УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА СПОРТИВНЫХ СНАРЯДОВ
DEVICE FOR SPORTS SPHERICAL EQUIPMENT LAUNCHING

Область техники
Настоящая заявка относится к устройствам, направленным на запуск и доставку с заданной скоростью в определенную точку пространства спортивных сферических снарядов, например футбольных, волейбольных мячей или мячей для регби и подобных спортивных снарядов.
Описание уровня техники.
Спортсменам, занимающимся игровыми видами спорта с мячом, требуется широкий набор навыков. Например, в футболе квалифицированные полевые игроки должны иметь устойчивые навыки в использовании различных поверхностей тела для приема, контроля и передач мяча и ударов с ходу по мячу, а голкиперы кроме того еще и должны ловить, отбивать и парировать мячи руками. Каждое действие футболиста с учетом траектории полета мяча, угла и скорости движения игрока относительно мяча представляет одну уникальную способность стать мастером через репетиции и тренировки. Полная матрица всех представленных релевантных комбинаций этих переменных составляет много сотен способностей, которые должны быть усвоены. Эта матрица называется собственной «матрицей тренировок» для футбола.
Способности спортсмена, приложенные к первому касанию с мячом, известны как «первое касание». «Первое касание» рассматривается как краеугольный камень, на котором строятся другие способности футболистов, и мастерство «первого касания» является отличительным признаком между мастером и обычным футболистом. Достижение высокого уровня способностей требует многих репетиций, которые должны проводиться в короткий тренировочный период времени.
Имеются препятствия для осуществления этих репетиций. Например, когда партнеры не имеют достаточных навыков для точной и повторяемой подачи мяча с требуемыми параметрами. Это особенно характерно для детских и юношеских команд, но проблемы тренировки «первого касания» имеются и в командах мастеров. Аналогичные проблемы имеют место в других игровых видах спорта с мячом. Они привели к созданию многочисленных устройств, способных имитировать доставку спортивных снарядов игрокам, например, в теннисе, бейсболе, волейболе и хоккее. Известны многочисленные пусковые устройства для теннисных мячей, например по патенту США №6167878, бейсбольных, волейбольных мячей, хоккейных шайб, например по Патенту США №5647338 и т.д.
Распространение на футбол этой концепции является естественным и очевидным, но футбол предъявляет требования, которым не могут удовлетворить большинство из существующих устройств.
В частности, футбольный мяч намного тяжелее по сравнению с теннисным или бейсбольным мячами и умеренно тяжелее по сравнению с волейбольным, при этом футбольный мяч может перемещаться значительно быстрее, чем волейбольный. Как результат, силы, задействованные на ускорение футбольного мяча, значительно превышают силы для разгона мячей в вышеупомянутых видах спорта при игре с мячом.
Кроме того, футбольное поле значительно больше по размерам, а диапазон позиций, с которых стартует и куда должен прилететь мяч, намного шире, чем в других игровых видах спорта.
При этом для эффективного тренировочного процесса, желательно, чтобы устройство для пуска футбольных мячей обеспечивало запуски мячей со скоростями от 30 м/с до 40 м/с из различных точек тренировочного поля.
Верхняя граница отмеченного диапазона скоростей (до 40 м/с) важна в тренировочном плане тем, что позволяет моделировать в том числе удары типа «knuckle ball» - это удар по мячу, при котором мяч без вращения сначала летит устойчиво, а потом начинает лететь по извилистой случайной траектории (см. Takeshi Asai et al: "A study of knuckling Effect of Soccer Ball", The Engineering of Sport 6, vol. 7, pp. 555-562. The International Sports Engineering Association).
Кроме того, руководящие футбольные органы разрешают определенную вариацию веса и диаметра футбольных мячей, чем активно пользуются компании-производители футбольных мячей. В целях повышения зрелищности игры постоянно появляются новые модели футбольных мячей, которые имеют различия, например, по геометрии сегментов и швов, по характеристикам поверхности мяча.
При этом в отличие от большинства игровых видов спорта футболисты тренируются и играют под открытым небом в разнообразных погодных условиях, в том числе при влажной или морозной погоде, поэтому в конструкцию пускового устройства должна быть заложена возможность работы с различными, в частности с мокрыми или «мерзлыми», мячами.
Известно устройство для метания футбольных мячей, описанное в PCT/US 2007/017371. Принцип действия данного устройства основан на ускорении мяча касательными напряжениями, возникающими при попадании упругого мяча в пространство между противоположно вращающимися роликами.
Однако для достижения высоких скоростей полета мяча, например, 30 м/сек и выше, имитирующих удары профессиональных футболистов, касательные напряжения, обусловленные вращающимися роликами, должны быть столь значительными, что они будут приводить к быстрому выходу из строя мячей.
Аналогичная проблема в бейсболе при использовании дисковых пусковых устройств привела к тому, что для тренировок с использованием дискового тренажера вместо кожаных мячей используют специальные пластиковые мячи, поверхность которых не чувствительна к касательным напряжениям. К сожалению, в футболе аналогичный подход не возможен. Кроме того, в данном устройстве использовано сложное устройство подачи и позиционирования мяча в стартовом положении, которое подает каждый мяч в устройство с точным размещением. Точное позиционирование мяча при каждой подаче необходимо, чтобы обеспечить одинаковые характеристики полета мяча при каждом новом пуске.
Наиболее близким к предлагаемому решению является устройство для запуска мячей для спортивных тренировок по Патенту ЕР 1713550 А1. Известное устройство содержит резервуар для хранения сжатого газа, ствол, быстродействующий клапан, герметично соединяющий резервуар со стволом, средство управления клапаном. Разгон мяча в стволе осуществляется сжатым газом, поступающим из резервуара в ствол при открытии быстродействующего клапана, который открывается по управляющей команде от средства управления.
Ствол включает цилиндрический участок с выходным отверстием и задний участок с упором для снаряда в стартовом положении.
Упор для снаряда в стартовом положении выполнен в виде позиционируемого внутри ствола специального дроссельного механизма, а также втулки, выполненной с возможностью перемещения внутри ствола. Торец втулки, расположенный, внутри ствола на заданном расстоянии от внутренней стенки его задней части, образует упор - седло, в которое упирается снаряд в стартовом положении. При этом, между внутренней стенкой задней части ствола и снарядом образуется значительная по объему полость, составляющая так называемый паразитный объем.
Авторами обнаружено, что наличие такой полости обусловливает снижение эффективности использования энергии сжатого газа для разгона мяча, поскольку при пуске часть этой энергии первоначально расходуется на повышение в указанной полости давления при ее заполнении.
Известно, что в пневматическом пусковом устройстве разгон снаряда обеспечивается за счет работы расширения запасенного в резервуаре сжатого газа, движущегося по каналу: ресивер, проточная часть клапана и ствол.
Поскольку футбольный мяч (запускаемый спортивный снаряд) имеет значительно большую площадь поперечного сечения (окружность диаметром 218 мм) по сравнению поперечным сечением имеющихся на рынке быстродействующих клапанов (окружность диаметром 80 мм), очевидно, что минимальное сечение вышеупомянутого канала задается проходным сечением клапана. Соответственно, исходя из условия баланса расхода, очевидно, что максимальное значение скорости сжатого газа достигается в проточной части клапана. Если стоит задача, например, разогнать футбольный мяч диаметром 218 мм до скорости 40 м/с, легко оценить, что при использовании клапана, даже с диаметром проходного сечения 40 мм, скорость движения газа в нем формально, из соотношения баланса расхода, должна достигнуть значения, превышающего скорости звука.
Однако известно (см. монографию: Л.Г. Лойцянский, «Механика жидкостей и газа», 1973, М.: «Физматгиз»), что при движении газа в канале переменного сечения скорость движения газа в наиболее сжатом сечении не может превысить значения скорости звука, а, следовательно, объемный расход газа будет ограничен величиной произведения скорости звука на площадь сечения клапана. Этот феномен получил название сверхзвукового запирания канала.
Таким образом, в известном устройстве создание в проточной части клапана значений скорости потока, приближающихся к скорости звука, обуславливающих явления запирания канала, снижает эффективность использования сжатого газа, что препятствует разгону снаряда в стволе до требуемых скоростей - до 40 м/с.
Расчеты и эксперименты авторов показали, что для оценки эффективности использования сжатого газа в пневматическом устройстве может быть использована следующая формула для давления сжатого газа, разгоняющего снаряд в стволе (Григорьев В.В. и др.: «Газодинамическое исследование пневматического линемета», Журнал Технической Физики, 2006, т. 76, вып. 3, с. 75-79):
l
п
1
m
x
x
2
где: V - объем резервуара; V - объем пространства между внутренней стенкой задней части ствола и мячом в стартовом положении - так называемый паразитный объем; p - давление сжатого газа в резервуаре до открытия клапана; S=0.0373 м - площадь поперечного сечения футбольного мяча; x - координата перемещения мяча по стволу; k - газовая постоянная, для газа k=1,4; p - давление сжатого газа, которое разгоняет мяч. Эффективность использования энергии сжатого газа в устройстве пропорциональна значениям толкающего давления р, которое согласно формуле (1) зависит от конструктивных параметров.
п
В известном устройстве по Патенту ЕР 1713550 А1 паразитный объем V составляет значительную величину, т.к. снаряд упирается в седло, расположенное внутри ствола, чем объясняется низкая эффективность передачи мячу энергии сжатого газа.
Кроме того, в известном устройстве, описанном в патенте ЕР 1713550 A1, регулирование скорости снаряда осуществляется посредством изменения (снижения) расхода сжатого газа в стволе. Для этого использован дроссельный механизм, содержащий неподвижную часть и подвижную часть, взаимное положение которых определяет эффективное проходное сечение канала: резервуар - клапан - ствол. Этой же цели служат сменные кольцевые муфты, каждая из которых обеспечивает определенное проходное сечение вышеупомянутого канала. Таким образом, дроссельный механизм задает проходное сечение, меньшее по сравнению с проходным сечением клапана (иначе он не сможет регулировать расход сжатого газа), что приводит к дополнительному снижению наименьшего сечения в канале и, следовательно, дополнительно снижает эффективность устройства. Анализ представленных на рынке быстродействующих клапанов большого проходного сечения показывает, что с увеличением проходного сечения клапана резко растут массогабаритные характеристики, а также время открытия клапана.
В силу перечисленных выше особенностей известные устройства, например устройство SIDE KICK компании Sports Science Inc., обеспечивающее скорость полета мячей до 20-25 м/с, весит не менее 70 кг. Для перемещения таких устройств по тренировочному полю используют специальные тележки или устанавливают устройство на колеса. Как следствие, в процессе тренировки такое устройство затруднительно перемещать в высоком темпе из одной точки поля в другую для осуществления всего необходимого спектра подач, соответствующих матрице тренировок в современном футболе.
В основу настоящего изобретения поставлена задача создать малогабаритное, легко переносимое одним оператором, пусковое устройство, обеспечивающее эффективное использование потенциальной энергии сжатого газа, с тем, чтобы запускать снаряды достаточно большого размера (футбольные мячи) с заданной скоростью до 40 м/с.
Дополнительными задачами настоящего изобретения является обеспечение регулирования скорости запуска мяча с сохранением эффективного использования потенциальной энергии сжатого газа, а также обеспечение точных и стабильных пусков и возможность точного наведения на различные цели.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для запуска спортивных сферических снарядов, содержащее резервуар, ствол, включающий цилиндрический участок с выходным отверстием и задний участок с упором для размещения снаряда в стартовом положении, быстродействующий клапан, герметично соединяющий ствол с резервуаром, согласно предлагаемому изобретению, упор для размещения снаряда выполнен в виде опорной поверхности в форме части сферы, повторяющей форму части наружной поверхности спортивного снаряда.
Наличие опорной поверхности и выполнение опорной поверхности по форме, повторяющей форму части запускаемого снаряда, обеспечивает плотное прилегание поверхности запускаемого снаряда (мяча) с опорной поверхностью в стартовом положении.
п в
Плотное соприкосновение опорной поверхности с мячом в стартовом (начальном) положении обеспечивает для предлагаемой конструкции в первом приближении нулевое значение паразитного объема V.
x
x
2
Кроме того, из гиперболического характера приведенной выше зависимости (1) следует, что по мере перемещения мяча в стволе вдоль координаты X разгоняющее давление p падает. Вследствие большого значения площади поперечного сечения футбольного мяча, равного 0,0373 м, падение давления в стволе до значения атмосферного давления происходит на малой длине X. Следовательно, целесообразно изготавливать ствол не длиннее того значения, когда при дальнейшем движении мяч будет не ускоряться, а тормозиться, т.к. согласно формуле (1) толкающее давление p будет ниже атмосферного.
В преимущественном варианте опорная поверхность выполнена в форме полусферы с целью обеспечения большей площади плотного соприкосновения снаряда (мяча) с указанной опорной поверхностью для более эффективного использования энергии сжатого газа.
п
Целесообразно, чтобы опорная поверхность средства для размещения снаряда была образована внутренней поверхностью заднего участка ствола, что обеспечивает минимизацию полости между внутренней поверхностью ствола и мяча в стартовом положении, объем которой в основном определяет паразитный объем V в формуле (1).
Целесообразно, чтобы пневматический быстродействующий клапан был выполнен с возможностью прохождения следующих последовательных режимов при запуске снаряда: открытия, открытого положения и закрытия, при этом общий временной интервал с момента открытия до закрытия не превышал интервал времени прохождения снарядом ствола от опорной поверхности до выходного отверстия.
Такое исполнение клапана обеспечивает возможность перекрытия поступления сжатого газа из резервуара в ствол на заключительном этапе разгона снаряда в стволе. В этом случае разгон прекращается досрочно еще до вылета снаряда из ствола (при этом заданная скорость уже достигнута), а сохраненная в резервуаре часть сжатого газа может использоваться для следующего пуска.
Целесообразно, чтобы пневматический быстродействующий клапан был выполнен с возможностью регулирования длительности его открытого положения. Использование клапана, которым можно управлять, в том числе закрывать до момента вылета мяча из ствола, с тем чтобы сократить время открытого состояния клапана, позволяет снизить разгон мяча на заключительном отрезке и тем самым осуществлять регулирование скорости мяча без дополнительного сокращения проходного сечения канала: резервуар - клапан - ствол. Причем при таком регулировании происходит повышение эффективности использования сжатого воздуха за счет сокращения его расхода.
Также целесообразно выполнять ствол из прозрачного материала, например поликарбоната или плексигласа. В этом случае спортсмен видит с расстояния 10-40 метров целиком весь мяч до удара, что способствует более натуральному восприятию спортсменом пуска мяча.
Целесообразно, чтобы устройство включало звукогенерирующее устройство, выполненное с возможностью генерации звука при запуске снаряда, имитирующего звук удара спортсмена по мячу, что является важным с точки зрения привычности восприятия спортсменом пуска мяча.
Целесообразно, чтобы резервуар был выполнен с возможностью соединения с источником сжатого газа и регулирования давления сжатого газа в резервуаре.
Возможность регулирования давления в резервуаре позволяет задавать скорость запуска снаряда. При этом регулирование давления в резервуаре может быть обеспечено при каждом запуске мяча путем задания редуцирования давления сжатого газа от источника на выходе редукционного клапана (вручную или с помощью управляющего сигнала от компьютера).
Целесообразно, чтобы устройство было снабжено средством для подачи снаряда к опорной поверхности, содержащим первый датчик положения снаряда, размещенный в стволе у его выходного отверстия, второй датчик положения снаряда, размещенный в области вершины опорной поверхности снаряда в стартовом положении, вакуумный эжектор, включающий всасывающий вход, соединенный через первый клапан с полостью заднего участка ствола перед опорной поверхностью и эжектирующий вход, соединенный через второй клапан с источником сжатого газа, при этом устройство снабжено средством управления указанными клапанами по показаниям указанных датчиков положения снаряда, выполненным с возможностью окрытия первого и второго клапанов с созданием разрежения в указанной полости ствола между опорной поверхностью для размещения снаряда и поданным в ствол снарядом при регистрации снаряда первым датчиком и закрытия указанных клапанов при регистрации снаряда вторым датчиком.
При этом в качестве средства для управления указанными клапанами может быть использован компьютер (бортовой компьютер), выполняющий также и другие, указанные ниже функции в предлагаемом устройстве.
Предлагаемое средство подачи обеспечивает высокую повторяемость пусков благодаря точному и устойчивому стартовому положению снаряда при каждом запуске. Снаряд в стартовом положении в результате откачки газа из полости плотно прижимается к внутренней поверхности торцевой части ствола, поэтому начальные данные полета мяча будут одинаковыми при каждом новом пуске. Даже малый перепад давления за счет большой площади соприкосновения (половина площади наружной поверхности мяча) обеспечивает силу, вполне достаточную для устойчивой фиксации снаряда в стартовом положении длительное время.
Другим преимуществом является удобство зарядки, поскольку задача оператора состоит лишь в том, чтобы поднести мяч к срезу ствола. Последующая подача мяча к опорной поверхности происходит автоматически, без участия оператора, в результате усилия вакуумного разрежения в течение короткого промежутка времени. Управляется этот процесс бортовым компьютером, для которого входными датчиками являются первый и второй датчики положения мяча, а выходные сигналы управляют соленоидами пневмоэлектроклапанов, коммутирующих работу вакуумного эжектора.
Заявляемое средство подачи не чувствительно к конструктивным особенностям каждого конкретного футбольного мяча при разнообразных природных и климатических условиях, например, для мокрых или мерзлых мячей, что является важным, т.к. футбол - игра, как правило, на открытом воздухе в любых погодных условиях.
Также важно отметить, что средство подачи снаряда в стартовое положение не содержит ни одной тяжелой детали, которая может повлиять на массогабаритные свойства. В устройствах-аналогах средства подачи и фиксации мяча, а также средства для размещения его в стартовом положении являются наиболее массивными.
Также целесообразно, чтобы устройство содержало средство для указания цели запуска снаряда, содержащее датчик показания горизонтального положения устройства вдоль оси, перпендикулярной оси ствола, датчик угла оси ствола по отношению к горизонту, датчик высоты устройства от рабочей поверхности, цифровую фотокамеру, жестко соединенную со стволом и снабженную дисплеем, средство фокусировки на выбранную цель и измеритель дальности до указанной цели, при этом устройство снабжено средством управления указанными датчиками, соединенным с ними и выполненным с возможностью вычисления траектории полета снаряда на основе данных от указанных датчиков в процессе наведения оператором ствола на цель и отражения на дисплее отметки, соответствующей прогнозируемой точке прилета снаряда.
В качестве средства управления указанными датчиками может быть использован тот же бортовой компьютер, что и для средства подачи мяча.
По известным величинам начальных параметров: угла и модуля скорости, дальности до цели и высоты над уровнем спортивной площадки, а также выполнении условия отсутствия перекоса прибора вдоль оси, нормальной к оси ствола, траектория полета снаряда и его конечная точка вычисляются с помощью программы, записанной в компьютер.
Указанные датчики положения устройства позволяют исключить перекос устройства относительно поверхности горизонта.
Цифровая фотокамера содержит дисплей с функциями выделения требуемого фрагмента мишени и индикации дальности до него по сигналу датчика.
Вычисление траектории происходит практически в режиме реального времени (менее одной десятой секунды), после чего на дисплее появляется отметка, соответствующая конечной точке траектории мяча с учетом поправки из-за баллистической траектории полета.
Целесообразно, чтобы устройство было снабжено баллоном высокого давления, снабженным редукционным клапаном, выполненным с возможностью регулирования давления газа в резервуаре.
При этом устройство в предпочтительном варианте снабжено наплечным рюкзаком для баллона высокого давления.
Такое выполнение источника сжатого газа является технологически простым и обеспечивает возможность автономного использования устройства, не связанным со стационарным источником сжатого газа. При этом обеспечивается мобильность устройства с сохранением достаточного количества пусков.
Целесообразно, чтобы устройство было снабжено прикладом, выполненным в виде штока, один конец которого соединен с устройством, а другой конец снабжен упорной поверхностью для тела оператора, соединенной со штоком через демпфер отдачи и демпфирующую подушку.
Наличие приклада позволяет осуществлять упор устройства в корпус оператора, который обеспечивает удобство использования устройства. Кроме того, наличие упора с демпферными устройствами позволяют снизить отдачу от пуска снаряда и тем самым повысить точность пуска снаряда. Поскольку устройство характеризуется небольшими габаритами и весом, оно может быть использовано без обязательного для аналогов массивного лафета.
В дальнейшем предлагаемое изобретение будет более подробно раскрыто на примерах выполнения со ссылками на чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает общий вид устройства для запуска спортивных снарядов.
Фиг. 2 - устройство в разрезе со схемой средства подачи спортивного снаряда и схемой упора для снаряда в стартовом положении.
Фиг. 3 изображает стандартный быстродействующий клапан устройства.
Фиг. 4 изображает схему указателя цели.
Фиг. 5 приведена зависимость скорости мяча на срезе ствола испытанного лабораторного образца в зависимости от давления в резервуаре.
На Фиг. 1. изображен общий вид устройства для запуска сферических снарядов, например футбольных мячей, выполненного согласно предлагаемому изобретению. Устройство содержит резервуар 1 для сжатого газа, ствол 2, включающий цилиндрический участок 3 с выходным отверстием 4 и задний участок 5 с упором 6 (см. Фиг. 2) для снаряда 7 в стартовом положении, быстродействующий клапан 8, герметично соединяющий резервуар 1 со стволом 2. Резервуар 1 во всех примерах использования имеет емкость не более 10 литров и наполняется сжатым газом под давлением не более 1,0 МПа, что согласно требованиям безопасности, принятым в разных странах, относится к категории абсолютно безопасных сосудов, работающих под давлением. В этой связи не существует особых требований к выполнению резервуара 1. Он может быть стандартным или нестандартным любой сложной формы, выполненным специально для данного устройства, обеспечивающим эффективную эргономику. В примере наилучшего использования применяется стандартный стальной ресивер сферической формы. Герметичное крепление ресивера 1 к клапану 8 в примере наилучшего использования выполнено резьбовым, но может быть любым другим, например фланцевым.
Как показано на Фиг. 2, упор 6 снаряда 7 выполнен в виде опорной поверхности в форме части сферы, повторяющей форму части наружной поверхности 10 спортивного снаряда 7.
Далее по тексту опорная поверхность будет указываться также под позицией 6. Благодаря указанной форме опорной поверхности 6 обеспечивается плотное прилегание к ней поверхности 10 запускаемого снаряда (мяча) 7 в стартовом положении. В преимущественном варианте реализации изобретения опорная поверхность 6 образована внутренней поверхностью заднего участка 5 ствола 2 и выполнена в форме полусферы, повторяющей форму полусферы наружной поверхности 10 спортивного снаряда 7.
п
Выполнение опорной поверхности 6 внутренней поверхностью заднего участка 5 ствола 2 обеспечивает минимизацию полости 12 (Фиг. 2) между внутренней поверхностью заднего участка 5 ствола 2 и наружной поверхностью 10 мяча 7 в стартовом положении, объем которой в основном определяет паразитный объем V в формуле (1). Даже при использовании грязных, мокрых и мерзлых мячей (футбол - игра всепогодная, УЕФА и ФИФА разрешают проводить официальные матчи при температурах до минус 20°С на открытом воздухе при дожде, снегопаде и т.д.) объем полости 12 также минимален, хотя в этом случае он не равен нулю. При этом выполнение опорной поверхности 6 в форме полусферы обеспечивает максимальную площадь соприкосновения мяча 7 с опорной поверхностью 6, что позволяет более эффективно использовать энергию сжатого газа для разгона мяча 7, а также увеличивает требуемую степень герметизации для удержания мяча 7 стартовом положении.
Кроме того, в преимущественном варианте, ствол 2 выполнен из прозрачного, прочного и износостойкого поликарбоната.
Быстродействующий пневматический клапан 8 выполнен с возможностью прохождения следующих последовательных режимов при запуске снаряда 7: открытия, открытого положения и закрытия, при этом общий временной интервал с момента открытия до закрытия клапана не превышает при разгоне снаряда 7 в стволе 2 интервал времени прохождения снарядом 7 от опорной поверхности 6 ствола 2 до его выходного отверстия 4.
Такое исполнение пневматического клапана 8 обеспечивает возможность перекрытия поступления сжатого газа из резервуара 1 в ствол 2 на заключительном этапе разгона снаряда 7 в стволе 2. В этом случае разгон прекращается досрочно еще до вылета снаряда 7 из ствола 2, а сохраненная в резервуаре 1 часть сжатого газа может использоваться для следующего пуска. В варианте преимущественного использования изобретения предусмотрена возможность регулирования длительности открытого положения клапана 8 с помощью задания электрического сигнала требуемой длительности, в том числе с возможностью его закрытия до момента вылета мяча 7 из ствола 2, и тем самым осуществлять регулирование скорости мяча 7 без дополнительного сокращения проходного сечения канала: резервуар 1 - клапан 8 - ствол 2.
В качестве быстродействующего клапана 8 может быть использован стандартный быстродействующий клапан. В преимущественном варианте применен стандартный быстродействующий пневматический клапан компании SMC Corporation (Япония) серии VXF, схематически изображенный на Фиг. 3а и Фиг. 3б. Данный клапан 8 выполнен в общей сборке с управляющим пневмоэлектроклапаном 13 с возможностью регулирования длительности открытого положения клапана 8.
В преимущественном варианте устройство снабжено одним компьютером 14, осуществляющим управление быстродействующим клапаном 8 через пневмоэлектроклапан 13, а также другими средствами, описанными ниже.
Клапан 8 содержит подвижный запорный орган 15, соединенный с гибкой диафрагмой 16, с возможностью перемещения из одного устойчивого положения в другое.
В первом устойчивом положении (в нормальном состоянии клапана) запорный орган 15 под воздействием пружины 17 герметично примыкает к первому седлу 18 (см. Фиг. 3а), во втором устойчивом положении герметично примыкает ко второму седлу 19 (см. Фиг. 3б). Диафрагма 16 с малым отверстием 20 отделяет клапанную полость 21 от пилотной камеры 22, которая через выхлопной канал 23 может быть соединена с атмосферой под управлением пневмоэлектроклапана 13. В нормальном состоянии при отсутствии электрического сигнала от компьютера 14 на катушке 24 золотник 25 герметично примыкает к седлу 26 и перекрывает коммуникацию между пилотной камерой 22 и атмосферой через канал 23 (Фиг. 3а). При подаче электрического сигнала с компьютера 14 на катушку 24 золотник 25 перемещается во второе устойчивое положение (см. фиг 3б) и открывает соединение пилотной камеры 22 с атмосферой по открытому выхлопному каналу 23, что приводит к перемещению запорного органа 15 во второе устойчивое положение (см. фиг 3б), при котором резервуар 1 соединен со стволом 2. Перемещение золотника 25, приводящее также к открытию быстродействующего клапана 8, можно обеспечить также с помощью нажатия на кнопку ручного дублирования 27. Возможно иное выполнение клапана. Управление быстродействующим клапаном 8 через пневмоэлектроклапан 13 компьютером 14 осуществляют по известным алгоритмам.
Резервуар 1 герметично соединен с источником 29 сжатого газа гибким пневмопроводом 28 с запорно-регулирующей арматурой, например запорным вентилем 30 и редукционным клапаном 31, выполненным с возможностью регулирования давления в резервуаре. В предлагаемом устройстве может быть использована стандартная пневмоарматура.
В частности, может быть использован стандартный редукционный клапан 31, выполненный с возможностью ручной и автоматической регулировки давления в резервуаре 1.
Путем изменения давления в резервуаре 1 обеспечивается возможность регулирования скорости полета мяча. Для достижения требуемой скорости полета мяча редукционный клапан 31 может быть снабжен шкалой (не показана), проградуированной в масштабах скорости мяча 7 на выходе из ствола 2.
Возможно также введение значения заданной скорости полета мяча в компьютер 14. В последнем случае компьютер 14 на основе известной зависимости вычисляет требуемое значение давления в резервуаре 1 и выдает сигнал на регулировку редукционного клапана 31.
В одном из вариантов реализации устройства источник 29 сжатого газа выполнен в виде стандартного баллона (не показаны) со сжатым до высокого давления газом или сжиженной углекислотой. Баллон соединяют с резервуаром 1 через редукционный клапан 31.
При этом используют баллон такого объема и рабочего давления, при которых обеспечивается требуемое количество пусков снаряда 7 с заданной скоростью без перезарядки баллона, и вес устройства, удобный для переноски его оператором. Подбор баллона осуществляют по известным методикам.
В преимущественном исполнении данного варианта устройство снабжено рюкзаком (не показан) для указанного баллона, выполненным с возможностью надевания на оператора устройства. Устройство имеет вес 6 килограммов без учета массы баллона, что обеспечивает мобильное перемещение оператора с устройством. Использование легкого кевларового баллона в заплечном рюкзаке не приводит к существенному снижению мобильности.
В другом варианте реализации изобретения в качестве источника сжатого газа 29 может быть использован удаленный компрессор или удаленная промышленная магистраль сжатого газа (не показаны), которые соединяют с устройством протяженным стандартным гибким пневмопроводом 28. В этом варианте может быть использован известный гибкий пневмопровод 28 наружным диаметром 8-10 мм длиной до 100 метров, что позволяет пользоваться источниками 29 сжатого газа, расположенными за пределами футбольного поля, например, в подтрибунном помещении. Такая схема питания сжатым газом позволяет обеспечивать неограниченное количество пусков без перезарядки.
В преимущественном варианте реализации изобретения устройство снабжено средством 32 (Фиг. 2) для подачи снаряда 7 к опорной поверхности 6 в стволе 2, схематически показанным на Фиг. 2. Указанное средство 32 основано на создании пониженного давления в полости 44, образованной полостью 12 и полостью канала, образованного отверстием 33 входной втулки 34 ствола 2 и отверстием 35 выходной втулки 36 закрытого клапана 8, схематически изображено на Фиг. 2.
Указанное средство 32 содержит первый датчик 37 мяча 7, размещенный в стволе 2 у его выходного отверстия 4, и второй датчик 38 мяча 7 в стволе 2, размещенный в области вершины опорной поверхности 6 для размещения снаряда 7 в стартовом положении.
В качестве таких датчиков 37 и 38 могут быть использованы, например, стандартные светодиодные оптоволоконные пары, которые подают сигналы при пересечении мячом их оптических осей 39 и 40 на компьютер 14.
Кроме того, средство 32 содержит вакуумный эжектор 41, например известный стандартный эжектор, описанный в каталоге SMC Corporation, 2011 год, на с. 8-9, изделие с артикулом ZH10B. Эжектор 41 содержит всасывающий вход 42, соединенный пневмопроводом 43 с первым пневмоэлектроклапаном 45, эжектирующий вход 47, соединенный пневмопроводом 48 со вторым пневмоэлектроклапаном 46.
Первый пневмоэлектроклапан 45 коммутирует соединение полости 44 с всасывающим входом 42 эжектора 41 путем открытия/закрытия пневмопровода 43, а второй пневмоэлектроклапан 46 коммутирует открытия/закрытия эжектирующего входа 47, соединенного пневмопроводом 48 с резервуаром 1. Компьютер 14, получая сигналы от датчиков 37 и 38, управляет соленоидами 49 и 50 первого 45 и второго 46 клапанов, соответственно, с возможностью окрытия клапанов 45 и 46 с созданием разрежения в полости 44 при регистрации снаряда 7 первым датчиком 37 и закрытия указанных клапанов 45, 46 при регистрации снаряда 7 вторым датчиком 38. Объем полости 44 при размещении мяча 7 в стартовом положении, как показано на Фиг. 2, образует так называемый паразитный объем в формуле (1), который при завершении подачи и фиксации мяча 7 минимален.
Также в преимущественном варианте реализации устройство снабжено указателем цели 52 (Фиг. 4) для запуска снаряда 7, содержащим датчик 53 показания горизонтального положения устройства вдоль оси, перпендикулярной оси ствола 2, датчик 54 угла оси ствола 2 по отношению к горизонту, датчик 55 высоты устройства от рабочей поверхности, датчик давления 56 сжатого газа в резервуаре 1, соединенное с ними средство управления указанными датчиками 51, цифровую фотокамеру 57, жестко соединенную со стволом 2 и снабженную дисплеем 58, средством фокусировки на выбранную цель (не показано) и измерителем дальности до указанной цели (не показано).
В качестве датчиков 53-56 могут быть использованы стандартные известные датчики для измерения угла по отношению к горизонту, расстояния и давления.
В качестве фотокамеры 57 могут быть использованы известные фотокамеры, обладающие функцией выделения заданного фрагмента изображения (мишени) на экране и функцией определения дальности до него, с возможностью передавать и принимать сигнал от компьютера и выдавать на дисплее отметку, изображающую конечную точку полета снаряда 7. Указатель цели 52 позволяет осуществлять точное и однозначное вычисление траектории полета снаряда 7 на основе данных от объединенных средством управления датчиков: вышеуказанных датчиков 53-56, сигнала дальности до мишени от цифровой камеры 57. Вычисление траектории производится каждый раз автоматически в процессе наведения оператором ствола 2 на цель, фокусировки и отражения на дисплее 58 отметки 60, соответствующей прогнозируемой точке прилета в цель снаряда 7 (до вычисления поправки на баллистический характер полета).
В примере наилучшего использования в указанных средствах 32 для подачи снаряда 7 и в указателе цели 52 в качестве средства управления использован компьютер 14, выполненный с возможностью управления соленоидами 49 и 50 клапанов 45 и 46 средства 32 для подачи снаряда 7 и датчиками 53-56 указателя 52 цели.
Компьютер расположен внутри корпуса устройства (не показан) и выполнен в виде устройства, совместимого с датчиками 53-56 и фотокамерой 57. В компьютер записана программа управления вышеупомянутыми датчиками 53-56 и фотокамерой 57 и программа вычисления траектории полета мяча. Указанные программы могут быть построены на известных алгоритмах.
В компьютере 14 также может быть запрограммирован известный алгоритм, позволяющий вычислять время досрочного закрытия быстродействующего клапана, при котором обеспечивается требуемая скорость мяча. Например, может быть использован известный алгоритм, описанный статье: В.В. Григорьев и др. «Газодинамическое исследование пневматического линемета», Журнал технической физики, 2006, т. 76, вып. 3, с. 75-80.
Также в преимущественном варианте реализации, показанном на фиг. 1, устройство снабжено прикладом 61, выполненным в виде штока 62, один конец 63 которого соединен с резервуаром 1, а другой конец 64 снабжен упорной поверхностью 65 для тела оператора (не показано), соединенной со штоком 62 через демпфер 66 отдачи и демпфирующую подушку 67.
Кроме того, в преимущественном варианте реализации устройство снабжено звукогенерирующим устройством (не показано), синхронизированным спусковым триггером 27. Может быть использовано любое известное портативное звукогенерирующее устройство.
В соответствии с описанным выше вариантом реализации устройства был изготовлен образец со следующим параметрами: масса 6,8 кг, максимальный габарит 560 мм и диаметр ствола 218 мм, скорость запуска мячей до 50 м/сек.
На Фиг. 5 представлена экспериментальная кривая скорости мяча 7 на выходе из ствола 2 в зависимости от давления газа в резервуаре 1 для указанного образца.
Из кривой на Фиг. 5 видно, что представленный портативный образец позволяет запускать мячи со скоростями до 50 м/сек.
Также по характеру кривой (Фиг. 5) видно, что существует однозначная связь между давлением в резервуаре 1 и скоростью мяча 7 на выходе из ствола 2, что подтверждает возможность градуирования редукционного клапана 31 в терминах скорости.
Устройство работает следующим образом. В первом варианте исполнения устройства, где в качестве источника сжатого газа 29 использован баллон со сжатым газом или сжиженной углекислотой в заплечном рюкзаке (не показаны) оператор надевает удерживающий ремень (не показан) устройства и ранец с баллоном (не показан), так что оператор относительно комфортно может перемещаться с зафиксированным на туловище (не показано) устройством с помощью ремня и упертую в туловище упорную поверхность 65 демпфирующей подушки 67 приклада 61.
Во втором варианте, когда в качестве источника сжатого газа использован удаленный источник, например компрессор или удаленная промышленная магистраль сжатого газа, при перемещении нужно учитывать наличие гибкого пневмопровода 28, соединяющего устройство с удаленным источником.
Затем оператор по проградуированной в терминах скорости шкале редукционного клапана 31 вручную настраивает его на обеспечение требуемой скорости полета мяча 7 или задает на дисплее 58 требуемую скорость полета мяча 7. В последнем случае компьютер 14 по введенному оператором значению скорости с помощью запрограммированной в него зависимости (аналогичной представленной на Фиг. 5), вычисляет значение давления и выдает сигнал на регулировку редукционного клапана 31. Таким образом, обеспечивается заданное значение давления в резервуаре 1, необходимое для достижения заданной скорости.
Перед началом серии пусков оператор открывает запорный вентиль 30 источника сжатого газа 29. При этом сжатый до заданного давления с помощью регулируемого редукционного клапана 31 газ, уровень которого контролируется с помощью датчика 56, заполняет резервуар 1 и поступает в клапанную полость 21. Через отверстие 20 в диафрагме 16 газ заполняет пилотную камеру 22. Запорный орган 15 в допусковом положении герметично прижат к первому седлу 18 клапана 13 силой давления в пилотной камере 22 и усилием сжатой пружины 17. Быстродействующий клапан 8 является нормально закрытым и не пропускает сжатый газ в ствол 2.
Затем оператор рукой помещает мяч 7 в ствол 2 со стороны выходного отверстия 4 ствола 2. При этом происходит перекрытие светодиодной оси 39 первого датчика 37, что приводит к выдаче сигнала через компьютер 14 на запитывание соленоидов 49 и 50, а следовательно, на синхронное открытие пневмоэлектроклапанов 45 и 46. Сжатый газ из резервуара 1 поступает по пневмопроводу 48 и открытому порту клапана 46 на эжектирующий вход 47 эжектора 41, который инициирует отсос газа в полости 44 по каналу: пневмопровод 43, открытый порт пневмоэлектроклапана 45, всасывающий вход 42 эжектора 41. Возникшее разрежение обеспечивает перемещение мяча 7 внутри ствола 2 до конечного положения (см. Фиг. 2), характеризуемого соприкосновением полусферических поверхностей: опорной поверхности 6 заднего участка 5 ствола 2 и поверхности мяча 7. При соприкосновении мяча 7 с опорной поверхностью 6 второй датчик 38 (датчик конечного положения) выдает сигнал через компьютер 14 на соленоиды 49 и 50 для закрытия пневмоэлектроклапанов 45 и 46, что приводит к герметизации полости 44 по каналу 43 и к остановке работы эжектора 41. Благодаря упругим свойствам поверхности мяча 7 и большой площади полусферической поверхности соприкосновения с опорной поверхностью 6 мяч 7 находится в стартовом положении весьма устойчиво. Если по каким-либо причинам требуемое разрежение нарушается, мяч 7 сместится вдоль ствола 2 и произойдет повторное срабатывание датчика 38 конечного положения, которое приведет к включению через компьютер 14 эжектора 42 с синхронным срабатыванием клапанов 45, 46 до возвращения мяча 7 в стартовое положение.
Компьютер 14 контролирует процесс наполнения резервуара 1, сравнивая показания датчика давления 56 с заданным значением, а также процесс подачи и фиксации мяча 7 в стартовом положении на основании сигналов от датчиков 37 и 38, после чего выдает сигнал готовности на включение средства прицеливания 52. Оператор с помощью изображения 69, на дисплее 58, полученного от камеры 57, направленной вдоль оси ствола 2, позиционирует устройство на предполагаемую цель (не показана), которая отражается в виде отметки 60 выделенного фрагмента изображения 69.
Во время тренировки оператор при каждом пуске определяет цель. Это может быть, например, вратарь или полевой игрок или выбранный участок ворот. При этом компьютер 14 получает сигналы от датчиков 53-56. В случае отклонения устройства от горизонтального положения вдоль оси, перпендикулярной оси ствола 2, зафиксированного с помощью датчика 53, срабатывает звуковой сигнал с индикацией соответствующей надписи на дисплее 58. Оператор меняет положение устройства до устранения отклонения до приемлемого горизонтального уровня, что сопровождается прекращением звуковой сигнализации и соответствующей надписи на дисплее 58, затем фиксирует это положение в течение времени обработки вышеупомянутых сигналов компьютером 14. При позиционировании и фиксации устройства в определенное положение изображение цели 69, полученное с помощью камеры 58 и преобразованное в компьютере 14, отображается на дисплее 58 с выделением фрагмента цели 60, до которого определяется дальность.
Компьютер 14 ведет обработку следующих данных: угол вылета мяча 2 (угол оси ствола по отношению к горизонту) от датчика 54, высота стартового положения мяча от датчика 55, дальность до мишени от камеры 57 и начальная скорость полета мяча, на основе которых по заданному алгоритму вычисляет траекторию полета и положение мяча 7 в конечной точке полета. По специальному алгоритму вычисляется баллистическая поправка, отражающая отклонение реального положения мяча от предсказанного положения, зафиксированного при последнем позиционировании отметкой 60. На дисплее 58 отображается отметка 68 конечной точки, рассчитанной на основе вышеупомянутой поправки, которая не совпадает с ранее выделенным фрагментом 60.
В предпочтительном варианте в компьютер 14 записана программа расчета траектории полета мяча, составленная автором на основе известного алгоритма, описанного в работе (John Eric Goff, Matt J. Carre. "Trajectory analysis of a soccer ball", American Journal of Physics. Vol. 77, #11, p. 1020-1026, 2009), которая позволяет вычислять поправку и выставлять отметку конечной точки 68 на дисплее 58.
Если отметка 68 не удовлетворяет оператора в качестве конечной точки полета мяча 7, он плавно перенацеливает устройство и фиксирует его в новом положении до окончания нового расчета вплоть до тех пор, пока положение отметки 68 на дисплее не будет соответствовать требованиям оператора.
В устройстве также предусмотрена возможность регулирования скорости полета мяча 7 путем регулирования длительности открытого положения быстродействующего клапана 8. В частности, путем закрытия быстродействующего клапана 8 по команде компьютера 14 в заданный момент времени еще до момента вылета снаряда 7 из ствола 2 обеспечивается досрочное прерывание процесса разгона мяча 7.
В компьютере 14 может быть запрограммирован известный алгоритм, позволяющий вычислять время досрочного закрытия быстродействующего клапана, при котором обеспечивается требуемая скорость мяча. Например, может быть использован известный алгоритм, описанный статье: В.В. Григорьев и др. «Газодинамическое исследование пневматического линемета», Журнал технической физики, 2006, т. 76, вып. 3, с. 75-80.
После завершения настройки устройства оператор нажимает на спусковой триггер 27 или нажимает на кнопку (не показана), замыкающую электрическую цепь управляющего пневмоэлектроклапана 13, что приводит к перемещению золотника 25 соленоида 24 во второе устойчивое положение и к открытию основного клапана 8. Сжатый газ из резервуара 1 через проходное сечение основного клапана 8 устремляется в ствол 7 для разгона мяча 2.
При запуске снаряда 7 звукогенерирующее устройство выдает звук, имитирующий звук при реальном ударе ноги футболиста по мячу в момент открытия клапана 8. После вылета снаряда 7 из ствола 2 клапан 8 автоматически возвращается в нормально закрытое состояние. Автоматически сразу после возвращения клапана 8 в нормально закрытое состояние (см. Фиг. 3а) происходит повторное наполнение резервуара 1 сжатым газом. Устройство готово к зарядке его новым мячом 7 с последующим наведением на очередную мишень из новой точки поля, в которую перешел оператор вместе с устройством.