CC BY
103
УДК 623.565.33
Лукьянчиков О.И., Чайковский В.М.
Пензенский государственный университет
АВТОНОМНОЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ РАДИОУСТРОЙСТВО
Аннотация. Действие радиоустройства основано на использовании отраженных от цели электромагнитных колебаний высокой частоты, излучаемых взрывателем. Отраженные от цели электромагнитные колебания принимаются антенной взрывателя и после смещения, детектирования и усиления, достигнув определенной величины, вызывают срабатывание электродетонатора.
Ключевые слова: Эффект Доплера, амплитуда отраженного сигнала, доплеровский сдвиг частоты,
компаратор, низкочастотный сигнал напряжения биений.
При самом тщательном выполнении систем управления снарядами трудно рассчитывать на стопроцентную вероятность их прямого попадания в цели, особенно воздушные, обладающие, как правило, большой маневренностью и скоростью полета. В то же время нельзя допустить, чтобы дорогостоящий управляемый снаряд прошел мимо цели, не поразив ее, и был потерян. Поэтому все снаряды обеспечиваются неконтактными взрывателями, срабатывающими при приближении снаряда к цели.
Подрыв боевой части (БЧ) выполняется по команде, вырабатываемой автономным исполнительным радиоустройством, фактически являющимся неконтактным взрывателем на основе анализа относительного движения ракеты и цели. В зависимости от вида физических полей, используемых для их работы, взрыватели бывают акустическими, оптическими, тепловыми (инфракрасными) и радиовзрывателями (РВ). Последние получили наибольшее применение.
Впервые работы над созданием РВ для снарядов начались в США еще за 10 лет до начала Второй мировой войны. Тогда был разработан РВ, выдерживающий ускорение до 2000g и содержащий миниатюрный передатчик, который излучал узконаправленный ВЧ сигнал на цель и детонировал при получении сильного отражения его от цели [1].
РВ рис.1, представляет собой радиотелемеханическую систему, предназначенную для выработки разовой команды на подрыв фугаса, которым снабжен управляемый снаряд. Применение РВ резко повышает вероятность поражения цели, что увеличивает эффективность всего комплекса радиоуправления снарядом.
По структуре построения и принципам работы РВ могут быть импульсными, частотными и доплеровскими, причем последние считаются наиболее эффективными [1].
Рассматриваемый доплеровский РВ Рис. 1 содержит [2,4] :
Антенну (1), генератор-преобразователь (автодин) (2), усилитель (3), пороговое устройство (ПУ) (4), электродетонатор (ЭД) (5), самоликвидатор (СЛ) (6) и механизм дальнего взведения
(МДВ) (7).
В основе его действия лежит использование эффекта Доплера, заключающегося в смещении частоты принимаемых колебаний по отношению к частоте излучаемых, когда расстояние до цели меняется.
Антенна (1) излучает сигнал вида u0(t) = U0cos2ftf0t (1)
При попадании цели в зону действия диаграммы направленности приемной антенны автодин (2) начинает принимать отраженный целью зондирующий сигнал. Далее этот сигнал преобразуется и на выходе автодина формируется низкочастотный сигнал напряжения биений Ыд(t) , частота которого будет равна доплеровскому приращению
Ыд (t) = ид (t)cos[2^J FK (t)dt] + фс ], (2)
Характер изменения значений ид, F (t) поясняет рис.2, на котором показан процесс сближения
управляемого снаряда Сн с целью Ц. Там же показан вид основного лепестка воронкообразной диаграммы направленности антенны (ДНА) [1].
По мере сближения снаряда с целью, угловой размер последней непрерывно возрастает, т. е. поверхность цели начинает восприниматься не как точечная, а как распределенная, поэтому спектр отраженного сигнала зондирующего сигнала будет содержать не одну допплеровскую линию, а является сплошным, с максимумом мощности у значения средней допплеровской частоты, обусловленной радиальной скоростью цели. Ширина спектра отраженного сигнала растет с увеличением угловых размеров цели.
Отражающая поверхность самолетов при наблюдении их спереди обычно [5,6] представляются совокупностью N основных локальных точек отражения: нос фюзеляжа, кабина, передние кромки крыльев, их стыки с фюзеляжем, воздухозаборники двигателей, подвесные баки и контейнеры, хвостовое оперение, т.е. так называемые «блестящие точки». Для пилотируемых самолетов обычно N>5, а для ракет N не более 2-3.
В результате взаимодействия между собой колебаний, отраженных от различных участков цели, возникают биения - явление именуемое «вторичным» эффектом Доплера
Учитывая протяженный характер цели и направленность диаграммы антенны РВ, можно считать, что мощность принимаемого отраженного сигнала обратно пропорциональна квадрату расстояния до цели (напряжение сигнала обратно пропорционально расстоянию). Учитывая то что часть эффектив-
ной отражающей поверхности, «вырезаемая» диаграммой антенны, пропорциональна квадрату расстояния амплитуда отраженного сигнала будет изменяться в соответствии с выражением следующего вида
ид (t) = -k: =
r(t) Jh2 + s2(t) Jh2 + [v0(th —t)]2
k
k
(3)
где к - коэффициент, определяемый мощностью передатчика, усилением антенн и другими величинами, входящими в основную формулу радиолокации, а также усилением приемника РВ. При нахождении цели в зоне действия главного лепестка ДНА значение коэффициента к будет неизменно.
Исходя из ситуационного положения снаряда и цели отображенного на рис. 2 значение доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала будет описываться следующим выражением
рд (t) = Рд 0 cos a(t) = рд 0 = F,
vo( th — t)
r(t) Д%/h2 + [v0(t* -1)]2
Т7 2v0
где РДо _ /о-
д c
(4)
ляющая относительной скорости (скорость сближения); a(t) - угол между направлением вектора
относительной скорости и направлением снаряд - цель в момент t; r(t) - расстояние между снарядом и целью в момент t; th - момент наибольшего сближения снаряда и цели; s(t) - путь снаряда относительно цели за время th — t ; при v0 * const s(t) * v0O — t) ; h - промах.
При использовании ненаправленных свойств излучающей антенны, характер изменения зависимостей U'д(t) , р-(t) , согласно (3) и (4), показан на рис.3, где пунктиром показана ситуация для
двух значений промахов h', h'' при постоянной относительной скорости v0 . В момент th наибольшего сближения снаряда и цели амплитуда отраженного сигнала достигает максимума, а у допплеровского приращения частоты происходит смена знака направления изменения [1]. Последнее обстоятельство позволяет использовать допплеровский РВ с ненаправленной антенной для определения момента максимального сближения снаряда с целью. После момента th допплеровский сдвиг частоты
становится отрицательным, поскольку начиная с этого момента, происходит взаимное удаление снаряда и цели.
Момент срабатывания допплеровского РВ при достаточно большой мощности отраженного сигнала не зависит от его амплитуды - РВ чувствителен лишь к допплеровскому приращению частоты. Это объясняется тем, что при большом уровне сигнала усилитель входит в режим насыщения, ограничивая тем самым входной сигнал [1] .
Рис.3 - Характер зависимостей огибающей и допплеровского сдвига частоты сигнала радиовзрывателя при разных величинах промаха, для случая изотропной (пунктир) и направленной (сплошные кривые) диаграмм направленности антенн.
На выходе автодина (2) отраженный сигнал усиливается предварительным усилителем (3) и затем поступает на вход ПУ (4), в состав которого входят: компаратор и электронное реле. В компараторе порогового устройства напряжение входного сигнала, являющееся высокочастотными колебаниями, преобразуются в напряжение прямоугольной формы скважности равной двум с частотой повторения равной частоте отраженного сигнала. В качестве компаратора используется микросхема К554СА3. Выбор данной микросхемы продиктован возможностью последней питаться от разнообразных
источников питания как от однополярных так и от двух. Также данная микросхема обладает хорошей нагрузочной способностью, позволяющей подключить непосредственно к его выходу реле исполнительного механизма. Если напряжение на входе положительное, то компаратор на выходе будет имеет сигнал «0». Если же напряжение отрицательное (согласно рис. 3), то на выходе - «1». Сигнал с выхода ПУ поступает в предохранительно-исполнительный механизм (ПИМ), что, в конечном счете приводит к подрыву фугаса. ПИМ состоит из МДВ (7), СЛ (6) и ЭД (5), и обеспечивает безопасное хранение и транспортировку РВ, его взведение по команде с пункта управления, подрыв боевого заряда при попадании в зону поражения и самоликвидацию управляемого снаряда.
ЛИТЕРАТУРА
1. Вейцель В.А. "Основы радиоуправления" "Советское радио", 1973 г.
2. Гуткин Л. С. "Радиоуправление реактивными снарядами и космическими аппаратами" "Советское радио", 1971 г.
3. Белоцерковский Г. Б. "Основы радиолокации и радиолокационные устройства" "Советское радио", 1975 г.
4. Заикин В. В. "Самонаведение" М.:Сайнс - пресс, 2002 г.
5. Соколов А.В. "Вопросы перспективной радиолокации" М., Радиотехника, 2003.
6. Львова Л. А. " Радиолокационная заметность летательных аппаратов ", Снеженск, 2003 г.
