CC BY
66Совершенствование методов учета параметров атмосферы при применении неуправляемых авиационных средств поражения
Полковник в отставке В.А. ПОДРЕЗОВ, доктор технических наук
Подполковник в отставке С.А. ЕЛИСЕЙКИН, кандидат технических наук
АННОТАЦИЯ
ABSTRACT
Показаны оценки влияния вариаций метеорологических параметров на рассеивание точек падения неуправляемых авиационных средств поражения (бомб, снарядов, неуправляемых ракет). Оценки получены с учетом пространственной изменчивости метеопараметров и сезонного фактора.
The paper cites estimates of the effect of weather parameter changes on dispersion of drop points of unguided aviation means of destruction (bombs, projectiles, free-flight missiles). The estimates were obtained considering the spatial variability of meteorological parameters and the season factor.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
KEYWORDS
Атмосфера, метеопараметры, модель, вариации, полет, неуправляемое авиационное средство поражения, рассеивание.
Atmosphere, weather parameters, model, variations, flight, unguided aviation means of destruction, dispersion.
ВАРИАЦИИ параметров атмосферы являются одним из факторов, вызывающих рассеивание траекторий неуправляемых авиационных средств поражения (обобщенное наименование — неуправляемых авиационных изделий (НАИ)) относительно номинальных. Влияние метеофакторов зависит от массово-аэродинамических характеристик изделий, параметров траектории, географических условий боевого применения, сезонного фактора, т. е. носит весьма сложный характер1.
Интерес представляют результаты исследований влияния метеофакторов на рассеивание условных авиабомбы, авиаснаряда и неуправляемой авиационной ракеты (НАР), близких по своим характеристикам к современным об-раздам. В ходе исследований использо-
вана глобальная база метеоданных по многолетним статистическим характеристикам метеопараметров: средним (климатическим) значениям, вариациям относительно средних, взаимным корреляционным связям метеопараметров на различных уровнях2.
Основные результаты исследований представлены в таблицах 1—3, в которых показаны систематические и «случайные» отклонения точек падения неуправляемых авиационных изделий по дальности и в боковом направлении. Систематические отклонения точек падения обусловлены отличием средних многолетних (климатических) значений метеопа-
раметров от стандартных3, т. е. определяются регулярными факторами. «Случайные» отклонения точек падения (серединные отклонения) формируются кратковременными вариациями метеопараметров относительно их средних многолетних значений. Предельные отклонения точек падения соответствуют уровню вероятности т ± 45.
Таблица 1
Характеристики рассеивания авиабомб из-за метеофакторов (средние широты, У0 = 250 м/с, 0О = 0°, АС = 270°), м
Высота применения, км Январь Июль
mL SL |ALnp| mz SZ |А2Пр| mL SL |Д£р| mz SZ |Д*пр|
5 -162 108 594 27 58 259 -49 73 341 -12 48 204
3 -105 64 361 20 33 152 -5 48 197 -8 27 116
1 -49 23 141 10 11 54 17 18 89 -3 9 39
Таблица 2
Характеристики рассеивания авиационных снарядов из-за метеофакторов (средние широты, V0 = 800 м/с, 0О = -30°, АС = 270°), м
Высота применения, км Январь Июль
mL SL |^пр| mz SZ mL SL |^пр| mz SZ
5 -124 84 460 31 57 259 -18 61 262 -13 50 213
3 -60 37 208 19 28 131 6 26 110 -7 22 95
1 -4 4 20 3 3 15 1 3 13 -1 2 9
Высота применения, км Январь Июль
mL SL mz Sz mL SL mz Sz |AZJ
5 -3 42 171 -20 150 620 76 31 200 27 117 495
3 22 53 234 -46 98 438 63 42 231 31 83 363
1 29 45 209 -36 40 196 7 28 119 14 30 134
Таблица 3
Характеристики рассеивания неуправляемых авиационных ракет из-за метеофакторов (средние широты, У0 = 700 м/с, 00 = -30°, АС = 270°), м
Примечание к таблицам № 1, 2 и 3: mL, mZ — математические ожидания отклонений точек падения НАИ по дальности и в боковом направлении; SL, SZ — серединные отклонения...; |ALn |, |AZ | — предельные по модулю отклонения.
Условия применения: для авиабомбы — скорость самолета V0 = 250 м/с, горизонтальный полет (начальный угол вектора скорости авиабомбы 90 = 0°). Начальная скорость авиаснаряда V0 = 800 м/с, пикирование с углом 30° (угол наклона вектора скорости к горизонту 90 = -30°). Скорость неуправляемой авиационной ракеты в конце активного участка траектории V0 = 700 м/с, что соответствует ее применению с вертолетов. Во всех случаях направление бомбометания (стрельбы) — «восток—запад» (азимут применения АС = 270°).
Из данных таблиц 1—3 следует, что предельные отклонения точек падения для рассматриваемых условий могут составлять несколько сотен метров. Эти отклонения существенно зависят от высоты применения. Отсюда вывод: использование модели стандартной атмосферы совершенно недостаточно для баллистического обеспечения применения неуправляемых авиационных изделий.
В ходе исследований отмечены некоторые частные закономерности. Для авиабомб наибольшее влияние вариаций метеопараметров на рассеивание точек падения имеет место в верхних слоях атмосферы по траектории движения. Для авиаснарядов и неуправляемых авиационных ракет это влияние по траектории движения распределено более равномерно. С уменьшением начальной скорости авиабомбы существенно снижаются величины отклонений точек падения, т. е. для вертолетов рассеивание авиабомб меньше.
По времени активный участок траектории движения неуправляемой авиационной ракеты весьма незначителен (порядка секунды), однако влияние вариаций метеопараметров на этом участке может быть сравнимо и даже превышать их влияние на пассивном участке траектории (табл. 4). Это связано с тем, что в момент схода ракеты с направляющих, когда скорость ветра может быть сравнима с ее собственной скоростью, образуются существенные углы атаки и скольжения. Сложное пространственное движение ракеты относительно центра масс приводит к появлению дополни-
тельных проекций реактивной тяги на оси координат, отклонению траектории от номинальной и рассеиванию точек падения. На рисунке 1 показана зависимость от времени полета на активном участке траектории величин углов атаки, скольжения и нутации НАР для варианта — «боковой ветер скоростью 30 м/с» (высота применения с вертолета — 1000 метров).
В целом суммарные отклонения точек падения формируются в результате сложного взаимодействия различных метеофакторов (плотность воздуха, продольный ветер, боковой ветер) как на активном, так и на пассивном участке траектории. По данным таблицы 4 видно, что суммарные «случайные» отклонения точек падения в боковом направлении меньше, чем за счет активного участка траектории. Это говорит о том, что влияние бокового ветра на активном и пассивном участках траектории всегда взаимно компенсируется (на активном участке ракета всегда поворачивается в сторону «откуда дует ветер», на пассивном участке она сносится «по ветру»).
В настоящее время в большинстве случаев при проведении баллистических расчетов и определении точек падения НАИ используются параметры стандартной атмосферы, ветровое воздействие на движение НАИ не учитывается. Однако, по данным открытых источников, в последнее время начинает осуществляться переход к учету в процессе прицеливания НАИ фактических значений параметров атмосферы в районе применения. Реализация такой технологии
Таблица 4
Характеристики рассеивания неуправляемых авиационных ракет из-за влияния метеофакторов на активном и пассивном участках траектории (средние широты, январь, У0 = 700 м/с, 0О = -30°, АС = 270°), м
Высота применения, км По дальности По боку
т]к т* V т/ т/ V
5 -3 133 -124 42 119 89 -20 -52 30 150 216 66
3 22 88 -60 53 95 43 -46 -69 22 98 129 30
1 29 34 -4 45 49 4 -36 -39 3 40 44 3
Примечание: т1, 81, т2, 8г — суммарные статистические характеристики (математические ожидания и серединные отклонения) отклонений точек падения НАР по дальности и в боковом направлении; т[А , БА , тгА , 8гА — статистические характеристики, обусловленные вариациями метеопараметров на активном участке траектории; т1п , , т2П , 8^ — статистические характеристики, обусловленные вариациями метеопараметров на пассивном участке траектории
Рис. 1. Зависимость угловых параметров неуправляемой авиационной ракеты от времени полета на активном участке траектории (вариант — «боковой ветер»)
требует решения сложных задач как по методам высокоточного инструментального измерения метеопараметров, так и по методам расчета (прогнозирования) значений метеопараметров на тех высотах, где измерения не проводились.
С учетом представленных выше результатов может быть предложена следующая схема последовательного повышения точности учета метеофакторов при баллистическом обеспечении применения НАИ, включающая этапы: 1 — модель стандартной атмос-
феры; 2 — глобальная модель средних месячных значений метеопараметров; 3 — учет фактических значений метеопараметров на основе предварительных наземных измерений; 4 — учет фактических значений метеопараметров на основе их текущих инструментальных измерений на борту самолета (вертолета) непосредственно в процессе боевого применения.
Использование модели стандартной атмосферы является наиболее простым и логичным путем учета метеофакторов при баллистическом обеспечении боевого применения НАИ. Реализация такого подхода требует лишь размещения в памяти бортовой цифровой вычислительной машины (ЦВМ) зависимости величины термодинамических параметров атмосферы (давление, плотность, температура) от высоты в пределах ее требуемого диапазона. Однако при этом точность баллистических расчетов невелика. Эта точность может считаться удовлетворительной для высот боевого применения 1000 метров и ниже. При увеличении высоты применения существенно возрастают отклонения точек падения из-за влияния метеофакторов.
Логичным путем повышения точности учета метеофакторов при баллистическом обеспечении НАИ является переход к использованию глобальных моделей средних многолетних (климатических) значений метеопараметров. При этом размещение в памяти бортовой ЦВМ исходных архивов метеоданных в узлах регулярной сетки для различных сезонов (месяцев) года не представляется возможным из-за их большого объема и дефицита защищенной памяти. Поэтому единственным путем является размещение здесь соответствующей модели — глобальной аналитической аппроксимации зависимости средних месячных значений метеопараметров от высоты, широты
и долготы, номера текущего месяца. Противоречивые требования к такой модели заключаются в том, что необходима максимальная точность расчета средних метеопараметров при минимальном объеме собственных данных модели и простейшем алгоритме их расчета. Логичным путем выполнения этих требований является построение такой модели только для минимально необходимого диапазона высот применения.
Учет при баллистических расчетах средних многолетних (климатических) значений метеопараметров позволяет исключить систематические отклонения точек падения, обусловленные действием регулярных факторов, связанных с географической изменчивостью и сезонным фактором. При этом остаточные отклонения точек падения будут обусловлены только «случайными» (кратковременными) вариациями метеопараметров относительно их средних месячных значений. В таблицах 5—7 показано соотношение доли регулярных и «случайных» факторов в глобальной изменчивости метеопараметров. Эти данные получены непосредственно на основе большого объема данных аэрологических измерений метеопараметров в различных точках Земного шара. Как видно, пространственно-временная изменчивость плотности воздуха по большей части определяется регулярными факторами, доля «случайной» составляющей примерно равна 20 %. Для зонального ветра доли регулярной и «случайной» составляющих примерно соизмеримы. Изменчивость меридионального ветра практически полностью определяется «случайными» факторами.
Представленные выше результаты баллистических расчетов для НАИ в целом подтверждают, что систематические и «случайные» отклонения точек падения примерно соизмеримы.
Таблица 5
Доля регулярной и «случайной» составляющих в общей пространственно-временной изменчивости плотности воздуха, %
Высота, км 0 0—5 0—10 0—20
Вид составляющих (рег., случ.) «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С»
Географическая зона Земной шар 91 9 88 12 82 18 93 7
Северное полушарие 93 7 89 11 83 17 93 7
Тропические широты 95 5 95 5 92 8 98 2
Средние широты 84 16 78 22 69 31 82 18
Полярные широты 93 7 89 11 83 17 89 11
Россия 91 9 86 14 79 21 85 15
Таблица 6 Доля регулярной и «случайной» составляющих в общей пространственно-временной изменчивости зонального ветра, %
Высота, км 0 0—5 0—10 0—20
Вид составляющих (рег., случ.) «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С»
Географическая зона Земной шар 18 82 41 59 53 47 66 34
Северное полушарие 13 87 35 65 48 52 61 39
Тропические широты 39 61 48 52 63 37 70 30
Средние широты 7 93 44 56 57 43 69 31
Полярные широты 4 96 16 84 23 77 36 64
Россия 5 95 30 70 41 59 57 43
Таблица 7 Доля регулярной и «случайной» составляющих в общей пространственно-временной изменчивости меридионального ветра, %
Высота, км 0 0—5 0—10 0—20
Вид составляющих (рег., случ.) «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С» «Р» «С»
Географическая зона Земной шар 13 87 5 95 4 96 7 93
Северное полушарие 11 89 6 94 6 94 10 90
Тропические широты 26 74 10 90 7 93 10 90
Средние широты 9 91 7 93 7 93 9 91
Полярные широты 6 94 4 96 5 95 10 90
Россия 8 92 6 94 6 94 13 87
Таким образом, переход от модели стандартной атмосферы к использованию глобальной модели средних месячных метеопараметров обеспечивает существенное повышение точности баллистических расчетов, при этом реализация такого подхода к учету метеофакторов является чисто алгоритмической (не требуется разработка каких-то новых технических средств измерений).
Следующим по точности этапом повышения детальности учета метеофакторов при применении НАИ является использование фактических параметров атмосферы, измерения которых проведены заблаговременно наземными средствами измерений. Например, это может быть аэрологическое зондирование атмосферы на аэродроме базирования. Значения фактических метеопараметров размещаются в памяти бортовой ЦВМ и используются при прицеливании НАИ непосредственно в районе применения. В такой схеме учета метеофакторов главными являются вопросы: с какой точностью необходимо проводить измерения вертикальных профилей метеопараметров? как будут влиять на точность баллистических расчетов такие факторы, как расстояние от места наземных измерений до района применения и временное «старение» информации?
Наиболее эффективным способом учета метеофакторов при баллистическом обеспечении НАИ является проведение инструментальных измерений на борту самолета (вертолета) непосредственно в районе применения. Однако при этом имеется много технических вопросов: как обеспечить требуемую высокую точность измерений метеопараметров на борту на всех высотах в условиях жесткого лимита времени? как обеспечить измерение бокового ветра (продольный ветер измеряется по датчику давления набегающего пото-
ка)? и др. Наиболее предпочтительным вариантом является проведение инструментальных измерений только на высоте применения и высотное прогнозирование метеопараметров до поверхности Земли. Алгоритмы такого прогнозирования должны сочетать высокую точность с простейшей формульной схемой расчета.
Наиболее простой прогноз изменения метеопараметров по высоте может быть построен на основе данных об их взаимных корреляционных связях на различных уровнях. Эти коэффициенты корреляции рассчитываются применительно к вариациям метеопараметров относительно их средних месячных значений. Поэтому наиболее доступный прогноз изменения метеопараметров с высотой можно сделать для их отклонений от средних. На рисунке 2 показаны обобщенные характеристики зависимости коэффициентов корреляции плотности воздуха и скорости ветра от интервала между высотами. Когда этот интервал превышает 3000 метров, коэффициенты корреляции становятся незначительными. Поэтому может быть предложена следующая логика высотного прогнозирования: измеряется значение метеопараметра на высоте применения, ниже по высоте на 3000 метров значение этого метеопараметра считается равным среднему месячному, в промежутке между этими высотами — обычная линейная интерполяция. Другими словами, средние месячные значения метеопараметров «подстраховывают» оперативные инструментальные измерения на тех высотах, где имеет место полная неопределенность в значениях метеопараметров (применительно к скорости ветра такой прогноз показан на рисунке 3). Необходимо отметить, что в этой схеме прогноза средние многолетние значения метеопараметров (математические ожидания, средние квадратические отклонения) могут
быть использованы для верификации инструментальных измерений. Инструментальное измерение считается достоверным, если значение метеопараметра попадает в интервал между предельными значениями средних квадратических отклонений (т - 3а, т + 3а). Выход за этот интервал означает практически наверняка, что результат измерения метеопараметра
инструментальными средствами является недостоверным.
В заключение представлены характеристики точности учета метеофакторов при расчете дальности точек падения всех рассматриваемых НАИ для всех предлагаемых вариантов учета метеопараметров при расчетах на борту самолета (табл. 8).
Рис. 2. Зависимость коэффициентов корреляции метеопараметров от высотного интервала
Рис. 3. Прогноз высотного изменения скорости ветра, основанный на комплексировании оперативных измерений и климатической (средней многолетней) информации
Таблица 8
Предельные отклонения точек падения НАИ по дальности для различных вариантов подготовки метеоданных, м
Неуправляемое авиационное изделие Авиабомба Неуправляемая авиационная ракета Авиаснаряд
Подготовка метеоданных Стандартная атмосфера 601 466 192
Глобальная модель средних месячных параметров атмосферы 428 348 136
Заблаговременные оперативные измерения метеопараметров 56 49 19
Оперативные измерения метеопараметров на борту 14 13 6
Наиболее эффективным способом учета параметров атмосферы при баллистическом обеспечении неуправляемых авиационных изделий является проведение инструментальных измерений на борту самолета (вертолета) непосредственно в районе его боевого применения.
Эти характеристики соответствуют условиям средних широт и зимнего сезона (январь). Высота применения составляет: для авиабомб и неуправляемых авиационных ракет — 5000 м, для авиаснарядов — 3000 м, азимут бомбометания (стрельбы) — 270°. Точность оперативных метеоизмерений на всех высотах: по плотности воздуха — 1 %, по температуре — 1° С,
ПРИМЕЧАНИЯ
1 Постников А.Г. Внешняя баллистика авиационных неуправляемых снарядов. М.: ВВИА им. профессора Н.Е. Жуковского, 2003. 396 с.
2 Глобальная справочная модель атмосферы на высотах от 0 до 100 километров для баллистического обеспечения ракетно-космической практики.
по ветру — 1 м/с, горизонтальное расстояние между местом измерений и районом применения — 200 км, временная задержка — 1 час.
Более подробно и глубоко вопросы, изложенные в данной статье, освещены в работе С.А. Елисейкина, В.А. Подре-зова «Моделирование и учет параметров атмосферы при применении неуправляемых авиационных изделий»4.
Королев: 4 ЦНИИ Минобороны России, 2016. 98 с.
3 ГОСТ 4401-81. Атмосфера стандартная. Параметры. М.: Изд-во стандартов, 1981. 180 с.
4 Елисейкин С.А., Подрезов В.А. Моделирование и учет параметров атмосферы при применении неуправляемых авиационных изделий. Обнинск: ФГБУ «ВНИИГМИ-МЦД», 2019. 212 с.
