Способ определения основных характеристик осколочного поля при полигонных испытаниях боевой части в щитовой мишенной обстановке
METHOD FOR DETERMINING KEY CHARACTERISTICS OF FRAGMENT CLOUD DURING GROUND TESTS OF FRAGMENTARY BOMB IN SHIELD TARGET ENVIRONMENT

Настоящее изобретение относится к полигонным испытаниям осколочных боевых частей подрывом в щитовой мишенной обстановке.
Для получения угловых распределений осколков и их скоростей (основных характеристик осколочного поля) в настоящее время наиболее часто применяется метод подрыва в щитовой мишенной обстановке, представляющей собой выполненную в форме полуцилиндра вертикальную стенку, обшитую листовым материалом с нанесенной разметкой в виде контура проекции части сферы, ограниченной двумя меридиональными сечениями, и линиями границ угловых секторов, при пробитии которой осколком образуется пробоина с четкими очертаниями (Авиационные боеприпасы под ред. В.А. Кузнецова. ВВИА им. Н.Е. Жуковского, 1968. 602 с.). Испытываемый боеприпас устанавливается в центре полуцилиндра в горизонтальном или вертикальном положении. В результате опыта подсчетом определяется число осколков, попавших в каждый угловой сектор и общее число осколков, попавших в площадь разметки. После подрыва подсчитываются пробоины в каждом секторе обшивки и, таким образом, определяется распределение осколков по углам разлета. Для определения скоростей осколков с помощью скоростных кинокамер фиксируется время между моментами освещения щита при подрыве и моментом удара осколков о щит. Средняя скорость определяется как расстояние от места расположения боеприпаса до щита деленное на указанное время. Момент прибытия осколков к щиту фиксируется по вспышкам при ударе.
Недостатками данного метода являются:
- высокая трудоемкость определения моментов времени вспышек при большом количестве поражающих элементов;
- низкая информативность метода, так как определяют лишь средние начальные скорости поражающих элементов в угловых секторах, при этом меридиональные и экваториальные углы соответствуют центрам этих секторов, что также является лишь осредненной характеристикой осколочного поля боевой части;
- не исключены ошибки при подсчете числа осколков, попавших в каждый угловой сектор, т.е. потеря или приобретение ложных данных.
Наиболее близким к заявленному техническому решению является способ измерения скорости разлета осколков снаряда (В.А. Одинцов, патент на изобретение RU 2353893 С2, опубликованный 27.04.2009 г.). Способ включает подрыв снаряда на известном расстоянии от металлического щита, измерение времени полета осколков с использованием высокочастотной фотокамеры и расчет скорости осколков. Щит выполнен в виде плоского прямоугольника с нанесенными на него двумя параллельными линиями, расположенными вертикально или горизонтально и образующими границы измерительной базы, ось снаряда располагают параллельно упомянутым линиям, измерительную базу размещают в поле зрения высокочастотной фотокамеры и измеряют время перемещения осколочного фронта вдоль измерительной базы. Моменты прибытия осколков к границам базы измерения определяют, как среднее время прибытия в полосу, расположенную вправо от границы заданного числа осколков, например, десяти. Способ позволяет производить измерение скорости осколков на двух и более измерительных базах.
Недостатками данного метода являются:
- низкая информативность метода, так как определяют лишь средние начальные скорости поражающих элементов по моментам прибытия осколков к границам базы измерения, которые определяют, как среднее время прибытия в полосу в угловых секторах, при этом меридиональные и экваториальные углы могут быть определены лишь для полос, расположенных вправо от границ заданного числа осколков, что также является лишь осредненной характеристикой осколочного поля боевой части.
Данные недостатки препятствуют получению технического результата, который обеспечивается заявляемым изобретением.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение информативности полигонных испытаний осколочных боевых частей подрывом в мишенной обстановке путем измерения скоростей, экваториальных и меридиональных углов всех поражающих элементов, пробивших щит, при увеличении точности измерений и исключении потери или приобретения ложных данных о пробитии щита поражающими элементами.
Данная задача решается за счет того, что в заявленном способе определения характеристик осколочного поля при полигонных испытаниях осколочной боевой части в щитовой мишенной обстановке, выполненной из листового материала в виде плоского вертикального щита, включающем подрыв боевой части на известном расстоянии от щита и скоростную видеорегистрацию пробития щита,
- щит размечают на прямоугольные пронумерованные клетки известного размера; со щитом связывают прямоугольную систему координат OXYZ;
боевую часть устанавливают с известными координатами ее центра в системе координат щита, направляя поток поражающих элементов на щит;
процесс пробития щита поражающими элементами регистрируют скоростной цифровой видеокамерой со стороны разметки;
после испытания каждую клетку щита с пробоинами фотографируют цифровым фотоаппаратом; далее все действия проводят в компьютерной среде, а именно: на каждой фотографии измеряют координаты четырех углов клеток - опорных точек - и вычисляют элементы ориентирования фотографий; на каждой фотографии измеряют координаты геометрических центров пробоин и вычисляют координаты этих точек в системе координат щита OXYZ; на одном из цифровых кадров скоростной видеокамеры измеряют координаты любых четырех углов клеток - опорных точек - и вычисляют элементы ориентирования кадров; координаты геометрических центров пробоин из системы координат щита OXYZ пересчитывают в систему координат кадров скоростных видеокамер;
указав координаты пробоины в системе координат кадров, просматривают фрагменты кадров в окрестности этой пробоины и фиксируют время между началом отсчета времени и вспышкой при пробитии щита поражающим элементом, при этом пробоины и соответствующие им вспышки идентифицируют по взаимному расположению вспышек на фрагментах кадров и взаимному расположению пробоин на фрагменте диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров в окрестностях одинакового размера; по координатам центров пробоин в системе координат щита OXYZ, известным координатам боевой части в системе координат щита OXYZ и зафиксированным моментам времени вычисляют средние скорости и баллистические коэффициенты каждого поражающего элемента, а по этим значениям - модули начальных скоростей каждого поражающего элемента, включая экваториальные (θ) и меридиональные (ϕ) углы по формулам:
ϕ=arctg(r/R),
где X=Хр-Ха; Y=Yp-Ya;  Ха, Ya - координаты проекции центра боевой части на щит; Xp, Yp - координаты геометрического центра пробоины в системе координат щита OXYZ; R - модуль Z-координаты центра боевой части в системе координат щита OXYZ, при этом экваториальные углы отсчитывают от вертикальной плоскости симметрии боевой части, проходящей через ее продольную ось в диапазоне от 0 до 360 градусов, меридиональные углы отсчитывают от точки пересечения продольной оси боевой части со щитом, в диапазоне от 0 до 90 градусов.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является повышение информативности полигонных испытаний и увеличение точности измерений начальных скоростей поражающих элементов при исключении потери или приобретения ложных данных о пробитии щита поражающими элементами.
Сущность изобретения поясняется схемами:
фиг. 1 - схема постановки испытаний осколочной боевой части с торцевым метанием поражающих элементов;
фиг. 2 - пример разметки щита;
фиг. 3 - схема цифровой фотографии одной из клеток щита с пробоинами от поражающих элементов и нанесенным при постановке испытаний номером;
фиг. 4 - схема диаграммы рассеяния пробоин в системе координат щита OXYZ, рассчитанных по фотографиям клеток щита;
фиг. 5 - схема кадра видеокамеры с измеренными четырьмя опорными точками (показаны знаками ;
фиг. 6 а) - схема фрагмента кадра, на котором появились вспышки от всех пробоин в окрестности указанной пробоины;
фиг. 6 б) - схема фрагмента диаграммы рассеяния пробоин в системе координат кадров в окрестности указанной пробоины, на которой изображен круг с горизонтальной линией, в центре которого находится выделенная пробоина;
и принятой последовательностью действий при определении характеристик осколочного поля по цифровым фотографиям клеток щита и цифровым кадрам высокоскоростной видеокамеры при полигонных испытаниях осколочных боевых частей в щитовой мишенной обстановке.
На фиг. 1 показана схема постановки испытаний осколочной боевой части с торцевым метанием поражающих элементов в щитовой мишенной обстановке. На испытательном полигоне вертикально устанавливают плоский щит (2), размеченный с одной стороны на прямоугольные пронумерованные клетки известного размера. Со щитом связывают прямоугольную систему координат OXYZ. Испытываемую боевую часть (1) устанавливают с известными координатами ее центра в системе координат щита, направляя поток поражающих элементов (4) на центральную часть щита. Со стороны разметки щита устанавливают скоростную цифровую видеокамеру (3).
Пример разметки щита показан на схеме фиг. 2. При испытании видеокамера регистрирует вспышки при пробитии щита поражающими элементами, начиная от момента подрыва боевой части - начала отсчета времени движения поражающих элементов. После испытания каждую клетку щита с пробоинами фотографируют цифровым фотоаппаратом.
На фиг. 3 показана схема цифровой фотографии одной из клеток щита с пробоинами от поражающих элементов и нанесенным при постановке испытаний номером.
Таким образом, исходными данными для определения характеристик осколочного поля испытываемой боевой части являются цифровые фотографии клеток щита и кадры цифровой видеокамеры.
Далее все действия проводят в компьютерной среде.
На каждой фотографии клеток щита измеряют координаты четырех углов клеток - опорных точек - в пикселях. Координаты этих точек в системе координат щита OXYZ в метрах известны из постановки испытаний. На фиг. 3 измеренные координаты четырех углов клетки показаны знаками . Углы клетки являются опорными точками. Их координаты в системе координат щита известны из постановки испытаний. Фотограмметрические уравнения связи координат точки в системе координат снимка и в наземной системе координат (Лобанов А.Н. Аналитическая фотограмметрия. М.: Недра, 1972. 224 с.):
где х, у - координаты точки в системе координат снимка, пиксели; рх - горизонтальный размер снимка, пиксели; XS, YS, ZS - координаты центра проекций снимка в наземной системе координат, м; sx=0,035 - горизонтальный размер 35-ти миллиметрового снимка, м; f - эквивалентное 35-ти миллиметровому снимку фокусное расстояние объектива съемочной камеры, м; хо, уо - координаты главной точки снимка, пиксели; a1, а2, а3, b1, b2, b3, c1, с2, с3 - безразмерные элементы матрицы преобразования координат точки из системы координат снимка в наземную систему координат с использованием угловых элементов ориентирования снимка α, ω, χ, градусы; ХР, YP, ZP - координаты точки в наземной системе координат, м.
Численно решая систему уравнений (1), вычисляют элементы ориентирования фотографий.
На каждой фотографии измеряют координаты геометрических центров пробоин в пикселях (на фиг. 3 показаны знаками «+») и по фотограмметрическим уравнениям, обратным уравнениям (1), вычисляют координаты пробоин в системе координат щита OXYZ, при этом Z-координаты пробоин в системе координат щита равны нулю. Таким образом, получают массив координат пробоин в системе координат OXYZ. По этим данным строят точечный график X-Y координат пробоин в системе координат щита OXYZ (диаграмму рассеяния) и рассчитывают плотность распределения поражающих элементов в поле поражения охваченном щитом.
На фиг. 4 показана схема диаграммы рассеяния пробоин в системе координат щита OXYZ, рассчитанных по фотографиям клеток щита, например, для щита размерами 4,5×5 м.
На одном из цифровых кадров скоростной видеокамеры измеряют координаты любых четырех углов клеток - опорных точек - в пикселях.
На фиг. 5 показана схема кадра видеокамеры с измеренными четырьмя опорными точками (показаны знаками ). Координаты этих точек в системе координат щита OXYZ в метрах известны из постановки испытаний. Численно решая систему уравнений (1), вычисляют элементы ориентирования кадров.
Координаты геометрических центров пробоин, вычисленные по фотографиям клеток щита, из системы координат щита OXYZ пересчитывают в систему координат кадров OkXkYk скоростных видеокамер по формулам (1). Таким образом, получают массив координат геометрических центров пробоин в системе координат кадров в пикселях: xk, yk. По этим данным строят точечный график (диаграмму рассеивания координат пробоин в системе координат кадров) зависимости (ру-yk) от xk, где ру - вертикальный размер кадра.
Указав координаты пробоины в системе координат кадров, в компьютерной среде выделяют фрагменты кадров и фрагмент точечного графика (диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров) зависимости (ру-yk) от xk в окрестности этой пробоины. Размеры области выделения одинаковы для фрагментов кадров и фрагмента графика. Последовательно просматривают фрагменты кадров в окрестности указанной пробоины и фиксируют время между началом отсчета времени и вспышкой при пробитии щита поражающим элементом. Если на фрагменте n-го от начала отсчета времени кадра появилась вспышка, время между началом отсчета и вспышкой равно n⋅Δt, где Δt - известный период съемки видеокамеры.
На фрагментах последовательных кадров могут появляться вспышки и от других поражающих элементов. Кроме того, при скоростной съемке на последовательных кадрах некоторых камер цветовые яркости пикселей могут меняться. Это «мерцание» пикселей исследователь может принять за вспышки при пробитии щита поражающими элементами («ложное» пробитие) или наоборот, принять вспышку за «мерцание». Поэтому, для исключения потери или приобретения ложных данных о пробитии щита поражающими элементами указанную пробоину и соответствующую ей вспышку идентифицируют по взаимному расположению вспышек на фрагментах кадров и пробоин на фрагменте диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров. Для этого, одновременно с просмотром фрагментов кадров, просматривают фрагмент диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров.
На схеме фрагмента диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров фиг. 6б) изображен круг с горизонтальной линией, в центре которого находится выделенная пробоина. Этот круг - элемент дизайна компьютерного обеспечения. Также на этом фрагменте видны близлежащие пробоины, оказавшиеся на фрагменте диаграммы рассеивания. Просматривая фрагменты кадров в сторону увеличения времени, находят тот, на котором появились все вспышки, соответствующие пробоинам фрагмента диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров.
На фиг. 6а) показана схема фрагмента того кадра, на котором появились вспышки от всех пробоин, появившихся в этом фрагменте. Для облегчения идентификации в центре фрагмента кадра изображен круг того же масштаба, что и круг на фрагменте диаграммы рассеивания координат пробоин в системе координат кадров.
Из фиг. 6 ясно, что выделенная пробоина находится в центре фрагмента кадра. Таким образом, идентифицируют выделенную пробоину и соответствующую ей вспышку. Просматривая фрагменты кадров в сторону уменьшения времени, если это необходимо, находят тот кадр, на котором появилась вспышка, соответствующая выделенной пробоине и фиксируют время между началом отсчета времени и вспышкой при ударе поражающего элемента о щит. Процедуру проводят для каждой пробоины.
По координатам центров пробоин в системе координат щита OXYZ, известным координатам боевой части в системе координат щита OXYZ и зафиксированным моментам времени вычисляют средние скорости и баллистические коэффициенты каждого поражающего элемента, а по этим значениям - модули начальных скоростей каждого поражающего элемента, включая экваториальные и меридиональные углы, определяющие направления полета поражающих элементов, по формулам:
где X=Хр-Ха; Y=Yp-Ya;  Ха, Ya - координаты проекции центра боевой части на щит; Xp, Yp - координаты геометрических центров пробоин в системе координат щита; R - модуль Z-координаты центра боевой части, при этом экваториальные углы отсчитывают от вертикальной плоскости симметрии боевой части, проходящей через ее продольную ось в диапазоне от 0 до 360 градусов, меридиональные углы отсчитывают от точки пересечения продольной оси боевой части со щитом, в диапазоне от 0 до 90 градусов.
Использование предлагаемого способа позволит проводить измерения координат, скоростей экваториальных и меридиональных углов разлета всех поражающих элементов, попавших в щит мишенной обстановки, при увеличении точности измерений начальных скоростей поражающих элементов и исключении потери или приобретения ложных данных о пробитии щита поражающими элементами, что повышает информативность полигонных испытаний осколочных боевых частей.