CC BY
503
ГИРОСКОПЫ
УДК 531.383
РАЗРАБОТКА БОРТОВЫХ ГИРОСКОПОВ ПРОТИВОТАНКОВЫХ УПРАВЛЯЕМЫХ АРТИЛЛЕРИЙСКИХ СНАРЯДОВ
В.И. Бабичев, М.В. Грязев
Рассмотрены бортовые гироскопы противотанковых ракет и комплексов артиллерийского управляемого вооружения. Показано, что на основе малогабаритной элементной базы для измерения параметров движения снаряда и высокопроизводительного решения сложных навигационных задач реальной становится задача построения системы вывода снаряда в район цели по сигналам с бортового блока спутниковой навигационной системы ОР8/ГЛОНАСС, комплексированного блоком инерци-альных чувствительных элементов.
Ключевые слова: противотанковые ракеты, комплексы артиллерийского управляемого вооружения, пороховые и пружинные гироскопы, лазерная полуактивная головка самонаведения, бортовой блок спутниковой навигационной системы ОР8/ГЛОНАСС, блок инерциальных чувствительных элементов, инерциальная система наведения.
Гироскоп 9Б861, установленный на противотанковых ракетах «Фагот» и «Конкурс» [1], был первым образцом в истории противотанковых ракет, изготавливаемых АО «КБП».
Начиная с 1980 г. в АО «КБП» начался новый этап по разработке бортовых гироскопов. На рис. 1 представлена конструкция гироскопа 9Б861 для противотанкового снаряда, уже снятого с производства.
Отличительными чертами гироскопа 9Б861 являются:
- пружинный ротор;
- бесконтактный оптронный датчик;
- маятниковое устройство, подключающее оптронный датчик.
9
а б
Рис. 1. Бортовой гироскоп 9Б861: а, б - сечения по осям защелки и ротора соответственно; 1 - датчик; 2 - светодиод; 3 - растр; 4 - фотодиод; 5 - муфта; 6, 8,16 - пружины; 7 - основание; 9 - корпус; 10 — ГМ; 11, 29 - наружная и внутренняя рамки; 12 - ленточный плоский провод; 13, 22, 24 - подшипники; 14 - подпятник; 15 - ось; 17 - опора; 18 - упор; 19 - рычаг; 20 - защелка; 21 - зацеп; 23 - груз; 25 - пиротехнический толкатель; 26 - демпфер;
27 -вал ротора; 28 -обод ротора
Аналогов подобного гироскопа на указанный момент не существовало. Сравнительные характеристики порохового и пружинного гироскопов представлены в табл. 1. Как следует из табл. 1, по основным характеристикам пружинный гироскоп превосходит пороховой.
Таблица 1
Сравнительные характеристики порохового и пружинного гироскопов
Характеристика Пороховой 9Б827 Пружинный 9Б861
1 2 3
Тип датчика Контактный, ламельно-резисторный Бесконтактный, оп-тронный
Способ разгона ГМ Реактивный на пороховом газе совмещенного типа Пружинный совмещенного типа
Окончание табл. 1
1 2 3
Тип КП Внешний, рамочный Комбинированный, рамочный
Тип арретира «Винт-гайка», разаррети-рование при вращении ротора «Рычаг-стержневая защелка», пиротехнический толкатель
Допустимая перегрузка по оси наружной рамки, ед. 3500 5500
Максимальный уход наружной рамки за 20 с ±3,5° ±5°
Минимальное время складывания рамок, с 28 40
Проектная трудоемкость изготовления в серийном производстве, ч 18 12,5
Масса ГК, г 380 230
Габаритные размеры , мм 059x85 040x70
Год разработки 1978 1992
Второй вариант гироскопа представлен на рис. 2. Данный вариант гироскопа (гироскоп направления) применялся в артиллерийском управляемом снаряде «Краснополь», снятом с производства [2].
Рис. 2. Бортовой гироскоп для УАС «Краснополь»: 1 - ротор; 2 - заводная пружина; 3 - основание; 4 - зацепы; 5 - пружина; 6 - корпус; 7 - ось наружной рамки; 8 - барабан;
9 - ось внутренней рамки
11
Гироскоп направления выдерживает перегрузку в 10 000 ед. Ось 9 собственного вращения ротора смонтирована в скоростных подшипниках, являющихся кинематическим аналогом внутренней рамки карданова подвеса. Кардановый подвес обеспечивает ротору углы прокачки по вертикали до 50°.
Рассмотрим вариант лазерной полуактивной головки самонаведения для снаряда «Краснополь». На рис. 3 представлена рассматриваемая головка самонаведения. Общее количество наименований элементов электронной аппаратуры превысило 2000, а занимаемый ими объем равен 1,2 л.
Рис. 3. Лазерная полуактивная головка самонаведения для У АС «Краснополь»
Далее перейдем от старых конструкций гироскопов к новым, современным образцам.
Противотанковые комплексы вооружения. По противотанковым управляемым снарядам рассмотрим характеристики существующих и модернизированных образцов. Сравним гироскопы комплекса «Корнет-Э» (существующий вариант) и модернизированный вариант (комплекс «Кор-нет-В») (табл. 2).
Таблица 2
Характеристики комплексов _
Характеристики образца «Корнет-Э» «Корнет-В»
Дальность стрельбы, км 5,5 8,0
Максимальный уход наружной рамки гироскопа, град ± 7 ± 8
Минимальное время работы гироскопа, с 25 40
Усовершенствованный вариант гироскопа Нет Имеется
Модернизация гироскопа комплекса «Корнет-Э» касается оптимизации параметров, например, балансировки роторов, уточнения инерционных масс рамок гироскопа и пр. С учетом модернизации существующая конструкция пружинного гироскопа может применяться для будущих противотанковых снарядов.
Комплексы управляемого артиллерийского вооружения. Рассмотрим комплексы артиллерийского управляемого вооружения. Здесь следует выделить комплекс «Краснополь-М2» совместно с носимой системой управления огнем «Малахит». Состав указанного комплекса представлен на рис. 4 [3].
Пульт командира прицелом
Штатный метательный заряд
Комплекс средств автоматизированного управления огнем артиллерийских подразделений «Малахит»
Рис. 4. Состав комплекса «Краснополь-М2»
Сравнение характеристик УАС «Копперхед», «Краснополь» и «Краснополь-М2» дают преимущества комплексу «Краснополь-М2», что видно из табл. 3. Что же касается гироскопа направления для УАС «Крас-нополь-М2», то он модернизирован в части уменьшения габаритно-массовых характеристик, установки нового арретирующего устройства и введения бесконтактного оптического датчика.
Таблица 3
Сравнение характеристик УАС «Копперхед», «Краснополь» и «Краснополь-М2»
Характеристики УАС «Копперхед» (США) УАС «Краснополь» (Россия) УАС «Краснополь-М2» (Россия)
1 2 3 4
Масса снаряда, кг 62,6 51,3 54,3
Длина снаряда, мм 1370 1300 1200
Окончание табл. 3
1 2 3 4
Дальность стрельбы, км 15...16 19.20 24.26
Масса БЧ/ВВ, кг 22,5/6,7 20,5/6,3 26,5/11,0
Тип БЧ Кумулятивно-осколочная Осколочно-фугасная
Поражаемые цели Бронетанковая техника Бронетанковая техника и инженерные сооружения
Раскрытие рулей Одновременно всех четырех Одновременное или попарное в соответствии с заданной циклограммой
Способ ввода циклограммы в снаряд Вручную Автоматизированный
Наличие активного демпфирования планера Отсутствует Имеется на основе микромеханических гироскопов
Характер попадания в цель В точку подсвета В верхнюю проекцию цели
За рубежом отсутствуют снаряды, подобные снаряду «Краснополь», а образец, подобный УАС «Краснополь-М2», не планировался и не планируется к разработке [4].
Перспективные комплексы управляемого артиллерийского вооружения. Анализ тактико-технических требований к современному вооружению, опыт применения УАС «Краснополь-М2» в различных условиях позволили выработать ряд требований, направленных на дальнейшее совершенствование комплексов управляемого артиллерийского вооружения. Основными из этих требований являются:
- повышение дальности стрельбы управляемыми боеприпасами в 1,5 - 2 раза;
- обеспечение стрельбы в сложных рельефных и метеорологических условиях, в том числе при низкой облачности.
Обеспечить указанные требования на базе даже комплекса «Крас-нополь-М2», используемой в управляемых артиллерийских снарядах второго поколения, не представляется возможным. Действительно, для вывода разработанных в АО «КБП» снарядов типа «Краснополь-М2» в район
захвата цели головкой самонаведения используется система наведения на базе механического гироскопа. Указанный способ наведения обеспечивается разарретированием гироскопа в момент нахождения снаряда около вершины траектории. При таком наведении обеспечивается компенсация силы тяжести, в результате чего снаряд движется к цели по траектории с постоянным углом наклона к земной поверхности. Но даже при использовании указанных траекторий из-за уходов гироскопа такая система наведения может обеспечить приемлемую вероятность захвата цели лишь до дальности 20.. .25 км [5].
С учетом появления в последние годы как за рубежом, так и в России малогабаритной элементной базы для измерения параметров движения снаряда и высокопроизводительного решения сложных навигационных задач реальной становится задача построения системы вывода снаряда в район цели по сигналам с бортового блока спутниковой навигационной системы ОР8/ГЛОНАСС, комплексированного блоком инерциальных чувствительных элементов. Такая система позволяет избежать ограничений, связанных с выводом снаряда в район цели при стрельбе на большие дальности.
Применение системы вывода снаряда в район цели по сигналам с бортового блока спутниковой навигационной системы ОР8/ГЛОНАСС и блока инерциальных чувствительных элементов позволит [5]:
- повысить дальность стрельбы за счет использования на участке наведения в район цели оптимальных траекторий наведения;
- при использовании приемного блока спутниковой навигационной системы обеспечить достаточно высокую точность наведения;
- формировать траектории наведения с «нырком бод облака» и тем самым снять ограничения систем с лазерным полуактивным самонаведением, связанные с наличием облачности.
Состав перспективного комплекса управляемого артиллерийского вооружения. Для обеспечения принципа действия вышеуказанного комплекса управляемого вооружения требуются следующие комплектующие блоки:
- навигационная аппаратура ОР8/ГЛОНАСС;
- подсистема инерциального наведения;
- лазерная полуактивная головка самонаведения или радиолокационная.
Навигационная аппаратура ОР8/ГЛОНАСС (рис. 5) предназначена для определения пространственных координат и скоростей снаряда в полете по сигналам навигационных космических аппаратов ОР8/ГЛОНАСС, она решает навигационную задачу - определяет текущий вектор состояния снаряда, формирует и выдает в аппаратуру снаряда значения вычисленных кинематических параметров.
антен-\ приёмо-
Рис. 5. Блок навигационной аппаратуры
Подсистема инерциального наведения (рис. 6) разработана на базе блока инерциальных чувствительных элементов. Технические характеристики микромеханических преобразователей и датчиков соответствуют отечественным аналогам. Таким образом, подсистема инерциального наведения заменяет механический гироскоп направления. Конструктивно три-магнитометрических датчика и микропроцессор установлены на плате контроллера. Преобразователи угловой скорости и линейного ускорения выполнены в едином металлокерамическом корпусе.
Рис. 6. Блок инерциальных чувствительных элементов
В части лазерной полуактивной головки самонаведения усовершенствованных артиллерийских управляемых снарядов уменьшение ее габаритов произошло за счет уменьшения габаритов и объемов электронной аппаратуры (рис.7).
а б
Рис. 7. Сравнение различных вариантов ЛПГС: а - ЛПГСН и АЭ УАС «Краснополь»; б - ЛП ГСН и АЭ УАС «Краснополь-М2»
16
Для обеспечения функционирования модернизированной головки самонаведения применен метод «демодуляции - модуляции» [5].
УАС «Краснополь-Д». Примером высокоточного боеприпаса для стрельбы на большие дальности может служить снаряд «Краснополь-Д», характеристики которого представлены в табл. 4, здесь же для сравнения приведены характеристики УАС «Краснополь-М2»[6].
Таблица 4
Характеристики УАС «Краснополь-Д.» и «Краснополь-М2»
Наименование характеристики Значение характеристики
УАС «Краснополь-Д» УАС «Краснополь-М2»
Длина снаряда, мм 1300 1200
Масса снаряда, кг 53 54,3
Тип боевой части Осколочно-фугасная
Масса БЧ/ВВ, кг 20/8 26,5/11,0
Система наведения: - на среднем участке траектории; - на конечном участке траектории Инерциаль-ное+спутниковое Самонаведение Инерциальное Самонаведение
Тип ГСН Лазерная полуактивная
Максимальная дальность стрельбы, км 43 26
Время работы снаряда, с 140 60
Вероятность прямого попадания в цель типа «танк» 0,8 - 0,9 0,8 - 0,9
Частость применения 0,70 - 0,80 0,6 - 0,7
Комплексное применение в УАС «Краснополь-Д» современных достижений в области инерциальной спутниковой системы наведения управляемых снарядов в совокупности с самонаведением на конечном участке траектории обеспечивает выполнение требований по дальности стрельбы артиллерийскими комплексами и высокоточное попадание в подвижные и неподвижные цели.
Таким образом, сопоставив снятые с производства, имеющиеся в наличии и перспективные бортовые гироскопы, можем сделать вывод, что инерциальная система наведения артиллерийских снарядов при выполнении современных требований к гироскопическим приборам может обеспечить требования по дальности стрельбы и высокоточные попадания в цель.
Противотанковые комплексы могут базироваться на модернизированных решениях по гироскопическим приборам.
Список литературы
1. Бабичев В.И., Горин В.И. Особенности конструкций гироскопов // Оборонная техника. 1994. № 5-6. С. 13-17.
2. Бортовые приборы вращающихся по крену летательных аппаратов / В.И. Бабичев, В.И. Горин, В. Д. Дудка, В.В. Кирилин, Д.М. Малютин,
B.Я. Распопов, В.Я. Филимонов // Гироскопия и навигация. 2007. № 1(56).
C. 36-46.
3. Бабичев В.И. Артиллерийское ВТО в России и за рубежом // Вооружение. Политика. Конверсия. 2007. № 4. С. 16-21.
4. Бабичев В.И., Рабинович В.И. «Краснополь-М2» - высокоточный комплекс нового поколения // Военный парад. 2009. № 1. С. 36-39.
5. Состояние и развитие высокоточного оружия Сухопутных войск РФ / В.И. Бабичев, М.В. Грязев, А.В. Игнатов, В.П. Танаев, А.В. Шигин // Материалы Всероссийской научно-практической конференции, посвященной памяти В.П. Грязева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. С. 31-42.
6. Настоящее и будущее комплексов артиллерийского вооружения калибров 120/122, 130 и 152/155 мм / В.И. Бабичев [и др.]. Тула: Изд-во ТулГУ. 2017. 355 с.
Бабичев Виктор Ильич, д-р техн. наук, проф., гл. конструктор направления, [email protected], Россия, Тула, АО «Конструкторское бюро приборостроения им. академика А. Г. Шипунова»,
Грязев Михаил Васильевич, д-р техн. наук, проф., ректор, [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
ON-BOARD GYROSCOPES WITH ANTITANK AND ARTILLERY GUIDED PROJECTILES
V.I. Babichev, M. V. Gryazev
The article deals with on-board gyroscopes used with antitank missiles and artillery guided weapons. It shows that small-size elements approach to measuring projectile flight parameters and solution of sophisticated navigation tasks with high efficiency makes it real to bring a projectile to a target area by the signals generated by the on-board GPS/GLONASS terminal integrated with the inertial sensors unit.
Key words: antitank missiles, artillery guided weapons, solid-propellant and spring-loaded gyroscopes, laser semi-active seeker, on-board GPS/GLONASS terminal, inertial sensors unit, inertial guidance system.
Babichev Victor Ilyich, doctor of technical sciences, professor, chief designer, rec-tor@,tsu. tula.ru, Russia, Tula, JSC «KBP named after Academician A. Shipunov»,
Gryazev Mikhail Vasilevich, doctor of technical sciences, professor, the Rector, chancellor, rector@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 531.383
О СВОЙСТВАХ ДВИЖЕНИЙ СИММЕТРИЧНОГО ГИРОСКОПА ЭЙЛЕРА ПРИ ПРОИЗВОЛЬНЫХ НАЧАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЯХ УГЛОВ. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ С ПОМОЩЬЮ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ КИНЕМАТИЧЕСКИХ УРАВНЕНИЙ ПУАССОНА
П.К. Плотников
Показано, что регулярная прецессия в симметричном гироскопе Эйлера не является единственным видом движения, а соответствует только общеизвестным согласованным между собой начальным углам Эйлера. При любых других начальных углах возникают движения, отличающиеся от регулярной прецессии. Получены также решения в углах Эйлера-Крылова. В частности, найдены условия («сильный удар» когда нерегулярная прецессия симметричного гироскопа Эйлера в углах Эйлера-Крылова происходит в направлении действия вращательного импульса, а знак угловой скорости собственного вращения меняется на обратный. Аналитические результаты подкреплены математическим моделированием.
Ключевые слова: симметричный гироскоп Эйлера, прецессия, углы Эйлера, уравнения Пуассона, вращение, математическое моделирование, нутация, углы Эйлера-Крылова, угловая скорость, удар, дрейф.
Постановка задачи. Решение задачи о движении по инерции симметричного гироскопа Эйлера (СГЭ) хорошо известно и изложено во многих трудах, в частности, в [1-3]. Это движение является регулярной прецессией, характеризуемой постоянным углом нутации между осью кинетического момента, совмещённой с осью инерциального базиса, и осью собственного вращения СГЭ. При этом угловые скорости прецессии и нутации постоянны.
Указанные свойства нашли применение в [4] в процессе подготовки эксперимента по проверке общей теории относительности с применением СГЭ и телескопа на ИСЗ при решении вопроса о выборе соотношений между главными моментами инерции, обеспечивающих очень малые угловые скорости прецессии. В эксперименте [5, 6] угловые скорости дрейфов составили величины менее 10-11 угл. град/час, что обеспечило с погрешностью менее 1 % справедливость теории Эйнштейна.
19
