Взрыватель корректирующий для вращающегося снаряда и способ его применения
CORRECTING FUSE FOR ROTATING PROJECTILE AND METHOD OF APPLICATION THEREOF

Группа изобретений, устройство и способ его применения, объединенных единым замыслом, относится к области военной техники, в частности к вращающимся в полете артиллерийским снарядам.
В электрических взрывателях артиллерийских снарядов обычно используются постоянные источники электрического питания, например, тепловые или ампульные батареи. Наличие постоянных источников электрического питания во взрывателях существенно ухудшает безопасность людей ввиду возможности случайного взведения взрывателя при его транспортировке, хранении, комплектации выстрела, заряжании и разряжании орудия.
Известны устройства электроснабжения электрических взрывателей, в которых для выработки электроэнергии используется энергия, образующаяся при выстреле, что не требует наличия постоянного источника электропитания и повышает безопасность при проведении работ со снарядом.
Уровень техники в данной области характеризует импульсный магнитоэлектрический генератор (патент RU №2122177), в котором внутри кольцевого магнита с продольной намагниченностью расположена катушка индуктивности. Магнит с катушкой перекрыты ферромагнитным якорем. При выстреле артиллерийский управляемый снаряд движется по каналу ствола с ускорением, которое задает ему метательный заряд. Величина ускорения определяется условиями эксплуатации и применяемым метательным зарядом. При этом инерционная масса якоря, преодолевая усилие удержания якоря магнитом и разрушая мембрану, перемещается относительно магнита, что приводит к генерированию в катушке импульсной ЭДС.
Недостатками известного магнитоэлектрического генератора являются низкая эффективность при выработке короткого во времени импульса напряжения, а также возможность разрушения устройства при больших значениях сил инерции. Кроме того, вследствие ограниченного объема вырабатываемой электроэнергии, существенно ограничиваются возможности использования во взрывателе эффективных электронных систем, повышающих боевые возможности применения снаряда.
Наиболее близким к заявляемой конструкции взрывателя является устройство для выработки электрической энергии в артиллерийском снаряде по патенту RU №2679768. Устройство содержит катушку индуктивности и кольцевой постоянный магнит, способный под действием сил инерции перемещаться относительно катушки индуктивности вдоль оси снаряда, и кроме того, содержит основание с направляющим стержнем из бронзы, чашку сердечника броневого типа из феррита, в которой размещена катушка индуктивности, связанную с основанием направляющего стержня, ферромагнитную шайбу, закрепленную на торце направляющего стержня, и кольцевой постоянный магнит с радиальной намагниченность, связанный силами взаимного притяжения с ферромагнитной шайбой, при этом магнит удален вдоль направляющего стержня на некоторое расстояние от чашки сердечника и имеет возможность под действием сил инерции преодолеть силы притяжения к ферромагнитной шайбе и перемещаться к чашке сердечника вдоль направляющего стержня. При этом в сердечнике возникает магнитное поле с быстро возрастающей амплитудой, а на катушке возникает соответствующее напряжение. Оси симметрии деталей устройства совпадают с продольной осью снаряда.
Общими признаками с заявляемым взрывателем является наличие постоянного магнита и катушки индуктивности, способных перемещаться относительно друг друга при движении снаряда.
Недостатком данного устройства является то, что выработка электроэнергии осуществляется за счет использования перегрузок, возникающих только в момент выстрела или в момент встречи снаряда с препятствием. На остальной траектории полета снаряда выработка электроэнергии не происходит. Вследствие ограниченного объема вырабатываемой электроэнергии, существенно ограничиваются возможности использования во взрывателе эффективных электронных систем, повышающих боевые возможности применения снаряда.
Кроме того, конструкция данного взрывателя не предусматривает возможность его использования для воздействия на траекторию полета снаряда с целью повышения точности поражения цели.
Известно, что неуправляемые артиллерийские снаряды, полет которых до цели осуществляется по баллистической траектории без компенсации отклонений от требуемой для поражения цели траектории, обладают низкой точностью стрельбы, что увеличивает расход боеприпасов и время выполнения боевой задачи.
Известны технические решения, направленные на повышении боевой эффективности применения боеприпасов.
Уровень техники в данной области характеризует управляемый реактивный снаряд (патент RU №2164657). Управляемый реактивный снаряд включает управляющий и разгонный блоки, и отличается тем, что управляющий блок выполнен в виде двух модулей: носового с головкой самонаведения и органами управления реактивным снарядом, и хвостового, жестко закрепленного посадочным гнездом на головной части разгонного блока, при этом между собой указанные модули соединены посредством цилиндрического шарнира с осью вращения, совпадающей с продольной осью разгонного блока. Результатом предлагаемого изобретения должно стать расширение возможностей боевого применения баллистических снарядов за счет создания управляемых реактивных снарядов на базе существующих неуправляемых реактивных снарядов, реализующих полет к цели по баллистической траектории со стабилизирующим проворотом по крену. При этом, обеспечение стабилизации носового модуля управляющего блока позволяет использовать традиционные алгоритмы управления антенным устройством ГСН и, соответственно, допускает применение ранее созданных головных частей ракет, снарядов и бомб с системами самонаведения практически без изменения их программно-математического обеспечения.
Недостатком данного технического решения является то, что его можно реализовать только во вновь разрабатываемых конструкциях реактивных снарядов, но нельзя использовать для модернизации и повышения боевой эффективности существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.
Наиболее близким к заявляемому способу является описанный в патенте RU №2502937 способ управления реактивным снарядом. Способ заключается в том, что старт или полет снаряда осуществляют со стабилизацией по крену его головного отсека, соединенного с остальными отсеками снаряда через цилиндрический шарнир, и отличается тем, что стабилизацию головного отсека снаряда по крену осуществляют электрическим моментным двигателем; управляющее воздействие на электрический моментный двигатель формируют блоком управления креном по командам от блока управления полетом на основе информации от блока системы навигации и ориентации об угле поворота по крену (относительно неподвижной системы координат) управляющего модуля. Управляющее воздействие на реактивный снаряд формируют одной парой аэродинамических рулей, неподвижно закрепленных на внешней поверхности управляющего модуля под фиксированным углом к продольной оси управляющего модуля. Управление реактивным снарядом на траектории осуществляют путем изменения направления вектора подъемной силы рулей за счет поворота по крену управляющего модуля на углы, вычисляемые блоком управления полетом. Технической задачей, решаемой в изобретении, является упрощение алгоритмов функционирования системы управления реактивным снарядом и повышение его боевой эффективности.
Недостатком известного способа является то, что данный способ управления можно использовать только во вновь разрабатываемых конструкциях артиллерийских боеприпасов, в которых головной отсек соединен с остальными отсеками снаряда через цилиндрический шарнир, но нельзя применить для усовершенствования и повышения боевой эффективности существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.
Недостатком способа также является то, что для обеспечения электрическим питанием электронных блоков и электрического моментного двигателя необходимо наличие на борту готового к использованию источника тока, что приводит к снижению безопасности при использовании снаряда. В то же время, электрический моментный двигатель используется только для стабилизации головного отсека снаряда по крену, а энергия, образующаяся при выстреле, не используется для решения задач электроснабжения систем снаряда.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является создание взрывателя для вращающегося артиллерийского снаряда, позволяющего повысить точность поражения снарядом цели, улучшить энергообеспечение электрооборудования взрывателя, повысить безопасность служебного обращения со снарядом, а также обеспечить возможности модернизации существующих неуправляемых артиллерийских снарядов.
Задача решается за счет того, что взрыватель корректирующий (ВК), содержащий детонатор, электронные модули системы управления, трехосевой преобразователь магнитной индукции и линейного ускорения (ТОП), спиральную антенну ГНСС, ионистор, и антенну неконтактного ввода установок, а также устройство для выработки электрической энергии, отличается тем, что ВК состоит из двух частей - вращающейся части (ВЧ), имеющей возможность неподвижного закрепления на корпусе снаряда, и стабилизированной части (СЧ), установленной на ВЧ с возможностью свободного вращения относительно нее вокруг общей оси, а в качестве устройства для выработки электрической энергии используется вентильный электрогенератор (ЭГВ), причем ротор и статор ЭГВ расположены коаксиально, а ротор охватывает статор, а цилиндрический статор ЭГВ с электрическими обмотками жестко закреплен в корпусе ВЧ, а цилиндрический ротор ЭГВ в виде нескольких постоянных магнитов жестко закреплен в корпусе СЧ, а на наружной поверхности корпуса СЧ содержит две пары жестко закрепленных аэродинамических поверхностей (АП), причем АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы одна пара АП могла создавать аэродинамическую подъемную силу, а вторая пара АП могла создавать тормозящий аэродинамический момент, или же обе пары АП установлены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы каждая из АП могла создавать как аэродинамическую подъемную силу, так и тормозящий аэродинамический момент.
Задача решается за счет того, что способ применения взрывателя, заключается в установке корректирующего взрывателя (ВК) в гнезде установки взрывателя снаряда вместо штатного головного взрывателя, отличающийся тем, что в гнезде установки неподвижно закрепляется вращающаяся часть (ВЧ) взрывателя, а на ВЧ установлена стабилизированная часть (СЧ) взрывателя, которая может свободно вращаться относительно ВЧ вокруг общей оси, причем на наружной поверхности корпуса СЧ взрывателя имеются две пары АП, жестко закрепленных на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы одна пара АП могла создавать аэродинамическую подъемную силу, а вторая пара АП могла создавать тормозящий аэродинамический момент, или же обе пары АП жестко закреплены на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы каждая из АП могла создавать как аэродинамическую подъемную силу, так и тормозящий аэродинамический момент, а ВК также содержит вентильный электрогенератор (ЭГВ), причем ротор и статор ЭГВ расположены коаксиально, а ротор охватывает статор, а цилиндрический статор ЭГВ с электрическими обмотками жестко закреплен в корпусе ВЧ, а цилиндрический ротор ЭГВ в виде нескольких постоянных магнитов жестко закреплен в корпусе СЧ, а вращение корпуса снаряда, возникающее после выстрела, передается на статор ЭГВ, а для обеспечения выработки электроэнергии поддерживается разность угловых скоростей вращения статора и ротора ЭГВ, для чего используется тормозящий аэродинамический момент, создаваемый АП и воздействующий на ротор ЭГВ, а для корректировки траектории полета снаряда по команде системы управления взрывателя изменяется величина силы тока в обмотках статора ЭГВ, вследствие чего изменяется электромагнитный момент, воздействующий на ротор ЭГВ, и происходит поворот СЧ вокруг продольной оси снаряда, а при этом изменяются, относительно связанной с Землей системы координат, величина и направление вектора суммарной подъемной силы, создаваемой АП.
Содержание заявленного изобретения иллюстрируется ниже приведенными фигурами:
фиг. 1 - принципиальное устройство взрывателя;
фиг. 2 и 3 - схемы действия аэродинамических сил;
фиг. 4 - схема корректировки траектории полета снаряда;
фиг. 5 - схема применения снаряда с корректирующим взрывателем.
Взрыватель корректирующий (фиг. 1) состоит из вращающейся вместе со снарядом части (ВЧ) и стабилизированной относительно Земли части (СЧ).
ВЧ взрывателя имеет возможность жесткого закрепления на корпусе снаряда, и состоит из корпуса 2, детонатора 1, ионистора 5, закрепленного на кронштейне 6, статора 9 ЭГВ, антенны спиральной 13, закрепленной на кронштейне 12, радиопрозрачного обтекателя 14, а также антенны бесконтактного ввода установок 19. Также в ВЧ находятся электронные модули системы управления - модуль навигационного приемника 3, модуль стабилизатора и управления питанием 7 и модуль навигации и выдачи корректировок 18. Кроме того, ВЧ содержит трехосевой преобразователь магнитной индукции и линейного ускорения (ТОП), конструктивно выполненный в виде акселерометра однокомпонентного 17 для оси X и акселерометра двухкомпонентного 8 для осей Y и Z. Статор 9 ЭГВ жестко закреплен в корпусе 2 на его продольной оси.
СЧ взрывателя установлена на корпусе ВЧ и состоит из корпуса 10, ротора 11 ЭГВ, четырех аэродинамических поверхностей 15 и подшипникового узла 20, который обеспечивает возможность свободного вращения СЧ относительно ВЧ вокруг обшей оси.
Ротор 11 ЭГВ, содержащий несколько постоянных магнитов, жестко закреплен в корпусе 10 на его продольной оси. Продольные оси ротора 11 и статора 9 совпадают с продольной осью корпуса снаряда.
Аэродинамические поверхности 15 могут быть выполнены (фиг. 2) в виде горизонтального оперения (ГО), состоящего из правой и левой аэродинамических поверхностей, и вертикального оперения (ВО), состоящего из верхней и нижней аэродинамических поверхностей. При этом горизонтальное оперение для создания аэродинамической подъемной силы отклонено относительно оси ОХ на постоянный угол 5 г относительно базовой плоскости OXZ, а вертикальное оперение для создания тормозящего аэродинамического момента отклонено относительно оси ОХ на постоянный угол δв относительно базовой плоскости OXY, связанной с СЧ взрывателя.
Также аэродинамические поверхности 15 могут быть установлены (фиг. 3) на наружной поверхности корпуса СЧ таким образом, чтобы каждая из аэродинамических поверхностей создавала как аэродинамическую подъемную силу, так и тормозящий аэродинамический момент. При этом суммарная аэродинамическая подъемная сила будет равна векторной сумме всех действующих аэродинамических подъемных сил, а суммарный аэродинамический момент будет равен векторной сумме всех действующих аэродинамических моментов.
Использование взрывателя происходит следующим образом.
Корректирующий взрыватель устанавливается на снаряд непосредственно перед применением. Вращающаяся часть взрывателя жестко закрепляется в головной части корпуса снаряда на его продольной оси, причем предусмотрена возможность установки корректирующего взрывателя в гнездо установки штатного взрывателя снаряда.
Производится введение во взрыватель различных установок - параметров и координат цели, способа подрыва, параметров снаряда, актуальных эфемерид ГНСС и т.д. Для этого используется специальный программатор (на фиг. не показан), обеспечивающий расчет установок взрывателя как самостоятельно, так и во взаимодействии с системой управления огнем орудия. Система ввода во взрыватель установок может быть как совместимой с существующими системами, так и бесконтактной, для чего предусмотрена антенна бесконтактного ввода информации 19 (фиг. 1). При этом электрическое питание на изделии отсутствует, а необходимая для обеспечения работоспособности системы ввода установок электрическая энергия поступает с программатора, в том числе, бесконтактным способом.
Х
Выработка электроэнергии для электроснабжения всех электрических модулей и систем взрывателя производится с помощью вентильного электрогенератора (ЭГВ), причем статор 9 ЭГВ жестко закреплен в корпусе 2 ВЧ и вращается относительно ротора 11 ЭГВ, а для вращения статора ЭГВ используется кинетическая энергия вращения снаряда. Это происходит следующим образом. При выходе из ствола снаряд, вместе с закрепленным на нем взрывателем, приобретает вращение в направлении, задаваемом винтовой нарезкой в стволе. При этом угловая скорость ВЧ взрывателя (и жестко закрепленного в ней статора ЭГВ) равна угловой скорости корпуса снаряда. На СЧ взрывателя действует вращающий момент от сил трения в подшипниковом узле, направленный в сторону вращения снаряда, и тормозящий момент М (фиг. 2, 3), создаваемый аэродинамическими поверхностями и направленный в сторону, противоположную направлению вращению снаряда. Вследствие разности угловых скоростей статора и ротора ЭГВ, электрические обмотки статора пересекают силовые линии магнитного поля ротора, и в обмотках статора индуцируется ток. Вырабатываемая при этом электроэнергия накапливается в ионисторе 5, откуда системой управления взрывателем подается, через модуль 7 стабилизации и управления питанием, для энергообеспечения систем взрывателя. При этом, для обеспечения безопасности, взведение взрывателя происходит после выстрела на удалении не менее 40 м от орудия.
При движении снаряда по траектории поддерживается стабильность углового положения (отсутствие вращения вокруг продольной оси) СЧ относительно Земли, которая контролируется с помощью трехосевого преобразователя магнитной индукции и линейного ускорения (ТОП) с использованием модели магнитного поля Земли. Данные об отклонении корпуса СЧ от заданного (относительно вертикали) углового положения передаются ТОП в модуль стабилизатора и управления питанием 7, который производит необходимые расчеты и выдает команду на изменение величины тока в обмотках статора ЭГВ. Вследствие изменения величины тока в обмотках статора ЭГВ, изменяется также электромагнитный момент, действующий на ротор ЭГВ, и происходит поворот СЧ вокруг продольной оси на определенный угол. Процесс продолжается до полного уравновешивания моментов, действующих на стабилизированную часть (СЧ) и прекращения ее вращения. Стабилизация углового положения СЧ относительно Земли позволяет повысить точность управления снарядом. Кроме того, стабилизация углового положения ротора ЭГВ, жестко связанного с корпусом СЧ, позволяет сохранять разницу угловых скоростей статора и ротора ЭГВ, что обеспечивает устойчивую выработку электроэнергии электрическим генератором ЭГВ.
Y
Во время полета снаряда данные измерений ГНСС передаются (через спиральную антенну 13 и навигационный приемник 4) системе управления взрывателя, которая производит расчет текущей траектории, расчет прогнозируемой точки падения, а также вычисление требуемой траектории (при этом в расчетах прогнозная точка падения совпадает с целью). Результаты расчетов поступают в модуль навигации и выдачи корректировок 18. В случае, если рассчитанная точка падения снаряда на землю не совпадает с целью, то есть имеет место промах (фиг. 4), алгоритм корректировки траектории полета снаряда рассчитывает требуемый угол крена стабилизированной части (СЧ) взрывателя, и выдает команду на изменение величины тока в обмотках статора ЭГВ, вследствие чего изменяется электромагнитный момент, действующий на ротор ЭГВ, и происходит поворот СЧ вокруг продольной оси. При этом изменяется положение в пространстве аэродинамических поверхностей СЧ, а также величина и направление, относительно осей системы координат, связанной с Землей, вектора суммарной подъемной силы, создаваемой аэродинамическими поверхностями (фиг. 2 и 3). Происходит установка СЧ в требуемое положение относительно Земли таким образом, чтобы суммарная подъемная сила R была направлена в сторону требуемой траектории. В случае, когда текущая и требуемая траектория совпадают, взрыватель переходит к режиму наведения на цель (с переходом снаряда на движение по спиралевидной траектории).
На фиг. 5 приведен пример схемы применения выстрела, скомплектованного корректирующим взрывателем, для поражения наземной цели.
В районе цели взрыватель обеспечивает неконтактный подрыв боевой части снаряда для получения воздушных разрывов. Для этого в расчетной точке, в соответствии с сигналами, полученными от ГНСС, система управления взрывателем выдает команду на подрыв.
Также во взрывателе предусмотрено контактное действие при встрече снаряда с грунтом. Для этого используется трехосевой преобразователь магнитной индукции и линейного ускорения (ТОП), обеспечивающий расчет скорости вращения снаряда, ориентации СЧ относительно Земли, а также перегрузок по осям связанной системы координат.При фиксации перегрузок, возникающих при встрече снаряда с грунтом, система управления взрывателя выдает команду на контактный подрыв взрывателя.
Таким образом, конструкция предлагаемого взрывателя обеспечивает в полном объеме электроснабжение всех систем и модулей взрывателя, причем до выстрела источник электропитания в снаряде отсутствует, вследствие чего исключается случайное взведение взрывателя при проведении работ со снарядом.
Использование в предлагаемом взрывателе свойства обратимости электрической машины позволяет применить электрический вентильный генератор не только для выработки электроэнергии, необходимой для питания всех модулей и систем взрывателя, но и в качестве моментного электродвигателя для осуществления процесса корректирования траектории полета снаряда.
Применение предлагаемого взрывателя обеспечивает возможность осуществления управляемого корректирования траектории движения как для существующих серийно выпускаемых вращающихся неуправляемых артиллерийских снарядов, так и для вновь разрабатываемых подобных снарядов. Предварительные расчеты и эскизные проработки показывают, что функциональные и массогабаритные характеристики предлагаемого взрывателя позволяют использовать его (наряду со штатными взрывателями ударного, дистанционного и неконтактного действия) для комплектации 100-мм, 120-мм, 122-мм, 130-мм и 152-мм выстрелов с серийно выпускаемыми снарядами (обычными, активно-реактивными и оснащенными донным газогенератором) без необходимости доработки этих снарядов. При этом обеспечивается повышение эффективности боевого применения снарядов и повышение уровня безопасности при проведении работ с боеприпасами.