Причем особо следует отметить, что направление вектора скорости в данных точках перпендикулярно оси X в выбранной системе координат, а ее абсолютная величина и направление относительно оси Y легко вычислимы и могут быть учтены при корректировке линии прицеливания и формировании команды на разрешение очередного выстрела.
Изобретение поясняется графическим материалом.
На фиг. 1 (а, б) представлена расчетная схема, на фиг. 2 - вариант учета угловых поправок линии прицеливания при стрельбе.
Дульный срез ствола 1 (фиг. 1, а) под воздействием возмущающих воздействий совершает в параллельной ему плоскости 2 в условно абсолютной системе координат XaOYa колебательное движение по эллиптической траектории 3. Здесь Ха - горизонтальное направление, Ya - вертикальное, О - начало координат (точка пересечения оси канала ствола с плоскостью дульного среза). Ввиду наличия разности фаз колебаний по осям Ха и Ya оси эллиптической траектории с этими осями не совпадают, т.е. имеют некоторое угловое отклонение на угол ϕ.
x
y
Для последующего упрощения вычислений система координат путем поворота осей на угол ϕ может быть преобразована к виду, изображенному на фиг. 1б. Здесь направление осей эллиптической траектории совпадают с направлениями координатных осей X и Y. Для примера показано колебательное перемещение оси дульного среза в положительном направлении (против часовой стрелки), и в произвольной точке траектории - скорости его перемещения в направлении осей V, V, а также их результирующей V, направленной по касательной к траектории перемещения. Точки максимального ускорения (минимальной скорости) выделены на пересечении траектории с осью X.
Фиг. 2 - вариант учета угловых поправок линии прицеливания при стрельбе. При необходимости поражения цели 4 на ней выделяется точка непосредственного прицеливания 5. Поправки в наведении средства используемого средства вооружения вводятся с учетом отклонения центра дульного среза δ (фактически - амплитуды колебаний по оси X) от начала условной системы координат О, а также с учетом скорости его перемещения V на момент выхода боеприпаса из канала ствола.
Для практической реализации способа предварительно расчетным и экспериментальным путем набирается статистическая информация по времени нахождения боеприпаса в канале ствола от момента инициирования метательного заряда до выхода боеприпаса из дульного среза соответствующего вида вооружения.
В районе дульного среза (срезов) системы вооружения устанавливаются датчики-акселерометры с обеспечением информационного канала связи с бортовой компьютерной системой автоматического управления стрельбой (САУС).
При заходе подвижного носителя на боевой курс и предварительном прицеливании с учетом метеорологических и иных внешних факторов по команде стрелка САУС осуществляется сбор, анализ и математическая обработка результатов измерений, полученных с акселерометров.
По имеющимся координатным характеристикам размещения на подвижном носителе конкретного вида вооружения «устанавливается» условная система координат, в которой происходит колебательное движение дульного среза. В данной системе координат определяются амплитудно-частотные и кинематические характеристики колебательного перемещения дульного среза - характер траектории, максимальное ускорение, направление вектора скорости и ее абсолютная величина на момент максимального ускорения, амплитуда (максимальное перемещение относительно начала координат). Указанные характеристики приводятся в соответствие с системой координат прицельного устройства, после чего САУС формирует команды на корректировку линии прицеливания (с учетом величины и направления вектора скорости колебания дульного среза на момент его максимального ускорения и отклонения его центра от начала координат) и разрешение очередного выстрела, с учетом времени нахождения боеприпаса в канале ствола от момента инициирования метательного заряда, таким образом, чтобы боеприпас полностью вышел из дульного среза в момент достижения последним максимального ускорения.
Таким образом, предлагаемый способ позволит повысить точность стрельбы с одновременным снижением расхода боеприпасов на поражение единичной цели и может быть использован при ведении стрельбы как из существующих, так и перспективных систем вооружения, устанавливаемых на любых подвижных носителях.
Источники информации
1) Патент США US 5520085, F41G 5/16. Weapon stabilization system, 28.05.1996 г. – аналог.
2) Патент РФ RU 2287761, F41G 5/14. Способ управления автоматической стрельбой артиллерийской установки (АУ), 28.06.2004 – прототип.
3) Словарь ракетных и артиллерийских терминов. Редактор - генерал-майор Г.Н. Разумов. - М.: Военное издательство, 1988, 256 с.