(Статья может редактироваться со временем по мере появления новой информации)
ГЛАВА 4
4.1. ИЗМЕРЕНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДОВ
В настоящее время существенно возросли требования к точности стрельбы артиллерии при сокращении времени решения боевой задачи на поражение цели. Наиболее полно эти требования удовлетворяются за счет применения управляемых или самонаводящихся снарядов. Однако, такие боеприпасы, а также средства по обеспечению их боевого применения относительно дороги. Поэтому в нашей стране и за рубежом пока ещё основную часть вооружения артиллерии составляют неуправляемые артиллерийские снаряды.
Эффективность стрельбы неуправляемыми снарядами в основном определяется тем, насколько совпадают истинная и расчетная траектории полета снаряда. Как известно траектория движения, а следовательно и точка падения неуправляемого артиллерийского снаряда, определяются относительно небольшим числом факторов, влияющих на баллистические характеристики снаряда (его форма, характеристики ствола орудия, начальная скорость снаряда), а также метеорологическими условиями стрельбы. Такие факторы как форма снаряда и характеристики ствола орудия (его износ), могут быть учтены по отклонению фактической начальной скорости снарядов от её табличного значения. Поэтому задача повышения точности стрельбы неуправляемыми снарядами в основном может быть решена за счет измерения начальной скорости снарядов и определения метеорологических условий стрельбы (плотность воздуха, скорость ветра и атмосферное давление на различных высотах, а также температура воздуха).
4.1.1. ИЗМЕРЕНИЕ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДОВ
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РАМ - МИШЕНЕЙ
В соответствии с теорией внешней баллистики определение начальной скорости снаряда производится следующим образом.
По линии, совпадающей с продольной осью ствола орудия, выбирают участок траектории (базу) фиксированной длины S, измеренной с высокой точностью. В начале Д1 и конце Д 2 базы устанавливают датчики, реагирующие на пролет снаряда (раму-мишень, соленоид, фотоблокиратор и т.п.) Датчик, установленный в начале базы, располагается на расстоянии До = Д1 от среза ствола орудия, которое также измеряется с высокой точностью. После выстрела с помощью прецизионного измерителя оценивают время tv пролета снарядом заданной базы и вычисляют на ней среднюю скорость снаряда по формуле:
Vср = S / tv = (Д2 - Д1) / tv
Используя полученное Vср, начальную скорость Vо снаряда вычисляют как:
Vо = DV(Д) + Vср
где DV(Д) = 104 i d2 x / 2 m DД (V), снижение скорости снаряда при пролете им отрезка дальности от среза ствола орудия до середины базы (на отрезке Д=До+S/2 )
Здесь: i - коэффициент формы снаряда; d - калибр снаряда, [м]; m - масса снаряда [кг]; x = До + S/2; m DД (V) - функция зависимости дальности от скорости снаряда, значения которой для закона Сиаччи находятся по специальным таблицам.
Начиная с 70 – х годов прошлого столетия у нас и за рубежом, для определения начальной скорости боеприпаса стали применять простейшие доплеровские радиолокаторы, создавая на их основе артиллерийские баллистические станции (АБС), осуществляющие их наблюдение на траектории полета.
При радиолокационном способе начальную скорость получают приведением скорости в момент начала наблюдения к срезу ствола орудия, поэтому для высокой точности измерения необходимо:
- измерить достоверное значение скорости снаряда в момент начала его радиолокационного наблюдения на траектории;
- точно и надежно фиксировать момент вылета снаряда из ствола орудия и синхронизировать начало его радиолокационного наблюдения;
- выбрать вид зависимости, используемой при приведении скорости снаряда к стволу орудия, максимально точно соответствующий реальному изменению его скорости на траектории;
- использовать при определении начальной скорости только достоверные данные о текущей скорости объекта на наблюдаемом участке траектории, формируемые при обработке реального (искаженного шумами) доплеровского сигнала;
- снизить влияние движения ствола орудия и самой стреляющей системы на точность измерения начальной скорости.
Перечисленное можно осуществить либо при измерении начальной скорости снарядов методом аппроксимации, при использовании дискретных значений его текущей скорости, согласно которому, модулируют «скоростные» траектории снаряда при различных значениях начальной скорости, и используя критерий наименьших квадратов, находят такую модель, которая максимально совпадает с реальной «скоростной» траекторией снаряда, представленной последовательностью полученных дискретных значений его текущей скорости, а определяемую по этой модели скорость в момент времени t = tо считают искомой начальной скоростью снаряда. Либо при измерении начальной скорости снарядов методом экстраполяции, при использовании дискретных значений его текущей скорости, согласно которому предполагают известным вид «скоростной» траектории снаряда, а по дискретным значениям его текущей скорости определяют параметры этой «скоростной» траектории, необходимые для экстраполяции скорости снаряда от начала его радиолокационного наблюдения до момента вылета из ствола орудия.
Решить задачу по определению начальных скоростей снарядов удалось только в начале 21-ого столетия, после разработки НИИ «Стрела» (г. Тула) современной унифицированной автоматизированной артиллерийской баллистической станции (УААБС, шифр «Рампа») [16], заложенные идей в которой были успешно запатентованы данной организацией.
УААБС «Рампа» реализована по способу измерения начальных скоростей снарядов, заключающемся в том, что по реализациям допплеровского эхо - сигнала
снаряда формируют последовательность дискретных значений его текущей скорости, в сформированной последовательности определяют достоверность каждого дискретного значения текущей скорости снаряда, а также фактическую задержку начала его радиолокационного наблюдения, и, используя упомянутые результаты, выделяют участок в этой последовательности, содержащий преимущественно достоверные данные, по которым определяют начальную скорость снаряда с учетом фактической задержки начала его радиолокационного наблюдения.
Причем в УААБС «Рампа» длину S баз не измеряют физически, а задают целым числом N периодов Td доплеровского эхо - сигнала снаряда. Это обусловлено тем, что за время T = N Td снаряд, независимо от скорости его движения, пролетит расстояние, зависящее только от задаваемого числа N периодов доплеровской частоты и длины волны l зондируемого сигнала РЛС.
Рис. 4.1. Унифицированная автоматизированная артиллерийская баллистическая станция «Рампа».
Обеспечивая надежность работы и заданную точность вычисления начальной скорости снарядов и мин всех типов отечественных артиллерийских систем, стоимостные и масса – габаритные характеристики изделий «Рампа», изготовляемых из унифицированных узлов, оказались значительными.
Определить начальную скорость снаряда можно с использованием двух ФМВ, рассмотренных в моей ст.№7, выполняющих роль двух рам-мишеней, установленных на стволе орудия, как это показано на рис.4.1, вместо <<Рампы>>. И определять начальную скорость снаряда тем же способом, как определяется начальная скорости снаряда с помощью двух рам – мишеней. При этом ФМВ будут выполнять роль датчиков, реагирующих на пролет снаряда через первую и вторую <<чувственные>> зоны ФМВ. Зон с изменяемой шириной и неизменяемым расстоянием (базой S) между ними. При этом, при пролете снарядом первой зоны, будет сформирована первая метка, а при пролете, через время tv, второй зоны – вторая
Известно, что при вылете снаряда из ствола орудия возникает ионизированное облако экранирующее снаряд от радиолокатора АБС, которое со временем рассеивается. А движение снаряда становится более устойчивым только через, примерно (0,05 ÷0,15)с. Поэтому в АБС устанавливается задержка начала формирования доплеровского эхо-сигнала снаряда, обработки этого сигнала и вычисления фактической начальной скорости снаряда, т. е. база S устанавливается на определенном удалении Д1 от АБС. Следует отметить, что при скоростях перемещения снарядов порядка 2000м/с, базу S, из – за ионизированного облака экранирующего снаряд, необходимо будет устанавливать на удалении от АБС порядка 2000м/с× (0,05 ÷0,15)с = (100÷300) м.
Очевидно, что замена разнесенных в пространстве двух датчиков рам-мишеней, на одну компактную мини РЛС с двумя ФМВ, установленную, в том числе, на стволе орудия, определяют перспективность рассмотренного способа определения начальной скорости снаряда и его актуальность.
4.1.2. РЛС ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА
ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ОДНОГО ФОРМИРОВАТЕЛЯ МЕТКИ ВРЕМЕНИ
Проанализируем, в том числе на примерах, способ определения моментов пролета снарядом начала и конца известного интервала расстояния и работу частотной ЧРЛС измерения начальной скорости снаряда при использовании одного формирователя метки времени – ФМВ типа, рассмотренного в моей ст.№7, выход которого, через измеритель интервалов времени, подключен к вычислителю начальной скорости Vнач=2Do/tизм2 снаряда [22 из ст.№5], где Do - выбираемое постоянное базовое расстояние от РЛС, излучающей непрерывный сигнал с частотной модуляцией по одностороннему пилообразному линейно спадающему закону (НЛЧМ сигнал), до произвольной точки предполагаемой траектории движения удаляющегося снаряда;
tизм2=(toб2-toб1) - измеряемый интервал времени пролета удаляющимся от РЛС снарядом известного расстояния (3Do+Di)-(Do+Di)=2Do,
где toб1- момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении Do+Di=Do+(Vi/Vo)Do;
toб2- момент пролета удаляющимся от РЛС снарядом точки пространства, отстоящей от РЛС на удалении 3Do+Di=3Do+(Vi/Vo)Do;
Di - текущее расстояние от РЛС до удаляющегося от РЛС со скоростью Vi снаряда;
Vo - известная, минимально возможная начальная скорость снарядов.
Пусть РЛС излучают и принимают отраженные от снаряда НЛЧМ сигналы с, например, параметрами: fo=20 ГГц, Fm=20 кГц, dfm=25 мГц, удовлетворяющими, например, при базовом расстоянии Do=6 м и Vo=150 м/с условию:
Do/Vo=fo/Fmdfm=6 м/150 (м/с) =20 ГГц/20 кГц 25 мГц = 0,04 с.
Тогда в результате смешивания в СВЧ смесителе (ССМ) РЛС отраженного и излучаемого сигналов на его выходе будут сформированы сигналы разностной частоты величиной:
Fp6-П=2DoFmdfm/С=20 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в Do=6 м от РЛС;
Fp12-П=22DoFmdfm/С=40 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в 2 Do=12 м от РЛС;
Fp18-П=23DoFmdfm/С=60 кГц - сигналы помехи из отражений от точек Земли, расположенных на удалении в 3 Do=18 м от РЛС;
Fp12-Ц=[(2D12)Fmdfm/С]-(2V150fo/С)=20 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с минимально возможной радиальной скоростью Vo=V150=150 м/с и находящегося на удалении в D12=12 м от РЛС (в момент времени toб1);
Fр24-Ц=[(2D24)Fmdfm/С]-(2V150fo/С)=60 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с минимально возможной радиальной скоростью Vo=V150=150 м/с и находящегося на удалении в D24=24 м от РЛС(в момент времени toб2);
Fр86-Ц=[(2D86)Fmdfm/С]-(2V2000fo/С)=20 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с максимально возможной радиальной скоростью V2000=2 км/с и находящегося на удалении в D86=86 м от РЛС(в момент времени tоб1);
Fр98-Ц=[(2D98)Fmdfm/С]-(2V2000fo/С)=60 кГц - сигнал из отражений от снаряда, удаляющегося от РЛС с максимально возможной радиальной скоростью V2000=2000 м/с и находящегося на удалении в D98=98 м от РЛС(в момент времени toб2);
Очевидно, что сигналы разностных частот в 20 кГц и 60 кГц особенные, так как они формируются на РЛС независимо от скорости удаления снаряда от РЛС, в моменты toб2 и toб1 пролета снарядом соответственно начала и конца известного интервала расстояния величиной в 2Do, т. е. (3Do+Di)-(Do+Di)=2Do=12 м, независимо от того, на каком удалении от РЛС этот интервал находится, а также от узких полосок земли, отстоящих от РЛС на удалении в 6 м и 18 м. Тогда, очевидно, зная длительность tизм2=(toб2-toб1) интервала времени - время между моментами обнаружения на РЛС сигналов с частотами 60 кГц и 20 кГц можно начальную скорость Vнач снаряда определить, вычислив выражение: Vнач=2Do/tизм2.
Отметим, что отмеченную задачу можно успешно решить, применив локатор диапазона 94 ГГц на монолитных схемах, рассмотренный в [14 из ст.№5]. Причем использование миллиметрового диапазона волн предпочтительнее, так как при прочих равных условиях можно получить более высокую частоту разностного сигнала, например Fp6-П=Fp12-Ц=Fp86-Ц=100 кГц, при излучении частотно модулированного сигнала частотой 100 ГГц.
Следует также отметить, что обнаружитель снаряда в данном случае позволяет обнаруживать только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-)420 Гц при выбранных выше параметрах излучаемого сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров. Для реализации данного обнаружителя и обнаружения разностного сигнала частотой 20кГц широкополосный фильтр обнаружителя должен иметь полосу пропускания не более 8 кГц (от 37кГц до 43,5кГц), постоянную времени 1/6,5кГц=0,15·10-3и значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. Для сравнения отметим, что при обнаружении разностного сигнала частотой 100 кГц (при излучении сигналов частотой 100 ГГц - сигналов миллиметрового диапазона волн) широкополосный фильтр должен уже будет иметь полосу пропускания не более 50 кГц (от 175 кГц до 225 кГц), постоянную времени 1/50 кГц = 0,02·10-4, но также значительное подавление сигналов вне полосы пропускания. В качестве смесителя в обнаружителе можно использовать, например, микросхему 526ПС1 - балансный смеситель, обеспечивающий подавление входного сигнала на 65dБ.
При этом сигналы с разностной частотой преобразования, например, частотой Fp (+/-) ΔFp=20 кГц (+/-) 420 Гц, с выхода фильтра разностных частот РЛС необходимо подавать на вход смесителя обнаружителя, смешивать его с сигналом гетеродина обнаружителя и преобразовывать в сигнал с частотой:
Fp (+/-) ΔFp + 20 кГц - 20 кГц (+/-) 420 Гц + 20 кГц = 40 кГц (+/-) 420 Гц,
попадающий в полосу пропускания широкополосного фильтра обнаружителя. После чего сигнал, снимаемый с выхода широкополосного фильтра, необходимо преобразовать усилителем-ограничителем в меандр, содержащий, как известно, только нечетные гармоники, и узкополосным полосовым фильтром, имеющим, например, полосу пропускания в 21 кГц (от 829,5 кГц до 850,5 кГц) и большое подавление внеполосных сигналов, выделить только, пусть 21-ю, гармонику сигнала частотой: [40 кГц (+/-) 420 Гц] 21 = [840 кГц (+/-) 8,820 кГц] и значительно подавить все другие разностные сигналы и их гармоники. Очевидно, что если не применять процесса повышения частоты разностного сигнала и селектировать сразу же сигнал частотой Fp (+/-) ΔFp=20 кГц (+/-) 420 Гц узкополосным фильтром (УПФ) обнаружителя с параметрами: fц=20 кГц - центральной частотой; Δf=840 Гц - полосой пропускания и постоянной времени τф=1/840 Гц, то ошибка в измерении начальной скорости снаряда будет значительной. А также сигнал с выхода УПФ необходимо преобразовать амплитудным детектором обнаружителя в постоянное напряжение и на компараторе сравнить с опорным напряжением, подаваемым на второй его вход. При этом при превышении амплитуды входного сигнала над опорным на выходе компаратора будет сформирован короткий импульс, например, обострителем переднего фронта, установленным на выходе компаратора, который, при необходимости, формирователем импульса, например, ждущим мультивибратором, будет преобразован в импульс необходимой длительности.
Из сказанного можно заключить, что умножение частоты разностного сигнала позволяет обнаружить его за более короткое время, что является совместно с возможностью ограничить формирование мощности помехи узкими полосками местности, отстоящими от РЛС на удалении, делают данную РЛС перспективной.
Следует отметить, что данный обнаружитель позволяет обнаруживать не только сигналы с частотами диапазона 20 кГц (+/-) 420 Гц при выбранных выше параметрах излучаемого сигнала и отмеченном условии выбора этих параметров, но и сигналы с частотами диапазона 60 кГц (+/-) 420 Гц. Что возможно из-за применения в обнаружителе низкочастотного смесителя (СМ), на второй вход которого с генератора сигнала непрерывной частоты подается сигнал с частотой, в частности, 20 кГц, а на первый вход СМ: либо сигнал с частотой 60 кГц (+/-) 420 Гц, либо сигнал с частотой 20 кГц (+/-) 420 Гц. Очевидно, что после преобразования данных сигналов на выходе СМ будет сформирован сигнал с одной и той же частотой 40 кГц (+/-) 420 Гц, то есть:
60кГц(+/-)420Гц-20кГц=20кГц(+/-)420Гц+20 кГц=40кГц(+/-)420 Гц,
который пропускается широкополосным фильтром на вход усилителя-ограничителя.
А импульс, длительность которого соответствует длительности интервала времени tизм2=(toб2-toб1), формируют формирователем импульса обнаружителя, например, триггером и измеряют измерителем интервала времени. И измеренную величину длительности импульса далее используют для вычисления по формуле Vнач=2Do/tизм2, в реальном масштабе времени, начальной скорости снаряда вычислителем начальной скорости снаряда.
4.1.3. ЧРЛС ИЗМЕРЕНИЯ НАЧАЛЬНОЙ СКОРОСТИ СНАРЯДА
ПО ОТНОШЕНИЮ ДЛИНЫ СНАРЯДА К ВРЕМЕНИ ЕГО ОБНАРУЖЕНИЯ
Как отмечалось, в том числе, в моей ст.№7, при приближении цели к излучателю НЛЧМ сигнала, частота fкоторого изменяется по закону возрастающей ограниченной прямой, цель можно обнаружить посредством обнаружения сигнала биения с частотой Fб=2Дg/c при заданном удалении Д от излучателя и нахождении цели на удалении Д+tзVr от него. При удалении же цели (снаряда) от ствола орудия с установленной на нём мини ЧРЛС и равенстве радиальной скорости Vr снаряда его начальной скорости Vнач, цель можно будет обнаружить при её нахождении на удалении Д - tзVнач от излучателя. Очевидно, что если расположить <чувственную зону> ЧРЛС так, чтобы она проходила по срезу ствола орудия и при её небольших размерах, являющихся функцией полосы пропускания обнаружителя, то, при знании длины L снаряда и времени tобн его обнаружения, можно, по вычисленному отношению Vнач=L/tоб, определить начальную скорость Vнач снаряда. Определить же время tобн снаряда, как уже отмечалось, можно определителем габаритов цели - ОГЦ рассмотренном в моей ст.№9, раздел 1.2.3. То есть за время от начала выхода снаряда из ствола орудия (начала обнаружения биения с частотой Fб), до момента покидания снарядом ствола (конца обнаружения биения с частотой Fб). Как отмечалось, после покидания снарядом ствола орудия и ширины <чувственной зоны>, из ствола орудия возникает ионизированное облако экранирующее снаряд от радиолокатора и его обнаружение. Но это уже будет неважно, так как начальная скорость уже будет определена.