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 боеприпасов.
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).
Наиболее близким к изобретению является устройство определения характеристик осколочного поля боеприпасов, содержащее взрывную камеру, устройство инициирования и боеприпас, ПЭВМ, 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).
Недостатком способа и устройства является недостаточная информативность, так как при их использовании не определяются закон и динамика распределения осколков по направлениям разлета и по массе, а также временные интервалы между эшелонами осколочного поля боеприпасов.
Технической задачей изобретения является повышение информативности за счет определения законов и динамики распределения осколков боеприпасов по направлениям разлета и по массе, а также временных интервалов между эшелонами осколочного поля боеприпасов.
i
i
j
k
i
j
k
Решение технической задачи заключается в том, что в способе определения характеристик осколочного поля поражения боеприпасов, заключающемся 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, дополнительно размещают полуцилиндрическую мишень, выполненную в виде N секторов неконтактных датчиков, причем каждый сектор состоит из трех перпендикулярных излучателей и фотоприемников, определяют дифференциальный закон распределения осколков по направлениям разлета на основе фиксации координат сработавших чувствительных элементов линеек фотоприемников в картинной плоскости, определяют массу осколков в соответствии с выражением m=ρ*(n*n*n*m), где nnn - количества одновременно сработавших элементов, m - линейные размеры чувствительных элементов линеек фотоприемников, мм, ρ - плотность материала корпуса снаряда, определяют закон распределения осколков по их массе на основе фиксации координат сработавших чувствительных элементов линеек фотоприемников в пространстве, определяют временные интервалы между эшелонами осколочного поля боеприпаса на основе фиксации последовательности срабатываний чувствительных элементов линейки фотоприемника, расположенных по оси Z, определяют динамику изменения закона распределения осколков по направлению и массе на основе фиксации комбинации сработавших чувствительных элементов линеек фотоприемников в картинной плоскости относительно оси Z.
В 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, 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, дополнительно введены полуцилиндрическая мишень, выполненная 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, элемент ИЛИ, сдвиговой регистр, n-первых и n-вторых блоков логики, n-ключей, блок памяти, блок определения временных интервалов, 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 одновременно входами элемента ИЛИ, а также входом дифференцирующей цепи, кроме того, выход элемента ИЛИ соединен с первым входом сдвигового регистра, выходы которого соединены с входами блока определения временных интервалов, выход которого соединен с одним из входов блока памяти, выход дифференцирующей цепи соединен с третьим и четвертыми входами блока логики, выходы которых соединены соответственно со вторым и третьими входами n-ключей, первые входы которых соединены с одним из выходов сдвигового регистра, а выходы - с одним из входов блока памяти, выход которого 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.
Кроме того, блок измерения временных интервалов содержит n-элементов И, n-элементов НЕ, n-счетчиков, генератор сигналов, дифференцирующую цепь, элемент ИЛИ, при этом входы блока измерения временных интервалов являются первыми входами n-элементов И, а n-1 входов блока измерения временных интервалов являются одновременно входами элементов НЕ, вторые и третьи входы n-элементов И соединены соответственно с выходами генератора сигналов и элементов НЕ, выходы n-элементов И соединены с первыми входами n-счетчиков, вторые входы которых соединены с выходом дифференцирующей цепи, вход которой соединен с выходом источника питания, выходы n-счетчиков соединены с входами элемента ИЛИ, выход которого является выходом блока измерения временных интервалов.
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 - элемент ИЛИ, 18 - сдвиговый регистр, 19 - n-первые и 20 n-вторые блоки логики, 21 n-ключей, 22 - блок памяти, 23 - блок определения временных интервалов, на фиг.4 приведена схема первого 19 блока логики, где 24 - матрица элементов И, 25 - матрица триггеров, 26 - блок памяти, 27 - дифференцирующая цепь, на фиг.5 приведена схема второго 20 блока логики, где 28 - матрица элементов И, 29 - матрица триггеров, 30 - блок памяти, 31 - дифференцирующая цепь, на фиг.6 приведена схема блока 23 определения временных интервалов, где 32 - элементы И, 33 - элементы НЕ, 34 - счетчики, 35 - генератор сигналов, 36 - дифференцирующая цепь, 37 - элемент ИЛИ.
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, конструкция полуцилиндрической мишени содержит N-секторов, каждый из которых состоит из излучающих диодов 13, линейки фотоприемников 14, источника питания 15. Блок 7 предварительной обработки информации содержит дифференцирующую цепь 16, элемент ИЛИ - 17, сдвиговый регистр - 18, n-первых 19 и n-вторых 20 блоков логики, n-ключей - 21, блок 22 памяти, блок 23 определения временных интервалов.
Первый 19 блок логики содержит матрицу элементов И 24, матрицу триггеров 25, блок 26 памяти, дифференцирующую цепь 27. Второй 20 блок логики содержит матрицу элементов И 28, матрицу триггеров 29, блок 30 памяти, дифференцирующую цепь 31. Блок 23 определения временных интервалов содержит элементы И 32, элементы НЕ 33, счетчики 34, генератор 35 сигналов, дифференцирующую цепь 36, элемент ИЛИ 37.
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 √, излучаемой генератором 6 через антенну 5.
Осколочное поле формируется за счет подрыва исследуемого боеприпаса 4 с помощью устройства 4 инициирования, которое одновременно подает сигнал на открывание n 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.
n
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><msub><mi>V</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi></mrow></msub><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 направлении 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 n-первых 19 и n-вторых 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 относительно оси Z (фиг.3).
При этом сигналы с группы первых и вторых выходов полуцилиндрической мишени 2 поступают соответственно на первые и вторые входы первого 19 блока логики (фиг.3), обеспечивая тем самым срабатывания определенной комбинаций элементов матрицы элементов И 24, сигналы с выхода которых поступают на первые входы матрицы триггеров 25, с выхода которых поступает на входы блока 26 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.
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 n-вторых 20 блоков логики.
Сигналы с первого, второго и третьего входов второго 20 блока логики поступают соответственно на первые, вторые и третьи входы матрицы элементов И 28, с выходов которых поступают на первые входы матрицы триггеров 29, с выходов которых поступают на входы блока 30 памяти (фиг.5).
Таким образом, комбинация сработавших элементов матрицы триггеров 30 второго 20 блока логики соответствует закону распределения осколков по массе в данном эшелоне осколочного поля боеприпаса относительно определяемого относительно оси Z.
В момент пролета следующего эшелона осколочного поля боеприпаса сигналы с одного из третьих выходов чувствительных элементов линейки фотоприемника 14 через элемент ИЛИ 17, сдвиговый регистр 18 поступают на первый вход следующего ключа из n ключей 21, обеспечивая тем самым прохождения сигналов с выходов, следующих из n-первых 19 и n-вторых 20 блоков логики.
В зависимости от эшелона пролета осколочного поля боеприпаса относительно оси z сигналы с выходов одних из n-первых 19 и n-вторых 20 блоков логики поступает на второй и третий входы одного из n-ключей 21, с выхода которого поступает на один из входов блока 22 памяти.
Таким образом, определяют динамику изменения закона распределения осколков по углу разлета и массе осколочного поля боеприпаса, на основе фиксации комбинации срабатывания координат чувствительных элементов относительно оси Z.
Время между эшелонами осколочного поля боеприпаса определяют на основе фиксации последовательности срабатываний элементов матрицы чувствительных элементов линейки фотоприемника 14, расположенной по оси Z.
Это происходит следующим образом.
В момент пролета эшелона осколков боеприпаса сигналы с выхода линейки фотоприемника 14 поступают на входы элемента ИЛИ 17, с выхода которого сигнал поступает на вход сдвигового регистра 18, с первого выхода которого поступает на первый вход блока 23 определения временных интервалов.
При поступлении сигнала на первый вход блока 23 определения временных интервалов происходит срабатывание одного из n-элементов И 32 при условии наличия сигналов на его втором и третьем входах.
Сигналы на второй и третий входы n элементов И32 подаются с выхода генератора 35 сигналов и элемента НЕ 33.
В момент пролета второго эшелона осколков боеприпаса сигналы с выхода линейки фотоприемника 14 поступают на входы элемента ИЛИ 17, с выхода которого сигнал поступает на вход сдвигового регистра 18, и со второго выхода которого поступает на второй вход блока 23 определения временных интервалов.
При поступлении сигнала на второй вход блока 23 определения временных интервалов происходит выдача сигнала на вход первого из n-элементов НЕ 33, сигнал с его выхода и соответственно с третьего входа первого из n-элементов И 32 снимается.
При этом с выхода первого из n-элементов И 32 сигнал, соответствующий временному интервалу между эшелонами осколочного поля боеприпаса, поступает на первый вход одного из счетчика 34, с выхода которого поступает на один из входов элемента ИЛИ 37, с выхода которого сигнал поступает на один из входов блока памяти (фиг.6).
Таким образом, происходит определение временного интервала между эшелонами осколочного поля боеприпаса.
Аналогично происходит определение следующего интервала между вторым и третьим эшелонами осколочного поля боеприпаса.
<mrow><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>N</mi><mi>j</mi></msub></mrow><mrow><msub><mi>N</mi><mi>о</mi></msub></mrow></mfrac></mrow>
j
o
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 определяются в соответствии с выражением:
<mrow><msup><mi>f</mi><mo>*</mo></msup><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>φ</mi><mi>j</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><mi>о</mi></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
j
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 с выражением m=ρ*(n*n*n*k), где nnn - количества одновременно сработавших элементов, k - 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°.
Таким образом, происходит определение закона распределения осколков снаряда по направлению и массе в каждом эшелоне, временного интервала между эшелонами осколков, динамики изменения закона распределения осколков по направлению и по массе в каждом эшелоне.