NO312143B1 - Fremgangsmåte for å bestemme önsket oppdelingstidspunkt, s¶rlig for et programmerbart prosjektil - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder, som tittelen angir, bestemmelse av fragmenterings-eller oppdelingstidspunktet for et prosjektil hvis fragmentering til et større antall elementer er programmerbar. Nærmere bestemt går oppfinnelsen ut på en fremgangsmåte for bestemmelse av et korrigert oppdelingstidspunkt, i samsvar med ordlyden i innledningen av patentkrav 1.

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, Ztirich, 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 etter denne beskrivelse. 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 få en konstant og stor sannsynlighet for treff eller nedskytning. Korreksjonsfaktoren som foreslås for oppdelingstidspunktet bygger på treffpunktets aktiveringselementer for å kunne holde kommando over våpenet, dvs. våpenvinklene a og X, trefftidspunktet Tf og ledehastigheten VOv for prosjektilet. Muligheten for enkel integrasjon i allerede eksisterende våpenkommandosystemer og hvor det trengs minimalt med foranstaltninger muliggjøres.

Oppfinnelsen skal nå gjennomgås i nærmere detalj, ved at et utførelseseksempel 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 utskyt-ningslast 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 mål-område i det viste eksempel på 3,5 m diameter bli dekket av seksten underprosjektiler pr kvadratmeter.

Målet som skal angripes eller som det skal forsvares mot, er på fig. 4 angitt med 4 og 4', representert i hhv en freff/utskytningsposisjon og en noe tidligere posisjon.

Oppfinnelsens innretning virker på denne måte:

Prosessoren 9 beregner en treffavstand RT fra ledehastigheten og som er dannet som et gjennomsnitt av flere prosjektilhastigheter Vm og tilført via mediet 17, idet disse tidligere registrerte hastigheter Vm er som følge av relativt ferske målinger. Ut fra den forhåndsbestemte oppdelingsavstand Dz og ved at man tar hensyn til prosjektilhastigheten Vg(Tf) som en funksjon av trefftidspunktet Tf er det mulig å beregne et oppdelingstidspunkt Tz for prosjektilet, ut fra følgende ligninger:

hvor Vg(Tf) er bestemt ved ballistisk tilnærmelse og Tz gjelder den tid det tar for prosjektilet å bevege seg frem til oppdelingsposisjonen Pz, mens Pf er den tid det tar for et underprosjektil å bevege seg i prosjektilets bevegelsesretning fra posisjonen Pz og til treffpunktet Pf på målet (fig. 3,4), idet Tf således kan kalles banetiden.

Prosessoren 9 far beskjed om stillingen av kanonen 2, nemlig dens asimut-vinkel a og elevasjonsvinkel X. Vinklene a og X, oppdelings- eller trefftidspunktet Tz, Tf og ledehastigheten VOv er de aktuelle ilddataparametre for treffpunktet og overføres via mediet 17 til korreksjonsenheten 12. I tillegg overføres vinklene til kanonservokretsen 15, og parametrene VOv og Tz føres til oppdatering av enheten 11.

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

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

Ved starten av hver klokkeperiode i beregner korreksjonsenheten 12 en korreksjonsfaktor K ved hjelp av de fire siste parametre a, X, Tz eller Tf og VOv, ognedenfor skal utledes en betingelseslikning for denne størrelse eller faktor K:

Som utgangsdefinisjon for K gjelder likning 8 nedenfor:

hvor vrei er den relative hastighet mellom prosjektilet og målet, og hvor -^- er den deriverte av prosjektilposisjonen med hensyn til utgangshastigheten. Antas rett ballistikk hvor vektoren som representerer differensialet ovenfor tilnærmet sammenfaller med retningsvektoren for våpenløpet 13 kan man sette:

Her antas v0, den innledende ledehastighet i kanonløpets retning å være konstant, og dette betyr at TG=TG(to) og Pos=Pos(to). Imidlertid skal det bemerkes at siden man har bevegelse av kanonløpet 13 ved en viss hastighet: vJf^oCtbX vil denne hastighet være en funksjon av tiden, og dette uttrykkes i den ballistiske løsning:

I dette tilfelle blir betingelsene:

Deriverer man ligning 10 med hensyn på ^ får man: som representerer en oppdeling av målhastigheten i prosjektilhastigheten og en vektor C, idet:

Fra den generelle ballistiske teori kjennes at man ved gitte forutsetninger kan sette:

i ligning 11.1, og videre vil kanonløphastigheten være lav, slik at det første vektorledd i ligning 11.1 kan betraktes å være neglisjerbart. I samsvar med den generelle definisjon av differensialet vil følgende gjelde for D3 i ligning 11.1:

Hvis man ser bort fra våpenløpets 13 elevasjon, får man:

slik at det tilnærmede resultat blir: og følgelig vil da punktet tilnærmet beveges i en sirkulær bane i et rotasjonsplan som fastlegges av vektorene

Det er således mulig å skrive ligning 12 på denne måte:

hvor rø er rotasjonsvektoren perpendikulært på rotasjonsplanet. I dette tilfelle antas at vinkelhastigheten av våpenløpet 13 om sin momentane rotasjonsakse er tallverdimessig lik vinkelhastigheten slik at resultatet blir :

Med den antakelse i tillegg at prosjektilhastigheten har en retning som tilnærmet er parallell med retningen mot målet og under fortsatt fomtsetning av rett ballistikk får man:

Fra ligning 11 utredes følgende ligning som uttrekker oppdelingen av målhastigheten i to ortogonale komponenter:

Ved innsetting av ligning 9 i ligning 8 og ved å ta i betraktning definisjonen av v^ei(v0) får man: og definisjonene:

Resultatet blir:

Tar man i betraktning definisjonene for pG, vG og vz gitt ovenfor får man videre: og Det følger av ligning 14 og 15 at

Ligning 16 er forenklet ved å redusere med uttrykket:

hvorved korreksjonsfaktoren forenklet kan skrives: I denne ligning er det mulig å beregne differensialet ut fra ildkommandoenheten 1 ved hjelp av forskjellige matematiske metoder. Ut fra ligning 13 kjennes co som en kjent funksjon av størrelsene a(to), X( to) og X(to), og disse verdier kan enten beregnes eller måles direkte i våpenet 2. Verdiene

er gitt av ballistikken. Disse uttrykk er førsteordens

funksjoner av banetiden og andreordens når det gjelder våpenløpelevasjonen, hvilket kan

neglisjeres. Det er f.eks. mulig å bruke en løsning som er satt opp av matematikeren d'Antonio for å bestemme slike verdier, og denne løsning er gitt ved: mens vn angir en hastighet (den nominelle innledende prosjektilhastighet) som relatert til cw-verdien. Ved å sette inn ligning 18 og 19 i ligning 17 får man uttrykket for korreksjonsfaktoren K:

hvor verdiene t<g>, ^<2>, a,i,o,i ogv0er relatert til tidspunktet to.

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

t? en vektor

en "vektorstandard", dvs den skalare

størrelse av vektoren

(u, v) skalarprodukt

5x5 vektorprodukt

Id enhetsmatrise

skalar multiplikasjon eller matrise-multiplikasjon

g := A verdien g er definert som uttrykket A

g g( x\ f • •»Zn) verdien g er avhengig av xlv...xn

t v-> g{ t) tilordning (utviklingen av g i punktet

t er tilordnet t)

■

g det tidsderiverte av g

Di g (zi,..., xn) den partiellderiverte av g etter

den i-te variable

— g{ t xi> xn) ^en partiellderiverte av g etter tiden

lim/v_+o A( h) begrensing av uttrykket A for h mot 0

inft M nedre grense for størrelsen av M over

samtlige t

pc, vc, 5g posisj on, hastighet, akselerasjon

av prosjektilet

Pzi^Zi 5z posisjon, hastighet, akselerasjon

av målet

Prei, Vrei, 0- rti 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

TG prosjektilets ledebanetid

r prosjektilets banetid

<*>o 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 fa optimal nedskytning av et mål.

Antas rett ballistikk er det mulig å sette:

i stedet for ligning 9, idet dette uttrykk av første orden fører til samme resultat som korreksjonsfaktoren K når man tar hensyn til fallvinklene innenfor kortballistikk.

Claims (2)

1. Fremgangsmåte for å bestemme et korrigert tidspunkt (Tz(Vm)) for oppdeling av et prosjektil (18) ved utskytingen fra et våpenløp (13), idet oppdelingen er programmerbar, i den hensikt å opprettholde en gitt oppdelingsavstand (Dz) mellom et treffpunkt (PF) og prosjektilets oppdelingsposisjon (Pz) når dets oppdeling finner sted ved det oppdelingstidspunkt (Tz) som skal korrigeres, idet freffpunktet (PF) gjelder treff av et mål (4) som beveger seg med en gitt hastighet, hvor beregning av en treffavstand (RT) frem til målet (4) fra våpenløpet (13) skjer på grunnlag av data fra sensorer (3, 5), hvor prosjektilets (28) utgangshastighet (Vm) ved våpenløpets (13) munning måles, og hvor bestemmelsen av det korrigerte oppdelingstidspunkt (Tz(Vm)) bygger på minst: treffavstanden (Rt), prosjektilets utgangshastighet (Vm), og • oppdelingsavstanden (Dz), karakterisert ved: bestemmelse av en ledehastighet (VOv) for prosjektilet ut fra de innhentede data fra sensorene (3, 5), og slik at det korrigerte oppdelingstidspunkt (Tz(Vm)) blir utledet fra det ukorrigerte oppdelingstidspunkt (Tz) ut fra ligningen: og hvor: Tz(Vm) er det korrigerte oppdehngsitdspunkt, Tz er det ukorrigerte oppdelingstidspunktet, K er en korreksjonsfaktor, Vm er prosjektilets målte utgangshastighet fra våpenløpet, og VOv er en forhåndsbestemt ledehastighet for prosjektilet, idet korreksjonsfaktoren K, som er gitt ved: den deriverte av prosjektilposisjonen med hensyn til prosjektilets begynnelseshastighet, idet man går ut fra rett ballistikk: såvel som under forutsetning av den ballistiske løsning og treffbetingelsene finnes ved følgende beregningstrinn, i relasjon til prosjektilets banetid (TG), våpenløpets asimut- og elevasjonsvinkel ( a, X) og den anslåtte ledehastighet (Vov): - differensiering av ligning 10 med hensyn til tiden to når prosjektilet skytes ut fra våpenløpets munning, for å komme frem til: som representerer oppdeling av målhastigheten til prosjektilhastighet og en vektor (C), idet hvor deretter uttrykket i ligning 11.1 ses bort fra, - bestemmelse av den deriverte D3 i ligning 11.1: - neglisjering av våpenløpets (13) elevasjon, hvorved fremkommer som en tilnærmet løsning, slik at ligning 12 kan skrives som hvor 0) er en rotasjonsvektor normalt på et rotasjonsplan, - antakelse at dreiehastigheten av våpenløpet (13) om sin rotasjonsakse i øyeblikket er lik dreiehastigheten for slik at fremkommer, - antakelse at prosjektilhastigheten ved rett ballistikk er tilnærmet i samme retning som retningen mot målet, dvs. at utledning fra ligning 11 for oppdeling av målhastighetsvektoren i to ortogonale komponenter: - innsetting av ligning 9 i ligning 8, idet det tas hensyn til definisjonene: hvilket fører til: - med utgangspunkt i definisjonene for pG, vG og vz for følgende resultat: fra ligning 14 og 15, såvel som slik at - og reduksjon av ligning 16 med slik at korreksjonsfaktoren (K) blir: idet følgende uttrykk/symboler er brukt: Ve ve, o- G Posisjon> hastighet, akselerasjon av prosjektilet Pz» vz, o- z posisjon, hastighet, akselerasjon av målet Prei i Vrei. Oret relativ posisjon, hastighet og akselerasjon mellom prosjektil og mål Pos posisjonen av våpenmunningen a, A våpenløpets asimut- og elevasjonsvinkel jjo prosjektilets innledende ledehastighet v0 prosjektilets innledende ledehastighet dekomponert i våpenløpets retning vm prosjektilets innledende effektive hastighet projisert i våpenløpsretningen TG prosjektilets ledebanetid f prosjektilets banetid t0 tidspunktet når prosjektilet skytes ut fra våpenløpets munning.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at verdiene og fra ligning 17 bestemmes i samsvar med ligningene: idet og vn er en prosjektilhastighet som er relatert til lufrmotstandskoeffisienten cw, og at ligningene 18 og 19 ved innsetting i 17 fører til resultatet: