СТАЛЬ И ОГОНЬ: СОВРЕМЕННЫЕ И ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТАНКИ

 

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ НОСИМОГО РАКЕТНОГО КОМПЛЕКСА

По представлению академика РАРАН В.И. Бабичева

М.В. Рындин, А.И. Дикшев, Т.А. Баукова, В.С. Чиков

АО «КБП» им. А.Г. Шипунова

 

В продолжение статьи «Структурный синтез носимого ракетного комплекса», опубликованной в вып. 4 (94) за 2016 г. В статье рассмотренны работы по выбору предпочтительного варианта схемно-компоновочного решения носимого ракетного комплекса кинетического действия. Приведён сравнительный анализ различных вариантов комплекса при уменьшенном количестве допущений.

 

В статье [1] представлено описание возмож­ного варианта реализации концепции многоцеле­вого оружия, изложенного в работе [2]. Авторами статьи сформирована структурная схема комплек­са, приведён перечень его составных частей, опи­саны их основные функции и приведены оценки массы. Авторами синтезированы четыре варианта схемы реализации носимого ракетного комплекса кинетического действия, в том числе два варианта для стрельбы с плеча и два варианта для стрельбы со станка. Помимо аналитической оценки преи­муществ и недостатков каждого из вариантов по­строения комплекса, авторами статьи проведена предварительная оценка точности наведения на подвижную и неподвижную цели. В результате исследования [1] были сформированы требова­ния к системе стабилизации луча, расположенной

в прицеле-приборе наведения (ППН), и к телеви­зионному автомату сопровождения (ТАС) в части компенсируемых с их помощью рассогласований прицельной марки и линии визирования цели. В заключение отмечено следующее:

• поскольку испытания проводились в упро­щённой постановке со значительными допущени­ями, необходимо изготовить матчасть, позволяю­щие оператору полностью управлять комплексом, имитировать выстрел и оценить возможности станка с электромеханическим приводом наве­дения, после чего повторно провести испытания, подвергая оператора предварительной физиче­ской нагрузке;
• в виду паритетности двух вариантов ис­полнения комплекса для стрельбы с плеча, на основе новой серии экспериментов должна быть выбрана предпочтительная схема, а также могут быть уточнены требования к оптико-электрон­ным устройствам, входящим в состав комплекса.

Для проведения новой серии эксперимен­тов была разработана и изготовлена следующая матчасть:

• 
  макет комплекса вооружения, включаю­щий в себя основные составные части изделия: ППН, ТАС, источник питания (ИП) в виде акку­муляторной батареи, пульт управления (ПУ), видеосмотровое устройство (ВСУ) в виде нашлем- ной системы индикации, станок, макет тепло­визионного прицела (ТПВП), макет наземного радиозапросчика (НРЗ) и центральную вычисли­тельную систему (ЦВС);
• имитатор силового и шумового воздей­ствия (ИСВ), соответствующий по габаритам и массе штатному транспортно-пусковому контей­неру с управляемой пулей;
• стенд-имитатор цели, позволяющий имити­ровать цель, движущуюся одновременно в верти­кальном и горизонтальном каналах наведения.

Целью исследования является уточнение требований к составным частям комплекса во­оружения и выбор предпочтительной его компо­новки на основе результатов серии эксперимен­тов по определению точностных характеристик изделия с учётом эргономических особенностей рассматриваемых вариантов изделия.

Объект исследования был представлен на ис­пытания в пяти вариантах исполнения. При этом макет комплекса был выполнен на основе модуль­ного принципа построения, что позволило значи­тельно ограничить количество используемой мат­части: сборка вариантов изделия осуществлялась с использованием одних и тех же составных частей.

Первая схема (рис. 1, а) предполагает разме­щение в составе прицельно-пускового устрой­ства (ППУ) только ППН, ТПВП, антенны НРЗ и ПУ, то есть только тех устройств, которые долж­ны быть съюстированы с линией визирования цели и ПУ, необходимого для управления ком­плексом, одновременно выполняющего функ­цию рукояти для удержания ППУ на плече. Про­чие составные части комплекса размещаются в разгрузочном жилете на теле оператора. В слу­чае, если в результате исследований будет уста­новлено обязательное наличие станка в составе комплекса, данные устройства могут быть инте­грированы в его состав. Рассматриваемое ППУ может устанавливаться на станок для уменьше­ния нагрузки на оператора и, одновременно, с целью снижения зависимости точности стрель­бы от психофизического состояния стрелка.

  

Рис. 1. 1 — ИСВ; 2 — приклад; 3 — ППН; 4 — макет ТПВП; 5 — ПУ; 6 — ИП; 7 — макет НРЗ; 8 — ТАС; 9 — блоки аппаратуры  

Во второй схеме построения (рис. 1, б) все составные части комплекса (кроме станка) объе­динены в моноблок, аналогично [3], при этом те устройства, которые в первой схеме размещены в разгрузочном жилете, в данном случае смеще­ны назад за плечо оператора и выступают в ка­честве противовеса для ППН и ТПВП. Данное ППУ также может размещаться на станке.

Третья схема (рис. 2, а) представляет собой ППУ первой схемы, размещённое на станке с элек­тромеханическим приводом наведения. При этом ТАС, ЦВС, ИП и НРЗ размещаются не в разгруз­ке, а в центральной стойке станка, что позволяет минимизировать массу пусковой установки при обеспечении её жёсткости и необходимой высоты линии ведения огня. В этом случае ПУ отстыковы­вается от ППУ и, при помощи кабеля, позволяет оператору управлять комплексом дистанционно.

Четвёртая схема (рис. 2, б) аналогична тре­тьей схеме, но в данном случае используется станок с ручным приводом наведения (система рычагов). ПУ при этом отстыковывается от ППУ и становится конструктивным продолжением рычага управления. Не входящие в состав ППУ элементы могут как размещаться в разгрузке (первая схема), так и интегрироваться в состав станка (третья схема).

В пятой схеме (рис. 3) ППУ-моноблок уста­навливается на станке с электромеханическим приводом. Управление комплексом осуществля­ется аналогично третьей схеме.

Подробное описание представленных схем реализации комплекса представлено в [1].

Следует отметить, что макет электромеха­нического привода наведения изготовлен с ис­пользованием электродвигателей и редукторов, предназначенных для широкого потребления и не отвечающих требованиям по величине люфта и жёсткости валов, в связи с чем, представлен­ные данные об ошибках наведения с использо­ванием электропривода являются значительно завышенными, однако данный макет позволил оценить эксплуатационные свойства третьей и пятой схем.

В отличие от [1], эксперименты выполня­лись в следующей постановке.

 

 

Рис. 2. 1 — ИСВ; 2 — облегченное ППУ; 3 — станок

 

 Рис. 3. 1 — ИСВ; 2 — ППУ; 3 — станок; 4, 5 — электропривод

 

Оператор занимает стрельбовую позицию и включает электропитание комплекса. После выхода комплекса на режим, оператор обнару­живает цель в видеосмотровом устройстве и со­вмещает её с прицельной маркой. Далее выпол­няется захват цели ТАС и постановка её на ав­тосопровождение. Затем производится выстрел, после чего оператор продолжает удерживать прицельную марку на цели до момента оконча­ния её автоматического сопровождения ТАС (пе­риод времени соответствует полёту управляемой пули на максимальную дальность). В первой и второй схемах для сопровождения цели оператор использует своё тело, в четвертой схеме рычаги управления, а в третьей и пятой схема — кнюппель, размещённый на ПУ. При этом третья и пятая схемы позволяют оператору после захвата цели ТАС перевести комплекс в режим автомати­ческого слежения за целью, в котором команды управления в электропривод поступают от ТАС, что значительно упрощает работу оператора.

Измеряемые параметры — угол рассогла­сования центра цели и прицельной марки, угло­вая скорость и угловое ускорение взаимного пе­ремещения центра цели и прицельной марки в вертикальном и горизонтальном каналах наве­дения. Дополнительно фиксировалось наличие или отсутствие срывов автоматического сопро­вождения цели ТАС. Помимо того, производи­лась оценка результата стрельбы в системе «по- падание/промах», где попаданием считалось непревышение определённых в [1] параметров оптико-электронной системы комплекса, а про­махом — выход за эти пределы как минимум по одной из составляющих.

В момент выстрела на оператора или станок действуют создаваемые ИСВ (рис. 4) импульсы наката и отката, в совокупности эквивалентные таковым, формирующимся при выходе из контей­нера управляемой пули. Одновременно раздаётся звуковой сигнал, аналогичный по уровню звуково­го давления и продолжительности звуку, создава­емому разгонным двигателем управляемой пули.

Скорость движения имитатора фоноцелевой обстановки соответствует движению по пере­сечённой местности объекта бронетанковой тех­ники или воздушной цели, движущейся на боль­шом удалении на встречном курсе с параметром.

 

 

Рис. 4. 1 — транспортно-пусковой контейнер; 2, 3 — грузы; 4, 5 — пружины; 6, 7 — удерживающие электромагниты; 8 — плата управления; 9 — панель управления; 10 — динамик

 

Испытания проводились для первой, второй и четвертой схем в позициях «стоя» и «с колена» для третьей и пятой схем дистанционно с удалени­ем оператора с ПУ на 10 метров от станка с ППУ.

В испытаниях принимали участие 6 испы­тателей вооружения, антропометрические параметры которых охватывают максимальный диа­пазон потенциальных эксплуатантов комплекса, что обеспечивает статистическую достоверность результатов испытаний [4].

В ходе исследования было выполнено 400 выстрелов с их последующей обработкой.

Период сопровождения цели оператором с момента выстрела до момента попадания в цель можно разделить на два этапа. В течение первого управляемая пуля выстреливается в луч, а в ходе второго этапа — движется в луче.

На первом этапе предпочтительной являет­ся такая схема построения комплекса, которая обеспечивает наименьшие амплитуду и частоту колебаний оптической оси ТВ-канала, а также наиболее быстрое затухание этих колебаний после схода изделия. Сравнительный анализ схем по амплитуде колебаний показал, что вто­рая схема является предпочтительной при рабо­те с плеча, а пятая схема — со станка, имею­щие в совокупности меньшие значения средних значений амплитуды и среднеквадратического

отклонения (СКО) по сравнению с другими схе­мами (табл. 1).

Спавнительный анализ и реезультаты стати­стического анализа результатов на втором этапе представлены в табл. 2. Количественный анализ показал, что, во-первых, совокупность всех одно­типных результатов, представленная всеми под­ходами из позиции «стоя», «с колена», со станка в ручном и автоматическом режимах сопровожде­ния подчиняется нормальному закону распреде­ления при уровне значимости 0,05. Во-вторых, положительные высокие значения эксцесса и ос­новной моды, а также близость значений медиа­ны и средних значений к нулевым указывают на сосредоточенность большей части наблюдений вокруг нулевых координат, при этом большее зна­чение эксцесса и моды соответствует более высо­кому числу наблюдений без срывов [5-7].

Наиболее информативными критериями сравнительного анализа схем являются:

• средняя величина ошибки наведения (угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала);
• СКО ошибки наведения;
• частота встречаемости амплитуды угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-ка­нала (табл. 3);
• частота встречаемости величины угловой скорости изменения угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала (табл. 4);
• частота встречаемости величины углового ускорения изменения угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала (табл. 5).

 

Амплитуды колебаний

Таблица 1

Позиция	С плеча		Со станка
Схема	1	2	3	4	5
Среднее, мрад	3,8	2,62	2,85	3,4	1,7
СКО	2,65	3,7	4,05	4,88	2,4

 

Таблица 2

Статистические характеристики результатов испытаний

Схема	1		2		3		4		5
Позиция/режим	С колена	Стоя	С колена	Стоя	Авто	Ручн.	С колена	Стоя	Авто	Ручн.
Среднее значение, мрад	0,27	0,17	0,21	0,15	0,53	0,03	0,20	0,81	0,16	0,17
Медиана, мрад	0,22	0,13	0,07	0,04	0,44	0	0,27	0,19	0,31	0,00
Мода, мрад	- 0,07	0,18	0,04	0,07	0,60	- 0,02	0,29	0,11	0,60	0,05
Частота моды	2,10	1,31	1,88	1,13	5,90	4,46	1,44	1,96	6,40	6,15
Минимум, мрад	13,58	13,52	10,84	11,61	13,83	8,29	11,32	10,97	13,52	7,63
Максимум, мрад	11,54	13,75	11,56	13,84	14,28	7,17	13,43	12,55	13,89	4,56
Размах, мрад	24,77	25,95	19,41	24,29	22,55	16,68	24,58	26,24	17,64	11,45
СКО, мрад	1,81	2,69	2,00	2,74	2,91	0,85	3,48	2,65	2,40	0,89
Эксцесс, мрад	12,43	4,81	4,85	4,34	10,06	9,23	3,18	2,18	12,34	13,33

 

 

 

Среднее значение угла рассогласования прицельной марки и центра цели не превышает

0,30 мрад по вертикальной оси и 0,29 мрад по горизонтальной оси при работе с плеча операто­ра в позиции «с колена» и 0,23 мрад и 0,13 мрад, соответственно, для позиции «стоя», при этом различия между первой и второй схемами незна­чительны. В частных подходах большие откло­нения прицельной марки от центра цели чаще наблюдаются при работе в позиции «стоя». Значения СКО в среднем и при всех частных подхо­дах для схем 1 и 2 различаются незначительно и лежат в интервале 0,8-3 мрад для позиции с «ко­лена» и 0,9-4,5 мрад в позиции «стоя».

 

 

Частота встречаемости амплитуды угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала

Схема	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Диапазон, мрад	Вертикальная ось					Горизонтальная ось
0...1	45,71	44,53	81,76	42,52	83,36	54,41	45,71	79,59	39,38	86,37
1...2	26,48	23,45	7,83	22,91	6,63	24,97	26,89	9,16	20,44	5,35
2...4	18,52	21,93	4,98	22,47	6,67	15,39	20,80	5,84	22,47	3,29
4...6	5,33	6,55	1,51	6,27	1,14	3,22	4,92	1,86	9,16	2,51
>6	3,95	3,54	3,92	5,82	2,19	2,01	1,68	3,56	8,55	2,48

 

Таблица 4

Частота встречаемости величины угловой скорости изменения угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала

Схема	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Диапазон, мрад/с	Вертикальная ось					Горизонтальная ось
0...5	46,69	44,97	66,94	72,65	87,65	46,87	45,21	74,57	72,49	88,23
5...10	27,53	26,83	16,54	14,30	6,91	28,78	27,67	10,00	15,11	6,39
10...20	18,63	20,15	9,27	7,77	3,51	18,14	19,54	5,38	7,24	3,26
20...30	4,73	5,22	3,62	2,95	1,19	3,85	5,62	3,13	3,26	1,14
30...40	1,23	1,46	1,41	0,83	0,45	1,18	1,11	2,29	0,73	0,59
40..50	0,50	0,60	0,84	0,61	0,14	0,56	0,51	1,75	0,45	0,26
50...80	0,47	0,55	0,85	0,67	0,12	0,46	0,29	2,27	0,46	0,12
>80	0,21	0,21	0,53	0,22	0,04	0,15	0,06	0,62	0,26	0,01

 

Таблица 5

Частота встречаемости величины углового ускорения изменения угла рассогласования ЛВЦ и оптической оси ТВ-канала

Вариант	1	2	3	4	5	1	2	3	4	5
Диапазон, мрад/с2	Вертикальная ось					Горизонтальная ось
0...50	21,76	20,14	42,62	41,39	69,86	20,99	19,59	52,50	40,55	70,69
50...100	17,04	16,89	18,29	23,89	14,48	17,60	17,25	17,57	24,35	14,44
100...200	26,65	26,35	17,98	18,17	8,54	28,59	27,06	12,07	18,97	7,93
200...300	14,43	14,12	7,19	5,84	2,59	14,71	14,67	3,82	6,25	2,40
300...400	8,04	8,57	3,96	3,06	1,58	7,63	8,31	2,29	2,98	1,40
400...500	4,93	5,89	2,70	2,35	1,00	4,28	5,55	1,69	1,74	1,02
500...1000	5,82	6,51	4,82	3,65	1,59	4,87	6,60	5,02	3,91	1,66
>1000	1,33	1,53	2,44	1,64	0,36	1,34	0,98	5,04	1,24	0,46

 

 

Сравнивая работу с ПУ по третьей и пя­той схемам можно сказать, что в режиме авто­сопровождения показатель лучше у пятой схе­мы — 0,25 мрад рассогласование по вертикали и 0,07 мрад по горизонтали — чем у третьей (0,70 и 0,36 мрад соответственно), тогда как в ручном режиме в третьей схеме средние значения ближе к нулю, чем в пятой (0,04 и 0,02 мрад против 0,17 и 0,17 мрад). СКО имеет меньшие значения в схе­ме 5, что говорит о лучшей устойчивости станка при выстреле. В частных подходах большие от­клонения прицельной марки чаще наблюдаются при работе в автоматическом режиме, что объясня­ется люфтом и нежёсткостью в редукторах, пред­назначенных для широкого потребления. Для чет­вертой схемы средняя величина рассогласования имеет значения: 0,84 мрад по вертикальной оси и 0,78 мрад по горизонтальной в позиции «стоя» и 0,35 и 0,05 мрад соответственно в позиции «с ко­лена». При работе по третьей схеме в режиме «ав­тосопровождения» в части опытов наблюдаются большие значения СКО, что обусловлено значи­тельными колебаниями при выстреле. Можно вы­делить два диапазона значений СКО 0,25-2,1 мрад и 3,0-7,92 мрад для опытов с большими колеба­ниями, составляющими примерно 30 % опытов. В опытах с пятой схемой большая часть значений СКО (85 %) лежит в интервале 0,21-1,23 мрад, при больших колебаниях при выстреле СКО ле­жит в интервале 1,6-5,72 мрад. При работе с чет­вертой схемой более половины значений СКО ле­жит в интервале 2,58-6,26 мрад.

Опираясь на статистический анализ экспе­риментальных данных можно утверждать, что большая часть полученных результатов укла­дывается в установленные в [1] диапазоны, обе­спечивая потребные величины отклонения луча в вертикальном и горизонтальном каналах на­ведения не более ±6 мрад, а по угловой скоро­сти и угловому ускорению не более 80 мрад/с и 1000 мрад/с2, соответственно (табл. 4, 5).

Исходя из представленных результатов, предпочтительными являются в совокупности вторая и пятая схемы, поскольку обеспечивают минимальные требования к системе отклонения луча и ТАС.

Для оценки вклада, который вносят возму­щения, имитирующие откатную и накатную со­ставляющие от срабатывания ИСВ, в качество сопровождения цели оператором проведено сравнение с результатами предшествующих ис­пытаний [1]. В результате было выявлено сниже­ние точности сопровождения цели оператором. В табл. 6 указано уменьшение относительно [1] количества измерений, укладывающихся в указанные выше интервалы, в процентах. При стрельбе изделием, также возможно увеличение амплитуды колебаний и, соответственно, время затухания колебаний также становиться боль­ше. Следует отметить, что операторы быстро адаптируются к шумовому воздействию и оно практически не влияет на точность наведения.

В ходе проведённых испытаний было уста­новлено, что предпочтительными с точки зре­ния работы ТАС являются первая и пятая схе­мы. В табл. 7 представлены данные о количестве срывов сопровождения цели ТАС, в число кото­рых отнесены расползание строба и его сполза­ние с цели.

Оценка каждого из подходов в системе «попадание/промах» позволила определить число успешных сопровождений цели, в ходе кото­рых ни на одном из кадров (частота съёмки — 50 кадр./с) не были превышены определённые в [1] параметры работы системы стабилизации луча (табл. 8). Исходя из представленных дан­ных, наилучшую точность стрельбы обеспечи­вают в совокупности вторая и пятая схемы.

Исходя из анализа экспериментальных дан­ных, были сделаны следующие выводы.

 

Таблица 6

Процентная разница результатов испытаний

Характеристика	Позиция
	с плеча	со станка с ПДН	со станка без ПДН
Угол, %	3	4	9
Угловая скорость, %	0,5	0,5	0,5
Угловое ускорение, %	1,5	2,5	3

 

Таблица 7

Частота срывов сопровождения цели ТАС

Схема	1	2	3	4	5
Частота срыва	59	63	24	30	14

 

Таблица 8

Частоты успешного сопровождения цели ТАС

Схема	1	2	3	4	5
Частоты попаданий	68,6	77,5	74,2	65,0	95,7

 

Таблица 9

Повышение точности при увеличении угла отклонения

Угол отклонения, мрад	± 12		± 13		± 14		± 15
Схема	1	2	1	2	1	2	1	2
Точность попаданий, %	78	73	92	95	95	95	100	100

 

Выбор компоновочной схемы для стрель­бы с плеча затруднителен: первая схема позволя­ет достигнуть лучшей точности стрельбы, однако он обладает худшими эксплуатационными харак­теристиками, поскольку требует наличия прово­дной линии связи с ПУ, а вторая схема лучше с точки зрения эксплуатации, но хуже по критерию точности стрельбы. Увеличение количества попа­даний может быть достигнуто путем увеличения угла отклонения луча в ППН. Исходя из получен­ных результатов, увеличение угла с ± 6 мрад до ± 12...15 мрад дает показатели попаданий для первой и второй схем приведенные в табл. 9.

Для стрельбы с ПУ наиболее предпочти­тельной является пятая схема, обеспечивающая большую точность стрельбы и имеющая более жёсткую конструкцию. Высота линии ведения огня может быть увеличена посредством стрель­бы с возвышенности, либо путём использования лёгкой проставки между мотор-редукторами гори­зонтального и вертикального наведения, в которой могут храниться кабели, ЗИП и т.д. В то же вре­мя, повышение линии ведения огня может снизить жёсткость конструкции, а большие масса и инерт­ность ППУ значительно повышают нагрузку на электропривод, что негативно отражается на его массе и энергопотреблении. При этом точностные показатели третьей схемы могут быть улучшены посредством совершенствования привода наведе­ния и опорной треноги в части снижения люфтов и повышения жёсткости. При этом можно одно­значно говорить об отсутствии целесообразности в дальнейших работах по четвертой схеме.

В совокупности, наилучшие точность стрельбы и условия для функционирования ТАС обеспечивают второй и пятой схемами.

Для достоверной оценки возможностей третьей и пятой схем необходимо разработать

и изготовить более жёсткий станок и электро­привод, обеспечивающий большую жёсткость и меньший люфт, после чего эксперименты с ис­пользованием станка следует повторить.

 

Литература

1. Гусев А.В. Структурный синтез носимого ракетного комплекса / А.В. Гусев, М.В. Рындин, А.И. Дикшев, А.В. Горин // Известия РАРАН. 2016. Вып.4 (94). С. 148-154.
2. Шипунов А.Г. Концепция идеального ору­жия / А. Г. Шипунов [и др.] // Известия ТулГУ. 2014. Вып. 6.С. 183-195.
3. Шипунов А. Г. Патент РФ № 2701629. Ком­плекс вооружения для стрельбы с плеча / А.Г. Ши­пунов [и др.]. Опубл. 30.09.2020 г. Бюл. № 28.
4. Джонсон Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы плани­рования эксперимента / Н. Джонсон, Ф. Лион. — М.: Мир. 1981. 520 с.
5. Боровков А.А. Математическая статистика / А.А. Боровков. — М.: ФИЗМАТЛИТ. 1984. 472 c.
6. Степнов М.Н. Статистические методы об­работки результатов механических испытаний. Справочник / М.Н. Степнов. — М.: Машино­строение. 1985. 232 с.
7. Леман Э. Проверка статистических гипо­тез / Э. Леман. — М.: Наука. 1979. 408 с.
8. Джонсон, Н. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы об­работки данных / Н. Джонсон, Ф. Лион. — М.: Мир. 1980. 612 с.
9. Хохлов Н.И. Эффективность, надежность и испытания оружия и систем вооружения / Н.И. Хохлов, М.В. Грязев, А.В. Игнатов, В.П. Та­наев, Н.Е. Стариков. — Тула: Изд-во ТулГУ. 2016. 268 с.