УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА ОСНОВЕ АКУСТИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ
DEVICE TO DEFINE BALLISTIC PARAMETRES BUILT AROUND ACOUSTIC TRANSDUCERS

Изобретение относится к информационно-измерительным системам на основе акустических мишеней для определения внешнебаллистических параметров (координат точек попадания и скорости при подлете к плоскости (зоне) регистрации) при экспериментальном определении характеристик оружия и боеприпасов.
Известен способ, реализованный в акустической мишени с точечными пьезокерамическими датчиками давления для определения координат, которая содержит точечные акустические (пьезокерамические) датчики давления, расположенные в тире по разные стороны от снопа траекторий в одной или нескольких плоскостях, одна из которых, как правило, совпадает с плоскостью регистрации (мишени) [Способ определения внешнебаллистических характеристик полета пуль и снарядов. Патент №2231738 от 27.06.2004 по заявке №2002119913, кл. F41J 5/06, 22.07.2002. ВНИИГПЭ / Веркиенко Ю.В, Казаков B.C., Казаков С.В., Коробейников В.В. (прототип)]. Акустические мишени с точечными датчиками давления имеют большое поле регистрации, акустические датчики могут быть удалены от снопа траектории на большое расстояние и вероятность их поражения мала. Акустические мишень имеет малую мощность потребления энергии для питания датчиков. Однако конструкция мишени такова, что обусловленность системы уравнений (математическая модель), используемая для определения точки попадания, вплоть до вырождаемости этой системы зависит от координат точки попадания в зоне регистрации.
Задача изобретения заключается в устранении недостатков известного способа и устройства путем выбора количества и расположения акустических датчиков для повышения обусловленности и исключения вырождаемости системы уравнений при определении координат точки попадания в зоне регистрации (мнимую мишень).
Технический результат - устройство определения внешнебаллистических параметров пуль (координат точки попадания и скорости подлета к плоскости регистрации), исключающее плохую обусловленность и вырождаемость используемой при этом системы уравнений.
На фиг.1 изображена схема устройства; на фиг.2 - схема расположения четырех акустических датчиков в существующих устройствах для определения координат; на фиг.3 - схема несимметричного расположения шести акустических датчиков; на фиг.4 - варианты установки рамы с акустическими датчиками в тире.
1
2
Устройство содержит (фиг.1) акустические датчики (не менее шести), расположенные в одной плоскости по одинаковому количеству с разных сторон относительно снопа траекторий (слева и справа или сверху и снизу), коаксиальные линии связи 1, блок согласующих и пороговых устройств 2, вычислитель (компьютер) 3, монитор с клавиатурой 4 для отображения результатов и задания режимов работы, контрольную рамку 5 с бумажной мишенью для идентификации мишени (модели) определения координат и контрольных испытаний для оценки погрешности определения координат. Датчики установлены на жесткой раме из трубы прямоугольного сечения 6. За рамой на время идентификации мишени и контрольных испытаний устанавливается контрольная рамка 5. Датчики установлены на раме со смещением в противоположные направления (слева на фиг.4, a вниз, а справа - вверх) на половину шага (расстояния между соседними датчиками, например, Д и Д) относительно центра мишени на контрольной рамке. Каждый акустический датчик ориентирован на центр мишени. Кроме того, датчики повернуты в сторону позиции стрельбы на угол конуса Маха , где а - скорость звука, ν - скорость пули (берется для пули со средней скоростью).
Жесткая конструкция и единая рама для установки акустических датчиков обеспечивают высокую точность задания их положения в пространстве (в системе координат тира). Ориентация датчиков обеспечивает набегание баллистической волны на чувствительную площадку пьезокерамики датчика под углом, близким к нулевому. В результате длительность электрического сигнала (крутизна его переднего фронта) с выхода датчика минимальна. Соответственно минимальна погрешность измерения момента времени встречи баллистической волны с датчиком.
Математическая сущность способа заключается в следующем. Предварительно для пояснения недостатков существующего способа и устройства для определения координат точки попаданий рассмотрим схему расположения четырех акустических датчиков в плоскости регистрации (мишени, фиг.2). Полагая траекторию нормальной к плоскости регистрации, а скорость постоянной, имеем систему уравнений
i
i
0
где у, z - координаты точки попадания, y, z - координаты i-го датчика, а - скорость звука, ν - скорость пули, t - начало отсчета времени.
Скорость звука определяется по формуле [Ермолаев С.И., Комаров Л.Б., Чурбанов Е.В. Внешняя баллистика. - Л.: Типогр. ВМАКВ им. А.Н.Крылова, 1958. - 715 с.]
2
2
3
где g=9,8065 м/с - ускорение силы тяжести; k=1,4 - показатель адиабаты; р - атмосферное давление [кг/м]; П - плотность воздуха [кг/м].
0
1
2
3
4
0
В системе (1) четыре неизвестных у, z, ν, t и для их определения формально надо четыре уравнения (i=1, …, 4). Однако оси симметрии любой пары датчиков (обозначены на фиг.2) являются особыми прямыми, на которых уравнения этой пары датчиков являются следствием друг друга. Например, ось Y является особой прямой для Д, Д и для Д и Д. В результате вместо четырех уравнений имеем два уравнения, к которым можно добавить уравнение z=0. В точке у=0, z=0 все особые прямые пересекаются и имеют одно уравнение, к которому можно добавить у=0, z=0. Поэтому четырех датчиков недостаточно и используют дополнительный датчик Д, устанавливаемый перед плоскостью регистрации на расстоянии 4-6 м.
0
0
0
i
В реальных условиях необходимо было бы проводить анализ вырождаемости уравнений и использования дополнительных уравнений у=0 или z=0 (или одновременно). В связи с погрешностями измерения вырождения системы не будет наблюдаться, однако, вблизи особых прямых обусловленность системы может быть очень плохой, что приведет к большим погрешностям вычисления координат. По этой причине на практике дополнительно используют вторичные регрессионные модели, позволяющие скорректировать результаты вычислений координат по первичной (нулевой) модели (1) с учетом Д. Коэффициенты регрессии вторичной модели определяют по результатам опытных выстрелов, для которых наряду с временами срабатывания датчиков измеряют координаты попадания в бумажную мишень, устанавливаемую в плоскости регистрации на время этих опытных выстрелов. Заметим дополнительно, что в случае изменения положения позиции вынос Д в ее сторону относительно плоскости расположения остальных датчиков приводит к большому параллаксу, т.е. изменению времени t относительно остальных t, т.е. к дополнительной погрешности вычисления координат.
1
2
3
4
5
6
На основании данного анализа можно сделать следующие выводы. Для того чтобы система уравнений не вырождалась и ее обусловленность была выше, необходимо: во-первых, увеличить количество датчиков как минимум до шести; во-вторых, для повышения точности установки датчиков в пространстве (в тире) следует расположить все датчики в одной плоскости (в плоскости регистрации) на монолитной конструкции; в-третьих, следует располагать датчики несимметрично, чтобы особые линии пар датчиков не совпадали и чтобы по возможности особые линии не пересекались в зоне регистрации. Пример такого расположения иллюстрирует фиг.3. Благодаря расположению датчиков Д, Д, Д и Д, Д, Д на наклонных прямых (линейках - уголках или швеллерах) вертикальные особые прямые 1-6, 2-5 и 3-4 не пересекаются. Аналогично не пересекаются особые прямые 1-2, 1-3, 2-3 и прямые 5-6, 4-6 и 4-5.
Устройство определения внешнебаллистических параметров работает следующим образом.
В режиме идентификации непосредственно за плоскостью датчиков устанавливают контрольную рамку 5 с закрепленной на ней точно по рискам координатных осей миллиметровой бумаги. После выстрела фронт звуковой волны последовательно в порядке, зависящем от координат точки попадания и координат расположения датчиков, пересекает акустические датчики и на их выходах образуются электрические сигналы, которые по коаксиальным линиям связи 1 поступают на вход блока согласующих и пороговых устройств 2. С выхода блока 2 сигналы поступают на шину прерывания вычислителя 3. По сигналам прерывания фиксируется состояние таймера вычислителя (компьютера), а коды времени и датчиков, которым соответствуют коды времени, записываются в память компьютера. После каждого выстрела в заданную точку контрольной рамки 5 во избежание перепутывания пробоину отмечают, а после выполнения серии выстрелов в разные точки мишени (например, по углам и центру) контрольную рамку снимают, по миллиметровой бумаге считывают координаты пробоин и заносят их в вычислитель. Затем по методу наименьших квадратов по условным уравнениям (1) определяют расчетные значения координат, а также разности между расчетными и определенными по миллиметровой бумаге опытными значениями координат точек попадания. По методу наименьших квадратов определяют коэффициенты вторичных (регрессионных, например, полиномиальных) моделей поправок к расчетным значениям. При этом вычисляют для контроля суммы квадратов невязок и невязки для каждого выстрела. Выстрелы с большими невязками бракуют и производят либо дострел, либо бракованные точки просто исключают и повторяют определение коэффициентов вторичных моделей.
В режиме функционирования (рабочий режим) аппаратура работает аналогично режиму идентификации. После выстрела и записи в память вычислителя моментов времени пересечения фронтом звуковой волны датчиков вычисляют внешнебаллистические параметры по уравнениям (1), а затем уточняют их по регрессионным вторичным моделям, определенным при идентификации.
Устройство обеспечивает определение координат и скорости подлета пули к плоскости регистрации.