СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ ВЗРЫВА И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК БОЕПРИПАСА ПРИ ИСПЫТАНИЯХ
DETERMINATION OF BLAST COORDINATES AND PROJECTILE ENERGY CHARACTERISTICS AT TESTS

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения пространственных координат и энергетических характеристик взрыва боеприпасов.
Известен ряд способов определения пространственных координат объекта испытаний в момент его взрыва /1, 2/, включающих регистрацию воздушной ударной волны, порождаемой взрывом объекта, соответствующими датчиками.
Воздушную ударную волну регистрируют датчиками ударной волны не менее чем в трех измерительных точках, имеющих геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки, на которой устанавливают, по крайней мере, один светоприемник и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды. По сигналу светоприемника фиксируют момент взрыва объекта испытаний, а по сигналам датчиков - моменты достижения ударной волной каждой измерительной точки. На основании полученных данных вычисляют расстояния от точки взрыва до каждой измерительной точки с учетом параметров невозмущенной воздушной среды, а определение координат взрыва производят по известным координатам измерительных точек и расстояниям от точки взрыва до из них.
Затем определяется ряд расчетных зависимостей давления на фронте ударной волны от времени (P(t)) в интервалах возможного разброса энерговыделения взрыва. Зависимости P(t) получаются интерполяцией газодинамических расчетов и характеризуют воздушную ударную волну, при известной скорости ее распространения, для конкретного энерговыделения на заданном расстоянии от точки взрыва. Сигнал по крайней мере с одного датчика сравнивается с рядом расчетных зависимостей P(t). В результате сравнения определяют фактическое энерговыделение взрыва, принимая его эквивалентным величине энерговыделения, для которого была рассчитана зависимость P(t), наилучшим образом совпадающая с сигналом, зарегистрированным датчиком.
Недостатки описанных способов следующие:
Во избежание повреждения датчиков поражающими факторами взрыва испытываемого боеприпаса, требуется их установка на достаточно большом удалении от места взрыва, что вызывает необходимость высокой чувствительности датчиков. Вследствие же высокой чувствительности показания датчиков сильно подвержены влиянию внешних естественных и возможных техногенных акустических (шумовых) эффектов, а также влиянию атмосферных условий. Так, при достаточном удалении датчика от точки взрыва, скоростной напор от порывов ветровой воздушной струи может быть соизмерим с параметрами давления на фронте ударной волны, что приведет к ошибочным показаниям. А это, в свою очередь, вносит ошибку при определении энергии взрыва боеприпаса при предлагаемом сопоставлении расчетных характеристик ударной волны (в зависимости от энергии взрыва) с параметрами, зарегистрированными датчиком.
Еще одним отрицательным фактором упомянутых способов является сложность поверки и настройки датчиков давления на заданную чувствительность.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ определения пространственных координат объекта испытаний /3/ в момент его подрыва, основанный на скоростной фотосъемке с нескольких позиций объекта в процессе его движения по траектории и срабатывания.
Данный способ заключается в установке на разных позициях не менее двух фотокамер и реперных знаков таким образом, чтобы при испытаниях выполнялись следующие условия:
- попадание движущегося объекта испытаний в поле обзора объектива каждой фотокамеры;
- видимость всеми фотокамерами всех реперных знаков;
- обеспечение синхронного начала процесса фотосъемки всеми фотокамерами до момента подрыва объекта испытаний.
По снимкам с разных фотокамер, содержащим изображения реперных знаков и срабатывания объекта испытаний в один и тот же момент времени, по заданному алгоритму определяются координаты точки подрыва объекта испытаний. Наряду с определением координат точки срабатывания способ позволяет определить также пространственные координаты и положение объекта в нескольких точках траектории полета.
Основным недостатком данного метода является его невысокая точность(порядка 10%) и «узкая» специализация применительно только к относительно «низкоскоростным» объектам, каковыми являются пиротехнические устройства. И, невзирая на применение при осуществлении способа современных регистрирующих устройств, способ пригоден только для определения пространственно-геометрических характеристик объекта.
Технической задачей предлагаемого изобретения является повышение точности и расширение диапазона применения способа-аналога, включая возможность определения энергетических характеристик объекта испытаний.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном способе определения координат взрыва и энергетических характеристик боеприпаса при испытаниях, включающем размещение на испытательной площадке геодезически привязанных к системе ее пространственных координат нескольких видеорегистраторов (видеокамер) с устройством временной синхронизации их работы, реперных знаков в поле обзора видеорегистраторов, и последующую регистрацию объекта при его срабатывании посредством скоростной фотосъемки с нескольких позиций, в соответствии с изобретением фотосъемку осуществляют методом, обеспечивающим визуализацию фронта воздушной ударной волны.
Так, например, для осуществления способа может использоваться шлирен-съемка, теневая съемка и т.п. аналогичные методы в видимом оптическом диапазоне или же съемка в инфракрасном диапазоне длин световых волн.
При взрыве заряда ВВ боеприпаса формируется ударная волна. Вследствие высокого давления на фронте ударной волны воздух уплотняется, что существенно сказывается на его оптических свойствах. Разница в оптических свойствах воздуха перед фронтом, на фронте и за фронтом ударной волны позволяет визуализировать зону уплотнения некоторой фиксируемой толщины при съемке шлирен-методом или теневым методом и таким образом отследить процесс взрывного превращения ВВ боеприпаса.
В случае съемки в инфракрасном диапазоне визуализация осуществляется за счет разности температур внешней окружающей среды и слоя сжатого воздуха на границе фронта ударной волны, а также высокотемпературных продуктов взрыва «внутри» границы фронта.
Взрыв ВВ боеприпаса практически точечный, фронт ударной волны, по форме соответствующий форме облака взрыва, - сферический, поэтому при поверхностном взрыве вышеуказанными методами съемки он визуализируется в виде полусферического «купола», а при воздушном - «сферы» (далее по тексту термины без кавычек). При этом центр основания видимого купола или, соответственно, центр сферы пространственно совпадают с точкой взрыва. А характерные размеры купола/сферы (диаметр основания, высота/диаметр), зафиксированные в определенный момент времени, определяются количеством газообразных продуктов, выделившихся при взрыве ВВ боеприпаса.
Таким образом, визуализация фронта ударной волны в процессе его перемещения в пространстве от точки взрыва позволит по синхронизированным кадрам съемки с разных ракурсов (с привязкой к реперным знакам) не только определить координаты срабатывания, но также и рассчитать энергетические характеристики объекта испытаний.
В качестве реперных знаков могут быть использованы как искусственные технические объекты, например, специально размеченные вехи (мачты), инженерные сооружения на границах испытательной площадки, так и природные объекты - например, деревья, возвышенности и т.п.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 приведен снимок фронта расширяющегося облака наземного взрыва, ограниченного куполом фронта воздушной ударной волны.
На фиг. 2 и 3 - пример размещения видеорегистраторов и реперных знаков на испытательных площадках различной формы.
На фиг. 4…8 - пример определения координат точки наземного взрыва графическим способом.
Реализация предлагаемого способа определения координат взрыва и энергетических характеристик боеприпаса при испытаниях с использованием скоростной видеорегистрации с визуализацией фронта воздушной ударной волны осуществляется при выполнении следующих условий:
- установка минимум одного светоприемника;
- установка на разных позициях не менее двух видеорегистраторов (видеокамер) с совместным захватом в поле обзора всей испытательной площадки;
- установка реперных знаков таким образом, чтобы в поле обзора каждой камеры попало не менее трех знаков;
- обеспечение синхронного начала процесса фотосъемки всеми видеорегистраторами (видеокамерами) с момента взрыва объекта испытаний.
Световой импульс, являющийся первичным проявлением взрыва испытуемого боеприпаса, регистрируется светоприемником, по сигналу которого синхронно включаются все видеорегистраторы (видеокамеры). Регистрация ведется в течение времени порядка нескольких секунд. Необходимое время съемки может быть установлено исходя из размеров испытательной площадки (или расстояния наименее удаленного от нее видеорегистратора) и известной скорости ударной воздушной волны, т.к. для определения координат взрыва необходима видеорегистрация фронта ударной воздушной волны в границах площадки.
Пример визуализации фронта воздушной ударной волны при наземном взрыве заряда ВВ приведен на фиг. 1. На снимке явно различимы размеры облака взрыва, ограниченные куполом фронта воздушной ударной волны.
i
i
0
Светоприемник и видеорегистраторы (видеокамеры) располагаются в безопасной по поражающим факторам взрыва зоне вне границ испытательной площадки. На фиг. 2 представлена схема расположения видеорегистраторов и реперных знаков для круглой испытательной площадки, на фиг. 3 - для прямоугольной (светоприемник условно не показан). Видеорегистраторы 1 (B) располагаются таким образом, что в поле обзора каждого попадает три реперных знака 2 (P), плюс четвертый реперный знак, расположенный в центре площадки О (Р), и соответствующий условному началу координат. Направление съемки показано штрих-пунктирной линией, минимальные угловые границы поля обзора регистраторов - штриховой.
По результатам съемки с разных направлений (ракурсов) путем раскадровки отснятого материала выбираются два снимка с наиболее дальней дистанции относительно точки взрыва, соответствующие одному моменту времени с начала съемки, и по ним осуществляется определение координат точки взрыва и его энергетических характеристик.
Обработка результатов по определению координат точки взрыва осуществляется с использованием методов начертательной геометрии путем преобразования плоскостей проекций следующим образом.
1
12
В качестве примера на фиг. 4 и 5 приведены кадры макетной съемки с разных направлений объекта-имитатора границы фронта ударной волны на испытательной площадке, выполненной по схеме фиг. 2. Диаметр макетной площадки - 600 мм, в качестве объекта имитатора использовалась емкость из прозрачного полистирола со сферическим днищем диаметром 50 мм, точность измерений - 0,5 мм. Съемка осуществлялась с позиций B и B таким образом, чтобы ближайший к видеорегистратору реперный знак (условно - первый для каждого кадра) располагался внизу кадра.
Выбранные кадры экспортируются в установленную на компьютер CAD-систему (например, Autodesk AutoCAD), на них по видимым реперным знакам строятся проекции на плоскость фотографии попавшей в зону обзора видеорегистратора областей испытательной площадки - равносторонние треугольники; там же строятся отрезки, соответствующие видимому диаметру купола фронта ударной волны на плоскости площадки, и линии по направлений от первого реперного знака к центру этого отрезков - проекции направления съемки (на представленных эпюрах - пунктирные линии).
Полученные эпюры копируются с кадров, линии направления съемки объекта продлеваются до линий, соединяющих отдаленные реперные знаки (основания равнобедренных треугольников).
5
7
6
8
1
12
После чего осуществляется преобразование фотографической плоскости проекций в горизонтальную. Вышеописанные эпюры в CAD-системе (фиг. 6) сначала масштабируются в горизонтальном направлении до приведения к масштабу плана испытательной площадки и «совпадения» вершин оснований плоскостей-треугольников с наиболее удаленными от места съемки реперными знаками (соответственно P-P и P-P), а затем - «растягиваются» до совпадения вершины треугольника с первым реперным знаком (P и P).
0
Далее один из эпюр горизонтальных проекций поворачивается относительно центра О (реперный знак Р) на угол, соответствующий исходному направлению съемки (фиг. 7), и накладывается на второй эпюр с совпадением проекций центров О (фиг. 8). Точка пересечения линий проекций направления съемки объекта С - искомая точка взрыва, координаты ее X и Y определяются по плану испытательной площадки.
Имея на горизонтальной плоскости проекций координаты точки взрыва при необходимости также геометрически определяется диаметр купола фронта ударной волны для данного момента времени (с учетом вычисляемого по эпюрам усредненного масштабного коэффициента для горизонтального направления).
В случае определения координат точки надземного взрыва используя аналогичные приемы и методы начертательной геометрии сначала определяется координата эпицентра взрыва, а затем - диаметр сферы фронта ударной волны и высотная координата точки взрыва с учетом вычисляемого по кадру съемки масштабного коэффициента для вертикального направления.
Ошибка в определении соответствующих координат геометрическим способом по результатам макетной съемки объекта на и над плоскостью не превысила 5%, что существенно превосходит точность результатов измерений, заявленную как в изобретении-прототипе, так и в аналогах (10%).
Для определения энергетических характеристик взрыва ВВ испытываемого боеприпаса предварительно осуществляют ряд эталонных съемок, устанавливающих следующие зависимости:
- «Видимый размер купола/сферы при заданной массе BB - расстояние» в фиксированные моменты времени;
- «Видимый размер купола/сферы при фиксированном расстоянии от точки съемки - масса ВВ» в фиксированные моменты времени.
Вышеуказанные зависимости могут быть представлены в аналитической форме, графической форме, «фото- и кинематографической» форме.
Размеры визуализированного купола/сферы фронта воздушной ударной волны в конкретный момент времени от начала взрыва будут определяться массой и соответственно удельным газообразованием ВВ боеприпаса, а скорость изменения размеров (суть - скорость фронта воздушной ударной волны) - скоростью энерговыделения или мощностью взрыва. Таким образом, путем сопоставления результатов скоростной съемки с эталонными зависимостями, представленными в удобной для анализа форме, могут быть определены масса ВВ и энергетические характеристики боеприпаса.
Например, скорость воздушной ударной волны может быть определена путем визуального сравнения отдельных кадров съемки при просмотре в замедленном или последовательном режиме с наложением на изображение масштабно-координатной сетки, а при известной скорости определяется и давление на фронте воздушной ударной волны путем расчета по известным зависимостям.
Кроме того, в случае высотного взрыва, по определенному вышеописанным методом закону изменения скорости фронта воздушной ударной волны, результаты съемки могут быть интерполированы вплоть до «касания» сферой земной поверхности, что существенно повысит точность определения координат эпицентра и центра взрыва геометрическим методом.
Предлагаемый способ определения координат взрыва и энергетических характеристик боеприпаса при испытаниях в случае использования многоуровневой аналогово-цифровой системы записи и передачи сигналов на обработку с видеорегистраторов имеет большую точность по сравнению со способом-прототипом. По мере набора статистических данных его применение ускорит создание максимально автоматизированных систем сбора и обработки информации как о взрывных процессах, происходящих при испытаниях боеприпасов, так и о точности средств их доставки. Такие системы будут иметь ряд очевидных преимуществ перед существующими в настоящее время, основанными на использовании датчиков давления воздушной ударной волны, поверка и регулировка которых вызывают сложности.
Источники информации, принятые во внимание при оформлении заявки:
1) Патент РФ №2285890, F41J 5/00, Способ определения координат объекта испытаний в момент его подрыва, 2006.
2) Патент РФ №2339052, G01S 5/18, F42B 35/00, Способ определения координат объекта испытаний в момент его подрыва, 2008.
3) ГОСТ Р51271-99 «Изделия пиротехнические. Методы испытаний» (раздел 6.5). - М.: ИПК Издательство стандартов, 1999, 49 с. (прототип).