CC BY
1P.O. НОГИН, А.А. ВОРОБЬЕВ, А.В. УТКИН
R.O. NOGIN, A.A. VOROBIEV, A.V. UTKIN
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПРОШЛИ УСПЕШНО
EXPERIMENTS WERE SUCCESSFUL БЕЗДАТЧИКОВАЯ СИСТЕМА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ФАКТА ПОРАЖЕНИЯ SENSORLESS SYSTEM TO DETERMINE FACT OF DEFEAT
Сведения об авторах: Ногин Роман Олегович - заместитель начальника Военной академии РВСН имени Петра Великого по учебной и научной работе, генерал-майор (г. Балашиха);
Воробьев Алексей Александрович - начальник 21 научно-исследовательского отдела Научно-исследовательского центра Военной академии РВСН имени Петра Великого, подполковник, кандидат технических наук, доцент (г. Балашиха);
Уткин Андрей Викторович - старший научный сотрудник 21 научно-исследовательского отдела Научно-исследовательского центра Военной академии РВСН имени Петра Великого, кандидат технических наук (г. Балашиха).
Аннотация. В основу бездатчиковой системы определения факта поражения заложено известное физическое явление, согласно которому ударное сжатие вещества сопровождается перераспределением зарядов и переориентацией диполей в ударных волнах, т.е. ударное сжатие вещества сопровождается электромагнитным излучением. В работах, посвященных изучению данного явления, процесс возникновения электродвижущей силы при ударном сжатии вещества исследовался с использованием внешней антенны. Авторами настоящей работы была выдвинута гипотеза о том, что мишень, ударное нагружение которой осуществляется, может одновременно выполнять функцию регистрирующей антенны - датчика.
Ключевые слова: бездатчиковая система, ударная волна, ударное сжатие, электромагнитное излучение.
Information about the authors: Roman Nogin - Deputy Chief of the Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great on Educational and Scientific Work, Major-General, Philosophy Doctor (Ph.D.) (Balashikha);
Aleksey Vorobyov - Chief of the 21st Research Department of the Research Centre, Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great, Lieutenant-Colonel, Cand. Sc. (Tech.), Associate Professor (Ph.D.) (Balashikha);
Andrey Utkin - Senior Researcher of the 21st Research Department of the Research Centre, Military Academy of the Strategic Missile Forces named after Peter the Great, Cand. Sc. (Tech.) (Balashikha).
Summary. The basis of the sensorless system for determining the fact of defeat is a well-known physical phenomenon, according to which shock compression of the substance is accompanied by redistribution of charges and reorientation of dipoles in shock waves, i.e. shock compression of the substance is accompanied by electromagnetic radiation. In the works devoted to the study of this phenomenon, the process of appearance of the electromotive force in the case of impact compression of the substance was investigated using an external antenna. The authors of this work put forward the hypothesis that a target, whose impact loading is carried out, can simultaneously perform the function of a recording antenna-sensor.
Keywords: sensorless system, shock wave, shock compression, electromagnetic radiation.
Современное состояние робототехники характеризуется увеличением объема поступающей, обрабатываемой и передаваемой информации. В свою очередь увеличение поступающей полезной информации положительно сказывается на качестве функционирования сложных технических систем, повышает вероятность принятия правильного решения и т.д. Зачастую такое увеличение достигается за счет применения дополнительных информационно-измерительных комплексов или общего увеличения их количества. Однако такое увеличение отрицательно сказывается на надежности работы сложных технических систем: снижение вероятности безотказной работы, увеличение массога-баритных характеристик, повышенное энергопотребление, снижение заметности (в случае использования активных систем). Другими словами, увеличение количества датчиков и сенсоров не всегда положительно сказывается на надежности сложной технической системы, которой является робототехнический комплекс.
Таким образом перед разработчиками робототехниче-ских комплексов (РТК) остро стоит проблема: повышение
качества и объема полезной информации без снижения эксплуатационных характеристик комплекса.
В основу бездатчиковой системы определения факта поражения заложено известное физическое явление, согласно которому ударное сжатие вещества сопровождается перераспределением зарядов и переориентацией диполей в ударных волнах, т.е. ударное сжатие вещества сопровождается электромагнитным излучением. Известно, что при ударном сжатии широкого класса веществ (линейные и нелинейные диэлектрики, полупроводники, металлы) возникает электродвижущая сила, появление которой в ударных волнах указывает на отсутствие строгого термодинамического равновесия за фронтом ударной волны. Многочисленные исследования были направлены на изучение природы этого явления и выяснение механизмов его возникновения. Так, в случае ударного сжатия легированных полупроводников и ряда металлов установлено, что наблюдаемая электродвижущая сила обусловлена объемным перераспределением зарядов на ударной волне. Для некоторых материалов разработаны феноменологические теории ударной поляризации и депо-
ляризации, которые находятся в качественном согласии с экспериментом. Обширный обзор исследований в этой области приведен в работах, посвященных изучению данного явления, процесс возникновения электродвижущей силы при ударном сжатии вещества исследовался с использованием внешней антенны (см. схему 1).
Авторами настоящей работы была выдвинута гипотеза о том, что мишень, ударное нагружение которой осуществляется, может одновременно выполнять функцию регистрирующей антенны - датчика. Гипотеза проверена и подтверждена экспериментально, получен патент на изобретение. Другими словами, сам объект, на который осуществляется воздействие, вызывающее его деформацию или деформацию его составных частей, является источником сигнала с информацией о типе и уровне деформации и одновременно датчиком, который воспринимает этот сигнал. В этом случае для регистрации электромагнитного поля не требуется ни антенны, ни каких-либо датчиков (см. схему 2).
В целях подтверждения технической реализуемости предлагаемого способа и устройства регистрации факта деформации были проведены экспериментальные исследования, схема проведения которых представлена на схеме 2. Ударник (сталь) 6 ускорялся пневматическим ускорителем 5 по траектории 10. В момент вылета ударника 6 из ствола ускорителя 5 сжатый воздух, ускорявший ударник, приводил в действие замыкатель 7, установленный на срезе ствола. Измерительное устройство 3 (осциллограф) регистрировало два сигнала: от источника тока 9 и мишени (свинец) 1. Вид осциллограмм представлен
Схема 1. Регистрация электромагнитного поля при ударном сжатии вещества при помощи внешней антенны:
1 - ускоритель; 2 - ударник; 3 - мишень; 4 - антенна
на схеме 3 в случае попадания ударника в мишень (см. схему 3а) и в случае промаха (см. схему 3б).
Больше информации может дать дальнейшая математическая обработка полученных сигналов. Например, коаксиальное соединение вместе с конденсатором (см. схему 2) формируют интегрирующую цепочку, таким образом, полезный сигнал подвергается аппаратному интегрированию. Функцию, аппроксимирующую полученный сигнал, необходимо аппаратно или программно продифференцировать и определить локальный максимум полученной производной. В случае высокоскоростного соударения ударника и мишени время этого максимума определяет время остановки ударника при проникании в мишень, при этом скорость деформации численно равна значению производной при стремлении аргумента к нулю. В частности на графике на схеме 4 приведены: экспериментальная зависимость сигнала, его аппроксимация вида, производная аппроксимационной функции, а также теоретически полученная скорость материала мишени при контакте с высокоскоростным ударником и его дальнейшим проникании в мишень до остановки (см. рис. 1 на с. 86).
Процесс внедрения бездат-чиковой системы определения факта поражения в образцы вооружения, военной и специальной техники (ВВТС), несмотря на простоту идеи, сопряжен с рядом трудностей. Основная будет состоять в создании банка сигнатур эталонных сигналов, причем сигнатуры будут уникальны для каждого образца ВВСТ и каждого типа поражения. Реализация на практике процесса наполнения банка
Схема 2. Схема экспериментального стенда на базе пневматического ускорителя для подтверждения факта возникновения электродвижущей силы при ударном сжатии вещества и работоспособности бездатчиковой системы
Схема 3. Вид осциллограмм при попадании ударника в мишень (а) и промаха (б): канал 1 - сигнал с замыкателя; канал 2 - сигнал с мишени
Схема 4. Результаты математической обработки сигнала
Рис. 2. Математическое моделирование проникания ударника со скоростью 3 км/с (время внедрения - 8,6 мс)
Рис. 1. Результаты математического моделирования процесса внедрения стального ударника в мишень из свинца (толщина - 2 мм):
а) начальное состояние; б) процесс внедрения ударника в мишень; в) скорость в преграде в различныхточках (расчеты выполнены сотрудником ФГУП ЦНИИмаш H.A. Голденко)
кладывает ряд ограничений на процесс оперативной регистрации факта поражения, оценки ущерба и принятия решения на дальнейшее использование РТК. При высокой степени проработки возможно использование явления возникновения электродвижущей силы для определения факта поражения объектов ВВСТ противника.
Отдельное внимание следует уделить вопросу использования бездатчиковой системы при разработке перспективного боевого оснащения ракет стратегического назначения в части создания системы встречного подрыва. Режим секретности не позволяет подробно изложить технические решения, лежащие в основе существующих систем встречного подрыва, однако в своем большинстве существующие системы встречного подрыва основаны на датчиках, которые располагаются на внутренней части силовой оболочки летательных аппаратов. Таким образом существующая система встречного подрыва получает информацию о факте поражения силовой оболочки уже после начала процесса контакта и внедрения поражающего элемента. В этом случае система автоматики летательного аппарата вынуждена принимать решение в условиях дефицита времени. При использовании
Рис. 3. Математическое моделирование проникания ударника со скоростью 3 км/с (время внедрения - 2,9 мс)
сигнатур возможна на этапе опытно-конструкторской работы по созданию образца ВВСТ путем полигонных испытаний. Другими словами, необходимо «обстрелять» опытный образец ВВСТ из всех видов средств поражения (желательно стоящих на вооружении предполагаемого
противника) во всем диапазоне углов, дальностей, калибров и т.д.
Наиболее актуальным представляется внедрение системы в робототехнические комплексы (РТК) наземного и воздушного базирования, т.к. отсутствие экипажа и удаленность оператора РТК на-
бездатчиковой системы определения факта поражения информация о факте поражения будет получена в момент контакта поражающего элемента с поверхностью летательного аппарата. Другими словами, у системы встречного подрыва может появиться от нескольких микросекунд до десятков миллисекунд «лишнего» времени на формирование команды на встречный подрыв.
Как показывают результаты экспериментальных и теоретических исследований, время, необходимое поражающему элементу массой 100...200 мг диаметром 4 мм для внедрения в преграду, выполненную из алюминиевого сплава А1 6061-Т6, на глубину, равную длине поражающего элемента, при скорости соударения 2 км/с, составляет 8,6 мс. Для скорости соударения 3 км/с - 2,9 мс (см. рис. 2-3).
В случае конечной толщины преграды время, необходимое поражающему элементу массой 100.200 мг диаметром 4 мм для преодоления преграды, выполненной из алюминиевого сплава А16061, толщиной 5 мм при скорости соударения 2.8 км/с, составляет единицы-десятки микросекунд (см. рис. 4).
В заключение необходимо отметить, что электромагнит-
ное излучение возникает также в случае деформирования диэлектрических материалов. Это становится особенно актуально в случае применения предлагаемой системы в современных образцах ВВСТ, которые редко представляют собой цельнометаллические оболочки. Чаще всего используется металлический каркас с диэлектрическими (полимерными, композиционными, керамическими) вставками, пластическая деформация (механическое разрушение) которых будет формировать электромагнитное излучение, регистрируемое металлическим каркасом. Таким образом в ходе проработки идеи создания бездатчиковой системы определения факта поражения были проанализированы теоретические предпосылки, а работоспособность проверена экспериментально. Использование двух принципов разгона ударников позволило исследовать процесс возникновения электродвижущей силы в различных диапазонах уровней ударного сжатия вещества. Наиболее актуальным представляется внедрение системы в РТК наземного и воздушного базирования, т.к. отсутствие экипажа и удаленность оператора РТК накладывает ряд ограничений на процесс опе-
ративной регистрации факта поражения, оценки ущерба и принятия решения на дальнейшее использование РТК. При высокой степени проработки возможно использование явления возникновения электродвижущей силы для определения факта поражения объектов ВВСТ противника. =
Рис. 4. Скорость (время) пробития экрана толщиной 5 мм (диаметр частицы - 4 мм, материалы: ударник - AI2024, защитный экран - AI6061)
(расчеты выполнены сотрудником ФГУП ЦНИИмаш A.B. Лоцмановым)
ЛИТЕРАТУРА
1. Бивин Ю.К., Викторов В.В., Кулинич Ю.В., Чурсин А.С. Электромагнитное излучение при динамическом деформировании различных материалов. Механика твердого тела, 1982. № 1. С. 183-186.
2. Минеев В.Н., ИвановА.Г. Э.Д.С., возникающая при ударном сжатии вещества. Успехи физ. наук, 1976, т. 119, вып. 1, с. 75-109.
3. Бивин Ю.К., Викторов В.В., Кулинич Ю.В., Чурсин А.С. Измеритель перегрузок. Авторское свидетельство № 794547. Дата опубликования описания 07.01.81. Институт проблем механики АН СССР.
4. Родак С.Н., Лисица В.И., Гринько С.Н., Мячина Н.И. Способ контроля дробления материалов. Авторское свидетельство № 1208496. Дата опубликования описания 30.07.89. Институт геотехнической механики АН УССР.
5. Воробьев А.А., Сахаров М.В., Уткин А.В. и др. Способ определения параметров динамического деформирования металлических материалов и устройство для его реализации. Патент на изобретение RU 2559118, 10.07.2015 г.
6. Spitsin D.D., Zikova T.S., Vorobiev A.A., Komarov I.S., Chichaeva O.V., Trunilin I.B. Development of two-stage electrothermal way to accelerate solid bodies. Physics of Extreme States of Matter - 2013. Joint Institute for High Temperatures of the Russian Academy of Sciences, Moscow, 2013. - P. 72-74.
