CC BY
30
УДК 623.55.025
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-352-356
ЗОНА СТРЕЛЬБЫ КОРАБЕЛЬНОЙ ЗЕНИТНОЙ АРТИЛЛЕРИИ (ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ)
П.Н. Мельников
В работе проведен анализ факторов, влияющих на размеры и конфигурацию зоны стрельбы корабельного артиллерийского зенитного комплекса, предложен укрупненный алгоритм расчета зонных параметров.
Ключевые слова: зона стрельбы артиллерии.
Определение момента возможного начала обстрела цели зенитной артиллерией является ключевым в решении задачи обороны корабля этим видом вооружения в конкретных условиях воздушного нападения противника. Открытие огня - это одна из заключительных стадий в технологической цепочке боевой работы комплекса (далее следует только стадии реализации циклограммы стрельбы, оценки результатов произведенной стрельбы и принятия решения на окончание или продолжение проведения повторного обстрела).
Необходимым условием для принятия решения: цель в зоне (или не в зоне) обстрела артиллерийской установки, является определение факта: долетит (или не долетит) снаряд до места нахождения цели, будучи выпущенным в текущий момент времени. Иными словами, необходимо определить - преодолеет или нет снаряд конкретное расстояние, в конце которого находится цель. Если точка стояния орудия и цели располагаются на плоскости горизонта, то производя выстрелы при все увеличивающемся вертикальном угле наведения орудия, дальность падения снаряда сначала будет возрастать, а затем начнет уменьшаться. Таким образом, существует максимальная горизонтальная дальность полета снаряда, преодолеть которую снаряд не в состоянии. При стрельбе в нормальной атмосфере максимальная горизонтальная дальность полета снаряда достигается, если вертикальный угол наведения орудия лежит в районе 45 ± А градусов (величина А зависит от калибра, формы и начальной скорости снаряда). Существует максимально возможная дальность полета снаряда и для более общего случая зенитной стрельбы, когда точка стояния орудия и цель располагаются в наклонной к горизонту плоскости. При этом максимально возможная дальность полета снаряда на наклонную плоскость будет уменьшаться с увеличением высоты нахождения цели. При нахождении цели над артиллерийской установкой максимальная дальность полета уменьшится примерно на четверть от максимальной дальности полета снаряда при горизонтальной стрельбе [1].
Однако зенитное орудие не может стрелять в зенит. Максимальный вертикальный угол наведения ограничен конструкцией зенитного комплекса и, как правило, не превышает 85 градусов, поэтому в диапазоне углов возвышения орудия 85-90 градусов располагается так называемая «мертвая воронка». Форма зоны досягаемости орудия (разрез в вертикальной плоскости) приведена в работе [1], где область ОВМБ представляет разрез мертвой воронки (рис. 1).
Рис. 1. Зона досягаемости зенитного орудия
Конструкция зенитного артиллерийского комплекса в корабельном исполнении позволяет опускать орудие ниже горизонта, таким образом, угол наведения может принимать отрицательные значения вплоть до (-10) -(-15) градусов.
Как правило, не вся зона досягаемости, а только ее часть, включается в зону стрельбы зенитного орудия. Влияет на формирование внешней границы зоны стрельбы тип применяемого снаряда. Снаряды осколочно-фугасные, снаряженные ударным взрывателем и дистанционной трубкой, само ликвидируются (подрываются) при достижении определенного времени полета. Самоликвидация наступает раньше достижения снарядом предельной дальности. Значение времени самоликвидации указывается в технической документации на снаряд. Бронебойные снаряды не снаряжаются самоликвидатором, поэтому их зона стрельбы формируется, исходя из всей зоны досягаемости снаряда. Самоподрыв промахнув-
шихся снарядов позволяет минимизировать ущерб, который может принести зенитная стрельба собственной обороняемой территории. Возможный ущерб от падения промахнувшихся снарядов при зенитной обороне на море существенно меньше чем на суше. Снаряды и их осколки, как правило, упадут в воду, не причинив вреда собственным обороняемым объектам.
Корабельные надстройки не позволяют вести круговую оборонительную стрельбу в горизонтальной плоскости. Чтобы расширить зону применения орудия, его устанавливают на носу, на корме или по борту корабля. Стрельба разрешена только в строго установленном секторе по горизонту и вертикали, причем величина сектора в горизонтальной плоскости и его расположение относительно диаметральной плоскости корабля может зависеть от величины вертикального угла наведения орудия. При одном вертикальном угле наведения орудия возможно назначение нескольких секторов разрешения стрельбы, сочетающихся со смежными секторами запрета стрельбы. Это дробление секторов характерно для отрицательных вертикальных углов наведения орудия. Диаграмма разлета стреляных гильз, а также фрагментов конструкции подкалиберных снарядов может учитываться при назначении ограничений зоны стрельбы, связанных с размещением орудия на корабле. С целью предотвращения ухода приводов наведения в зону запрета стрельбы в конструкцию зенитного орудия включаются концевые выключатели и жесткие упоры (правый, левый, верхний, нижний).
Зенитное артиллерийское орудие жестко фиксируется на палубе корабля. Однако палуба совершает сложные наклонные и деформационные движения, вызванные морской качкой (даже когда корабль стоит на якоре). Зона разрешения стрельбы перемещается вместе с кораблем относительно неподвижного пространства, связанного с землей. Суммируя выше сказанное можно заключить, что зона разрешения стрельбы корабельного зенитного артиллерийского орудия формируется из зоны досягаемости снарядов путем ее усечений, вызванных условиями срабатывания самоликвидатора, а также конструктивными ограничениями орудия и корабля. Зона разрешения перемещается вместе с кораблем, а также совершает сложные колебательные движения, вызванные морской качкой.
Для зенитных комплексов, оснащенных автоматической системой сопровождения цели и автоматической системой управления приводами наведения орудия, реализуется схема управления стрельбой, при которой в зоне разрешения стрельбы ствол орудия непрерывно направлен в упрежденную точку. Такое решение позволяет комплексу открывать стрельбу в любой момент времени в течение всего интервала времени нахождения цели в зоне. Однако, динамические характеристики расчетной упрежденной точки могут превысить динамические возможности приводов наведения орудия. Иными словами, перемещение привода не будет успевать за перемещением цели, что, в свою очередь, приведет к неэффективной стрельбе по цели. Следовательно, при расчете зоны стрельбы зенитного корабельного комплекса необходимо определять участки, где динамические возможности приводов наведения орудия не позволяют вести эффективную стрельбу, и исключать эти участки из зоны стрельбы.
Основная задача корабельного комплекса противовоздушной обороны состоит в том, чтобы предотвратить урон кораблю от атак противника с воздуха. При атаке корабля самолетом не обязательно его уничтожить (что было бы идеально), достаточно помешать ему выполнить прицельную атаку. При атаке корабля противокорабельной ракетой обязательным является ее уничтожение при подлете к кораблю. Хотя тактика применения вооружения может зависеть от типа цели, опасными считаются все цели, атакующие корабль. Атакующими считаются цели, расстояние с которыми сокращается, и они потенциально могут войти в зону противовоздушной обороны корабля. Чтобы разделить атакующие и пролетающие цели, зону стрельбы зенитного комплекса делят на две части: встречную и догонную. Признаком разделения зоны поражения на две части является знак производной от наклонной дальности до цели, если он отрицательный или равный нулю, то считается, что цель находится во встречной зоне, если же он больше нуля, то считается, что цель находится в догонной зоне. Разбиение зоны стрельбы на встречную и догонную позволяет применить более гибкую тактику обстрела противника и тем самым повысить эффективность комплекса противовоздушной обороны корабля.
Для ведения результативной противозенитной обороны корабля не достаточно установить факт - цель в зоне (не в зоне) стрельбы. Необходимо дополнительно установить - сколько времени осталось до входа цели в зону стрельбы, и сколько времени она потенциально будет находиться в зоне возможного поражения орудием (во встречной и догонной, соответственно). Эти данные, а также данные о типе цели, ее скорости и других параметрах траектории полета, позволят системе управления назначить эффективную тактику обстрела цели. Оценка зонных времен предполагает реализацию в системе управления зенитным вооружением алгоритмов прогнозирования траектории движения цели и корабля. Сама по себе задача прогнозирования поведения цели и корабля не является чем-то новым для систем управления зенитным огнем, она решается зенитным корабельным комплексом в алгоритмах упреждения и наведения орудийных механизмов. Однако решение задачи оценки зонных времен требует прогнозирования на несоизмеримо более длительные интервалы времени. Интервал прогнозирования отсчитывается от текущего момента до момента времени выхода цели из догонной зоны стрельбы. Величина временного интервала зависит от скорости цели и может составлять от десятков секунд до бесконечности (для неподвижной цели). Предельный размер зоны стрельбы для малокалиберной артиллерии (диаметр зоны стрельбы) составляет 8-10км, для артиллерии среднего калибра - 20-25км. На рис.2 представлена схема
построения зоны стрельбы (вид сверху). Зенитное орудие расположено в носовой части корабля, точка О
- точка стояния орудия. Зону запрета формируют корабельные надстройки (правая и левая границы). Дз
- предельная дальность зоны стрельбы, Дц - текущая дальность до цели.
Погрешность прогнозирования положения цели обусловлена ошибками в оценках параметров траектории движения цели, а также невозможностью точно предсказать характер изменения параметров траектории управляемого воздушного объекта (например, самолета) на столь длительном временном интервале в будущем. Расхождение между реальной траекторией полета и предсказанной будет нарастать по мере продвижения вдоль воображаемой трассы объекта от точки Ц до точки В (рис.2). Приведем пример упрощенного прогноза траектории полета воздушного объекта.
Нос корабля
Рис. 2. Схема построения зоны стрельбы. Вид сверху
Пусть воздушная цель движется в течение всей атаки на корабль равномерно и прямолинейно со скоростью 300м/с. Прибор управления зенитным огнем в текущий момент времени (точка Ц) ошибся в оценке величины скорости объекта на 1% в меньшую сторону (297м/с). Путь АЦ составляет 5км, путь АВ составляет 10км. Хотя реальная и предсказанная трассы совпадают, реальная цель придет в точку А с опережением по времени на величину 0.168с, а в точку В - на величину 0.505с. Для менее скоростной цели (100м/с) эти времена опережения возрастают до 0.505с и 1.515с, соответственно. Приведенные расчеты показали, что достоверность оценок зонных времен убывает по мере продвижения по прогнозируемой траектории полета цели. Следовательно, достоверность оценки времени до входа цели в зону стрельбы выше достоверности оценки времени нахождения цели во встречной зоне, а достоверность оценки времени нахождения цели во встречной зоне выше достоверности нахождения цели в догонной зоне.
Наиболее достоверная информация является и наиболее ценной для организации процесса управления стрельбой, а менее достоверная является справочной. Например, если время до входа в зону не равно нулю, то имеется время, чтобы провести подготовку к открытию огня, например, отработать приводными механизмами углы наведения орудия в упрежденную точку и таким образом закончить переходные процессы при наведении орудия заранее, пока цель не вошла в зону стрельбы. Следовательно, уменьшается общее время реакции зенитного комплекса на открытие прицельного огня. При условии ведения стрельбы оператором это время предоставляет возможность оператору сосредоточиться, чтобы качественно выполнить боевое задание. Если время до входа равно нулю, а время нахождения во встречной зоне не равно нулю - это означает, что главная задача зенитного комплекса - стрельба на поражение воздушного противника. Исходя из величины времени нахождения цели в зоне стрельбы, система управления рассчитывает моменты открытия огня, длительности очередей и длительности перерывов между ними. Еще одно важное уточнение по проблеме достоверности оценок зонных времен. Когда время до входа в зону стрельбы не равно нулю, то достоверно, что цель находится вне зоны стрельбы, так как для текущего момента времени прогноз осуществлять не надо. По той же причине, когда время до входа равно нулю, а время нахождения в зоне не равно нулю, то достоверно, что цель находится в зоне стрельбы. Таким образом, интервалы времени для зонных времен оцениваются с погрешностями, но их значения непрерывно уточняются по мере развития атаки противника.
Как было отмечено ранее: с уменьшением скорости цели возрастают величины зонных времен (вплоть до бесконечности). Это обстоятельство требует от разработчика алгоритма ограничений этих величин заранее назначенным максимальным значением. В качестве такого значения можно предложить временной интервал, в течение которого зенитный комплекс сможет реализовать самую длительную циклограмму обстрела цели в течение одной атаки. При оценке интервала необходимо учитывать максимальный боезапас до перезаряжания, максимально разрешенную длительность очереди, максимально необходимую длительность перерыва между очередями для охлаждения стволов зенитного автомата. Например, для малокалиберного корабельного зенитного артиллерийского комплекса указанным выше требованиям отвечает величина 99с. Когда на мониторе оператора комплекса зонное время принимает значение 99с, это означает: цель неподвижна либо движется столь медленно, что времени достаточно на реализацию любой циклограммы обстрела.
Чтобы поразить удаленную цель из орудия, расположенного на автономной подвижной платформе, системе управления огнем необходимо рассчитать точку встречи снаряда с целью. Расчеты должны вестись в единой системе координат, как для корабля, так и для цели. В качестве наиболее удобной и применяемой на практике выбрана правая прямоугольная система координат с началом отсчета в центре масс корабля. Основная ось (X) направлена на север вдоль земного меридиана, ось Z направлена на восток. Оси составляют плоскость местного горизонта, перпендикулярно к которой вверх направлена ось Y. В этой системе координат необходимо прогнозировать траектории движения снаряда, цели и корабля.
Прогнозирование перемещения корабля осуществляется по данным общекорабельных систем ориентации и позиционирования относительно пространства, связанного с Землей. Эти системы определяют угловые величины и угловые скорости качек (килевой и бортовой), курса корабля, а также линейные скорости хода корабля относительно грунта. Качка корабля, вызванная волнением водной поверхности, имеет большую случайную составляющую и плохо поддается прогнозированию. Приемлемая достоверность прогноза возможна лишь в течение единиц секунд. Поэтому предлагается не учитывать перемещения зоны стрельбы, вызванные качкой корабля. Прогнозирование перемещения корабля в случае, когда изменяется курс корабля, предлагается вычислять путем численного интегрирования следующей системы дифференциальных уравнений на временном интервале [0, TP ]:
= V,: ■ ^ ¿к = V,: ■ вш®, ), ®к = 0>\ • ТР , (1)
У°,®К, ^К - скорость, курс и угловая скорость курса корабля на текущий момент времени; ТР - время прогноза.
На основании проведенного выше анализа предлагается следующая укрупненная алгоритмическая схема реализации задачи расчета зоны стрельбы для корабельной зенитной артиллерии, а также основные особенности предлагаемого алгоритма:
1. Рассчитать прогнозные координаты цели относительно корабля;
2. Рассчитать координаты точки встречи снаряда с целью;
3. Рассчитать параметры наведения орудия;
4. Рассчитать зонные времена.
При расчете прогнозных координат предлагается ввести пороговое значение для скорости цели. Если скорость не превышает назначенного порога, то цель считается неподвижной, а прогнозные координаты приравниваются текущим. Временной интервал прогнозирования предлагается рассчитывать, исходя из текущей скорости цели и предполагаемого пути, который пройдет цель в границах досягаемости снаряда. Если итерационный вычислительный процесс решения задачи встречи снаряда с целью не сходится (результат с приемлемой точностью не может быть получен), то принимается решение, что цель находится вне зоны стрельбы. Если итерационный процесс завершен успешно (рассчитаны координаты точки встречи), то для снарядов с самоликвидатором предусмотрена дополнительная проверка. Если расчетное время полета снаряда до цели превышает максимально возможное для данного типа снаряда, то принимается решение, что цель находится вне зоны стрельбы. Иначе принимается решение, что цель находится в границах зоны досягаемости снаряда. Если цель находится в границах досягаемости снаряда, рассчитываются параметры наведения орудия в системе координат, привязанной к месту стояния орудия на корабле. Если потребные параметры наведения (координаты, скорости, ускорения) превышают предельно допустимые для данного орудия или вступают в противоречие с требованиями конструктивных ограничений орудия или корабля, то принимается решение, что цель находится вне зоны стрельбы. Теоретически указанные расчеты необходимо повторять для всех точек прогнозной траектории цели относительно корабля (точки на траектории назначаются с определенным временным интервалом, возможно, переменным) и завершать при выходе цели из догонной зоны (когда итерационный процесс решения задачи встречи не сходится). На основании полученной информации рассчитываются зонные времена: время до входа в зону стрельбы, времена нахождения во встречной и догонной зонах. Таким образом, предложенный алгоритм расчета зонной задачи (на текущий момент времени) предполагает многократный просчет задачи встречи для массива прогнозных параметров цели и корабля, что требует значительных вычислительных затрат. Использование адаптивных принципов при назначении интервалов прогнозирования, точности, частоты решения в сочетании с назначением выделенного процессорного ядра позволят практически реализовать алгоритм расчета зоны стрельбы в многопроцессорной вычислительной системе управления огнем корабельной артиллерии.
Список литературы
1. Кюпар И.И. Учебник сержанта зенитной артиллерии, книга 1. М.: Военное издательство МВС СССР, 1948. 304 с.
Мельников Петр Николаевич, канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник, peter@olvs.miee.ru, Россия, Москва, Национальный исследовательский университет электронной техники
THE FIRING ZONE OF THE SHIP'S ANTI-AIRCRAFT ARTILLERY (PROBLEM)
P.N. Melnikov
In the work the analysis of the factors influencing the size and configuration of the zone offire of ship artillery anti-aircraft complex, the proposed simplified algorithm of calculation of the band parameters. Key words: zone offire of artillery.
Melnikov Peter Nikolaevich, candidate of technical science, researcher, peter@olvs.miee.ru, Russia, Moscow, National Research University of Electronic Technology
УДК 621.787
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-2-356-362
МОДЕЛЬ КИНЕТИЧЕСКОЙ УСТОЙЧИВОСТИ РОТОРА СИЛОВОГО ГИРОСКОПА С УЧЕТОМ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА В УСЛОВИЯХ ВАКУУМА
Е.Л. Лебедев, А.О. Репин, А.Н. Добролюбов
Развитие промышленности в космической сфере неотъемлемо связано с отказом от устоявшихся принципов построения космических систем и конструкторских решений. Зачастую это приводит к изменению конструкции, использованию новых материалов, а также изменению условий функционирования космической техники. Внесение изменений неотъемлемо связано с изменениями условий функционирования энергомеханического оборудования орбитальной группировки, что делает невозможным применение классических методик испытаний, а также снижает актуальность используемых моделей функционирования опытных образцов по сравнению с аналогами. В рамках данной статьи рассмотрена модель функционирования перспективной системы управления высокоманевренных малых космических аппаратов, с учетом новых условий функционирования. Данная модель позволяет установить функциональную взаимосвязь между физическими процессами и их деградацией с учетом длительности ресурса за короткий промежуток времени.
Ключевые слова: Кинетическое равновесие, шарикоподшипник, ресурс, тепловое расширение, силовой гироскоп.
Развитие космических систем неизбежно обуславливает повышение тактико-технических требований к перспективным образцам орбитальной группировки, что в свою очередь связано с изменением условий функционирования космических изделий. Внесение изменений как правило приводит к отказу от проверенных опытом эксплуатации конструкторских решений, а также использования положительно зарекомендовавших конструкционных материалов.
Примером таких решений является отказ от использования магнитных и газодинамических опор ротора силовых гироскопов (СГ) и использование вместо них шарикоподшипников. Принятое решение обусловлено необходимостью снижения массы космического аппарата, и как следствие его энергетической установки, что в свою очередь не позволяет качественно обеспечить энергоснабжение дополнительного энергосилового оборудования. Вместе с тем снижение массы СГ, в частности его ротора, требует изменения условий функционирования, и создания высокого вакуума внутри герметичного корпуса, что позволяет увеличить скорость вращения ротора, за счет снижения аэродинамического сопротивления и уменьшения силы трения в шарикоподшипниковых опорах.
Эксплуатация данного устройства сопровождается возникновением нештатных ситуаций и отказов в работе изделия, в результате чего ни один из опытных образцов не выработал установленный ресурс. Одной из причин негативной статистики отказов СГ, является то, что принципы положенные в основу методики испытаний аналогичных устройств не позволяют качественно оценить ресурс опытного изделия.
Сегодня, как правило, изготовитель считает, что для подтверждения (обоснования) ресурса новых изделий достаточно использовать статистику функционирования прототипов, или опыт их производства. У многих предприятий имеются методики под названием «Ускоренные испытания...» но под этим понимается просто испытания при форсированных условиях и демонстрируется то, что изделие при них функционирует, но это подтверждает только то, что правильно выбран запас прочности или коэффициент безопасности. Но, учитывая, что при проведении этих испытаний не регистрируются деградацион-ные процессы, не обеспечивается нарушение работоспособности, не устанавливается связь между степенью форсирования условий функционирования и степенью снижения ресурса, то результаты подобных испытаний не позволяют подтвердить назначенный ресурс. Если были изменены условия функционирования прототипов, или для обеспечения требуемых характеристик использовано не применявшееся ранее явление или процесс или конструкционный материал, то использование опыта или применение
