NO311954B1 - Fremgangsmåte for å bestemme et programmerbart prosjektils oppdelingstidspunkt - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder en fremgangsmåte for å bestemme et prosjektils fragmenterings- eller oppdelingstidspunkt, etter prosjektilets utskyting fira et våpenløp, idet tidspunktet for oppdelingen er programmerbart. Nærmere bestemt er fremgangsmåten slik det fremgår av patentkravet.

Fra EP 0 300 255 er allerede kjent et apparat for å registrere prosjektilhastigheten ved munningen av et våpenløp. Måleinnretningen består av to toroidspoler som er anordnet i en viss avstand fra hverandre, og på grunn av den magnetiske fluksendring som finner sted når et prosjektil passerer de to spoler vil det frembringes en elektrisk puls i begge av disse, like etter hverandre. Pulsene overføres til en behandlingskrets, slik at prosjektilhastigheten kan beregnes ut fra tidsavstanden mellom pulsene og den fysiske avstand mellom toroidspolene. En senderspole for hastigheten er anordnet bak måleinnretningen, i prosjektilets bevegelsesretning, og denne senderspole arbeider sammen med en mottakerspole i selve prosjektilet. Mottakerspolen er koplet via et høypassfilter og står i forbindelse med en teller hvis utgangsside er forbundet med en tidskrets. Oppdelingstidspunktet kan finnes ut fra den beregnede hastighet ved våpenmunningen og treffavstanden frem mot det aktuelle mål, og disse data overføres induktivt til prosjektilet like etter passeringen gjennom måleinnretningen. Tidsmekanismen innstilles som funksjon av oppdelingstidspunktet slik at prosjektilet kan deles opp på foreskrevet måte i nærheten av målet.

Hvis prosjektiler med underprosjektiler brukes (prosjektiler med primær og sekundær ballistikk) er det f.eks. mulig, slik det er vist i OC 2052 d 94, en publikasjon fra Oerlikon-Contraves, Zurich, å ødelegge et angripende mål ved flere treff hvis det forventede område av målet blir dekket av en sky som dannes av underprosjektilene, etter at disse er skilt fra eller skutt ut i det øyeblikk som her er kalt oppdelingstidspunktet. Under oppdelingen skilles den del som bærer underprosjektilene fra og rives åpen ved en rekke forhåndsbestemte bruddpunkter. De utskutte underprosjektiler kommer til å følge en spinnstabilisert flygebane som bevirkes av prosjektilets rotasjon og vil jevnt fordeles innenfor en angrepskonus, ved at de i denne følger tilnærmet halvsirkulære buer, hvorved det blir stor sannsynlighet for at et mål kan treffes.

Det er imidlertid ikke alltid mulig å få en god treffsannsynlighet for en slik innretning i ethvert tilfelle, siden man kan ha fluktuasjoner i oppdelingsavstanden, f.eks. som følge av variasjon i prosjektilutgangshastigheten og/eller bruken av verdier som ikke er helt riktige. Selv om treffsirkelen (som representerer treffkonusens tverrsnitt) blir større med større oppdelingsavstand vil tettheten av underprosjektilene naturligvis bli mindre. Det motsatte tilfellet har man når oppdelingsavstanden er liten, da vil altså underprosjektilene komme i tett formasjon, men treffsirkelen vil være mindre.

Det er nå et mål med oppfinnelsen å skaffe til veie en fremgangsmåte og en innretning i samsvar med tittelen og innledningen, og hvor man søker å oppnå en så god treffsikkerhet som mulig uten å være beheftet med ulempene nevnt ovenfor.

Dette mål menes å være nådd med de trekk som fremgår av patentkrav 1 (se de siste sider). En fast og optimal oppdelingsavstand mellom et oppdelingspunkt på prosjektilet og et treffpunkt på målet blir holdt konstant ved korreksjon av oppdelingstidspunktet. Korreksjonen utføres slik at en korreksjonsfaktor som multipliseres med en hastighetsforskjell legges til oppdelingstidspunktet, og prosjektilets hastighetsforskjell dannes som forskjellen mellom den måle aktuelle prosjektilhastighet og en ledehastighet for samme, idet denne såkalte ledehastighet beregnes ut fra den gjennomsnittlige verdi av et større antall tidligere registrerte prosjektilhastigheter hvor utskytingen/oppdelingen/ mål-treffet har vært vellykket.

De fordeler som kan oppnås ved hjelp av oppfinnelsen bygger på at en fastlagt oppdelingsavstand vil være uavhengig av prosjektilhastigheten slik denne måles i virkeligheten, slik at det er mulig å fa en konstant og stor sannsynlighet for treff eller nedskytning. Korreksjonsfaktoren som foreslås for oppdelingstidspunktet bygger på den relative hastighet mellom prosjektilet og målet, og en utledning av ballistikken i treffpunktet på dette.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås i nærmere detalj, ved at et utførelses-eksempel belyses, og dette eksempel er vist i tegningene, hvor fig. 1 skjematisk viser et våpenkommandosystem med en innretning ifølge oppfinnelsen, fig. 2 viser et lengdesnitt gjennom en måle- og programmeringsinnretning, fig. 3 viser skjematisk fordelingen av underprosjektilet som funksjon av oppdelingsavstanden, og fig. 4 viser på en litt annen måte og likeledes skjematisk våpenkommandosystemet fra fig. 1.

På fig. 1 indikeres med 1 en ildkommandoenhet og med 2 et våpen i form av en kanon. Enhetene 1 består av en søkesensor 3 for registrering av et mål 4, en følgesensor 5 for målfølging i forbindelse med søkesensoren 3 ved tredimensjonal radarsøking og - overvåking, så vel som en datamaskin 6 for ildkommando. Datamaskinen er koplet til minst ett hovedfilter 7 og har en prosessor 9 for ledehastighetsberegning. På inngangssiden er filteret 7 koplet til følgesensoren 5, og på utgangssiden til prosessoren 9, og filterets 7 funksjon er overføring av tredimensjonale måledata som mottas fra følgesensoren 5, i form av estimerte måledata Z så som posisjon, hastighet, akselerasjon etc., for overføring til prosessoren 9. Meteorologiske data kan tilføres prosessoren 9 via en ytterligere inngang Me. Betydningen av symbolene på de enkelte steder i skjemaet vil fremgå av funksjons-beskrivelsen nedenfor.

En andre datamaskin hører til selve våpenet, kanonen 2 og omfatter en evalueringskrets 10, en oppdateringsenhet 11 og en korreksjonsenhet 12. Kretsen 10 er koplet til en måler 14 for prosjektilhastighet og anordnet på utløpet av kanonvåpenløpet 13, og dette skal beskrives nærmere i forbindelse med fig. 2. Kretsen 10 er på utgangssiden koplet til prosessoren 9 og oppdateringsenheten 11. Enheten 11 har også andre innganger, nemlig fra prosessoren 9 og korreksjonsenheten 12, og utgangssiden er koplet til et programmeringselement som er integrert i måleren 14. Korreksjonsenheten 12 er på inngangssiden koplet til prosessoren 9 og på utgangssiden til oppdateringsenheten 11. En kanonservokrets 15 og en aktivator 16 som reagerer på ildkommandoen er også koplet til prosessoren 9. Forbindelsene mellom ildkommandoenheten 1 og kanonen 2 er kombinert i det som her kan kalles et dataoverføringsmedium 17 (en busslinje). Et prosjektil 18, 18' er illustrert i to forskjellige utskytningsstillinger, nemlig med utskytningen fra kanonløpet 13 (i en programmeringsfase), og ved oppdelingstidspunktet nær et mål 4. Prosjektilet 18 er altså et programmerbart element med primær og sekundær ballistikk, utrustet med en utskytningslast og en tidsmekanisme og fylt med underprosjektiler 19.

Fig. 2 viser et holderør 20 festet til munningen av løpet 13 og bestående av tre deler, nemlig en første, en andre og en tredje del 21, 22, 23. To toroidspoler 24, 25 for måling av prosjektilhastighet er anordnet mellom den første del 21 og den andre og tredje del 22, 23. En senderspole 27 som er innesluttet i en spolestamme 26 er festet til den tredje del 23 - også kalt en programmeringsdel. Måten holderen 20 og de tre deler 21, 22, 23 er festet på og til hverandre blir ikke her gjennomgått nærmere. Bløtjernstaver 30 er anordnet langs omkretsen av holderøret 20 for å skjerme mot magnetiske felt som vil kunne forstyrre målingene. Prosjektilet 18 har en mottakerspole 31 som er koplet via et filter 32 og en teller 33 med en tidsmekanisme som i dette tilfelle er i form av en forsinkelsestenner 34. Ved passeringen av prosjektilet 18 forbi spolene 24, 25 dannes to raskt påfølgende elektriske pulser i spoleviklingene, og disse pulser føres til evalueringskretsen 10 (fig. 1) for beregning av prosjektilhastigheten, med utgangspunkt i tidsavstanden mellom pulsene og den fysiske avstand a mellom spolene 24,25. Deretter kan man beregne et oppdelingstidspunkt, dvs ved hvilket etterfølgende tidspunkt man ønsker at prosjektilet skal skyte ut underprosjektilene, og dette skal beskrives i nærmere detalj nedenfor. Tidspunktet overføres induktivt på digital form under passeringen av prosjektilet 18, ved hjelp av senderspolen 27 og til mottakerspolen 31, slik at telleren 33 kan startes.

Prosjektilets 18 (18') oppdelingsposisjon er angitt med Pz på fig. 3, og i denne posisjon skytes underprosjektilene ut slik at de kommer til å ligge innenfor kjeglen C i en tilnærmet jevn fordeling langs halvsirkulære kurver i de (perspektivisk tegnede) sirkelflater Fl - F4 som danner kjeglens C tverrsnitt. Avstanden fra posisjonen Pz er gitt (i meter) langs en første abscisse I, mens arealet av sirkelflatene Fl - F4 er avsatt langs en andre abscisse II (angitt i m<2>), øverst og med sirkeldiameter i meter, nederst. Med et karakteristisk prosjektil som f.eks. har 152 underprosjektiler og en konusvinkel C på i utgangspunktet 10° får man de verdier som er avsatt langs abscisse II som funksjon av avstanden. Tettheten av underprosjektilene i sirkelflatene Fl -F4 vil reduseres med økende avstand, og i det aktuelle tilfelle vil man ha en tetthet på hhv 64, 16, 7 og 4 pr kvadratmeter (angitt med tallet i midten av flaten). Ved en gitt oppdelingsavstand Dz, dvs avstanden fra kanonen og til oppdelingsposisjonen Pz, på f.eks. 20 m, en verdi som beregningen nedenfor er basert på, vil et målområde i det viste eksempel på 3,5 m diameter bli dekket av seksten underprosjektiler pr kvadratmeter.

Målet som skal angripes eller som skal forsvares mot, vist på fig. 4 angitt med 4 og 4', representert i hhv en treff/utskytningsposisjon og en noe tidligere posisjon. Oppfinnelsens innretning virker på denne måte: Prosessoren 9 beregner en treffavstand RT og en bane tid for underprosjektiler ut fra en ledehastighet VOv som er dannet som et gjennomsnitt av flere prosjektilhastigheter Vm og er overført som signaler over mediet 17, idet disse tidligere registrerte hastigheter Vm er som følge av relativt ferske målinger, og ut fra den forhåndsbestemte oppdelingsavstand Dz og de aktuelle måldata Z, idet man også tar hensyn til meteorologiske data. Her er Tz den tid det tar for prosjektilet å bevege seg frem til oppdelingsposisjonen Pz, mens ts er den tid det tar for et underprosjektil å bevege seg i prosjektilets bevegelsesretning fra posisjonen Pz og til freffpunktet Pf på målet (fig. 3,4).

Prosessoren 9 får beskjed om stillingen av kanonen 2, nemlig dens asimutvinkel a og elevasjonsvinkel X. Vinklene a og X, oppdelingstidspunktet Tz og ledehastigheten VOv overføres til korreksjonsenheten 12, og i tillegg overføres vinklene til kanonservokretsen 15 via mediet 17, og parametrene VOv og Tz føres til oppdatering av enheten 11. Hvis bare ballistikk av primær kategori er aktuell overføres trefftidspunktet Tf= Tz + tg istedet for Tz (fig. 1 og 4). Enheten 12 beregner deretter en korreksjonsfaktor K slik det fremgår i nærmere detalj nedenfor.

Disse beregninger utgjøres gjentatt og syklisk slik at de nye parametre a, X, Tz eller Tf og VOv og K er tilgjengelige en forhåndsbestemt gyldig tid innenfor en tilhørende aktuell klokkeperiode i.

Interpolasjon eller ekstrapolasjon utføres for det aktuelle tidspunkt (t) mellom avtastningsudspunktene.

Et prosjektils ballistikk kan beskrives med et sett differensialligninger med form:

Med startbetingelsene gir dette en entydig ballistisk løsning: I det system som er fastlagt ved ligningene 1 og 2 inneholdes treff- eller anslagsløsningen som en grensebetingelse, idet TG=TG(to,v0(to)), og hvor prosjektilets gjennomsnittlige utgangshastighet fra våpenløpet, det som er kalt ledehastigheten v^(to) ikke antas å være den aktuelle utgangshastighet. En komponent av denne ledehastighet i våpenløpets retning kan defineres som: og en komponent orientert normalt på denne kan kalles v0(<2>), slik at angir hastigheten av løpets munning og er en gjennomsnittsverdi som i virkeligheten opprettholdes av prosjektilet. Det er imidlertid ikke mulig å gi en forhåndsuttalelse om prosjektilets utgangshastighet i løpsretningen, og derfor vil: ikke være den helt riktige for prosjektilet. Den virkelige verdi for prosjektilets starthastighet i våpenretningen er i stedet Vm. Denne verdi måles for hvert prosjektil ved våpenmunningen (fig. 1 og 2). Den effektive utgangshastighet for prosjektilet vil således være:

For enkelhets skyld kan man erstatte avhengigheten mellom starthastigheten og denne hastighets komponent i løpsretningen, slik at:

hvor man får den ballistiske løsning: . - /, D- s

t »-* va{ t; Pos0, v0)

Med den effektive starthastighet i samsvar med ligning 5 far man løsningen gitt i ligning 1

og ligning 2 på formen:

Et prosjektil hvis bane er gitt av t >-> pc(i, Pos0, vm)

vil generelt ikke kunne nå det bestemte mål, og når korreksjonsfaktoren K beregnes vil basis være banetiden t<*> over den korteste avstand mellom et prosjektil og et mål, gitt av

definisjonen:

og den partiellderiverte med hensyn til banetiden:

Ligning 6 kan forenkles ved å sette inn:

Ved differensiering av ligning 6 oppnås:

Deretter settes treffbetingelsene inn i samsvar med ligning 3, idet disse ligger inne som grensebetingelser for systemet og med definisjonen t<*> inkludert:

Av dette følger:

som blir til ligning 7 når Vm = Vo. Ved å sette inn definisjonen forenkles ligning 7 slik at korreksjonsfaktoren K kan finnes:

De matematiske eller fysiske symboler/uttrykk som er brukt ovenfor er:

v en vektor

||v|| en "vektorstandard", dvs den skalare størrelse av vektoren

(i?, v) skalarprodukt

u x v vektorprodukt

Id enhetsmatrise

skalar multiplikasjon eller matrise-multiplikasjon 9 '•— A verdien g er definert som uttrykket A 9 = ø(zi> • • •»In) verdien g er avhengig av Xi,....xn t i-4 g{ t) tilordning (utviklingen av g i punktet

t er tilordnet t)

g det tidsderiverte av g

Di g{ x\,..., xn) den partiellderiverte av g etter

den i-te variable

— g{ t x\, xn) ^en partiellderiverte av g etter tiden limfc_v0'4.(h) begrensing av uttrykket A for h mot 0 inf t M -' ne<^"e grense for størrelsen av M over samtlige t

Pc. vet o- G posisjon, hastighet, akselerasjon

av prosjektilet

PziVzi & z posisjon, hastighet, akselerasjon

av målet

Pret. vrei, arti relativ posisjon, hastighet og akselerasjon

mellom prosjektil og mål Pos posisjonen av våpenmunningen

Q< ^ våpenløpets asimut- og elevasjonsvinkel

v0 prosjektilets innledende ledehastighet

<v>o prosjektilets innledende ledehastighet

dekomponert i våpenløpets retning

<v>™ prosjektilets innledende effektive hastighet

projisert i våpenløpsretningen

^£ prosjektilets ledebanetid

V prosjektilets banetid

io tidspunktet når prosjektilet skytes ut fra

våpenløpets munning

Fra korreksjonsfaktoren K som overføres fra korreksjonsenheten 12, fra den målte aktuelle prosjektilhastighet Vm, overført som et signal fra evalueringskretsen 10, og fra ledehastigheten VOv og oppdelingstidspunktet Tz hentet ut fra prosessoren 9, kan oppdateringsenheten 11 beregne det korrigerte oppdelingstidspunkt Tz(Vm) ut fra ligningen:

Resultatet interpoleres eller ekstrapoleres for det aktuelle tidspunkt T, i avhengighet av gyldig tid. Verdien overføres til senderspolen 27 i den tredje del 23 som kan kalles en programmeringsenhet i måleren 14 og overføres induktivt til et passerende prosjektil 18 som allerede beskrevet i forbindelse med fig. 2.

Det er mulig å komme frem til en omstillingsavstand Dz (fig. 3, 4) som en konstant og uavhengig av fluktuasjoner i prosjektilhastigheten, ved hjelp av korreksjon av oppdelingstidspunktet Tz, slik at det er mulig å få optimal nedskytning av et mål.

Claims (1)

1. Fremgangsmåte for å bestemme et korrigert oppdelingstidspunkt (Tz(Vm)) for fragmentering av et prosjektil (18) hvis fragmentering er programmerbar, ved utskyting fra et våpenløp (13), i det den hensikt å opprettholde en forhåndsbestemt oppdelingsavstand (Dz) mellom et treffpunkt (Pf) og prosjektilets (18) posisjon (Pz) ved en konstant verdi når oppdelingen skal finne sted ved det oppdelingstidspunkt (Tz) som skal korrigeres, idet treffpunktet (Pf) er på et mål (4) som beveger seg med en bestemt hastighet, omfattende: beregning av en treffavstand (Rt) fra våpenløpet (13) til målet (4) ut fra data fra sensorer (3, 5), måling av prosjektilets (18) utgangshastighet (Vm) fra våpenløpet (13), og bestemmelse av det korrigerte oppdelingstidspunkt Tz(Vm) ut fra i det minste: treffavstanden (Rt),

prosj ektilets (18) utgangshastighet (Vm) og oppdelingsavstanden (Dz),karakterisert ved bestemmelse av en forhåndsbestemt ledehastighet (VOv) for-prosjektilet ut fra de data sensorene (3, 5) gir, og

bestemmelse av det endelig korrigerte oppdelingstidspunkt (Tz(Vm)) ut fra det ukorrigerte oppdelingstidspunkt (Tz) ved hjelp av ligningen: Tz(Vm)=Tz+K(Vni-VOv),

idet

Tz(Vm) er det korrigerte oppdelingsitdspunkt,

Tz er oppdelingsitdspunktet før korrigering,

K er en korreksjonsfaktor,

Vm er den målte utgangshastighet for prosjektilet

fra våpenløpet, og

VOv er en forhåndsbestemt ledehastighet for prosjektilet, hvor korreksjonsfaktoren (K) bestemmes ut fra banetiden (t<*>) over den korteste avstand mellom et prosjektil og et mål, i henhold til definisjonen:

og den partiellderiverte med hensyn på banetiden:

via følgende beregningstrinn: - forenkling av ligning 6 ved å sette inn definisjonene: - differensiering av ligning 6 i samsvar med den aktuelle målte prosjektilhastighet Vm, idet resultatet blir: - innføring av en tieffbetingelse (ligning 3) som danner en rammebetingelse for systemet vist de ballistiske differensialligninger, innføring i ligning 7 under bruk av definisjonen av t<*>:

hvorav fremgår:

og hvor Vm = VO fra ligning 7, - forenkling av ligning 7 ved å sette inn definisjonen hvorved korreksjonsf aktoren K fremkommer som:

idet følgende symboler er benyttet:

pc> ^G» 5g posisjon, hastighet, akselerasjon

av prosjektilet i>ZtVzi& z posisjon, hastighet, akselerasjon

av målet

Prtu^ rcu Qrti relativ posisjon, hastighet og akselerasjon

mellom prosjektil og mål Pos posisjonen av våpenmuniiingen <a>> våpenløpets asimut- og elevasjonsvinkel v0 prosjektilets innledende ledehastighet <v>o prosjektilets innledende ledehastighet

dekomponert i våpenløpets retning <v>«» prosjektilets innledende effektive hastighet

projisert i våpenk<p>sretriingen TG prosjektilets ledebanetid V prosjektilets banetid

<*>o tidspunktet når prosjektilet skytes ut fra våpenløpets munning.