УСТРОЙСТВО СТРЕЛЬБЫ ИЗ ОГНЕСТРЕЛЬНОГО ОРУЖИЯ
DEVICE OF FIRING FROM FIREARMS

Изобретение относится к области стрельбы из огнестрельного оружия, в частности к системам наблюдения, наведения и стрельбы из ручного стрелкового оружия. Сущность изобретения заключается в том, что ручное управление стрельбой переводится в полуавтоматическое управление с использованием микропроцессорной техники.
Известны способы и устройства стрельбы из ручного огнестрельного оружия, например, представленные в [2, 3], когда для повышения точности стрельбы используются оптические устройства наведения оружия на цель. Известны способы стрельбы согласно патентам F41G: №2456539 от 2012 года, №2439462 от 2012 года, №2429439 от 2011 года и другие. Наиболее близким решением задачи эффективной стрельбы является способ и устройство по патенту F41G, РФ №2499217 от 29 сентября 2011 года [1]. Суть стрельбы по данному устройству заключается в следующем.
Свет, проходя через оптическую систему наведения, попадает на светочувствительную матрицу, которая преобразует лучи света в напряжение. Преобразованное в процессоре микроконтроллера (МК) напряжение представляется на дисплее устройства в видимую стрелком картинку, как будто он смотрит в прицел оптического устройства. После наведения оружия на цель стрелок нажимает на курок оружия. При этом совершаются два события:
- происходит запоминание координат цели памятью МК;
- снимается первая ступень предохранения; управление выстрелом передается так называемому «надзирателю», электромеханической системе, принимающей управление выстрелом, - это вторая ступень предохранения.
Далее задача стрелка заключается в том, чтобы снова навести перекрестие на цель или, как правило, на новую точку прицеливания в соответствии с внешними условиями, включая дальность, ветер и другие факторы. Как только перекрестие прицела совместится с точкой прицеливания (с известной точностью), программа МК дает команду «надзирателю» на проведение выстрела: «надзиратель» отпускает боевую пружину, боек бьет по капсюлю, происходит выстрел.
Недостатками этого устройства являются:
1. Не учитывается динамика движения ствола и цели - угловые скорости горизонтальной и вертикальной наводки, ускорение движения ствола по этим же направлениям.
2. Невозможность стрельбы по перемещающейся цели.
3. Не вводится поправка на возмущающие воздействия от работы сердечно-сосудистой системы стрелка.
4. Сложность стыковки электронной системы микропроцессора и механической системы оружия.
Решить эти вопросы позволяет рассматриваемое ниже устройство.
Решение поставленных задач достигается тем, что устройство компьютерного надзора за положением ствола оружия относительно цели, состоящее из непосредственно оружия, оптической системы наведения на цель, фоточувствительной матрицы, компьютера, источника питания, дисплея, курка, "надзирателя", вычислительной системы ЭВМ и памяти, снабжено датчиками угловых скоростей, позволяющих ввести коррекцию в "точку цели и на момент выстрела из-за движений ствола в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- устройство снабжено датчиком давления крови сердечно-сосудистой системы стрелка, позволяющее ввести временные ограничения на момент выдачи разрешительной команды на выстрел;
- устройство снабжено высоковольтной системой зажигания взрывоопасной смеси патрона.
Отличительными признаками от прототипа является то, что устройство компьютерного надзора за положением ствола оружия относительно цели снабжено датчиками угловых скоростей в горизонтальной и вертикальной плоскостях, датчиком давления крови сердечно-сосудистой системы стрелка и высоковольтной системой зажигания взрывоопасной смеси патрона.
Анализ предлагаемого решения заявки и прототипа позволяет сделать вывод о его соответствии условиям патентоспособности.
На фиг. 1 дана структура предлагаемого устройства стрельбы из огнестрельного оружия с использованием компьютерного надзора за положением ствола оружия относительно цели. На рисунке представлены:
1. Микроконтроллер с источником питания.
2. Ствол, включающий оптическую систему прицеливания (10), панель управления (11), имеющую кнопки перемещения курсора и кнопку фиксации памяти - функцию «мыши».
3. Датчик давления сердечно-сосудистой системы стрелка.
4. Курок, дублирующий кнопку «мыши».
5. Преобразователь свет-напряжение (светочувствительная матрица).
6. Датчик угловой скорости в горизонтальной плоскости.
7. Высоковольтная система зажигания, включая электроды разрядника патрона.
8. Дисплей.
9. Датчик угловой скорости в вертикальной плоскости.
Работает устройство следующим образом.
До начала стрельбы необходимо ввести начальные данные по внешним условиям стрельбы. Общие положения работы мало отличаются от работы прототипа устройства. Отличия заключаются в следующих позициях.
1. Ошибки стрельбы обычно являются следствием резких движений ствола оружия при нажатии на курок.
x
x
1
y
2
Учитывая, что угловые скорости ствола оружия формируют начальные скорости пули на выходе из ствола: υ=ω*R; υ=ωy*R в поперечных направлениях, а эти скорости приводят к смещениям пули относительно цели, важно знать значения угловых скоростей по соответствующим осям, чтобы иметь возможность введения поправок на точку прицеливания.
x
y
Значения ω и ω предлагается снимать с датчиков угловых скоростей (ДУСов).
Величины R вышеприведенных выражений зависят от типа огнестрельного оружия и стрелка и определяются во время пристрелок.
x
x
x
1
x
При наличии, например, горизонтальной угловой скорости движения ствола ω формируется начальная скорость пули υ=ω*R. Эта скорость приводит к смещению траектории пули в поперечном направлении. Однако ее можно учесть аналитически, если измерить каким-либо способом угловую скорость ω. Поперечные скорости быстро затухают за счет сопротивления воздуха, тем не менее это приводит к ограниченному, но существенному смещению пули относительно цели.
x
y
Скорости линейных поперечных движений υ и υ могут быть определены по выражениям:
x
y
ω, ω - измеренные ДУСами угловые скорости соответственно по осям x и y;
1
2
R, R - радиусы вращения соответственно по осям x и y.
В общем случае радиусы вращения по осям не равны между собой и могут быть определены опытным путем при пристрелке.
x
y
Скорости υ и υ приводят к перемещениям пули в поперечных плоскостях по отношению к основному движению. Однако эти перемещения не бесконечные. Из-за сопротивления воздушной среды скорость движения пули со временем падает, что приводит к ограниченному перемещению пули. Процесс затухания скоростей поперечного движения может быть представлен формулами:
0
0
п
п
где начальные значения скоростей υ рассчитываются по значениям ДУСов, а величины постоянных времени t рассчитываются на основании экспериментальных данных и имеют размерность времени; время полета пули t определяется по значениям дальности d и скорости движения пули υ : t=d/υ, секунд.
ω
x
Из вышеприведенных формул видно, что начальные скорости, обусловленные угловыми скоростями движения ствола, со временем затухают по экспоненте - фиг. 2. На рисунке, для примера, представлены кривые затухания начальной линейной скорости по оси x для различных угловых скоростей. В зависимости от дальности стрельбы на правой ординате представлены значения смещения пули Δx для различных значений ω (кривые 12, 13, 14). Вертикальная прямая в центре рисунка характеризует некоторую промежуточную дальность стрельбы и соответствующее этой дальности смещение пули. Из рисунка видно, что при больших дальностях (порядка 300-500 метров и более) поправки могут вводиться в виде констант, зависящих только от измеренных угловых скоростей ствола оружия. При меньших расстояниях поправки вводятся согласно приведенным выше формулам.
При достижении оси ствола оружия точки выстрела МК выдает разрешение на выстрел так называемому "надзирателю"(по прототипу), в данном устройстве разрешение на выстрел выдается на высоковольтную систему зажигания.
2. Во время боя время, затрачиваемое на выстрел, играет, зачастую, решающую роль. Предлагаемое устройство позволяет вести стрельбу при движении ствола, т.е. в процессе наведения, что приводит к экономии времени на выстрел. Задача микроконтроллера в этом случае заключается в необходимости расчета по значениям датчиков угловых скоростей точки выстрела с учетом движения ствола. Для этого, конечно, важна равномерность движения ствола, но с учетом высокоскоростных измерений угловых скоростей эта задача переходит в самостоятельную задачу оценки точности стрельбы по данному способу и устройству. Выстрел с учетом движения ствола должен прозвучать до совпадения оси оружия точки цели - фиг. 3. На рисунке под цифрой 18 показана цель, цифра 15 - рассчитанная МК (с учетом внешних условий) точка прицеливания. В эту точку следует наводить ствол при стационарной стрельбе (когда угловые скорости движения ствола минимальны и находятся в пределах допустимых значений). Цифрой 16 обозначена область ограничения параметров угловых скоростей, в этой области возможен выстрел. Цифрой 17 представлена возможная траектория ведения ствола для успешного попадания в цель.
Точка выстрела характеризует основную точку прицеливания. Они сливаются, если нет движение ствола около точки прицеливания при одновременном нахождении величин ДУСов внутри допусков (лучше, когда угловые скорости равны нулю), позволяя создать благоприятные условия для выстрела.
Наличие датчиков угловых скоростей в составе устройства позволяет проводить стрельбу при движении ствола как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. При этом должно применяться временное упреждение на момент выстрела с учетом измеренных угловых скоростей и с учетом вышеприведенных формул в разделе 1. В этом случае появляется точка выстрела, не совпадающая с точкой прицеливания.
ц
ω
ц
3. Другая ситуация, когда цель перемещается по фронту относительно стрелка, т.е. когда имеется два движения - движение ствола и перемещение цели. Выше показано, что движение ствола оружия приводит к смещению точки выстрела относительно точки цели. С другой стороны, требуется упреждение на координату точки выстрела с учетом времени полета пули и соответствующего смещения цели за это же время. При возрастании значений координат ячеек памяти по оси абсцисс слева направо и по оси ординат снизу вверх, в случае движения цели справа-налево и движении ствола справа-налево (вдогонку цели) точка выстрела x должна находиться от точки наведения на расстоянии, равном сумме смещения самой пули Δx (от поворота ствола) и минус расстояние перемещения самой цели за время полета пули - Δx:
ц0
ω
ц
ц
x+Δx-Δx= x,
ц0
где x - начальное значение координаты цели (координаты точки наведения);
ц
x - координаты точки выстрела.
Точка выстрела при движении ствола навстречу цели найдется из выражения:
ц0
ω
ц
ц
x-Δx-Δx= x.
При этом скорость движения цели должна находиться численным дифференцированием, то есть программой МК. В основу расчетов должны войти изменения координат за единицу времени, связанные с движением цели. Поправки из-за движения ствола оружия должны вводиться согласно методике, изложенной выше в разделе 1.
При движении ствола оружия навстречу движущейся цели (цель движется слева-направо) значение точки выстрела найдется из выражения:
ц0
ω
ц
ц
x+Δx+Δx= x,
а при движении ствола вдогонку цели (для этого же случая движения цели) из выражения:
ц0
ω
ц
ц
x-Δx+Δx= x.
Аналогичные поправки должны вводиться и в координаты вертикальной плоскости как вследствие движения ствола оружия в вертикальной плоскости, так и вследствие перемещения самой цели (дополнительно к поправкам из-за дальности и внешних условий).
4. Точность стрельбы во многом зависит от плавности ведения ствола в горизонтальной и вертикальной плоскостях. При данном способе и устройстве стрельбы - это является основным требованием к стрелку. Однако есть возмущающие факторы, действующие на плавность ведения ствола при прицеливании, независимо от желания стреляющего. Это, в первую очередь, работа сердечно-сосудистой системы человека. При каждом ударе сердца может наблюдаться неконтролируемое перемещение ствола как в вертикальной, так и в вертикальной плоскостях. И если на время стрельбы можно задержать дыхание на некоторое время, то процесс сердцебиения остановить невозможно. В этой связи необходимо принять меры к уменьшению влияния этого источника возмущений на стрельбу.
Как известно, пульс человека находится в пределах 60-120 ударов в минуту. Это соответствует среднему периоду между ударами от 1 до 0,5 секунды. Если у стрелка пульс равен 80 ударам в минуту, то это соответствует 60/80=0,75 секунды между ударами. При учете, что во время сердечного удара ствол огнестрельного оружия перемещается случайным образом, то при выборе времени выстрела нужно избегать совпадения одного и другого процессов.
Измерить факт сердцебиения достаточно просто, например, поместив датчик давления на кровеносный сосуд стрелка. Подав сигнал этого датчика на вход микроконтроллера, можно точно зафиксировать удары сердцебиения. Однако, зная примерный диапазон периодов данного процесса, можно его выявить из поведения ствола оружия - (см. фиг. 4, точки 19) и ввести поправку на выбор времени стрельбы. При этом следует учесть факт запаздывания реакции ствола из-за инерционности системы человек-ствол. Это может быть величина порядка 0,1-0,2 секунды. Наиболее сложно возмущение из-за работы сердечно-сосудистой системы выделить из сложного, случайного колебательного процесса, наиболее просто - на трендовой прямой, какой и должна быть линия перемещения ствола по рекомендуемой прямой на экране дисплея.
Выявив закономерность сердцебиения, можно прогнозировать следующий удар, вернее время этого удара. При этом важно не допустить совпадения выстрела с ударом сердечно-сосудистой системы. Поэтому зная среднее между ударами, сразу после зафиксированного удара (со смещением 0,1-0,2 сек) следует начать отсчет разрешенного на выстрел времени, но при этом автоматизированная система ведения огня, рассматриваемая в данной работе, сама решает вопрос разрешения на выстрел при восстановлении стационарных параметров в ведении ствола.
Если предположить, к примеру, что имеется датчик точной фиксации времени удара и среднее время между ударами 0,75 сек, то на совершение выстрела остается 0,75-0,2=0,55 сек. После фиксации следующего удара снова ведется отсчет 0,55 сек, в течение которого можно произвести выстрел, не подвергаясь опасности совершения ошибки из-за пульсации кровеносной системы.
С целью устранения влияния сердцебиения на точность стрельбы и вводится в данное устройство датчик давления.
5. В прототипе введено слово «надзиратель», которое символизирует вторую из двух ступеней предохранения от произвольного выстрела. Это механическая система, которая в сочетании с боевой пружиной утяжеляют оружие и дают некоторую задержку по времени на производство выстрела. Предлагается при данном способе стрельбы использовать в устройстве электрическую систему зажигания, воспламенения пороха патрона. Это хорошо вписывается в электрический принцип работы основных элементов системы. На фиг. 5 представлен рисунок, соответствующий данному подходу. В данном случае предложен переходный вариант - сочетание обычного капсюля - 20 и электрического поджига взрывоопасной газовой среды - 21. На рисунке гильза обозначена цифрой 22, изолятор - 23, контакты - 24. Высоковольтная система зажигания поджигает газ, находящийся в составе пистона патрона. Взрыв и горение газа поджигает порох патрона, что приводит к выстрелу. В случае использования традиционной механической системы инициализации выстрела взрыв пистона от механического воздействия бойка также приводит к выстрелу.
Добавочным элементом в составе МК в рассматриваемом устройстве будет импульсный трансформатор небольшого веса (порядка 50 граммов). Генератор тактовых импульсов в составе МК есть, да и его легко реализовать, например, на двух биполярных транзисторах. Такой генератор может быть использован в качестве источника переменного тока. При частоте импульсов 1000 герц и мощности 5 ватт на вторичной обмотке трансформатора должно быть порядка (18-25)кВ, и затраты энергии будут на уровне 6 микроватт*час. Это обеспечивает возможность длительного использования данного устройства при питании от батареек. Данное устройство легко реализуется в системе электрической цифровой системы управления, так как использует для своей работы также постоянный ток небольшой мощности. Это устройство также удовлетворяет требованиям надежности и экономичности, как и само цифровое устройство. Схема высоковольтной системы зажигания ввиду ее широкой известности не приведена.
Реализация данной автоматизированной системы не вызывает сомнения, так как использованы известные приборы и устройства, работающие в самых разнообразных системах.
Литература
1. Патент №2499217, Зулкашев Самат Сарывич (RU). МПК: F41A, F41G. Способ компьютерного надзора за положением ствола оружия относительно цели и устройство для его осуществления. Публикация: 10 апреля 2013 года. Начало действия патента: 29 сентября 2011 года.
2. Наставление по стрелковому делу. 7,62-мм. Снайперская винтовка Драгунова (СВД). / Ордена Трудового Красного Знамени Военное издательство Министерства обороны СССР. Москва - 1976 г., 176 стр.
3. Отиев A.M., Денисов В.В., Рузанов В.А. Проверка боя и приведение к нормальному бою стрелкового оружия, проверка (выверка) прицельных приспособлений артиллерийского вооружения. Учебное пособие. / Северо-Кавказский военный институт ВВ МВД России. Владикавказ - 2004 г., 108 стр.
4. Заявка на изобретение: Способ стрельбы из огнестрельного оружия. Автор: Антропов В.А., Пермский военный институт. - 2014 год.