CC BY
49Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(3), 266-274
yflK 623.762
Evaluation of the Effectiveness of Laser System Control the Direction of Scattering Damaging Elements of the Projectile with the Defeat of Air Targets
Vladimir V. Butuzov, Yuriy L. Koziratsky, Dmitri V. Prohorov and Roman G. Hilchenko*
Military Education and Research Centre of Military-Air Forces
«Military-Air Academy Named After Professor N.E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin» 54a Starykh Bolshevikov Str., Voronezh, 394064, Russia
Received 23.11.2017, received in revised form 10.10.2018, accepted 04.01.2019
Justified method of destruction of the aircraft-interceptor gun from the helicopter using the shell with the laser system control the direction of scattering damaging elements, an assessment of the effec-tiveness of this system.
Keywords: conflict "the helicopter - aircraft interceptor", laser control system, submunitions scattering, assessment of the effectiveness.
Citation: Butuzov V.V., Koziratsky Yu.L., Prohorov D.V., Hilchenko R.G. Evaluation of the effectiveness of laser system control the direction of scattering damaging elements of the projectile with the defeat of air targets, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(3), 266-274. DOI: 10.17516/1999-494X-0135.
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: vvbutuzov@yandex.ru
Оценка эффективности лазерной системы управления направлением разлета поражающих элементов снаряда при поражении воздушных целей
В.В. Бутузов, Ю.Л. Козирацкий, Д.В. Прохоров, Р.Г. Хильченко
Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил
«Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» Россия, 394064, Воронеж, ул. Старых Большевиков, 54а
Обоснован способ поражения авиационных комплексов перехвата пушечным вооружением вертолета с использованием снаряда с лазерной системой управления направлением разлета поражающих элементов, произведена оценка эффективности этой системы.
Ключевые слова: конфликт «вертолет - авиационный комплекс перехвата», лазерная система управления, разлет поражающих элементов, оценка эффективности.
Введение
Анализ войн и военных конфликтов последних лет показывает, что вопросы защиты вертолетов при решении ими различных боевых задач достаточно актуальны. При этом особую опасность для них представляют не только системы маловысотной ПВО, но и авиационные комплексы перехвата (АКП) [1]. Для борьбы с такими комплексами на вооружении современных вертолетов имеются средства ракетного и пушечного вооружения. Боеприпасы, используемые в пушечных установках вертолета, в сравнении с ракетным вооружением экономически выгоднее в использовании, однако их точность в силу отсутствия систем наведения существенно ниже точности управляемых ракет. Поэтому задача повышения эффективности применения пушечного вооружения вертолета по АкП представляется актуальной.
Целью настоящей статьи является обоснование способа поражения АКП пушечным вооружением вертолета с использованием снаряда (с осколочно-фугасной боевой частью (БЧ) с направленным полем разлета осколков) с лазерной системой управления направлением разлета поражающих элементов (ПЭ) и оценка эффективности этой системы.
Прототипом предлагаемого способа служит способ, предложенный в [2, 3]. Принципиальным отличием данного способа является полная автономность снаряда по принципу «выстрелил - забыл». Способ обеспечивает компенсацию ошибок наведения пушечной установки на цель (АкП) за счет выбора на траектории полета снаряда точки его подрыва. Для этой цели в состав снаряда включается дистанционный или неконтактный взрыватель [4], оценивающий пространственное положение снаряда относительно цели в процессе полета. В качестве снаряда можно рассматривать боеприпасы с осколочно-компрессионной боевой частью с направленным полем разлета осколков, например, за счет поворота снаряда перед подрывом БЧ вокруг продольной оси в сторону цели.
Основа неконтактного взрывателя - лазерная система управления направлением разлета ПЭ. Основные элементы системы: полупроводниковый лазер (ППЛ), матричный фотоприем- 267 -
ник (МФП), блок оценки дальности до цели, блок оценки угловых координат, блок определения угла сближения, при котором должна формироваться команда на отстрел. В процессе полета снаряда и его вращениявокругсвоейоси соскоростьюиМ) полупроводниковыйлазерформи-рует в направиенипцени непрерывное лазерное излучение, которое, отражаясь от АКП, попадает на вход матричнкрвфнтопноемвопа в видеиктяльсаоптическовоиохгучения. При этом конструктивное размещткрвППЛоскарядео фтрмируемте ламсрлао иеличеоиксзоиинной расходимостью луча с учетом вращения снаряда вокруг своей оси должны обеспечивать угловой рабочий сектор 2ауст (где ауст - конструктивно установленный на снаряде угол отстрела поражающих элементов). По принимаемым матричным фотоприемникам в моменты времени /1 и /2 импульсам (рис. 1В пуоилвлдфтоо оцинка текущей дапвонрти до АКП (от снаряда) М и Г>р Пй измерение текущих угловыхкоординлв на ФКП ротносителсоо снтуяуа) аь а2 [6-8] и определение угла сближени , при котором должна формироваться команда на отстрел.
Ограничения и допущения, принимаемые при разработке и оценке эффективности данного способа:
1. Стрельба (поражение) осуществляется на встречных курсах.
2. Значения скоростей снаряда и АКП, а также период оборота (вращения) снаряда постоянны.
3. Минимальное количество измерений - 2.
4. При попадании АКП в зону активной локации системы должно выполняться условие: и(0 ■ Т > 2, где Т - период оборота (вращения) снаряда.
С учетом вышесказанного скорости изменения угла сближения и дальности (расстояние от ППЛснарядадо АКП) южно представить в виде т-шпений:
где а1, а2 - угловые координаты АКП (относительно снаряда), измеренные в моменты времени и /2 соответственно; Б1, Б2 - дальности до АКП, измеренные в моменты времени ^ и /2 соот-ветственнд.
Введем в ррссматре ние время иненкидннос ти фарддрования взрыва т„ и спорость по лета облака поражающих элрдедоов геиэ.
Определение момента подрыва боевой части снаряда
а -а =—2-1
T
T
АКП
траектория полета снаряда
<-
t
h снаряд
Рис. 1
Fig. 1
Тогдауголсближения, при котором должна формироваться команда на отстрел,
ас - (Х2_
от уст
Т
D„
\
■ + т„
(1)
где ауст - конструктивно установленный на снаряде угол отстрела поражающих элементов; £>иэ - дальность полета поражающих элементов от сяаряда доАКП.
Дальность споета ацражающих энементовот янаряда до АКП £>°оцжноопределить как
Dm = A +D (t3-t^
(2)
где t3 -моментвремениформирования облакапоражающихэлементов.
Еслипоследнееизмерениедальности быловыполненовмоментвремени t2, а t3 - t2 = T, то
Dns = D + D (t3 -t2) = D + D T = 2D2 - ц. (3)
С учетом выражений (1), (3) и зависимости анОот времени получим следующее соотношение:
ср<;к)(е) = се -сР(Я)
от V ' уст V '
( 2D(t)-D(t-T) + ^ ^
(4)
позволяющее, задаваясь параметрами снаряда, рассчитывать по результатам оценки текущих дальности и угла сближения по двум текущим измерениям в моменты времени t — Т и / угол сближения,при которомдолжна формироватьсякомандана отстрел.
При рассмотрении эпизода стрельбы пушечным вооружением вертолета по АКП на встречных курсах проведены расчеты для следующих исходных данных: скорость снаряда ис = 1000 м/с; скорость АКП иа = 250 м/с; дальность выстрела 500 м; ошибка прицеливания 0,5 град; оиэ = 2000 м/с; ги = 0,01 с; ауст = (з0 град; Т= 4мс.
На рис. 2 предмтавлены графики зависимостмй угла сближения, при котором должна формироваться ко манду на ртстрел,и текущегоугласйлижения саарядас ц/лью от времани.
a[l(t) 5 ait),60
град
45 30 Ii о
0.3 031 DL32 0.33 0.34 0.3Й 0.37 0.38 0.39 0.4
t с
Рис. 2 Fig. 2
( \
«с га(0 \
у
a If) А
В соответствии с полученными результатами угол сближекия, при котором должна формироваться команда наоострсл,привышчуказанлч1х еолчдных данчетх должен быть равен ру град, к в^мр оострела - т,3°7 с (переостслие оаоосимостей на рис. 2).
Задачапрогнозированияугласближенияснаряда и АКП
Одаакс о^оидно, что °чсчстыу испосоеованиемвьфаженияу^будутдавать существен-лчсе ошнбки, итуслооленноееслачимымуосс1ичяпием ссоростс иимененсо сближения а(г) поме^ пpинлижуиия сзартда со целп. Пкэтому сочя повышсниотсчнеооиопределения угла сбложенса а^У) необходимо уменьшение периода формирования зондирующих импульсов ППЛ Н При эзсм срществуиит определенчые рграничения в вооможнемти умснсазения периода формированиязондирующих импульсов ППЛ И, обетлотиенные иеряодом (оборста) вращения снаряда и его конструкционными особенностями. Поэтому возникает задача прогнозирования угла сближения а(/).
Для решенмя этой тадичм примем дощ^ение о том, итр тшибкав.ицелрстаия на протяжении полета снаряда остается постоянняй (т.е. транкторлв полнттв снеряра и АКП параллельны). Тооли, ргшая наиложную геомимричесаию ооптиув получим следующее соотноше-
da(t) dt
1 dD(t) D(t) dt
tga(t).
(5)
Решая дннное дифференциальноя 5^]эавение для начальных условий aB4,D4o), где t0 - момент выстрела, полечим с^^ф^^нце^ вьнражениндляпрогназаугла сближения снаряда и АКП:
апр (t) = arcsin
sina(f0 )• D(to0 D(t)
(6)
Ввиду того, что траектория сн арядо нели нейная, в о знивают расхождения полученной пр о-гнозной зависимости с реальной а(р) (особенно на конечном участке, рис. 3). Кроме того, необходим также прогноз дальности лсу)).
Дляаппроксимацииугласближения позлн^1^{^ук^1цлмдн^1МРДсамПП^Лс фикслрс влнным периодом Т ( > 4)можетбыть получено следующее выражение:
«rtpfft,
o.(t\
град
aap(t)
ш-
a(t)
1
м> Ф .......ы Т Т Т 'I
0 3 032 034 036
0.3S
t с
Рис. 3 Fig. 3
- Н7С-
anp (t) = arcsin
sin a (4 )D(tk )
D(t ) + Dfc >- D(t - T> (t - tk )
(7)
где tk = 0, T,2T... -времяприемазондирующихимпульсов; t- текущеевремя.
Результаты расчетов с использованием выражения (7) представлены на рис. 4. Прогнозирование угла сближения a(t) с учетом его аппроксимации в текущий момент времени (выиаисесис (7)) позволсее рассчитываоьсремя отстроле снзряда следующим образом:
D
t = t--пэ-т
пр n п
и
(8)
где t„ -прогнозируемоевремяпораженияцелипри a(t) = ауст, т„ = 0и т„э = Dm /ипэ = 0 (рис. 5). Извыражения (7) получим
tn = tk + T
Dptk ) [sin a(tk )- sinaycm ] [[) - D(tk - T)] sin ayCm '
(9)
В выражении (8) дальность полета поражающих элементов от снаряда до АКП в момент подрываснарядаможетбытьопределенаследующим образом:
Dro (С ) = D(tk ) +
D(tk ) - D(tk - T)
(t„ - tk).
(10)
Решая систему уролненой (8), (9),(10), окончетельнополуоимвыражение для определения времени аллуыра салртао на оунола лдогиоза даленосои оо ц^у^гв и угла сблаженин енаряде и цели:
gk+ T
tp (tk ) =-
D(tn )^sina(tD )- sin aD ] DD() + t D (tk ) - D(tk - T ) [[)-D (tk-T)]sinaycm vns +k Tvm
--T„
1+
D(tk ) - D(tk - T)
Тиэ
-. (11)
«пр ifl,
äff),
град
20
1 1 1 1 1 1 «прЮ /
a((i
~r iT Î^T^T^ 1
0J7 0.375 0.3S 0.335 0.39 0.395 f c
Рис. 4 Fig. 4
у;:!
t
Рис. 5 Fig. 5
tnp (ifcl
С
0L3711 03709 03706 03704 0.3702 0.3"
с
Рис. 6 Fig. 6
Всоотввтствиис яыраженинм(11) яам укозоиныхвыше исходных данных были произведены расчеты и получен график зависимости прогнозируемого времени подрыва снаряда от времени приема зондирующих импульсов (рис. 6).
На рис. 7 представлена функциональная схема имитационной модели, реализующей вычисления в соответствии с полученным выражением (11).
Иошоациоанаямодель процесеа овредялсния ваемоаег подрыва боевой части снартеоиуглесближенвя анарядт ицелт
Пвтаположим,чтоошиОквопредааевияуглас блилааия итекущеИдалсуостиелтменты времени tk = 0, T, 2T... распределены по нормальному закону со среднеквадратическим отклонением (СКО) 0,02 рад и 0,2 м соответственно.
В результате имитационного моделирования (число измерений 500) были получены статистические значения ошибок оценки момента времени, при котором должна формироваться команда на отстрел, представленные в виде гистограммы на рис. 8. При нормально распределенных ошибках оценок угловых координат и дальности математическое ожидание ошибки оценки времени отстрела тА,пр составило - 3,7 ■ 103 с, а СКО - 4,5 ■ 103 с.
- 272 -
t
на подрыв
г — trtp
\ \
\
'1 0.13 ÜL17 0.2 0.23 0.27 0.3 0.33 0J7 + „
Lk>L
Рис. 7 Flg. 7
Рис. 8 Flg. 8
Заключение
Таким образом, обоснован способ поражения авиационных комплексов перехвата пушечным вооружением вертолета с использованием снаряда с лазерной системой управления направлением разлета поражающих элементов. Получено выражение для определения времени подрыва снаряда на основе прогноза дальности до цели и угла сближения снаряда и цели. Разработана имитационная модель оценки момента времени, при котором должна формироваться команда на отстрел поражающих элементов в направлении цели. Произведена оценка эффективности предложенной лазерной системы управления.
Список литературы
[1] Козирацкий Ю.Л., Бутузов В.В., Хильченко Р.Г. Живучесть вертолетных комплексов армейской авиации как один из основных факторов повышения боевых возможностей ударных вертолетных групп, Военная мысль, 2017, 4, 19-25 [Kozirazkiy Yu.L., Butuzov V.V., Hilchenko R.G. Survivability of helicopter complexes for army aviation as one of the main factors of increasing the combat capabilities of strike helicopter groups, Voennaya mysl, 2017, 4, 19-25 (in Russian)].
[2] Козирацкий Ю.Л., Кулешов П.Е., Прохоров Д.В., Хильченко Р.Г. Лазерная система управления направлением разлета поражающих элементов снаряда при поражении дистанционно-пилотируемого летательного аппарата, Вестник ВВА, 2015, 3(24), 166-169 [Kozirazkiy Yu.L., Kuleshov P.E., Prohorov D.V., Hilchenko R.G. The laser system control the direction of submunitions scattering of the projectile with the defeat of remotely piloted aircraft, Vestnik VVA, 2015, 3(24), 166-169 (in Russian)].
[3] Бутузов В.В., Козирацкий Ю.Л., Кулешов П.Е., Прохоров Д.В. и др. Патент на изобретение RU № 2610734 С2, F42B 15/01, Способ поражения малогабаритных летательных аппаратов. Роспатент, 2015 [Butuzov V.V., Kozirazkiy Yu.L., Kuleshov P.E., Prohorov D.V., Method of destruction of small aircraft, Patent for invention RU No. 2610734 C2, F42B 15/01, 2015, (in Russian)].
[4] Бабкин А.В., Сухарь И.М., Велданов В.А., Грязнов Е.Ф. и др. Средства поражения и боеприпасы, М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008, 982 с. [Babkin A.V., Suhar I.M. Veldanov V. A., Gryaznov E.F. Weapons and ammunition, Moscow: Publishing house of MGTU named after Bauman, 2008, 982 p. (in Russian)].
[5] Козирацкий Ю.Л., Прохоров Д.В., Курьянов И.Ю., Кулешов П.Е. Алгоритм оценки дальности до движущегося воздушного объекта, Радиотехника, 2014, 9, 73-75 [Kozirazkiy Yu.L., Prohorov D.V., Kuryanov I.Yu., Kuleshov P.E. The algorithm for estimating the distance to a moving air object, Radiotechnics, 2014, 9, 73-75 (in Russian)].
[6] Козирацкий Ю.Л., Прохоров Д.В., Казаков В.С., Кусакин А.В. Алгоритм совместной оценки положения и времени прихода пуассоновского изображения цели и его эффективность в условиях помех, Радиотехника, 2012, 5, 102-106 [Kozirazkiy Yu.L., Prohorov D.V., Kazakov V.S., Kusakin A.V. The algorithm combines estimates of the position and time of arrival of the Poisson image goals and its effectiveness in conditions of interference, Radiotechnics, 2012, 5, 102-106 (in Russian)].
[7] Козирацкий Ю.Л., Паринов М.Л., Прохоров Д.В., Кильдюшевский В.М. Модель процесса определения координат наземных объектов, Радиотехника, 2012, 5, 61-64 [Kozirazkiy Yu.L., Parinov M.L., Prohorov D.V., Kildyushevskiy V.M. Model of the process of definition of coordinates of ground objects, Radiotechnics, 2012, 5, 61-64 (in Russian)].
[8] Козирацкий А.Ю., Кулешов П.Е., Паринов М.Л. Модель процесса функционирования кодового фотоприемника в режиме определения угловых координат источника излучения, Информатика: Проблемы, методология, технологии: Материалы VI международной научно-методической конференции. Воронеж: ВГУ, 2006, 178-181 [Kozirazkiy Yu.L., Kuleshov P.E., Parinov M.L. The model of the functioning of the code of the sensor in the mode of determining the angular coordinates of the radiation source, Informatics: Problems, methodology, technologies, Proceedings of the VI international scientific-methodical conference, 2006, 178-181 (in Russian)].
