Измерительно-регистрирующий комплекс для определения внутрибаллистических и траекторных параметров метаемого тела
MEASURING AND RECORDING COMPLEX FOR DETERMINING INTRABALLISTIC AND TRAJECTORY PARAMETERS OF PROJECTILE

Изобретение относится к области испытательной техники и, в частности, для определения траекторных параметров при стрельбе и может использоваться для экспериментального определения внутри и внешнебаллистических параметров.
Известен способ и устройство для реализации инвариантной световой мишени [Афанасьева Н.Ю. Информационно-измерительная система на основе световых экранов для испытаний стрелкового оружия. Кандидатская диссертация. - Ижевск: Ижевский Гос. Техн. Ун-т, 2003. - 127 с.].
Известна световая мишень и реализованный в ней способ идентификации [Световая мишень. Патент РФ №2213320 от 27.09.2003 по заявке №2002116940, кл. F41J 5/02 от 24.06.2002. ВНИИГПЭ / Авторы Афанасьева Н.Ю., Веркиенко Ю.В., Казаков B.C., Коробейников В.В.].
Наиболее близким аналогом является устройство определения внешнебаллистических параметров в совмещенной с баллистической трассой инвариантной световой мишени Патент РФ №2388991 от 10.05.2010 по заявке №2008131125, кл. F41J 5/02 от 28.07.2008. ВНИИГПЭ / Авторы: Афанасьева Н.Ю., Афанасьев В.А., Веркиенко Ю.В. (прототип).
Техническим результатом является получение в едином временном интервале сведений о давлении в камере зажигания, данных о движении метаемого тела в канале ускорительной установки, данных о движении метаемого тела на нескольких отстоящих друг от друга внешнетраекторных участках.
Технический результат достигается тем, что разработан измерительно-регистрирующий комплекс для определения внутрибаллистических и траекторных параметров метаемого тела, включающий совмещенные с баллистической трассой линейно-протяженные источники света и оптико-электронные преобразователи, образующие световые экраны, коаксиальные линии связи, вычислитель и устройство отображения информации с пультом испытателя. В зарядной камере ускорительного устройства баллистической трассы установлен датчик давления, на выходе из канала ускорительного устройства установлен датчик дульной скорости, при этом по траектории метаемого тела установлен радар миллиметрового диапазона и размещены не менее двух измерительных устройств. Измерительные устройства состоят из последовательно расположенных фотоблокирующих устройств, формирующих с помощью линейно-протяженных источников света и оптико-электронных преобразователей не менее четырех световых экранов, которые ориентированы перпендикулярно траектории метаемого тела. По траектории метаемого тела установлено не менее двух высокоскоростных видеокамер, расположенных под углом (45÷90)° к траектории метаемого тела, а на поверхности метаемого тела нанесены маркеры, позволяющие определить скорость движения, скорость вращения и пространственное положение метаемого тела. Мишень баллистической трассы снабжена датчиком, регистрирующим момент времени соударения метаемого тела с мишенью. Также по траектории движения метаемого тела установлены экраны-свидетели из радио прозрачного материала по просечкам в которых определяется истинная траектория метаемого тела.
Сущность изобретения поясняется рисунками.
На Фиг. 1 изображена схема расположения оборудования баллистической трассы измерительно-регистрирующего комплекса для определения внутрибаллистических и траекторных параметров метаемого тела. Где Фиг. 1. 1 - зарядная камера ускорительного устройства с датчиком измерения давления, например 2Т6000 [4], используемого совместно с аппаратурой измерения давления «Нейва-10000» [5]. Фиг. 1. 2 - ускорительный канал. Фиг. 1. 3 - датчик дульной скорости, например, [6]. Фиг. 1. 4 - радар миллиметрового диапазона, например, [7] вариант установки для регистрации скорости метаемого тела на траектории. Фиг. 1. 5 - фотоблокирующее устройство, например, «ФЭБ-7М» [7] включающее в себя источники света и оптико-электронные преобразователи, формирующее последовательно четыре световых экрана Фиг. 1. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4. Фиг 1. 6 - скоростная видеокамера, например, Phantom v711. Фиг. 1. 7 - экран-свидетель одновременно функцию затенения для исключения ложного срабатывания фотоблокирующих устройств. Фиг. 1. 8 - область сьемки скоростной видеокамеры. Фиг. 1. 9 - устройство подсветки области сьемки. Фиг. 1. 10 - экран-свидетель, выполняющий одновременно функцию затенения для исключения ложного срабатывания фотоблокирующих устройств. Фиг. 1. 11 - радар миллиметрового диапазона, например [7] вариант установки для регистрации скорости метаемого тела в ускорительном канале. Фиг. 1. 12 - экран-свидетель, выполняющий одновременно функцию затенения для исключения ложного срабатывания фотоблокирующих устройств. Фиг. 1. 13 - фотоблокирующее устройство, например «ФЭБ-7М» [7], включающее в себя источники света и оптико-электронные преобразователи, формирующее последовательно четыре световых экрана Фиг. 1. 13.1, 13.2, 13.3, 13.4. Фиг. 1. 14 - скоростная видеокамера, например Phantom v711. Фиг. 1. 15 - устройство подсветки области сьемки. Фиг. 1. 16 - область сьемки скоростной видеокамеры. Фиг. 1. 17 - мишень баллистической трассы с датчиком, регистрирующим момент времени соударения метаемого тела с мишенью.
На Фиг. 2 изображен пример регистрограммы полученной при помощи аппаратуры измерения давления в зарядной камере ускорительной установки. Фиг. 2. 1 - график давления в зарядной камере. Фиг. 2. 3 - отметка синхроимпульса с первого сечения датчика дульной скорости.
На Фиг. 3 изображен пример регистрограммы полученной при помощи радара миллиметрового диапазона. Фиг. 3. 11 - график скорости метаемого тела в канале ускорителя. Фиг. 3. 3 - отметка синхроимпульса с первого сечения датчика дульной скорости.
На Фиг. 4 изображен пример регистрограммы полученной от первого фотоблокирующего устройства. Фиг. 4. 3 - отметка синхроимпульса с первого сечения датчика дульной скорости. Фиг. 4. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 - последовательно сигналы пересечения метаемым телом световых экранов фотоблокирующего устройства.
На Фиг. 5 изображен пример регистрограммы полученной от второго фотоблокирующего устройства. Фиг. 5. 3 - отметка синхроимпульса с первого сечения датчика дульной скорости. Фиг. 5. 13.1, 13.2, 13.3, 13.4. последовательно сигналы пересечения метаемым телом световых экранов фотоблокирующего устройства.
На Фиг. 6 изображен пример регистрограммы с датчика дульной скорости. Фиг. 6. 3.1 -сигнал с первого сечения датчика дульной скорости, Фиг. 6. 3.2 - сигнал со второго сечения датчика дульной скорости.
На Фиг. 7 приведено изображение одного кадра с высокоскоростной видеокамеры, на метаемом теле Фиг. 7. 1 имеются маркеры Фиг. 7. 1.1, 1.2 используя которые в процессе обработки полученных данных можно уточнить масштаб и более точно оценить скорость метаемого тела в области сьемки.
1
2
Сущность изобретения заключается в следующем. В вычислитель заносятся данные о измерительной базе датчика дульной скорости [6] Фиг. 1 1, длине канала ускорительной установки Фиг. 1. 2, расстояниях до участков на которых осуществляется наблюдение за метаемым элементом Фиг. 1. 8, 16 и до мишени Фиг. 1. 17. При выстреле в момент пересечения первого блокирующего сечения датчика дульной скорости формируется синхроимпульс, включающий временной триггер, что позволяет сформировать историю динамики изменения давления до и в ходе разгона метаемого тела по каналу ускорительной установки. В качестве оборудования для регистрации давления может использоваться специализированная аппаратура «Нейва-10000» [5]. Пример регистрограммы давления в зарядной камере ускорительной установки приведен на Фиг. 2. Фиг. 2. 3 отметка, момента пересечения метаемым телом первого сечения датчика дульной скорости. Этот же сигнал делает отметку на регистрограмме радара миллиметрового диапазона фиксирующего процесс разгона метаемого тела по каналу ускорительной установки. Пример регистрограммы изменения скорости метаемого тела в канале ускорительной установки приведен на Фиг. 3. Этот же сигнал делает отметки на регистрограммах фотоблокирующих устройств, в качестве фотоблокирующих устройств могут использоваться фотоэлектронные измерительные комплексы «ФЭБ-7М» [8] установленные на траектории. Примеры регистрограмм «ФЭБ-7М» приведены на Фиг. 4, 5. Этот же сигнал делает отметку на регистрограмме датчика прихода метаемого тела установленного на мишени. Пересечение метаемым телом второго блокирующего сечения датчика дульной скорости формирует второй сигнал. Пример регистрограммы датчика дульной скорости приведен на Фиг. 6. На таймере вычислителя фиксируются времена t, t, по известной базе датчика дульной скорости, в автоматическом режиме, производится расчет скорости метаемого тела, вычисляются времена задержки и формируются синхроимпульсы, соответствующие моментам входа метаемого тела в зоны скоростной видео регистрации Фиг. 1. 8, 16. Синхроимпульсы для приборов освещения формируются с учетом времени розжига ламп. Таким образом, осуществляется автоматизация процесса регистрации параметров, которая позволяет исключить ошибки допущенные при подготовке серии экспериментов. Ошибки в основном, связаны с ожидаемой скоростью метаемого тела, возникают при расчете и изготовлении метательного заряда. В данном конкретном случае скорость метаемого тела определяется по факту выхода из канала ускорителя что позволяет повысить качество эксперимента. Использование радара миллиметрового диапазона Фиг. 1. 11 позволяет получить данные о скорости движения метаемого тела. Например радар ДДС 6000 (НИЦ ПВО г. Тверь) в комплексе с цифровым двухканальным USB-осциллографом и программным обеспечением изготовителя обеспечивает возможность измерения скорости метаемого тела диаметром от 5 мм в диапазоне скоростей от 100 до 6000 м/с с погрешностью не более 1% [7]. Программное обеспечение, поставляемое вместе с радаром, выводит результаты измерений в виде графика зависимости скорости метаемого тела от времени. Применение СВЧ радара обусловлено рядом причин. Например, в двух экспериментах с различными условиями заряжания, при отсутствии информации о характере ускорения метаемого тела в канале ускорителя, невозможно адекватно оценить промежуточные внутрибаллистические параметры. Зависимости давления от времени в экспериментах сравнимы, дульные скорости в экспериментах различаются в пределах погрешности измерения датчика, и только динамика кривой ускорения метаемого тела в канале ускорителя позволяет оценить потенциал исследуемых зарядов. Запись в единой временной шкале параметров давления в камере заряжания метательной установки и скорости метаемого тела в канале ускорительной установки дает оценку давления форсирования метаемого тела, используя которую, можно более точно прогнозировать внутрибаллистические процессы. Убедиться в точности синхронизации данных можно, используя равенство
0
К
где t - время начала движения метаемого тела, t - время вылета из канала ускорителя, L - путь метаемого тела (длина канала ускорителя).
Использование радара позволяет определять нагрузку в процессе выстрела, как на метаемое тело, так и на метаемую сборку (в случае, например, запуска подкалиберного метаемого тела см. Фиг. 7). Нагрузка находится, из соотношения
где q - масса метаемого тела, S - площадь основания (донная часть метаемого тела).
Величина нагрузки на метаемое тело в канале ускорительного устройства является важным параметром при проектировании, а также при испытаниях новых материалов.
х
х
На Фиг. 7 показан один из вариантов метаемого тела - макет оперенного метаемого элемента Фиг. 7. 1. Форма макета отрабатывалась на ударной аэродинамической трубе, задача испытаний на измерительно регистрирующем комплексе состояла в определении аэродинамического коэффициента лобового сопротивления С макета. Среднее значение коэффициента С на рассматриваемом участке L (расстояние между двумя фотоблокирующими устройствами Фиг. 1. 5, 13) определялось из соотношения
где m - масса макета, S - площадь его миделева сечения, ρ - плотность воздуха в условиях опыта.
Вычисленный по этой формуле коэффициент соответствует числу Маха,
ср
cp
a
М=V/,
а
ср
1
2
где  - местная скорость звука, V=(V+V)/2.
х
Результаты испытаний, были сгруппированы по скоростям и сравнивались с данными полученными в ударной аэродинамической трубе, с данными полученными при помощи радара Фиг. 1. 4, а также с расчетными значениями, полученными с использованием закона сопротивления 1958 г. Поскольку результаты, полученные различными методами, были близки по значению был сделан вывод о возможности использования измерительно-регистрирующего комплекса для определения аэродинамического коэффициента лобового сопротивления С метаемых тел.
Высокоскоростные видеокамеры Фиг. 1. 6, 14 работающие совместно с импульсными источниками света Фиг. 1. 9, 15 соответственно, позволяют получить кинограммы прохода метаемого тела по области съемки Фиг. 1. 8, 16. Пример кадра кинограммы представлен на Фиг. 7. В данном конкретном случае высокоскоростная видеокамера установлена под углом 90 градусов к предполагаемой траектории прохода метаемого тела, на метаемом теле Фиг. 7. 1 нанесены маркеры 1.1, 1.2 которые используются для уточнения масштаба, что позволяет более точно определять скорость прохода метаемого тела по области съемки. Также мы можем получить информацию о пространственном положении метаемого тела (наличии, величине угла атаки, динамике его изменения). При установке скоростных видеокамер под иным углом к траектории движения метаемого тела мы имеем возможность получить информацию о параметрах нутации метаемого тела.
При использовании маркеров иного типа мы можем получить информацию о частоте вращения метаемого тела вокруг собственной оси, динамике изменения частоты вращения метаемого тела. Экраны-свидетели могут быть выполнены из радиопрозрачного материала, например ватмана, они позволяют определить фактическую траекторию движения метаемого тела и зарегистрировать величину отклонения от оси стрельбы. Мишень баллистической трассы снабжена датчиком, регистрирующим момент времени соударения метаемого тела с мишенью.
Пример осуществления изобретения
Ускорительное устройство баллистической трассы, содержит зарядную камеру Фиг. 1. 1, которое имеет датчик давления, например, 2Т6000 [4]. В процессе выстрела метаемое тело движется по ускорительному каналу Фиг. 1. 2. Далее, метаемое тело пересекает первое блокирующее сечение датчика дульной скорости [6] Фиг. 1. 3, генерируется импульс Фиг. 6. 3.1 формирующий команду на сохранение данных поступивших на аппаратуру измерения давления в зарядной камере. Результат обработки полученных данных приведен на Фиг. 2. Этот же импульс формирует сигнал на сохранение данных о скорости метаемого тела в канале ускорителя поступивших с СВЧ радара Фиг. 1. 11. Результат обработки полученных данных представлен на Фиг. 3. Он же делает отметки на регистрограммах всего задействованного в эксперименте оборудования что позволяет в дальнейшем рассматривать всю полученную информацию в единых временных координатах. Затем метаемое тело пересекает второе блокирующее сечение датчика дульной скорости генерируется сигнал Фиг. 6. 3.2. Вычислитель производит обработку сигналов Фиг. 6. 3.1, 3.2 и используя значение измерительной базы (расстояние между блокирующими сечениями датчика дульной скорости) определяет дульную скорость метаемого тела. Используя полученное значение скорости, известные расстояния до областей съемки Фиг. 1. 8, 16 и известное время розжига устройств подсветки Фиг. 1. 9, 15 вычисляются времена для запуска соответствующего оборудования. Запускаются таймеры задержки для синхроимпульсов запуска высокоскоростных видеокамер и устройств подсветки. Метаемое тело, продолжая свое движение последовательно пересекает четыре световых экрана Фиг. 1. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 первого фотоблокирующего устройства Фиг. 1. 5. Полученные данные отображены на Фиг. 4. Сигналы Фиг. 4. 5.1, 5.2, 5.3, 5.4 используются для определения скорости метаемого тела. Затем метаемое тело делает просечку в экране-свидетеле Фиг. 1. 7 и входит в область съемки Фиг. 1. 8. К этому моменту устройство подсветки Фиг 1. 9 и высокоскоростная видеокамера Фиг. 1. 6 уже получили свои синхроимпульсы на запуск от вычислителя, находятся в рабочем состоянии и фиксируют процесс прохода метаемого тела по области съемки Фиг. 1. 8. Далее по траектории движения, метаемое тело последовательно делает просечки в экранах-свидетелях Фиг. 1. 10, 12. Позже по просечкам в экранах-свидетелях Фиг. 1.7, 10, 12 будет определятся траектория движения метаемого тела что, в ряде случаев позволяет уточнить полученную с высокоскоростных видеокамер информацию. Метаемое тело продолжая свое движение последовательно пересекает световые экраны Фиг. 1. 13.1, 13.2, 13.3, 13.4 второго фотоблокирующего устройства Фиг. 1. 13. Полученные данные изображены на Фиг. 5 они используются для определения скорости метаемого тела. Затем метаемое тело входит в область съемки Фиг. 1. 16. К этому моменту устройство подсветки Фиг. 1. 15 и высокоскоростная видеокамера Фиг. 1. 14 уже получили свои синхроимпульсы на запуск от вычислителя, находятся в рабочем состоянии и фиксируют процесс прохода метаемого тела по области съемки Фиг. 1. 16. Далее метаемое тело приходит на мишень Фиг. 1. 17. Момент прихода на мишень регистрируется датчиком, например, контактным. Радар Фиг. 1. 4 ведет регистрацию скорости метаемого тела на всем протяжении баллистической трассы.
Изобретение позволяет получить в едином временном интервале сведений о давлении в камере зажигания, данных о движении метаемого тела в канале ускорительной установки, данных о движении метаемого тела на нескольких отстоящих друг от друга внешнетраекторных участках, автоматизировать процесс регистрации параметров эксперимента. Сократить затраты на конструкторскую проработку комплекса метательная установка, заряд, метаемое тело. Может использоваться для определения коэффициента лобового сопротивления макетов с целью прогнозной оценки протяженности их траектории при выстреле. Использование изобретения дает возможность повысить качество эксперимента и значительно сократить время принятия решений в исследовательской работе.
Источники информации
1. Афанасьева Н.Ю. Информационно-измерительная система на основе световых экранов для испытаний стрелкового оружия. Кандидатская диссертация. - Ижевск: Ижевский Гос. Техн. Ун-т, 2003. - 127 с.
2. Световая мишень и реализованный в ней способ идентификации [Световая мишень. Патент РФ №2213320 от 27.09.2003 по заявке №2002116940, кл. F41J 5/02 от 24.06.2002. ВНИИГПЭ / Авторы Афанасьева Н.Ю., Веркиенко Ю.В., Казаков B.C., Коробейников В.В.
3. Устройство определения внешнебаллистических параметров в совмещенной с баллистической трассой инвариантной световой мишени Патент РФ №2388991 от 10.05.2010 по заявке №2008131125, кл. F41J 5/02 от 28.07.2008. ВНИИГПЭ / Авторы Афанасьева Н.Ю., Афанасьев В.А., Веркиенко Ю.В.
4. Датчик давления пьезоэлектрический «2Т6000», Руководство по эксплуатации АШВ2.832.013 РЭ, СКВ ИЗАП, Нижнетагильский институт испытания металлов г. Нижний Тагил Свердловской области, ул. Гагарина, 29, ФКП "НТИИМ".
5. Аппаратура регистрации давления «Нейва 10000». Руководство по эксплуатации. СКБ ИЗАП, Нижнетагильский институт испытания металлов г. Нижний Тагил Свердловской области, ул. Гагарина, 29, ФКП "НТИИМ".
6. Датчик дульной скорости. Патент RU 161396 U1 от 02.04.2016 по заявке №2015127042/03 кл. G01P 3/42, G01P 3/66 от 06.07.2015 ВНИИГПЭ / Авторы Буркин В.В., Дьячковский А.С, Егоров А.Л., Ищенко А.Н., Корольков Л.В., Майстренко И.В., Степанов Е.Ю., Чупашев А.В., Рогаев К.С.
7. Прибор измерения скорости в стволе ДДС-6000. Паспорт. ООО «ТАИС» г. Москва, ул Авиамоторная, д. 37.
8. Фотоэлектронный измерительный комплекс «ФЭБ-7М». Руководство по эксплуатации. СКБ ИЗАП, Нижнетагильский институт испытания металлов г. Нижний Тагил Свердловской области, ул. Гагарина, 29, ФКП "НТИИМ".