CC BY
398
УДК 681.2
ОСОБЕННОСТИ ПОСТРОЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ ЗАРУБЕЖНЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СНАРЯДОВ
М.Б. Богданов
В статье на примерах зарубежных программ по созданию управляемых артиллерийских снарядов анализируются особенности построения их навигационных систем.
Ключевые слова: управляемый артиллерийский снаряд, навигационная система.
В промышленно развитых странах ведутся активные научноисследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию управляемых средств поражения высокоточных комплексов оружия, в том числе и управляемых артиллерийских снарядов (УАС). Такие снаряды в калибре от 105мм до 155мм позволяют одним выстрелом поражать из штатных средств артиллерии важные цели на дистанциях до 130км. В случае вооруженного противостояния УАС дают значительное преимущество обладающей ими стороне, т.к. позволяют:
оперативно поражать на дальних дистанциях первоочередные цели (станции РЛС, мобильные ПВО, штабы и т.д.);
уничтожать противника, расположенного в непосредственной близости от дружественных войск, а также в условиях городской застройки при наличии гражданского населения;
вести успешное противодействие малым группам противника в ситуациях, характеризующихся отсутствием линии соприкосновения как таковой.
Наиболее известными и успешными зарубежными проектами по созданию УАС являются: Excalibur, ERGM, BTERM, Vulcano, LRLAP и GAM. В табл. 1 приведена краткая характеристика УАС, разрабатываемых в рамках перечисленных проектов [1, 2, 3, 4].
Следует отметить, что на вооружение принят только снаряд Excali-bur M982 (модификаций Ia-1 и Ia-2), остальные модификации данного снаряда и другие УАС находятся на различной стадии разработки вплоть до летных испытаний.
Высокая точность и эффективность указанных УАС обеспечивается работой системы управления (СУ), которая корректирует полет снаряда и выводит его к цели под определенным углом. Важным элементом СУ является навигационная система (НС), основная задача которой заключается в обеспечении СУ информацией о текущих координатах (линейных и угловых) УАС и его параметрах движения (линейных и угловых скоростях).
От точности и своевременности указанной информации напрямую зависит отклонение УАС от цели, следовательно, и эффективность УАС. Очевидно, что работы по созданию НС для УАС являются востребованными и актуальными.
Таблица 1
Краткая характеристика наиболее известных УАС
УАС Страна разработчик Калибр Максимальная дальность * КВО от цели
Excalibur M982 США, Швеция 155 мм 60 км от 6м до 20м
ERGM EX-171 США 127 мм 115 км 20м
BTERM США 127 мм 115 км 20м
Vulcano Италия 155 мм 80 км 20м
LRLAP США 155 мм 130 км -
GAM Израиль 105 мм 23 км 10м
*КВО - круговое вероятное отклонение.
Целью данной работы является анализ особенностей построения навигационных систем, применяемых в системах управления зарубежных УАС.
Конструктивное место НС в составе УАС. Перечисленные в табл. 1 УАС имеют схожие черты: схема управления «утка» с 2 или 4 рулями, полет на начальном участке происходит по баллистической траектории, используется инерциально-спутниковая (INS/GPS) НС, УАС имеет высокую стоимость (для Excalibur M982, порядка, 25 000 - 45 000 $). Как минимум в двух УАС (Excalibur M982 и ERGM EX-171) предусмотрено снижение частоты вращения корпуса снаряда или его части, где располагается аппаратура СУ.
На рис. 1 приведено устройство снаряда Excalibur M982 Block I [5].
Рис. 1. Устройство снаряда Excalibur M982 Block I
Для СУ необходимо информация о параметрах линейного движения центра масс УАС и его углового вращения вокруг центра масс, а из представленного примера видно, что элементы НС располагаются не в центре масс УАС, а в его носовой части. Это должно быть учтено при разработке алгоритмического обеспечения решения навигационной задачи.
Навигационные системы зарубежных УАС. Основными элементами инерциально-спутниковой НС являются: блок инерциальных чувствительных элементов (БИЧЭ), приемная аппаратура (ПА) спутниковой радионавигационной системы, цифровой навигационного вычислителя (ЦНВ). БИЧЭ, как правило, состоит из датчиков угловой скорости и акселерометров, выполненных по микромеханической технологии, так называемые, микромеханические гироскопы (ММГ) и микромеханические акселерометры (ММА) и собственного цифрового процессора. БИЧЭ предназначен для измерения параметров движения УАС: проекций угловой скорости и проекций линейного ускорения на оси, связанной с УАС системы координат. ПА состоит из антенны и собственного цифрового вычислителя, производящего обработку принятых антенной сигналов и выработку координат и линейных скоростей УАС. ЦНВ производит обработку сигналов БИЧЭ и ПА, вычисляет требуемые для СУ величины, например, текущие координаты УАС, его линейные и угловые скорости. В табл. 2 приведены сведения об используемых в различных УАС элементах НС [1-4, 6].
На рис. 2 приведен внешний вид БИЧЭ, применяемых в НС УАС.
а б в
Рис. 2. Внешний вид блоков инерциальных чувствительных элементов, применяемых в навигационных системах УАС: а - HG1930, б) SilMU02, в - навигационная система разработки Draper Laboratory совместно с ATK (1 - блок программирования полета,
2 - устройство защиты ПА от радиопомех, 3 - навигационный вычислитель, 4 - блок инерциальных чувствительных элементов,
б - крышка)
Конструкцию и характеристики БИЧЭ для НС УАС рассмотрим на примере блока SilMU02, основные характеристики которого приведены в табл. 3 [7].
Таблица 2
Сведения об элементах навигационных систем зарубежных УАС
УАС Разработчик УАС Блок инерциальных чувствительных элементов Приемная аппаратура сигналов спутниковой радионавигационной системы
Excalibur Block Ia-1 года разработки 2002г - 2006г Raytheon Missile Systems (США), BAE Systems (Швеция) HG 1930 (Honeywell Aerospace) стоимость -2200$ L3 Interstate Electronics Corporation (вычислитель приемной аппаратуры), M/Acom (антенна приемной аппаратуры)
Excalibur Block Ia-2 года разработки 2006г - 2008г SilMU02 (Atlantic Inertial Systems) стоимость -2500$
Excalibur Block Ib начало разработки 2006г Raytheon Missile Systems (США)
ATK (США) Draper Laboratory совместно с ATK
ERGM EX-171 Raytheon Missile Systems (США)
BTERM
GAM IMI (Израиль) Pure Heart (IMI) -
Таблица 3
Основные характеристики блока SilMU02, применяемого в НС УАС
Параметр Каналы измерения угловой скорости Каналы измерения линейного ускорения
Диапазон измерений По оси 1 ±90000/с По осям 2 и 3 ±5000/с. Есть модификации с диапазоном измерений ±140000/с по всем трем осям От ±15g до ±100g по всем трем осям
Повторяемость нулевого сигнала (1о) <100 0/ч <10'3 g
Нестабильность нулевого сигнала <6 0/ч <0,5-10-3 g
Случайный шум <0,5 °/^ч <0,5 м/с/^ч
Повторяемость коэффициента передачи (1о) <500 ppm (для диапазона ±10000/с) <1500 ppm
Масса <210 грамм
Напряжение питания 5 В
Потребляемая мощность < 3,75 Вт
Блок SilMU02 относится к военной продукции, и для его приобретения требуется заявление конечного пользователя - документ на бланке организации с информацией о целях использования блока. В блоке использованы [8]: три ММА HS8000 фирмы Colibrus (Швейцария) и три ММГ, имеющих предположительно, те же чувствительные элементы, что и ММГ SiRRS02 (рис. 3).
ММА и ММГ вместе с платой микропроцессора упакованы в цилиндр, который в свою очередь закрепляется через амортизационную раму в прочном корпусе. На рис. 4 показан состав блока SilMU02. Элементы блока испытаны в соответствии с зарубежными военными стандартами [8]: на ударо и вибропрочность и устойчивость MIL-STD-883-E, на надежность MIL-HDBK-217. Жесткие условия эксплуатации на борту УАС накладывают особенные требования к методам определения основных характеристик блока. Например, нестабильность нулевого сигнала ММА при её определении с использованием вариации Алана в лабораторных условиях, составляет не более 0,5-10' g (табл. 3).
При использовании стандартов серии MIL (от англ. military - военный, армейский) нестабильность определяется в течение: десятков часов непрерывной работы (рис. 5 а), при многократном включе-
нии/выключении, при хранении в течение нескольких дней в широком диапазоне температур от минус 550С до плюс 850С, при многократных циклах температуры от минус 400С до плюс 1250С и в конце при воздействии широкополосной случайной вибрации в диапазоне частот от 20Гц до 2000Гц со среднеквадратичным значением 20g (рис. 5 б). После обработки результатов испытаний оказывается, что в таких условиях нестабильность нулевого сигнала превышает паспортное значение (табл. 3) почти в 20 раз. Это необходимо учитывать на этапе выбора элементной базы.
а б в
Рис.3. Используемые в блоке 8ИМи02 микромеханические акселерометр и гироскоп: а - акселерометр (верхняя крышка снята); б - акселерометр с заливкой компаундом; в - чувствительный элемент гироскопа
64
а
б
Рис. 4. Состав блока SilMU02: а - цилиндр с чувствительными элементами; б - конструктивные элементы блока
а б
Рис. 5. Результаты измерения нулевого сигнала акселерометра HS8000 при различных внешних воздействиях
Так же важно характеристикой для элементов, эксплуатируемых на борту УАС, является воспроизводимость нулевого сигнала после ударного воздействия. Как правило, такая характеристика в рекламных материалах не указывается, и для её получения требуются испытания. Например, для акселерометра Н88000 максимальное изменение нулевого сигнала после воздействия удара амплитудой 40 000§ составляет 14м§ [8].
Особенности функционирования. Одной из особенностей функционирования НС на борту УАС являются значительные механические и
температурные воздействия [8]:
удары при выстреле представляют собой совокупность одного ударного импульса высокой амплитуды (20 000g, длительность >5мс) и нескольких импульсов высокой частоты и меньшей амплитуды (от 10 000g до 20 000g, длительностью <0,2мс);
широкополосная случайная вибрация в диапазоне частот от 20Гц до 2000Гц со среднеквадратичным значением 20g; температура хранения от -550С до +850С; рабочая температура от -400С до +850С.
Другой особенностью является хронология работы НС на борту УАС, отличная от хронологии других летательных аппаратов. В частности, на УАС Excalibur Block III предполагается начало работы БИЧЭ после выстрела, т.е. в полете [1]. В этом случае при разработке алгоритмического обеспечения необходимо иметь в виду, что процедура начальной выставки должна производиться в полете.
Траекторию полета после пуска (пассивный участок траектории) можно разделить на два участка: полет по баллистической траектории и управляемой полет. Первый занимает -100 секунд, например, для УАС BTERM [6] -100...103 секунды, а для ERGM EX-171 -71 секунда. За это время происходит выход ПА на штатный режим работы (обнаружение сигналов спутников и вычисление координат движения), а также начало интегрированного (INS/GPS) режима работы. Если предусмотрено снижение частоты вращения и стабилизация угла крена, то она происходит примерно в середине первого участка, например, для УАС ERGM EX-171 на 44 секунде полета.
Заключение.
За рубежом ведутся активные научные и конструкторские работы по созданию инерциально-спутниковых навигационных систем для УАС. Один образец УАС, в состав которого входит INS/GPS система, принят на вооружение, еще, как минимум, 5 программ находится на этапе летных испытаний. Успешный опыт по созданию элементов INS/GPS системы имеют: американские фирмы Raytheon Missile Systems, ATK, Honeywell Aerospace и L3 Interstate Electronics Corporation, европейская фирма Atlantic Inertial Systems и израильская компания IMI.
Особенностью эксплуатации на борту УАС являются значительные ударные нагрузки (до 20 000g) и вибрации (20g rms). Так как УАС - это военное изделие, то предъявляются жесткие требования по температуре хранения и эксплуатации: для хранения от -550С до +850С, для работы от -400С до +850С. Это должно быть учтено при выборе элементной базы, при разработке конструкции и при составлении программ испытаний.
Класс точности применяемых в НС инерциальных чувствительных
0 3
элементов: для ММГ 100 /ч, для ММА 10" g (обе характеристики по вариации Алана).
При разработке алгоритмического обеспечения НС необходимо учитывать то, что блок чувствительных элементов располагается в носовой части УАС и то, что начальный участок полета происходит по баллистической траектории. Для перспективных образцов предполагается производить процедуру начальной выставки после выстрела в полете.
Список литературы
1. Боеприпасы точного наведения // Сборник научно-технической информации. Тула: Конструкторское бюро приборостроения, №1 (31), 2010. С. 70 - 120.
2. Гришин Ю. Пути совершенствования артиллерийского вооружения основных боевых кораблей ВМС США // Зарубежное военное обозрение. М: «Издательский дом «Красная звезда», №6 (771), 2011. С. 78 - 83.
3. Русинов В. Артиллерийские боеприпасы повышенной точности: история, состояние, развитие (часть 1) // Зарубежное военное обозрение. М: «Издательский дом «Красная звезда», №6 (783), 2012. С. 48 - 53.
4. Русинов В. Артиллерийские боеприпасы повышенной точности: история, состояние, развитие (часть 2) // Зарубежное военное обозрение. М: «Издательский дом «Красная звезда», №7 (784), 2012. С. 44 - 50.
5. URL: http://www.shipbucket.com/forums/viewtopic.php?p=24408
(Дата обращения 7.10.2013).
6. Dan Coskren, Tim Easterly, Robert Polutchko. Low-Cost GPS/INS Guidance for Navy Munitions Launches. URL: http://www.teknol.ru/trash/ guided munition 2112523357.pdf (Дата обращения 04.10.2013).
7. URL: http://www.baesystems-gyro.com (Дата обращения
17.12.2005).
8. Habibi S. Gun Hard Inertial Measurement Unit based on MEMS capacitive accelerometer and rate sensor. URL: http://www.colibrys.com. (Дата обращения 10.11.2010).
Богданов Максим Борисович, канд. техн. наук, доц., Россия, Тула, Тульский государственный университет
FEATURES OF CONSTRUCTION OF NAVIGATION SYSTEMS FOREIGN GUIDED MUNITIONS
M.B. Bogdanov
In this paper the examples of foreign programs to create guided munitions analyzed the characteristics of building their navigation systems.
Key words: guided munitions, navigation system.
Bogdanov Maksim Borisovich, candidate of technical science, docent, Russia, Tula, Tula State University
