Устройство и способ для термической компенсации ствола оружия
Изобретение относится к вооружению, а именно к термической компенсации ствола орудия. Устройство для термической компенсации ствола орудия содержит ствол орудия, люльку и опору. Ствол установлен в люльке и опоре ствола. Опора является продолжением люльки. К люльке и опоре ствола присоединено несколько температурных датчиков, которые через каналы передачи данных соединены с блоком данных, а блоки данных с устройством обработки данных. Устройство обработки данных может воздействовать на исполнительные механизмы орудия. С помощью температурных датчиков измеряется температура на люльке ствола, а также опоре ствола. Затем определяется перепад температуры между верхней и нижней сторонами и правой и левой сторонами люльки ствола, как и опоры ствола. На основании этих показателей рассчитывается уклон ствола, а затем уклон ствола компенсируется изменением ориентации ствола оружия по азимуту и/или возвышению. Технический результат заключается в упрощении компенсации термически индуцированного прогиба ствола. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 4 ил.
Изобретение относится к орудийному стволу оружия, например револьверной пушки, для использования в противовоздушной обороне наземного или морского базирования. В частности, это изобретение относится к стволу орудия, установленному в люльке ствола и опоре ствола, причем люлька ствола для стабилизации, направления и демпфирования колебаний переходит в опору ствола, которая в нескольких местах поддерживает ствол или является для него опорой.
Орудие содержит, как правило, нижний станок лафета, башню и люльку ствола с опорой ствола, в которой установлен ствол (EP 1154219 A). В условиях солнечного освещения в большей степени нагревается верхняя сторона люльки ствола, в то время как не подвергшаяся солнечному освещению нижняя сторона нагревается в меньшей степени. Возникающий перепад температуры приводит к разному тепловому расширению верхней и нижней сторон люльки ствола, так что в результате ствол с определенной длиной 1 на своем свободном конце от первоначальной оси ствола отклоняется вниз на некоторый угол σ. Это отклонение сильно зависит от условий окружающей среды и погодных условий и, в свою очередь, оказывает существенное влияние на точность стрельбы орудия.
Такого рода термические различия могут проявляться и в боковом направлении, допустим, когда орудие во время восхода Солнца или захода Солнца в основном нагревается со стороны воздействия солнечных лучей, или при воздействии ветра, который сильнее охлаждает наветренную сторону орудия, чем подветренную сторону. В условиях реального использования такого рода эффекты проявляются в комбинации.
При каждом выстреле на ствол воздействуют газообразные продукты взрыва, и одновременно вследствие механического трения между стволом и снарядом возникает теплота трения. Это приводит к увеличению температуры ствола. Особенно это имеет место, если стрельба ведется очередями. Тогда тепло концентрируется в замковом конце оружия и на верхней стороне ствола, куда тепло переносится конвекцией. И этот обусловленный стрельбой температурный градиент приводит к отклонению свободного конца ствола от заданного положения.
Простые пассивные решения используют согласно документу DE 3005117 надеваемую непосредственно на ствол защитную оболочку, причем защитная оболочка согласно идущей дальше идее DE 19904417 исполнена не радиально симметричной, чтобы противодействовать асимметричному нагреванию.
DE 1918422 раскрывает теплозащитную оболочку в виде окружающей с небольшим удалением от ствола пушки металлической оболочки, причем роль теплоизоляции выполняет неподвижный слой воздуха между стволом орудия и металлической оболочкой. Эти решения статичны и не могут реагировать на изменчивые условия окружающей среды.
Двустенные орудийные оболочки согласно идее WO 97/47 939 или US 4753154 проводят между и вдоль обеих поверхностей оболочек рабочую жидкость, чтобы улучшить отвод тепла от выстрела. И эти системы работают нерегулируемо и чисто пассивно.
Активные нагревательные элементы, установленные непосредственно на стволе орудия, раскрывают DE 3219124, а также GB 2328498. Нагревательные полоски, параллельные оси ствола, перекомпенсируют внешние температурные эффекты, нагревая ствол до температуры, которая примерно на 10°C выше средней температуры окружающей среды. Отклонение ствола от нормального положения определяется, например, оптическими методами. Следовательно, этот способ энергетически очень затратный и одновременно очень медленнодействующий, оптические методы чувствительны к механическим воздействиям на систему вследствие отдачи при выстреле.
Обусловленный выстрелом подъем температуры измеряется согласно DE 4433627 термоэлементом, который вводится в стенку зарядной камеры через глухое отверстие. Во-первых, отверстием нарушается механическая устойчивость, во-вторых, не может определяться температурный градиент по длине ствола.
Документ JP 7-91891 раскрывает активное измерение прогиба ствола с помощью оптической системы и одновременно компенсацию изгиба ствола действующим на оба конца ствола орудия гидравлическим цилиндром. Этот способ очень затратен. Кроме того, компенсация может происходить только в плоскости, которая образуется осью ствола и центральной осью гидравлического цилиндра. Поэтому невозможна общая компенсация по азимуту и возвышению.
Задачей изобретения является: предложить устройство и способ, посредством которых возможны простая и очень экономичная компенсация термически индуцированного прогиба ствола и во время вызванной выстрелом отдачи.
Задача решается за счет признаков пункта 1 формулы изобретения в отношении устройства и пункта 6 формулы изобретения в отношении способа. Предпочтительные варианты осуществления показаны в зависимых пунктах.
Как известно, в условиях солнечного освещения ствол оружия изгибается вниз. Эта деформация вызывается различием в температуре верхней и нижней сторон опоры ствола и люльки. Влияние опоры ствола и влияние люльки могут в принципе рассматриваться как отдельные проблемы; для определения общего изгиба ствола, однако, они должны рассматриваться с наложением друг на друга.
В основе изобретения поэтому лежит идея использовать температурные датчики и тем самым создать систему температурной корреляции. Система при этом технически в состоянии осуществить определение перепадов температуры между верхней и нижней сторонами опоры ствола (противолежащих датчиков), а также между правой и левой сторонами опоры ствола (противолежащих датчиков). Расчет изгиба ствола проводится на основании перепадов температуры. Компенсация изгиба ствола происходит затем с учетом показателя изгиба, причем компенсация происходит путем изменения ориентации ствола по азимуту и/или возвышению. Одновременно может соединяться контроль температурных датчиков и блока данных.
Функция температурной компенсации используется в управлении орудием как дополнительный параметр и, в частности, при расчете азимута и возвышения оружия. Тем самым обусловленное температурой отклонение ствола может компенсироваться непосредственно серводвигателями оружия. Благодаря этому соответствующий изобретению способ является очень быстрым; регулирование происходит с обычной скоростью до нескольких десятков градусов в секунду.
Одновременно способ может применяться во время стрельбы. Отсутствует необходимость переводить оружие из готового к стрельбе состояния в не готовое к стрельбе состояние технического обслуживания, чтобы осуществить компенсацию ствола. Тем самым увеличивается продолжительность использования оружия.
Для соответствующего изобретению устройства необходимо провести лишь небольшие технические модификации. По существу в отношении технического обеспечения достаточно установки известных датчиков температуры, а также их соединения с блоком данных. Благодаря этому устройство является совершенно недорогим.
Компенсация ствола не вызывает в нем никаких новых изгибающих моментов или напряжений. Благодаря этому увеличивается срок службы орудия.
Выход отдельных датчиков из строя может компенсироваться математической моделью, так как можно исходить из систематического распределения температуры в люльке ствола и опоре ствола (проверка на непротиворечивость). Алгоритм анализа, однако, имеет разные запасные уровни на тот случай, если из строя выходят несколько датчиков. Таким образом, система особенно устойчива по отношению к отсутствию некоторых данных от датчиков.
В развитии изобретения регистрируется временной ход функции температурной корреляции и в читаемом виде хранится в вычислительном устройстве орудия для последующих работ по обслуживанию. Благодаря этому в последующем может протоколироваться термическая нагрузка на орудие или могут обнаруживаться ошибки в алгоритме расчетов.
В соответствии с обычными в военных условиях температурными диапазонами датчики и блок данных рассчитаны на соответствующий функции режим работы, обычно от -46°C до +120°C. В этом температурном диапазоне измерения проводятся с достаточно высоким разрешением и точностью. Разрешение и точность обусловлены применяемой математической моделью, разрешение 0,1°C и точность 0,2°C на практике оказались достаточными.
Рассматриваемое техническое решение, следовательно, характеризуется:
- очень простым методом измерения обычными температурными датчиками; система является недорогой и устойчивой;
- резервированиями в датчиках при большой защищенности системы от отказов отдельных измерительных датчиков;
- очень быстрой компенсацией деформации ствола с помощью привода орудия;
- возможностью использования во время стрельбы, в том числе очередями;
- компенсацией ошибок азимута, так же как и ошибок возвышения, вызванных термически индуцированной деформацией ствола;
отсутствием механического повреждения ствола или опоры ствола измерительными средствами.
Изобретение поясняется чертежами, на которых представлено следующее:
фиг.1 - башня орудия согласно уровню техники;
фиг.2 - башня орудия с соответствующим изобретению устройством в люльке ствола и опоре ствола;
фиг.3 - упрощенное изображение расположения датчиков по фиг.2;
фиг.4 - блок-схема способа.
Фиг.1 показывает обычное револьверное орудие 10 с башней 1 орудия, нижним лафетом 2, люлькой 3 ствола, а также опорой 4 ствола в качестве продолжения люльки 3 ствола. Опора 4 ствола состоит в основном из трубчатой рамы каркасной конструкции (детально не изображена) и может, как и все орудие 10, быть укрытой защитной оболочкой (детально не изображена).
Согласно фиг.2 такого рода орудие 10 обеспечивается несколькими температурными датчиками p1-pn, предпочтительно в количестве 16, в области люльки 3 ствола и опоры 4 ствола. Посредством 16 датчиков (p1-p16) измеряется температура у опоры 4 ствола (двенадцать датчиков) и у стенок люльки 3 (четыре датчика). Штекерные блоки 5 объединяют сигналы температурных датчиков p1-p16 из опоры 4 ствола и люльки 3 и передают их по каналам 6 передачи данных в блок 7 данных, в котором аналоговые сигналы температурных датчиков оцифровываются. Затем блок 7 данных направляет данные через Ethernet-соединение 8 в GSU 9 (устройство обработки данных). GSU компенсирует затем деформацию посредством смещения относительно горизонта (согласование по показателю изгиба). Блок 7 данных включает в себя аналого-цифровой преобразователь и сервер с Ethernet.
Далее описывается расположение датчиков в люльке ствола и опоре ствола, а также соединение компонентов. Согласно фиг.3 по существу по вертикали к оси ствола выделяются четыре плоскости, причем плоскость Е4 находится предпочтительно в люльке ствола и три плоскости E1-Е3 предпочтительно в опоре ствола. В каждой из плоскостей находятся по четыре в принципе известных из уровня техники температурных датчика (например, РТ 100), которые предпочтительно расположены в углах плоскостей. В первой плоскости Е1 вблизи дула находится четыре датчика p1-p4, в следующей в направлении люльки ствола плоскости Е2 датчики р5-р8 и т.д. Датчики каналами 6 передачи данных соединены с блоком 7 данных. Блок 7 данных оцифровывает аналоговые сигналы температурных датчиков и направляет данные о температуре через канал 8 передачи данных в GCU 9. С помощью этой конструкции можно измерять распределение температуры на люльке 3 ствола и опоре 4 ствола.
Показания температурных датчиков р1-р16 оцифровываются и передаются в устройство обработки данных (GCU 9). Одновременно они сравниваются с соответствующими архивными данными по стволу 11. Для индуцированного температурой отклонения ствола разработана математическая модель, которая с использованием параметров оптимизации устанавливает зависимость между показателями температуры измерительных датчиков p1-p16 и общим отклонением ствола.
Процесс осуществления соответствующего изобретению способа в обобщенном виде представлен на фиг.4. Для специалиста из представленного на ней общего алгоритма без дополнительных усилий понятно, как должна была бы осуществляться компенсация ошибки азимута или смешанной формы, так что в данном случае можно обойтись без конкретных указаний. Изобретение одинаковым образом относится к компенсации ошибки азимута. Числовые параметры a, b, g взвешивания сначала или вводятся в систему (GCU) или определяются при измерении и наводке орудия 10 и заимствуются в математическую модель.
Показатели температуры полиномизируются, чтобы получить линейное восприятие для изображения ошибки ствола. GCU 9 получает от блока 7 данных показатели Т температуры с индексом, относящимся к соответствующему датчику. Тем самым определяются усредненные перепады температуры по возвышению каждой плоскости Е1-Е4 датчиков опоры ствола и люльки. Параллельно с этим определяется, работоспособны ли и направляют ли достоверные данные датчики и в каком количестве достоверные показатели.
Перепады температуры в плоскостях Е1-Е4 бывают от
до
Уклон V ствола для каждой плоскости датчиков определяется с использованием следующей корреляции, причем а и b являются численными параметрами корректировки. Имеют место:
от
VE1_ствол_P_E1=aR_E1·TE1_Diff_E1+bR_E1 [рад]
до
VE3_ствол_P_E1=aR_E1·TE3_Diff_E1+bR_E1 [рад]
и
VE4_ствол_P_E1=aW_E1·TE4_Diff_E1+bW_E1 [рад]
В последующем вычисленный общий уклон ствола взвешивается для каждой плоскости датчиков Е1-Е4. Тем самым становится проще мониторинг достоверности и обеспечивается модульность для расчета общего изгиба ствола (в случае отказа плоскости датчиков). Имеет место:
Vствол_R_P_E1=VE1_ствол_R_P_E1·g1_E1+VE2_ствол_R_P_E1·g2_E1+VE3_ствол_R_P_E1·g3_E1 [рад]
и
Vствол_W_P_E1=VE4_ствол_P_E1·g4_E1 [рад]
с численно корректирующими параметрами взвешивания g.
В еще одном варианте осуществления дополнительно учитывается свойственная системе инертность. Она возникает в результате того, что измерительные датчики p1-p16 могут показывать изменения температуры значительно быстрее, чем может компенсироваться этот градиент в стволе 11 и опоре 4 ствола или люльке 3 ствола. Для учета временного запаздывания измерения для управления прибавляется так называемая D-доля. Она складывается из первой численной производной вышеназванных P-долей опоры 4 ствола и люльки 3 ствола.
[рад/мин]
и
[рад/мин]
Она перемножается с D-параметрами.
[рад]
и
[рад]
Причем D-параметры опять же являются численными Fit-параметрами. Общий изгиб ствола определяется из суммы P-долей и D-долей опоры ствола и люльки ствола.
Vствол_E1=Vствол_R_P_E1+Vствол_W_P_E1+Vствол_R_D_E1+Vствол_W_D_E1 [рад]
1. Устройство для термической компенсации ствола (11) орудия (10), содержащего, по меньшей мере, один ствол (11), который установлен в люльке (3) ствола, а также в являющейся продолжением люльки (3) ствола опоре (4) ствола, отличающееся тем, что к люльке (3) ствола и опоре (4) ствола присоединены несколько температурных датчиков (p1-р16), которые через каналы (6) передачи данных соединены с блоком (7) данных, а блоки (7) данных соединены с устройством (9) обработки данных, причем устройство (9) обработки данных на основании перепадов температуры рассчитывает изгиб ствола и для термической компенсации может воздействовать на исполнительные механизмы для изменения ориентации ствола (11) оружия.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что предпочтительно установлено 16 температурных датчиков (p1-р16), причем возможны вариации по их числу.
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по существу по вертикали к оси ствола выделяются предпочтительно четыре плоскости (Е1-Е4), причем предпочтительно одна плоскость (Е4) находится в области люльки (3) ствола и предпочтительно три плоскости (Е1-Е3) находятся в области опоры ствола.
4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что температурные датчики (p1-р16) предпочтительно расположены в области углов плоскостей (Е1-Е4).
5. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что опора (4) ствола имеет вид каркаса.
6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что исполнительными механизмами являются серводвигатели самого орудия, с помощью которых ствол (11) устанавливается по азимуту и/или возвышению.
7. Способ для термической компенсации ствола (11) орудия (10), имеющего, по меньшей мере, один ствол (11), который установлен в люльке (3) ствола, а также в являющейся продолжением люльки (3) ствола опоре (4) ствола, при котором выполняют следующие этапы:
измеряют температуру температурными датчиками (p1-р16) на люльке (3) ствола, а также опоре (4) ствола,
определяют перепад температуры между верхней и нижней сторонами и правой и левой сторонами люльки (3) ствола, как и опоры (4) ствола,
рассчитывают уклон ствола на основании измеренных перепадов температуры,
компенсируют уклон ствола путем изменения ориентировки ствола (11) оружия.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что определяют перепады температуры каждой плоскости датчиков (E1-Е4) опоры (4) ствола и люльки (3) ствола по возвышению и/или азимуту.
9. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что обусловленное температурой отклонение ствола компенсируют непосредственно исполнительными механизмами, в частности серводвигателями самого орудия.
10. Способ по п.7, отличающийся тем, что выход из строя отдельных датчиков температуры (р1-р16) компенсируют математической моделью.
11. Способ по п.10, отличающийся тем, что алгоритм обработки имеет разные запасные уровни на случай, когда из строя выходят несколько температурных датчиков (р1-p16).
12. Способ по п.7, отличающийся тем, что учитывают также свойственную системе инертность.
13. Способ по п.7, отличающийся тем, что регистрируют временной ход функции температурной корреляции.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что временной/временные ход/ходы для последующих работ по обслуживанию записывают также в считываемой форме в вычислительном устройстве орудия.
