НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

СЕНАТОРОВ МИКОЛА ВОЛОДИМИРОВИЧ

УДК 623.4.052.5

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОПТИЧНИХ ПРИЦІЛІВ

ДЛЯ СТРІЛЕЦЬКОЇ ЗБРОЇ

Спеціальність 05.11.07 - Оптичні прилади та системи

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ, 2005

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України, на кафедрі оптичних та оптико-електронних приладів

Науковий керівник: - кандидат технічних наук, доцент

Микитенко Володимир Іванович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, старший науковий співробітник кафедри оптичних та оптико-електронних приладів

Офіційні опоненти: - доктор технічних наук, доцент

Борисюк Леонід Васильович,

Український технологічний центр оптичного приладобудування,

директор

- кандидат технічних наук

Каравашкін Борис Михайлович,

Державне підприємство завод “Арсенал”,

провідний інженер

Провідна установа: - Київський національний університет ім. Т.Г.Шевченка

Захист відбудеться “06”грудня 2005р. о 16-00 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.002.18 у Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, аудиторія 293.

З дисертацією можна ознайомитись в науково-технічній бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “03”листопада 2005 р.

Вчений секретар Н.І.Бурау

спеціалізованої вченої ради Д26.002.18

кандидат технічних наук, доцент

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи

“З огляду на сучасні системи колективної безпеки та методи ведення бойових дій істотного переоснащення потребують Збройні сили України....”. (Концептуальні засади стратегії економічного та соціального розвитку України на 2002-2011 роки. Економіст, № 5, 2002, с. 20-33).

У Державній програмі реформування і розвитку Збройних сил України перехід на озброєння і військову техніку нового покоління передбачається здійснити протягом 2010 – 2015 р. Виходячи з цього, високу боєздатність частин і з'єднань Збройних сил України в найближче десятиліття можна буде забезпечити шляхом підвищення рівня бойових властивостей озброєння на основі подальшого розвитку науково-методичних підходів до обґрунтування напрямків їхнього удосконалювання.

Аналіз збройних конфліктів останніх років показує потребу покращення характеристик стрілецької зброї. Ефективність її застосування в значній мірі залежить від характеристик оптичного прицілу (ОП), що встановлено на ній. Сучасний стан прицілобудування практично досяг межі в частині забезпечення найкращих суто оптичних характеристик прицілів. Подальше вдосконалення цих пристроїв можливе лише в рамках системи “зброя-приціл-стрілок” з врахування особливостей функціонування фоноцільової обстановки, впливу динаміки стрільби на стабільність характеристик прицілу та психофізіологічних особливостей зорової системи людини при виконанні бойової задачі в цілому. Основними напрямками підвищення ефективності системи “зброя-приціл-стрілок” є збільшення її надійності та зменшення вразливості. Схемотехнічні рішення та методики проектування прицілів, що існують, враховують тільки кілька основних параметрів зорової системи стрілка і особливостей стрілецької зброї, а оцінки якості системи “зброя-приціл-стрілок”, які б достатньою мірою враховували всі основні фактори функціонування системи, відсутні. Все це призвело до відставання якості ОП від нових видів стрілецької зброї, що значно знижує її ефективність. Тому задача поліпшення ефективності ОП для стрілецької зброї є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційна робота виконана відповідно до плану науково-дослідних робіт НТУУ “КПІ” у рамках держбюджетної теми 2549-ф “Розробка концепції побудови сучасних оптико-електронних систем наведення”, (номер державної реєстрації 0102U000582), завершеної в 2004р., одним з виконавців якої був здобувач.

Мета і задачі дослідження

Мета дисертаційної роботи – підвищення ефективності оптичних прицілів для стрілецької зброї шляхом узгодження їхніх оптичних характеристик із психофізіологічними особливостями зорової системи стрілка при виконанні бойової задачі, розробка нових методів проектування і прицілювання. Для її досягнення необхідно вирішити наступні наукові задачі:

·

·

·

·

·

·

Об'єкт дослідження – оптичний приціл, встановлений на стрілецькій зброї.

Предмет дослідження – ефективність оптичного прицілу при вирішенні бойової задачі за допомогою стрілецької зброї.

Методи дослідження, які було використано в роботі, являють собою сукупність експериментальних і теоретичних методів, спрямованих на досягнення результату. Їх складовими є методи системного аналізу, на основі яких сформовані цілі і задачі роботи, обґрунтоване виконання теоретичних і експериментальних досліджень характеристик оптичних прицілів, що впливають на бойову ефективність стрілецької зброї. Теоретичні дослідження базуються на основних положеннях теорії оптико-електронного приладобудування, теорії прицілювання, законах зорового сприйняття зображення (іконики), теорії аберацій 3-го порядку. Для розрахунків використані сучасні комп'ютерні обчислювальні засоби (пакети програм Zemax, ОПАЛ). В експериментальних дослідженнях використовувався спеціально створений вимірювальний стенд на базі персонального комп’ютера.

Наукова новизна отриманих результатів:

·

·

·

Практичне значення отриманих результатів

· розроблено методики проектування коліматорних і телескопічних прицілів, що дозволяють розраховувати їхні оптичні схеми без повітряних проміжків між компонентами та проектувати зброю разом з прицілом і завдяки цьому підвищити надійність підготовки даних стрільби в умовах постійних динамічних навантажень; розширити функціональні можливості зброї та скоротити час прицілювання за рахунок сіток із спеціальним малюнком;

·

·

·

Практичне значення підтверджується актами впровадження результатів даної роботи в ДП “КБ “Спецтехніка”, ДП завод “Арсенал”, ЦНДІ озброєння і військової техніки Збройних сил України.

Особистий внесок здобувача

Отримані результати, положення і розроблені методики є особистим досягненням автора. Конкретний внесок у роботи, опубліковані у співавторстві, представлений у переліку робіт, опублікованих за темою дисертації.

Апробація результатів дисертації

Основні результати доповідалися в період 2000-2004р.р. на 4 конференціях: 4-ій Міжнародній конференції "Артилерійські ствольні системи, боєприпаси, засоби артилерійської розвідки та керування вогнем", НТЦ АСВ, Київ, 2000; Науково-технічній конференції, присвяченій 40-річчю приладобудівного факультету НТУУ “КПІ” “Приладобудування 2002: підсумки і перспективи”, Київ, 2002; 2-й науково-технічній конференції “Приладобудування 2003: стан і перспективи”, НТУУ “КПІ”, Київ, 2003; 3-їй науково-технічній конференції “Приладобудування 2004: стан і перспективи”, НТУУ “КПІ”, Київ, 2004, на наукових семінарах і засіданнях кафедри Оптичних та оптико-електронних приладів НТУУ “КПІ” у період 2002-2005р.р.

Публікації

За матеріалами дисертації опубліковано 28 друкованих праць, у т.ч. 17 статей у фахових виданнях, рекомендованих ВАК, 4 тези і отримано 7 деклараційних патентів на винаходи. З перелічених робіт 7 опубліковано без співавторів і 2 статті опубліковані за кордоном.

Структура дисертації

Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів і висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний обсяг дисертації 186 сторінок машинописного тексту (основний текст 153 стор., ілюстрацій 60 і таблиць 14). У бібліографії приведено 103 першоджерела; 7 додатків на 33 стор.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовується актуальність обраної теми дисертаційної роботи; сформульовані мета і задачі дослідження, основні положення, що визначають її наукову і практичну значимість; описано основні методи дослідження.

У першому розділі проведено аналіз елементів бойової задачі: підготовка даних стрільби і власне стрільба з погляду невизначеностей, розв'язуваних стрілком у процесі її виконання. Підготовка даних стрільби включає пошук, розпізнавання цілі і прицілювання. Для пошуку характерною ознакою є просторова і часова невизначеність цілі, а кінцевою метою – виявлення цілі. При виявленні спостерігач має справу тільки з однією альтернативою: “ціль є / цілі нема”, алфавіт цілей (інформація про об'єкт-ціль) при цьому відсутній. У задачі впізнання цілі можлива будь-яка кількість альтернатив у залежності від обсягу алфавіту (при рішенні бойової задачі стрілецькою зброєю алфавіт цілей можна обмежити 7 об'єктами) й об'єктів, мінімальна кількість яких дорівнює 2. При цьому всі альтернативи зводяться до прийняття рішення “що це за ціль”. При прицілюванні усі невизначеності, зв'язані з ціллю, усунуто, але з'являється невизначеність у положенні прицільної сітки (лінії прицілювання), і задача зводиться до її суміщення з ціллю.

Обґрунтовано підходи до оцінки ефективності стрілецької, у т.ч. табельної зброї. Запропоновано ефективність останньої визначати за часом на перший прицільний постріл, враховуючи малу відстань її застосування та можливість передчасної відповідної дії цілі. Теоретично доведено, що заміна механічного цілика малогабаритним коліматорним прицілом веде до скорочення часу на перший прицільний постріл у 2 – 3 рази.

Зроблено аналіз предметної області дослідження і загальних тактико-технічних вимог (ТТВ) до прицілів для стрілецької зброї. Розглянуто узагальнені структурні схеми коліматорного (КОП) і телескопічного прицілів (ТОП). В основу класифікації КОП покладено тип колімуючого об'єктиву: лінзовий, дзеркальний, менісковий і голографічний. В основу класифікації ТОП – тип системи, що обертає зображення: лінзова, призмова і волоконно-оптична.

Проаналізовано характеристики прицілів, що впливають на процес виконання бойової задачі. Показано, що кожний з цих типів прицілів можна охарактеризувати 9 основними характеристиками, що об'єднані в 3 групи: масогабаритні, ергономічні й експлуатаційні.

Сформовано базу даних зразків і принципових схем КОП та ТОП. У рамках запропонованої класифікації дано порівняльний аналіз параметрів 16 принципових оптичних схем і 16 зразків КОП, що серійно випускаються, а також 5 принципових оптичних схем і 70 зразків ТОП, що серійно випускаються. Зіставлення схем і зразків проводилося за відомою методикою на базі системи безрозмірних часткових, трьох групових і комплексного показників якості. Для цього всі принципові оптичні схеми КОП і ТОП приведено до єдиної системи нормування параметрів, прийнятої в оптичному приладобудуванні.

На підставі аналізу ТТВ і існуючих методів проектування прицілів, а також даних порівняльного аналізу зроблено висновок, що при розробці прицілів не враховуються психофізіологічні особливості зорової системи стрілка при виконанні бойової задачі, динамічні впливи зброї на ОП і не повною мірою беруться до уваги параметри фоноцільової обстановки, зокрема не враховується зміна візуальних розмірів рухомої цілі. Це пояснює той факт, що існуючі зразки ОП характеризуються широким розкидом параметрів і як результат низьким комплексним показником якості.

Відповідно до цього в дисертаційній роботі поставлена ціль – підвищення ефективності оптичних прицілів при виконанні бойової задачі за рахунок:

- врахування психофізіологічних особливостей зорової системи людини, параметрів фоноцільової обстановки, що пов’язані із рухом цілі, і динамічних показників зброї при завданні параметрів на проектування ОП;

- розробки принципово нових оптичних схем ОП та методик їх проектування;

- розробки нових методів виконання бойової задачі, які реалізуються оптичним прицілом і захищають стрілка від можливої протидії цілі.

В другому розділі створена та досліджена математична модель боєзадачі. На рис. 1 представлена її спрощена модель.

Рис. 1. Модель бойової задачі

Стрілок, який взаємодіє з прицілом, встановленим на зброї, спостерігає оточуючий простір і шукає ціль. Руки стрілка управляють зброєю в процесі пошуку цілі та прицілювання. Повітряне середовище у загальному випадку впливає на процес виявлення цілі та на боєприпаси.

Оскільки виконання бойової задачі і її елементів носить імовірностний характер то, у припущенні незалежності послідовних етапів її рішення, повну імовірність Рбз її виконання можна визначити добутком імовірностей виконання її складових: підготовки даних стрільби РУ і власне стрільби Рс. А повну імовірність РУ підготовки даних стрільби - добутком імовірностей Рi виконання окремих операцій, що виконуються за допомогою ОП: виявлення, розпізнавання і прицілювання. Крім цього на вірогідність впливає стабільність характеристик оптичного прицілу, яку можна характеризувати як імовірність того, що характеристики зберігають свої значення в жорстких умовах експлуатації зброї: різкого перепаду температури (наприклад, при десантуванні) і тривалого ударного впливу при стрільбі:

i =4

РУ = П Рi. (1)

i=1

Підходи, що існують для оцінки імовірності виявлення цілі, не враховують властивості ока людини швидше реагувати на рухливий об'єкт на стаціонарному фоні, чим на нерухомий. Вони також не враховують того факту, що згодом міняється ракурс рухливої цілі і її кутові розміри. Тому імовірність виявлення цілі Р1 запропоновано оцінювати експонентною залежністю розподілу часу пошуку t у вигляді:

, (2)

де: – коефіцієнт, що залежить від фізіологічних особливостей зору при веденні пошуку (монокулярний, бінокулярний); С – контраст об'єкта на фоні яскравістю Вф, kатм –поглинання атмосфери; пр, q, Г и 2в – відповідно, коефіцієнти пропускання і світлорозсіювання, кратність збільшення і поле зору ОП, а б(t), щ –кутовий розмір і кутова швидкість цілі на відстані відповідно.

Сучасні моделі спостерігача базуються на припущенні, що система “око – мозок” працює як оптимальний двомірний фільтр. Для боєзадачі, коли алфавіт цілей обмежений, а при її постановці дається вказівка щодо знищення конкретної цілі, - при моделюванні було прийнято Р2 = 1.

Приймемо, що при влученні кулі в ціль забезпечується її поразка з першого пострілу. Тоді імовірність правильного прицілювання (влучення в ціль) визначається за допомогою приведеної функції Лапласа як

. (5)

де y(z) – помилки стрільби по висоті (напрямку), y(z) – математичне очікування відхилення середньої точки влучення від центра цілі по висоті (по напрямку), що залежить від паралактичної помилки прицілу д; помилки прицілювання дп, яка пов’язана із збільшенням залежністю Штампфера: дп = (0,0001...0,00024)/Г; помилки прицілювання дs, яка залежить від ціни поділки s прицільної сітки: дs = 0,38s; помилки прицілювання д, яка пов’язана з кутовою швидкістю цілі: д = tб, де tб – час польоту боєприпасу до цілі; розюстування др та похибки пристрілки ?пр, що залежать від показників надійності прицілу при тривалій експлуатації в умовах високих динамічних навантажень.

Оскільки ціль не є прямокутником, а має фігурний обрис, то для визначення імовірності влучення в ціль необхідно замінити її рівновеликим прямокутником, приведені сторони якого по висоті 2ly і ширині 2lz відповідно дорівнюють

, (6)

. (7)

де Кф – коефіцієнт фігурності, що визначається як відношення площі цілі з габаритами Ну x Hz до площі описаного навколо цілі прямокутника.

Імовірність збереження характеристик Р4 залежить від конструктивної складності оптичної схеми прицілу: чим більше в схемі просторово рознесених оптичних вузлів р, розділених повітряними проміжками, чим більше імовірність того, що при багаторазовому динамічному впливі дульної енергії боєприпасів на конструкцію прицілу може відбутися його розгерметизація і розюстування.

Таким чином вираз для імовірності Р4 можна представити як

Р4 = 1 – exp[-Nг/(р-1)NW)], ( 8)

де N – кількість пострілів, W - дульна енергія боєприпасу, а Nг (дж) – гарантований коефіцієнт надійності прицілу. З (8) витікає, що при р=1 імовірність збереження характеристик прицілу не залежить від динаміки стрільби і дорівнює 1, а ?р = 0.

Модель бойової задачі повинна будуватися з урахуванням типу цілі, її кутових розмірів, що спостерігаються, ракурсу і параметрів руху. |

При створенні моделі доцільно виходити з габаритів семи типових мішеней, доповнивши їх третім виміром. На рис. 2 у системі координат ОХ зображена ціль з лінійними розмірами НХ (глибина), Н (ширина), Н (висота ортогональна площини ОХ), довільно орієнтована в просторі (ракурс 0).

У випадку руху цілі по дузі окружності радіуса R з постійною кутовою швидкістю ц під ракурсом 0, координати центра (Х;) якої визначаються за формулами Х = 0; = со0, кутові розміри цілі по горизонталі і вертикалі визначаються залежностями:

Рис. 2. Мішень, що рухається

по дузі окружності радіуса R |

г() =0,5Н со()-(0,25Н2 + НХ2)1/2 со()+ас (2НХ/Н) /(); (9)

у() = Н/ (). (10)

Тут () – поточне значення дальності до цілі, яке визначається за формулою

() = (0 + ХО())2 + О()21/2, (11)

де 0 - початкова дальність до цілі, а Х()О() – координати поточної точки О:

Х()О() = Х() – (0+ц); (12)

а () – поточний курсовий кут цілі, який визначається за формулою

() = 0 + arctg[О() / (0 + ХО())] + ц. (13)

У випадку R = ? ціль переміщається з постійною лінійною швидкістю ц і залежності (11) і (13) приймають вид:

() =02 +(ц)2 - 20ц со01/2; (14)

() = 0 + arc[ц 0/()]. (15)

Спільне рішення рівнянь (1), (2), (4) і (6) з врахуванням (9)…(15) дозволяє розрахувати імовірність підготовки даних стрільби як міру ефективності прицілу з урахуванням фоноцільової обстановки, окремих психофізіологічних особливостей зорової системи оператора та динаміки зброї. При заданому значенні РУ запропонована модель може використовуватися для обґрунтування тактико-технічних вимог до ОП перспективної стрілецької зброї, а також для уточнення її характеристик.

Математичне моделювання боєзадачі проводилось на ЕОМ з використанням розробленої автором програми “Model-secret” при умові імовірності підготовки даних стрільби РУ = 0,971 для моноблокових КОП (р =1, ?пр = 1), встановлених на табельній, автоматичній зброї та на гранатометі, і для моноблокових ТОП (р =1), встановлених на гвинтівці та на гранатометі, для трьох типових цілей:

· “

- 50…600 м (? = 0…5,7 0/с) для автоматичної зброї та гвинтівки (2?y = 3 мрад, 2?z = 5 мрад);

·

- 100…600 м (? = 0…5,7 0/с) для гранатомета (2?y = 5 мрад, 2?z = 7 мрад);

·

- 100…600 м (? = 0…5,7 0/с) для гранатомета (2?y = 5 мрад, 2?z = 7 мрад)

при інших параметрах фоноцільової обстановки: С =0,75, Вф = 100 кд/м2, kA = 0,2 км-1; при ? = 3 мрад и ?пр = 0,5 для ТОП.

В результаті моделювання боєзадачі для моноблокового КОП визначено діапазон припустимої паралактичної похибки прицілу:

- д 5…7 мрад при установці КОП на автоматичній зброї для поразки “фігури, яка біжить”;

- д 3…5 мрад при установці КОП на гранатометі для поразки БТР і танка.

В результаті моделювання боєзадачі для моноблокового ТОП визначено діапазон збільшення та поля зору прицілу:

- Г = 2..3х; 2в = 3…60 при ? = 0 і установці ТОП на гвинтівці для поразки “фігури, яка біжить”;

- Г = 1,8..2,7х; 2в = 2,9…50 при ? = 0 і установці ТОП на гранатометі для поразки БТР і танка;

- Г = 1,4..2,5х; 2в = 4…80 при 0 < ? 20/c і установці ТОП на гранатометі для поразки БТР і танка;

- Г = 1..2х; 2в = 6…120 при 2 < ? 5,70/c и установці ТОП на гранатометі для поразки БТР і танка.

Доведено, що підвищення ефективності оптичних прицілів можна забезпечити за рахунок:

- спрощення конструкції прицілу (виключення повітряних проміжків між оптичними вузлами прицілу за рахунок моноблоковості), що в свою чергу веде до стабільності світлопропускання ті світлорозсіювання при різкому перепаді температури та до зниження похибок юстування др в умовах тривалих динамічних навантажень;

- розробки нових принципів проектування зброї та прицілу, що дозволять виключити похибку пристрілки дпр в умовах тривалих динамічних навантажень;

- скорочення часу на перший прицільний постріл з табельної і автоматичної зброї шляхом покращання умов спостереження прицільної сітки;

- скорочення часу знаходження стрілка в полі зору цілі шляхом розробки принципово нових способів прицілювання.

Третій розділ присвячено дослідженню поводження одиночної товстої лінзи товщиною d1 на межі розділу оптичних середовищ “повітря/скло з низьким показником переломлення” (рис. 3).

Pис. 3. Схема роботи лінзи: 1 – лінза, Рис. 4. Графіки функції S1 = f(б2)

2 – прицільна сітка

Вводячи умови нормування для першого допоміжного променя: б1=0, (d1+d2) = 1, м1=1, м2= n2-1, м3= n3-1, де ni – показник заломлення, запишемо вираз для першої суми Зейделя S1 для лінзи:

S1 = УhiРi= (Аб24- Вб23 + Сб22 - Dб2 + Е)/G, (16)

де коефіцієнти мають вид:

А = [d1(м3 - м2) +м2]d1; B = A(1+2d1)/d1+ м3d1- м2(1-d1)3[(м3 - м2)/(м2-1)]2;

C = A(2+d1)/d1+ м3(1+2d1); D = A/d1+м3(2+d1); (17)

E = м3; G = (м3 - м2)2(1-d1)3.

У випадку лінзи кінцевої товщини, наприклад, d1=0,25 зі скла ТФ10, що працює на межі серед повітря/ оргскло чи повітря/скло, а також повітря/повітря, одержуємо вирази для S1 товстої лінзи як функцію б2:

- для оргскла СОЛ:

S1 =24,3623б24- 167,8030б23 + 388,7210б22 – 350,2939б2 + 112,3717;

- для скла ЛК7:

S1 =21,0938б24- 148,3941б23 + 337,2685б22 – 305,4977б2 + 98,2784;

- для повітря:

S1 =1,9532б24- 11,9242б23 + 35,2391б22 – 34,3032б2 + 11,7735.

Графіки функції S1=f(б2) для розглянутих випадків приведені на рис. 4. Як випливає з них, існує пари кутів б2, коли S1 товстої лінзи стає рівної нулю при n3 = 1,40, тобто при використанні органічного чи легкого скла як заповнювача простору між товстою лінзою і прицільною сіткою.

Сферична аберація третього порядку товстої лінзи в повітрі, як і тонкої, непереборна: S1min=1,4069 при б2=0,6942.

Для визначеного типу зброї згідно (8) моноблокова конструкція КОП підвищує вірогідність підготовки даних в 1,59 рази у порівнянні з КОП на базі об’єктиву - симплету. Теж для ТОП підвищує вірогідність підготовки даних в 3,53 рази у порівнянні з ТОП на базі класичної оптичної схеми. Таким чином, вирішуючи проблему запотівання усередині приладу, можна створювати оптичні приціли з високою точністю побудови лінії візування і високою надійністю підготовки даних стрільби в умовах постійних динамічних навантажень на приціл.

Розроблено методику абераційного розрахунку моноблокового коліматорного прицілу (рис. 5). Оптичний моноблок являє собою товсту лінзу 1, в фокальній площині якої розміщено прицільну сітку 3 з урахуванням проміжку між лінзою і сіткою, заповненого оптичним середовищем з показником заломлення більшим, ніж 1,40. Освітлення сітки здійснюється зовнішнім світлом або світлодіодом.

Проводячи розрахунок системи у прямому ході променів, приймемо умови нормування: б1 = 0; h1 = 0,138; d1 + d2 = 1; м1 = 1; м2 = 1/0,8138 = 0,5513 і м3 = 1/1,4721 = 0,6793.

З урахуванням цього вирази для основних параметрів Р заломлюючих поверхонь приймають вид:

P1 = б23 м2 / ( м2 - 1)2 = 2,7383 б23 ; | (18)

P2 = (б3 м3 – б2 м2)(б3 – б2)2 / ( м3 – м2)2 =

60,9757 (-1,3826 б23 + 0,6038б22 – 0,0877б2 + 0,0042). |

(19)

Після підстановки (18) і (19) в (16) і перетворень одержуємо рівняння:

793 (б24 – 0,9708 б23 + 0,3043 б22 – 0,0382 б2 + 0,0017) = 0. (20)

Рівняння (20) має два уявних і два дійсних корені: б2(1) = 0,5044 і б2(2) = 0,2295. Для другого значення б2(2) знаходимо радіуси кривизни заломлюючих поверхонь:

r1 = h1 (n2 - 1) / б2 n2 = 0,2698. (21)

r2 = h2 (n3 – n2) / (б3 n3 – б2 n2) = 0,1067. (22)

У випадку, коли r2 = ?, -

r1 = (n2 - 1) [d1 (n2-1 - n3-1) + n3-1]. | (23)

У першому окремому випадку, коли d1 = 0, моноблок являє собою одну товсту лінзу зі скла з показником переломлення n3 і

r1 = (n3 - 1) / n3. | (24)

Рис. 5. Моноблоковий КОП: 1- лінза,

2- середовище між лінзою і сіткою 3

Рис. 6. Графіки залежності д = F(h) У другому окремому випадку, коли d1 = 1, моноблок являє собою одну товсту лінзу зі скла з показником переломлення n2 і

r1 = (n2 - 1) / n2. | (25)

На графіку 6 представлена залежність д = F(h) для крайніх (криві 1 і 2) і трьох проміжних значень d1: 0,25; 0,5 і 0,75 (криві 3...5) при r2 = ?, а також при сферичній поверхні склейки (крива 6).

Обмежуючи граничну паралактичну похибку значенням 3 мрад, що визначено за результатами математичного моделювання, по графіках визначимо лінійну апертуру D при різному конструктивному виконанні моноблока:

d1 = 0 (крива 1): | Скло ЛК7 | D = 0,174;

d1 = 1 (крива 2): | Скло ТФ10 | D = 0,25;

d1 = 0,25 (крива 3): | Скло ТФ10/ЛК7 | D = 0,276;

d1 = 0,5 (крива 4): | Скло ТФ10/ЛК7 | D = 0,27

d1 = 0,75 (крива 5 ): | Скло ТФ10/ЛК7 | D = 0,26;

d1 = 0,25 (крива 6 ): | Скло ТФ10/ЛК7 | D > 0,3.

Розроблено методику абераційного розрахунку моноблокового ТОП (рис. 7).

Рис. 7. Моноблоковий ТОП: 1, 2 – склеєні оптичні компоненти, S – сітка

Оптичний моноблок являє собою товсту лінзу, складену з двох компонентів - лінз 1 і 2. На заломлюючу поверхню лінзи 1, яка звернута до цілі, нанесено світлоподілювач (показано пунктиром), який разом з лінзами 1 і 2 утворює оптичний канал формування зображення прицільної сітки S. Освітлення сітки здійснюється зовнішнім світлом крізь торцеву поверхню лінз, яка виконана полірованою, або світлодіодом.

Показано, що за умови нормування d =1, виконання моноблока суцільним з одного сорту скла з високим показником заломлення й обмеженій 3 мрад припустимій неузгодженості ліній візування цілі і прицілювання, збільшення ТОП не може перевищувати 1,4 крат, оскільки збільшення визначається за формулою

Гх = (1 + 2) /22.

Показано, що при виконанні моноблока складеним зі скла з різною дисперсією нi необхідно враховувати габаритні співвідношення:

d1 = r1 /(1 + м2) = d (1 - м2) / (1 + м2)( 1 – 1 / Г ), (26)

Г = -ц2/ ц1 = (n3 – 1) r1/ (n2 – 1) r2, (27)

(n2 – 1) / r1 - (n3 – 1) / r2 + (d1/ n2 + d2 / n3) (n2 – 1) (n3 – 1) / r1 r2 = 0; (28)

умову усунення хроматизму

-ц2 / ц1 = н3/ н2 (29)

і сферичної аберації в каналі спостереження прицільної сітки

2м1/r13 + 2м1{[(1- м2)/Гr3 – (1- м1)/ r1]/ (м2 - м1)}2 [м2(1- м2) / Гr3 – м1(1- м1)/ r1] /

(1 + м1) - м2 (1- м2)/ Г4 r33 = 0, (30)

де цi - оптична сила компонентів.

Спільне рішення рівнянь (26)…(29) дає товщини di і радіуси кривизни ri заломлюючих поверхонь моноблока при різному його конструктивному виконанні.

В загальному випадку кутова неузгодженість д між лініями спостереження цілі і візування прицільної сітки (лінією прицілювання) визначається формулою

д = (й'1 - й'2 ) / 2,

де й'1 – кут заломлення першого допоміжного променя на першій поверхні моноблоку, а й'2 – кут відбиття променя, що виходить з точки S і приходить у точку падіння першого допоміжного променя на першій поверхні.

На рис. 8 приведені графіки залежності кутової неузгодженості д між лініями спостереження цілі і прицілювання в залежності від висоти першого допоміжного променя в суцільному моноблоці (крива 1) і від збільшення Г при відносній лінійній апертурі 2 = 0,3 і різному конструктивному виконанні моноблока (криві 2...4). |

Рис. 8. Графіки залежностей: 1 - ? = F(), 2 - д = F(?) при децентрованої лінзі, 3 - ? = F(Г) при одному сорті скла, 4 - ? = F(Г) при стеклах з різною дисперсією |

Рис. 9. Графік залежності (дg')сф = F()

З графіку 1 видно – при припустимій неузгодженості 3 мрад відносна лінійна апертура 2 суцільного моноблоку не може перевищувати 0,6, але реальні умови розміщення прицілу на зброї обмежують параметр d значенням 100 мм, а 2 - 30 мм. То б то відносна лінійна апертура не може перевищувати 0,3. З графіків 2...4 витікає, що при такій відносній лінійній апертурі моноблока його збільшення Г не може перевищити:

- 1,6 крат при виконанні моноблока у вигляді суцільної децентрованої лінзи;

- 2,3 крат при виконанні моноблока складеним з одного сорту скла;

- 2,8 крат при виконанні моноблока складеним з плоско-випуклої і плоско-угнутої лінз із різною дисперсією скла.

Таким чином, доведено, що збільшення моноблокових ТОП задовольняє діапазону цього показника за результатами моделювання.

Проведено аналіз складових неузгодженості д. ?оказано, що паралактична похибка лінії спостереження цілі визначається сферичною аберацією телескопічної лінзи і розраховується за формулою

(дg')сф = 500 ( / 1)3 ( / 1) 2 (1 - 2)2 мрад. (31)

На рис. 9 дано графік залежності (дg')сф = F() при відносній лінійній апертурі 0,3 для скла ТФ10. З цього графіку витікає, що в діапазоні параметру d від 0,5 і більше сферичну аберацію телескопічної лінзи можна зіставити з роздільною здатністю ока і не враховувати. Таким чином неузгодженість ліній спостереження цілі і прицілювання залежить, в основному, від сферичної аберації в каналі формування зображення прицільної сітки, і її необхідно коригувати.

Досліджено залежність неузгодженості дл між лініями спостереження цілі і прицілювання з-за хроматизму системи, що визначається залежністю

дл = –53,4 Д2 + 0,4 мрад,

де ?2 – дисперсія показника заломлення скла. Для скла ТФ10 ?л становить 1,2 мрад. Аналіз складових цієї неузгодженості дав такі результати. Похибка лінії спостереження цілі цілком визначається хроматизмом телескопічної лінзи, який можна знайти, обчислив ?(?g')сф/?2. Згідно до (31) маємо:

(дg')хр = 0,3 22 (42 -322 - 1)Д2 мрад .

Для скла ТФ10 граничне значення (?g')хр не перевищує 0,04 мрад, тобто хроматизм телескопічної лінзи можна не враховувати. Таким чином, розбіжність ліній спостереження цілі і візування прицільної сітки залежить тільки від хроматизму в каналі формування зображення прицільної сітки. Однак при цьому слід мати на увазі, що прицільна сітка освітлюється природним світлом, інтенсивність якого в червоній області менша, ніж в зеленій. Око також менш чутливе до червоних променів у порівнянні з зеленими. Тобто, практично, хроматизм в малій мірі буде впливати на точність прицілювання.

У цьому ж розділі показані шляхи підвищення бойової ефективності стрілецької зброї за рахунок реалізації оптичними прицілами прихованого прицілювання табельної зброї і гранатомета. Показано, що для прихованого прицілювання табельної зброї оптичний приціл повинний формувати два ортогональних відрізки: перший, з'єднуючий ціль із прицілом, і другий, з'єднуючий приціл з оком стрільця. Показано, що для прихованого наведення гранатомета на ціль, яка переміщається прямолінійно, повинна бути визначена процедура взаємодії оператора, взаємодіючого з винесеним уперед прицільним комплексом, і персоналу, що обслуговує гранатомет. Контролюючи час з моменту приходу цілі в контрольну точку, оператор подає сигнал бойовому розрахунку гранатомета про незмінність швидкості цілі на контрольованому відрізку шляху. При отриманні цього сигналу розрахунок приймає рішення про початок стрільби з урахування готовності гранатомету. Показано, що для прихованого наведення гранатомету на нерухому площинну - ціль оператор (два оператори), оснащений пасивною системою вимірювання кутів, визначає кути міста та азимуту цілі з двох точок і передає дані до бойового розрахунку. Розроблено методику і алгоритм прихованого наведення гранатомету на нерухому ціль з однієї точки із застосуванням цифрової карти місцевості, де провадиться бойова операція.

Досліджено шляхи підвищення ефективності коліматорних прицілів, у яких принципово непереборна сферична аберація, наприклад, у виді однієї товстої лінзи. Показано, що в таких прицілах необхідно застосовувати прицільну сітку зі спеціальним малюнком, що інформує стрілка про положення його ока щодо зони, де забезпечується точність прицілювання, визначена результатами моделювання. Така сітка повинна формувати окружність, що охоплює центральну точку прицільної сітки, діаметр якої визначається залежністю

= f' (D/2 - hД) / t, (32)

де: f' – фокусна відстань оптичної системи; t – відстань ока від прицілу, а hД - координата вихідної зіниці, при якій погрішність кутового положення лінії візування відповідає гранично припустимому значенню. При перебуванні ока в зоні діаметром 2hД стрілок бачить усю допоміжну окружність, а поза цією зоною – тільки її частину.

Досліджено шляхи подальшого підвищення ефективності телескопічних прицілів. Показано, що в таких прицілах доповнення прицільної сітки окружністю, що відповідає кутовому полю зору телескопічної системи, і застосування перемикаючого елемента в каналі спостереження цілі забезпечує комутацію режимів роботи системи прицілювання: телескопічний / коліматорний. Для суцільного моноблокового прицілу цей діаметр визначається залежністю:

= 2 в = 2d m / Г [d + r 2 - Г (r 2 – t)]. (33)

У режимі коліматора стрілець бінокулярно спостерігає навколишній простір зі збільшенням 1х і зображення додаткової окружності і здійснює пошук цілі. Знайдена ціль вводиться в поле зору додаткової окружності і включається режим телескопу для її впізнання зі збільшенням Г>1х і прицілювання. При необхідності пошук цілі може здійснюватися в режимі телескопу, а прицілювання – у режимі коліматора.

Показано, що застосування прицільної сітки із спеціальним малюнком скорочує час на перший прицільний постріл – найважливіший показник табельної й автоматичної зброї. Очікуваний виграш у часі прицілювання для КОП становитиме 4[1- 2 hД/D + (hД/D)2] раз. Зокрема, стосовно до прицілу, у якого D = 15 мм, а hД = 6 мм, виграш у порівнянні із сіткою без окружності складе близько 1,4 рази. Очікуваний виграш у часі прицілювання для ТОП становитиме 1 + 4(t/m) tgв + [(2t/m) tgв]2 разів. Зокрема, стосовно до моноблокового ТОП, зі збільшенням 1,41крат, виграш у часі в порівнянні із сіткою без окружності складе 1,65 рази.

Розроблено методику блочно-модульного проектування (комплексування), що полягає в тім, що ОП проектується у виді оптичного моноблока, до базових поверхонь якого прив'язана лінія прицілювання, а корпус прицілу входить до складу зброї, і його базові поверхні прив'язуються до осі ствола при виготовленні зброї. При реалізації цього методу проектування виключається корпус прицілу, перехідний кронштейн; а заміна оптичного блоку, що вийшов з ладу, (хоча це і малоймовірно для моноблока) здійснюється без додаткового юстування; виключається запотівання усередині прицілу і порушення пристрілювання (дпр = 0) при тривалому динамічному впливі зброї. Усе це в остаточному підсумку знижує вартість на виробництво і витрати на експлуатацію прицілу, підвищує економічну ефективність усього комплексу. Якщо для оцінки ефективності цього методу проектування використовувати ту ж методику, що і для оцінки ефективності скорочення оптичних вузлів, то імовірність вірогідності підготовки даних стрільби збільшиться в 1,58 рази.

Четвертий розділ присвячений експериментальним дослідженням. Розроблені методика й апаратура для оцінки ефективності табельної зброї за часом на перший прицільний постріл. Вимірювальний стенд побудовано на базі оптико-електронного формувача спеціального зображення мішені 1 й оптико-електронного датчика 8, що вбудовується в канал ствола зброї 5 (рис. 10).

У початковому положенні генератор символів 4 формує зображення типової мішені з урахуванням початкової швидкості кулі V0 та реперного кільця, що її обмежує, із стандартними кутовими розмірами.

В процесі прицілювання поле зору оптичного датчика 8 спочатку перетинає пучки променів від світовипромінюючого реперного кільця, що формуються імітатором 1. Електричний сигнал, сформований фотодіодом 10, подається на перший вхід таймеру 12 і запускає вимірювач часу 12, а також до генератора символів 4 на відключення формування реперного кільця. Тобто в момент перетинання полем зору датчика 8 з поля спостереження випробувача зникає реперне кільце, що виключає можливе невірне прицілювання по