Способ определения координат объекта испытаний в момент его подрыва

Способ определения координат объекта испытаний в момент его подрыва

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области испытательной и измерительной техники, а именно к способам определения пространственных координат взрыва, вызванного подрывом объекта испытаний (ОИ).

Известен способ определения пространственных координат ОИ в момент его подрыва, см. ГОСТ Р51271-99 "Изделия пиротехнические. Методы сертификационных испытаний." (раздел 6.4, 6.5). Он основан на скоростной фотосъемке с нескольких позиций ОИ в процессе его движения по траектории и срабатывания. Этот способ заключается в установке на разных позициях не менее двух фотокамер и реперных знаков таким образом, чтобы при стрельбе было обеспечено попадание ОИ в угол обзора фотокамер и видимость всеми фотокамерами всех реперных знаков и обеспечении начала процесса фотосъемки до момента подрыва ОИ. Затем по снимкам с разных фотокамер, содержащим изображения реперных знаков и взрыв ОИ в один и тот же момент времени, по заданному алгоритму определяются координаты точки подрыва ОИ. Этот способ позволяет определить пространственные координаты и положение ОИ в нескольких точках траектории полета и координаты точки срабатывания. При его применении возникают следующие ограничения. Ограниченный угол обзора камер требует привязки к ожидаемой области срабатывания изделия, а ограниченная длительность фотосъемки - точной синхронизации с моментом срабатывания изделия, что в некоторых случаях обеспечить невозможно. Кроме того, погодные условия (недостаточная освещенность объекта съемки, туман, запыленность атмосферы, осадки и пр.) сильно влияют на точность и возможность применения этого способа.

Известен способ определения координат взрыва снаряда, включающий регистрацию ударной волны, сопровождающей его взрыв, двумя датчиками, соединенными через передающие устройства к входам приемного устройства, выходы которого связаны с входами вычислителя (заявка Великобритании №1371173, МПК G 01 S 5/18, F 41 J 5/00, опубликованная 23.10.74). Недостатком его является ограниченная область определения координат взрыва снарядов, т.к. используемые датчики ударной волны выполнены в виде протяженных конструкций и должны иметь размеры, соизмеримые с величиной главной оси эллипса рассеивания. Кроме того, с помощью данного способа невозможно определение пространственных координат точки срабатывания снаряда. Этот способ выбран в качестве прототипа.

Заявляемый способ направлен на решение технической задачи определения пространственных координат ОИ в момент его подрыва.

Техническим результатом использования изобретения является получение пространственных (горизонтальных и высотной) координат подрыва изделия, расширение телесного угла определения координат до 4π, увеличение точности определения координат, мобильность и простота применения способа, работоспособность в неблагоприятных погодных условиях, возможность построения системы постоянного мониторинга воздушной среды с целью выявления источников ВУВ.

Техническая задача решается следующим образом. Способ определения координат ОИ в момент его подрыва включает регистрацию датчиками воздушной ударной волны (ВУВ), сопровождающей подрыв ОИ. В отличие от прототипа, ВУВ регистрируют датчиками ударной волны (ДУВ) не менее чем в трех измерительных точках (ИТ), имеющих геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки (ИП). На ИП устанавливают по крайней мере один светоприемник (СП) и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды (метеоаппаратуру). По сигналу СП фиксируют момент подрыва ОИ, а по сигналам ДУВ - моменты достижения ударной волной каждой ИТ. На основании полученных данных вычисляют расстояния от точки подрыва до каждой ИТ с учетом параметров невозмущенной воздушной среды. Определение координат срабатывания ОИ производят по известным координатам ИТ и расстояниям от точки подрыва до каждой ИТ.

Размещение датчиков не менее чем в трех ИТ позволяет получать пространственные координаты подрыва ОИ. Регистрация СП и ДУВ соответственно момента светового импульса и момента прихода ВУВ дает возможность определять координаты подрыва, независимо от того в каком направлении относительно ИП он произведен. При этом размещение ДУВ в 3-х ИТ обеспечивает телесный угол определения пространственных координат до 2π, размещение ДУВ в 4-х и более ИТ, не лежащих в одной плоскости, обеспечивает телесный угол определения пространственных координат до 4π. Способ предусматривает использование датчиков измерения импульсных давлений, светоприемника, метеоаппаратуры и автономного регистратора. Это оборудование компактно и в случае смены места испытаний может быть в короткие сроки перемещено на новое место, что обеспечивает мобильность и простоту применения способа. Измерение ВУВ дает возможность определять координаты подрыва ОИ при неблагоприятных условиях (темное время суток, туман, запыленность атмосферы, осадки и пр.). Регистрация параметров невозмущенной воздушной среды позволяет повысить точность определения координат подрыва ОИ и учитывать влияние ветра. При организации непрерывной регистрации и сопряжении с ПЭВМ возможно осуществление постоянного мониторинга воздушной среды.

Способ поясняется чертежами. На фигуре 1 приведена схема постановки измерений, на фигуре 2 - графики измерений ВУВ и регистрации светового импульса, на фигуре 3 - таблица 1 координат ИТ в системе пространственных координат ИП, на фигуре 4 - таблица 2 параметров невозмущенной воздушной среды.

Способ определения координат ОИ 3 в момент его подрыва реализуется следующим образом.

Выбирают схему размещения ИТ 4, которая обладает наименьшей чувствительностью к случайным и систематическим ошибкам способа. ОИ 3 может быть доставлен в ожидаемую область подрыва любым известным способом (например, с земли 2 или с воздуха 1, см. фиг.1).

Число размещаемых ИТ 4 - не менее 3.

Перед проведением испытаний выполняют геодезическую привязку ИТ 4 к системе пространственных координат испытательной площадки (полигона).

В каждой ИТ 4 устанавливают датчик ударной волны (не показан), на испытательной площадке устанавливается как минимум один СП 5.

На испытательной площадке устанавливают аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды (не показана).

Датчики ударной волны и СП 5 подключают к автономному устройству, регистрирующему поступающие сигналы (не показано).

По сигналу СП 5 определяют момент (время) подрыва ОИ 3 - τ_c.

По сигналам датчиков ударной волны определяют момент достижения фронтом ВУВ каждой ИТ 4 - τ_фi, где i - номер ИТ 4 (см. фиг.2).

Значение Δτ_фi=(τ_фi-τ_c) является временем движения фронта ВУВ от точки взрыва до i-ой ИТ 4.

На основании полученных данных определяют расстояния от точки подрыва ОИ до i-ой ИТ 4 - R_i по зависимости R(τ), где τ=Δτ_фi. Зависимость R(τ) учитывает невозмущенное состояние атмосферы (температура воздушной среды, атмосферное давление, скорость и направление ветра).

Расстояния R_i и известные координаты ИТ 4 определяют сферы с центрами в ИТ 4 и радиусами, равными расстояниям, пройденным фронтом ВУВ от точки подрыва до соответствующей ИТ 4, т.е. искомые координаты (X,Y,Z) подрыва ОИ 3 удовлетворяют системе уравнений:

(X-X_i)²+(Y-Y_i)²+(Z-Z_i)²=R_i ², i=1÷N; N≥3

В результате решения определяют координаты (X,Y,Z) ОИ 3 в момент его подрыва.

Для отработки и применения предлагаемого способа использовались общеизвестные технические средства:

1. Датчики измерения импульсных давлений воздушной среды (АДИД.406233.001 или ENDEVCO, тип 8510В-1).

2. Светоприемник, чувствительным элементом которого является фотодиод (ФД263).

3. Автономный цифровой регистратор аналоговых сигналов с количеством измерительных каналов не менее 4 (ADLINK Technology Inc., модуль аналогового ввода-вывода DAQ-2010).

4. Экранированные измерительные линии, соединяющие датчики, светоприемник и схему запуска с регистратором (кабель ГПЭУ 6/012).

Способ показал хорошую сходимость результатов (±0.5% по каждой из координат X, Y, Z) с применяемым оптическим способом по ГОСТ Р 51271-99 "Изделия пиротехнические. Методы сертификационных испытаний." (раздел 6.4, 6.5).

Работоспособность способа показана в экспериментах по его отработке, в которых пространственные координаты размещения ОИ в момент его подрыва были известны заранее. Кроме того, он успешно применялся в полигонных условиях.

Решение задачи определения координат ОИ в момент его подрыва производилось следующим образом. Согласно заявляемому способу была выбрана схема установки ИТ с учетом информации о предполагаемой области подрыва ОИ. В каждой ИТ было размещено по одному датчику УВ и выполнена геодезическая привязка ИТ к системе пространственных координат ИП (см. табл.1).

На испытательной площадке были установлены СП и аппаратура, регистрирующая параметры невозмущенной воздушной среды (метеоаппаратура). Был произведен запуск и подрыв ОИ.

Метеоаппаратурой были зарегистрированы параметры невозмущенной воздушной среды (см. табл.2).

По сигналу СП (см. фиг.2 Д4-1) было определено время подрыва ОИ - τ_c=2.99792 c.

По сигналам датчиков ударной волны (см. фиг.2 Д1-2, Д2-2, Д3-2) определили моменты достижения фронтом ВУВ каждой из трех ИТ. τ_ф1=3.67538 с, τ_ф2=3.72706 с, τ_ф3=3.79378 с.

По формуле Δτ_ф=τ_ф-τ_с получили время движения фронта ВУВ от точки подрыва до каждой ИТ Δτ_ф1=0.67746 с, Δτ_ф1=0.72914 с, Δτ_ф1=0.79586 с.

На основании полученных данных определили расстояния R от точки подрыва ОИ до каждой ИТ по зависимости R(τ), которая в первом приближении имеет вид R(τ)=с_зв·Δτ_ф+V_w·Δτ_ф+r₀, где с_зв - скорость распространения звука при данных метеоусловиях, V_w - величина проекции вектора скорости ветра на соответствующий вектор R, r₀ - поправка R на ударную волну. Величина r₀ была определена с использованием данных о параметрах невозмущенной воздушной среды и ожидаемой энергии взрыва. В результате были получены координаты подрыва ОИ Х=-13.6 м, Y=209.9 м, Z=89.7 м. Точность определения координат по осям составила ΔХ=±3.1 м, ΔY=±1.9 м, ΔZ=±2.3 м при доверительной вероятности Р=0.99.

Таким способом в серии экспериментов были определены координаты подрыва при различных вариантах взаимного расположения ИТ и ОИ.

При практическом применении способа подтверждены его возможности и преимущества, заключающиеся в получении пространственных координат подрыва изделия, расширении телесного угла определения координат до 4π, увеличении точности определения координат, мобильности и простоте применения способа, работоспособности в неблагоприятных погодных условиях и возможности построения системы постоянного мониторинга воздушной среды с целью выявления источников ВУВ.

Таблица 1
Номер ИТ	Координаты ИТ
Х, м	Y, м	Z, м
ИТ1	-80.1	17.1	-0.3
ИТ2	-76.9	-28.0	-0.2
ИТ3	-16.2	-80.3	-0.6

Таблица 2
Атмосферное давление, кПа	Температура воздуха, °С	Проекции скорости ветра
Vx, м/с	Vу, м/с	Vz, м/с
98.9	-8.2	-2	0	0

Способ определения координат объекта испытаний (ОИ) в момент его подрыва, включающий регистрацию датчиками воздушной ударной волны (ВУВ), сопровождающей подрыв ОИ, отличающийся тем, что ВУВ регистрируют датчиками ударной волны (ДУВ) не менее чем в трех измерительных точках (ИТ), имеющих геодезическую привязку к системе пространственных координат испытательной площадки (ИП), на которой устанавливают, по крайней мере, один светоприемник (СП) и аппаратуру, регистрирующую параметры невозмущенной воздушной среды, по сигналу СП фиксируют момент подрыва ОИ, а по сигналам ДУВ - моменты достижения ударной волной каждой ИТ, на основании полученных данных вычисляют расстояния от точки подрыва до каждой ИТ с учетом параметров невозмущенной воздушной среды, а определение координат подрыва ОИ производят по известным координатам ИТ и расстояниям от точки подрыва до каждой ИТ.