СТАЛЬ И ОГОНЬ: СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТАНКИ

АВТОНОМНЫЕ ОТСЕКИ УПРАВЛЕНИЯ С АППАРАТУРОЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ 122-ММ РЕАКТИВНЫХ СНАРЯДОВ. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

Известия ТулГУ. Технические науки. 2017. Вып. 12. Ч. 3

О.В. Коротков, В.В. Долгов

Предложено техническое решение по снижению ошибок наведения 122-мм ре­активных снарядов за счет установки автономного отсека управления (ОУ) с аппара­турой спутниковой навигации. Представлена комплексная полноразмерная математи­ческая модель полета реактивного снаряда, оснащенного отсеком управления.

На вооружении большинства армий находятся РСЗО (реактивная система залпового огня). Особенно большое распространение получили 122 мм реактивные системы [1-3]. Однако ошибки стрельбы РСЗО велики [4]. Вероятное (срединное) отклонение достигает 1 % от дальности стрель­бы. Для решения боевой задачи требуется очень большой расход боепри­пасов. При этом возможны большие разрушения инфраструктуры и гибель гражданского населения.

Анализ боевых действий противоборствующих сторон в региональ­ных военных конфликтах последних десятилетий подтверждает возрас­тающую роль высокоточного оружия (ВТО) и актуальность создания вы­сокоточных, помехоустойчивых, с возможностью круглосуточного применения средств ВТО для реактивных систем залпового огня.

Появление относительно дешевой высокоточной и компактной спутниковой радионавигационной аппаратуры привело к возможности создания систем наведения, обеспечивающих создание боеприпасов с ма­лыми ошибками на всех дальностях [5, 6].

С точки зрения минимизации затрат, очень эффективно повышение точности имеющихся реактивных снарядов (РС) путем их оснащения авто­номными отсеками управления с аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS. Установка отсеков управления производится без доработ­ки реактивных снарядов и позволяет перевести штатные неуправляемые снаряды в разряд средств ВТО. Ошибки стрельбы могут быть уменьшены с сотен метров до 5-7 м, расход боеприпасов при поражении малоразмерных целей может быть снижен в десятки раз. Для каждого снаряда могут на­значаться координаты собственной цели. Разрушения прилегающей ин­фраструктуры при использовании снарядов с отсеком управления мини­мальны.

Малое подготовительное время и необходимость произведения су­щественно меньшего количества пусков ракет в несколько раз сокращает время нахождения на огневой позиции, повышает живучесть и делает контрбатарейную борьбу противника малоэффективной [7].

Автономный отсек управления с аппаратурой спутниковой навига­ции ГЛОНАСС/GPS (рис. 1) предназначен для повышения точности стрельбы штатных 122-мм реактивных снарядов РСЗО. Новизна предла­гаемого технического решения подтверждена патентом [8].

Повышение точности обеспечивается за счет управления снарядом аэродинамическими рулями отсека управления на пассивном участке тра­ектории по сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/GPS и бесплатформенной инерциальной навигационной систе­мы. Наведение осуществляется на цель, координаты которой передаются перед выстрелом в отсек управления по радиоканалу при помощи аппара­туры подготовки и передачи полетного задания.

Отсек управления может устанавливаться на штатные 122-мм реак­тивные снаряды типа М21ОФ, 9М538, 9М521 и др. непосредственно на ог­невой позиции на место установки штатного взрывателя. Дополнительных действий со снарядом не производится. Заряжание пусковой установки осуществляется аналогично штатному снаряду.

Аппаратура подготовки и передачи полетного задания по введен­ным исходным данным автоматически формирует полетное задание для снаряда с отсеком управления и рассчитывает углы наведения для направ­ляющей боевой машины.

Рис. 1. Внешний вид автономного отсека управления Автономный отсек управления для реактивных снарядов комплек­сов РСЗО построен на базе следующих основных принципов. Штатный реактивный снаряд трансформируется в высокоточную ракету, выполненную по аэродинамической схеме «утка», путем установки в носовой части вместо взрывателя автономного отсека управления (рис. 2). Новый взрыватель размещается в отсеке управления.

Рис. 2. Реактивный снаряд с автономным отсеком управления

1.    Отсек управления для повышения точности выполняется развя­занным по крену относительно реактивного снаряда и не имеет электриче­ской связи со снарядом. Ввод полетного задания осуществляется дистан­ционно по радиоканалу.

2.           Управление реактивным снарядом в полете осуществляется с по­мощью блока рулевых приводов по данным интегрированной инерциаль- но-спутниковой системы наведения.

3.           Блок рулевых приводов включает в свой состав 4 независимо ра­ботающих быстродействующих электрических рулевых привода, осущест­вляющих наведение, стабилизацию по крену и демпфирование угловых колебаний снаряда.

4.           Инерциально-спутниковая система включает в свой состав бес- платформенную инерциальную навигационную систему (БИНС), спутни­ковую радионавигационную систему (СРНС) и вычислитель. БИНС по ко­ординатам и скоростям в реальном времени корректируются по данным СНС. Точность БИНС достаточна для осуществления наведения при сбое в работе спутниковой навигации.

5.           Раскрытие рулей осуществляется на среднем участке траектории. До раскрытия рули сложены внутри отсека вдоль продольной оси и не вы­ступают за внешние обводы.

6.           Первоначальное наведение снаряда ведётся в точку, находящую­ся выше цели, после сближения превышение автоматически снимается и снаряд пикирует на цель. Поражение осуществляется сверху.

7.           Для минимизации массы и габаритов аппаратура и антенна СНС располагается в носовой части отсека. Дополнительно в средней части от­сека предусмотрена кольцевая антенна СНС, обеспечивающая гарантиро­ванный прием спутниковых навигационных радиосигналов при пикирова­нии с большими углами подхода к цели и при наличии складок местности.

Конструкция отсека управления разработана коллективом специа­листов под руководством С.Г. Благова и включает в свой состав:

-              блок спутниковой навигационной аппаратуры;

-              блок инерциальных датчиков;

-              вычислитель бортовой;

-              блок рулевых приводов;

-              узел стыковки со снарядом с аэродинамической юбкой;

-              бортовую аппаратуру приема полетного задания;

-              источники тока электронной аппаратуры;

-              источник тока рулевого привода;

-              аппаратуру бортовую передающую;

-              взрыватель.

Блок инерциальных датчиков и вычислитель навигационной задачи, входящий в состав вычислителя бортового, образуют бесплатформенную инерциальную навигационную систему.

Блок инерциальных датчиков, блок спутниковой навигационной аппаратуры и вычислитель бортовой представляют собой инерциально- спутниковую систему управления.

Схема применения реактивных снарядов с ОУ характеризуется сле­дующими особенностями. С помощью средств связи на огневую позицию передаются координаты и тип цели. Данные могут быть получены от кос­мической, воздушной и наземной разведок. Координаты, задержка на под­рыв боевой части (если требуется) вводятся человеком или автоматически в устройство подготовки и ввода полетного задания. Данное устройство с помощью встроенной аппаратуры спутниковой навигации также определя­ет координаты пусковой установки. После этого устройство производит расчет полетного задания для снаряда, а также определяет углы наведения пусковой установки. Полетное задание вводится в отсек управления при использовании беспроводной линии связи. При вводе полетного задания от встроенной аппаратуры спутниковой навигации также вводятся эфемери­ды навигационных спутников.

После выхода снаряда из направляющей осуществляется раскрытие стабилизаторов, разгон снаряда с помощью двигателя, раскрытие рулей, стабилизация изделия по крену, демпфирование угловых колебаний и на­ведение. Во время наведения производится планирование с превышением по высоте и последующим пикированием на цель. Стрельба может произ­водиться в любое время суток и в любых погодных условиях.

Технический облик автономного отсека управления сформирован по результатам выполнения нескольких итерационных циклов проектно­конструкторских работ, направленных на оптимизацию параметров изде­лия. Одним из элементов итерационного цикла является математическое моделирование.

Вследствие того, что известные математические модели [9] высоко­точных боеприпасов не позволяют использовать их для решения задач мо­делирования всего процесса полета реактивного снаряда, с учетом приве­денных выше             особенностей,                  была разработана комплексная полноразмерная математическая модель (рис. 3).

Блок 1. Предпусковая подготовка.

Блок содержит алгоритмы расчета углов наведения пусковой уста­новки или орудия, а также расчета начальных углов ориентации БИНС.

На основе заданных координат пусковой установки, координат це­ли, а также температуры окружающей среды выбираются вертикальный и горизонтальный углы разворота ПУ. Углы выбирается по заранее рассчи­танным на данной модели таблицам стрельбы для всего диапазона углов пуска, температур и дальностей полета.

БИНС по результатам совместной обработки сигналов собственных измерительных элементов и ускорения свободного падения в точки старта определяет начальные углы ориентации объекта (тангажа и крена) относи­тельно стартовой системы координат.

Блок 2. Модель движения снаряда по трубе.

Блок содержит алгоритмы расчета линейной скорости, угловой ско­рости вращения по крену, а также возмущения, которое действует на изде­лие при выходе из трубы. Расчет проводится по заданным значениям тем­пературы окружающей среды и характеристик двигательной установки.

Блок 3. Модель стандартной атмосферы

Блок содержит зависимости изменения значения плотности, темпе­ратуры и скорости звука, для текущей высоты (рис. 4) полета объекта. За­висимости соответствуют ГОСТ 4401 - 81.

Блок 4. Модель динамики объекта

Рассчитывает динамику движения центра масс объекта и его дви­жения вокруг центра масс, по известным уравнениям сил и моментов.

Аэродинамические характеристики, такие как коэффициенты подъ­емной силы, моментов тангажа и рыскания, демпфирующих моментов, а также аэродинамического сопротивления, рассчитываются на основе мно­гомерных массивов данных, описывающих нелинейные зависимости этих величин от углов атаки, углов отклонения рулей и скорости.

Блок 5. Блока расчета координат и скоростей

Определяет величину линейной скорости объекта (рис. 5) в зависи­мости от ускорения силы тяжести, величины тяги (сообразно с температу­рой окружающей среды) и аэродинамического сопротивления конструкции, а также рассчитывает координаты и проекции линейной скорости движе­ния объекта на оси стартовой системы координат.

Блок 6. Модель кинематики объекта управления.

На базе рассчитанных в блоке 4 скоростей вращения вектора скоро­сти и продольной оси носителя рассчитываются углы атаки и скольжения, а также углы ориентации объекта относительно стартовой системы коор­динат (тангаж, рыскание и крен). Также в данном блоке рассчитываются развиваемые изделием ускорения объекта в полускоростной системе коор­динат и пересчитываются в стартовую и связанную системы координат.

Блок 7. Алгоритм раскрытия рулей.

По текущему углу наклона траектории (рис. 6) и дальности, на ко­торую ведется стрельба, вычисляет момент раскрытия рулей и начала управления.

Блок 10. Расчет угловой скорости вращения по крену.

ОУ выполнен «развязанным» по крену от реактивного снаряда. Данное решение обеспечивает повышение точности работы БИНС и сни­жает величину отклонения снаряда от заданной траектории при пропада­нии спутниковых сигналов. Блок рассчитывает скорости вращения РС и ОУ по крену.

Блок 11. Система управления.

Модель вычисляет команды управления на рулевой привод по ко­ординатам и скоростям (определяемым СРНС (блок 8) и БИНС (блок 9)), а также команды демпфирования и стабилизации крена на основе сигналов  датчиков угловых скоростей. Модели СРНС и БИНС выполнены с учетом задержек и погрешностей, характерных для данных навигационных сис­тем. Наведение осуществляется по пропорциональному закону.

Блок 12 (Модель рулевого привода) - рассчитывает угол отклоне­ния руля (рис. 7) при подаче на него соответствующей команды от систе­мы управления. Для сокращения времени моделирования используется эк­вивалентная модель, учитывающая люфт в механической части, ограничения по развиваемым приводом максимальным скоростям и уско­рениям, переменный коэффициент передачи редуктора. Параметры приво­да выбирались по заданным в техническом задании значениям перерегули­рования, коэффициента отработки и фазового сдвига. Отличие эквивалентной модели рулевой машины от полной по приведенным выше ключевым параметрам, не превышает единиц процентов. 

Модель позволяет оценить точностные характеристики изделия с имитацией механических воздействий (линейных перемещений, угловых движений и вибраций) на инерциально-спутниковую (БИНС-СРНС) сис­тему навигации.

Ошибки наведения снарядов с ОУ не превышают (СКО) 10 м на всех дальностях стрельбы. При этом, несмотря на увеличение массы при установке ОУ, за счет планирования (рис. 6) на среднем участке траекто­рии сохраняется максимальная дальность стрельбы штатных снарядов.

Таким образом, разработка автономных отсеков управления с аппа­ратурой спутниковой навигации позволяет решить проблему обеспечения высокоточной стрельбы 122 мм реактивными снарядами.

Список литературы

1.           Карпенко А.В. Современные реактивные системы залпового огня. Спб.: Изд-во «Бастион». 2003. С.9.

2.           Растопшин М. Зарубежные реактивные системы залпового ог­ня // Техника и вооружение вчера, сегодня, завтра. 2003. № 03. С. 10 - 15.

3.           Регентов М. Американская РСЗО MLRS // Зарубежное военное обозрение. М.: «Красная Звезда», 1987. № 4. С. 23 - 25.

4.           Стрельба и управление огнем артиллерийских подразделений: учеб. пособие / под ред. В.И. Волобуева. М.: Военное издательство 1987. С. 288 - 299.

5.           Высокоточное оружие зарубежных стран. Т. 2. Танковые, артил­лерийские, минометные КУВ, самоприцеливающиеся и самонаводящиеся боевые элементы: обзор аналит. Справ / В.М. Лихтеров [и др.] / Тула: Изд- во «Власта». 2011. C.98 - 134.

6.           Дальнобойный высокоточный управляемый артиллерийский сна­ряд большого калибра с аппаратурой спутниковой радионавигации / Ко­ротков О.В., Благов С.Г., Огнев В.А., Долгов В.В. // Известия РАРАН. 2016. №1 (91) С. 60 - 66.

7.           Крупников А. Радиолокационные станции контрбатарейной борьбы основных зарубежных стран // Зарубежное военное обозрение: журнал. 2010. № 12. С. 32-41.

8.           Автономный блок управления реактивного снаряда: пат. 2627334 Российская Федерация.

9.           Математическая модель малогабаритной высокоточной ЗУР с ла­зерной системой наведения / О.В. Коротков, С.Н. Воропаев, В.Г. Гуцал, С.В. Скоробогатский // Известия РАРАН 2012. №3 (73). С. 42 - 50.