программа СКОРПИОН
 | В этой статье есть несколько проблем. Пожалуйста, помогите улучшить его или обсудите эти проблемы на странице обсуждения . ( Узнайте, как и когда удалять эти шаблонные сообщения )
|
Программа SCORPION (Самокорректирующийся снаряд для операций пехоты) представляла собой исследовательскую инициативу, финансируемую Агентством перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA) и возглавляемую Исследовательской лабораторией армии США (ARL) и Технологическим институтом Джорджии с целью интеграции микроадаптивного управления потоком. (MAFC) в боеприпасы малого калибра для разработки вращающихся управляемых снарядов. Программа привела к созданию 40-мм гранаты со стабилизированным вращением , также называемой SCORPION, которая могла двигаться к цели, используя рассчитанные микроструйные потоки воздуха для корректировки ее траектории после запуска. [1] [2] [3]
История
[ редактировать ]Программа SCORPION началась в 2001 году как совместное предприятие DARPA, Управления исследований оружия и материалов (WMRD) ARL, факультетов машиностроения, электронной и компьютерной техники, а также аэрокосмической техники Технологического института Джорджии, а также Научно-исследовательского института аэрокосмической, транспортной и передовой технологий Технологического института Джорджии. Системная лаборатория с целью повышения точности боеприпасов малого и среднего размера в сложных, динамичных условиях. [3] [4] Он руководствовался целями армии США по разработке недорогих, интеллектуальных боеприпасов, которые могли бы более точно поражать намеченную цель. В частности, армия стремилась создать новое поколение автономных артиллерийских снарядов калибра от 20 до 40 мм, которые могли бы корректировать свой курс в полете. Это увеличит возможности пехотных подразделений, а также уменьшит вес боеприпасов, которые придется нести солдатам. [2]
Микроадаптивное управление потоком во многом определяется активным манипулированием аэродинамическими потоками с использованием небольших, зависящих от времени исполнительных механизмов в тщательно выбранных местах. Воспользовавшись нестабильностью потока, система может генерировать большое количество энергии, используя лишь небольшую часть общего потока, если исполнительные механизмы и их деятельность правильно назначены. В результате MAFC может обеспечить маломощные, но сильно распределенные резервные системы привода в отличие от проточных систем, в которых используется устойчивая продувка, где потоки с высокой скоростью должны обеспечиваться через сложные воздуховоды с высокими потерями. [ нужна ссылка ] Вместо того, чтобы придавать форму боеприпаса плавникам или уткам для управления его траекторией, проект SCORPION стремился интегрировать в боеприпас эти крошечные приводы, которые выбрасывают короткие струи воздуха с высокой частотой (около 1000 Гц). Выпуская эти потоки воздуха продолжительностью всего несколько миллисекунд за раз, эти небольшие синтетические микроструйные приводы были способны изменять характеристики потока снаряда и распределение давления. Короче говоря, струи воздуха могли управлять боеприпасом, создавая асимметрию воздушного потока, окружающего снаряд, создавая достаточно сильную силу, чтобы влиять на его траекторию, во многом благодаря эффекту Коанда . [2] [5]
Разработка
[ редактировать ]Программа SCORPION была разделена на две фазы: фазу I и фазу II. Первый сосредоточился на создании системы управления полетом и определении того, можно ли интегрировать MAFC в 40-мм снаряд для обеспечения адекватного наведения на цель, тогда как второй приоритет отдавал определению того, можно ли использовать технологию MAFC для управления снарядами, которые были меньше и даже быстрее, чем те, которые используются на этапе I. [6] К 2005 году фаза I была завершена, и программа SCORPION была выбрана в качестве демонстрационной программы DARPA для дальнейшего изучения использования MAFC в высокоскоростных снарядах малого диаметра. [ нужна ссылка ] Программа SCORPION завершилась в 2007 году после успешной демонстрации использования MCFA для маневрирования 40-мм винтовочной гранатой. [4]
Вычислительное гидродинамическое моделирование (CFD)
[ редактировать ]Значительная часть программы SCORPION была сосредоточена на разработке новых методов вычислительной гидродинамики (CFD) для моделирования микроадаптивного управления потоком и лучшего понимания сложных аэродинамических взаимодействий, связанных с использованием микроструй для управления траекторией снарядов, стабилизированных вращением. Подробное моделирование физики потока было специально разработано, чтобы помочь в проектировании формы снаряда и размещении синтетических приводов. Нестационарные расчеты CFD с точностью по времени также использовались для прогнозирования, где, когда и как аэродинамическая сила будет взаимодействовать со снарядом, а также для характеристики поля потока, создаваемого синтетическими струями при различных скоростях рыскания и вращения. Модели также позволили исследователям изучить различные последовательности срабатывания синтетических приводов. [2] [6] Во время моделирования турбулентность первоначально моделировалась с использованием подхода Навье-Стокса с усреднением Рейнольдса (RANS). Однако прогнозы оказались менее точными, чем ожидалось, когда они применялись в контексте нестационарных течений, связанных с синтетическими струями. В результате был разработан новый гибридный подход, известный как подход моделирования больших вихрей (LES), для правильного учета больших вихрей, присутствующих в структуре турбулентного потока, при сохранении высокой точности. Этот новый подход позволил исследователям точно рассчитать подъемную силу наряду с другими аэродинамическими силами, которые помогли им в разработке привода, управления полетом и сенсорной системы снаряда. [6]
Испытания в аэродинамической трубе
[ редактировать ]Чтобы охарактеризовать воздушный поток, который будет окружать снаряд в воздухе, исследователи провели серию испытаний в аэродинамической трубе на модели 40-мм гранаты. Испытания также проводились на модели вращающейся аэродинамической трубы для имитации воздушного потока вращающегося снаряда. Эти испытания в первую очередь служили для оптимизации размещения синтетических жиклеров. [3] Испытания в аэродинамической трубе также помогли продемонстрировать, что аэродинамическая поверхность снаряда должна быть гладкой на важной части его траектории, чтобы эффект Коанда создавал необходимую отклоняющую силу. [6] Во время экспериментов в аэродинамической трубе исследователи также провели подробные измерения скорости потока частиц (PIV) воздушного потока, движущегося вниз по потоку от снаряда, чтобы точно настроить приводы. Такие измерения привели к изменению конструкции хвостовой части снаряда, включив в нее неглубокий канал для струи. [3]
Летные эксперименты
[ редактировать ]В ходе разработки исследователи провели летные эксперименты с боеприпасом SCORPION, чтобы лучше понять тип пороха и конструкцию гильзы, необходимые для запуска снаряда со скоростью 0,8 Маха. Эти эксперименты проводились на Трансзвуковой экспериментальной установке Исследовательской лаборатории армии США и были сосредоточены, в частности, на стрельбе 25-мм боеприпасами из 25-мм ствола. Внутренняя электроника боеприпаса содержала устройства для регистрации данных, включая напряженность магнитного поля, угловую скорость как по тангажу, так и по рысканию, а также ускорение во всех трех ортогональных направлениях. Динамика полета снаряда затем анализировалась на основе необработанных данных во время послеполетной обработки. Летные испытания также дали возможность изучить методы мягкого восстановления 25-мм снаряда. Это позволило ученым ARL проверить идею использования слоев драпированного кевлара для безопасного поглощения кинетической энергии снаряда. [1] [3]
Тесты с открытым контуром
[ редактировать ]Возможность управления боеприпасом SCORPION была проверена на Трансзвуковой экспериментальной установке ARL посредством серии испытаний с разомкнутым контуром, в ходе которых испытательные снаряды были настроены на движение влево или вправо в фиксированное время после запуска. Используя данные аэродинамической трубы и программное обеспечение для моделирования для прогнозирования величин управляющей силы, ученые ARL продемонстрировали, что боеприпас SCORPION можно отклонить в любом направлении, показав, что снаряд обладает достаточными возможностями управления для корректировки изменений траектории. Кроме того, электронная и сенсорная система боеприпаса продемонстрировала заметный уровень надежности: один снаряд был перепрограммирован и запущен десять раз и после этого оставался работоспособным. [3] [6]
Проблемы
[ редактировать ]Одной из основных задач, возникших при разработке боеприпаса SCORPION, стала задача интеграции всех необходимых компонентов в форм-фактор 40-мм гранаты. Для того чтобы снаряд работал должным образом, компонент не только должен был помещаться внутри боеприпаса и при этом функционировать как интегрированная система, но также должен был быть способен точно оценивать состояние боеприпаса, выдерживая при этом высокую перегрузку . пуск пушки и высокая скорость вращения снаряда. Еще одной проблемой, с которой столкнулись исследователи во время разработки, была конструкция интегральной платы, отвечающей за измерение состояния снаряда и управление приводом. Этот пакет датчиков включал 3-осевой магнитометр , осевой акселерометр, четыре радиальных акселерометра и 2-осевой радиальный акселерометр, все из которых должны были поместиться внутри 40-мм боеприпаса и пройти ударные испытания . [3]
Конструкция снаряда
[ редактировать ]Общая конструкция 40-мм боеприпаса SCORPION была основана на учебной гранате М781БТ. Однако конструкция его телеметрической и сенсорной системы, разработанная учеными ARL, была основана на сенсорной системе диагностического взрывателя (DFuze) ARL. Используемая в основном для определения динамики полета снаряда по траектории, телеметрическая система состояла из трехосного магнитометра, четырех радиальных акселерометров, осевого акселерометра, комплекта из четырех Yawsondes и двухосного акселерометра поперечного ускорения. Магнитометры измеряли ориентацию снаряда по углу крена и магнитному полю Земли , акселерометры измеряли ускорение снаряда в направлениях x, y и z, а Язонды измеряли угловую ориентацию снаряда по отношению к Солнцу. В состав боеприпаса входила плата энкодера для обработки данных датчиков и передачи их на наземную станцию . С помощью магнитометров и Яузондов можно было определить угловое состояние снаряда. Акселерометры помогали измерять ускорения SCORPION в направлениях x, y и z, а внутри снаряда находилась плата энкодера для сбора данных датчиков и отправки их на наземную станцию. [6] [7] Из-за того, что 40-мм гранаты стабилизированы по вращению и имеют сильно нелинейную аэродинамику, исследователи провели несколько испытаний, чтобы понять аэродинамические нелинейности и динамику полета траектории снаряда. [ нужна ссылка ] Эксперименты с базовой моделью показали, что эти снаряды демонстрируют быструю и медленную угловую прецессию, а это означает, что система аэродинамического управления должна не только работать со скоростью вращения 60 Гц, но также учитывать нелинейную реакцию снаряда. И вращательное движение, и прецессия снаряда значительно усложнили реакцию снаряда на управляющие силы. [ нужна ссылка ] Основываясь на анализе испытаний в аэродинамической трубе, исследователи специально разработали подкалиберную систему для запуска снаряда, чтобы аэродинамическая поверхность снаряда оставалась гладкой, что позволило эффекту Коанда генерировать отклоняющую силу. [6] [7]
Благодаря системе телеметрии исследователи могли отслеживать силы на СКОРПИОНЕ, когда он летит к своей цели. Однако, чтобы контролировать траекторию полета, снаряд использовал MAFC за счет использования крошечных синтетических струй, встроенных в поверхность снаряда. [8] Эти синтетические реактивные приводы, разработанные исследователями из Технологического института Джорджии, были предназначены для выпуска воздушных потоков с целью изменения поля потока и распределения давления окружающего воздуха. При кратковременном включении эти синтетические струи использовали крошечные короткие импульсы для корректировки траектории снаряда по мере его движения к цели. [2] [3] Будучи устройствами активного управления с нулевым чистым потоком массы , синтетические струи обеспечивали желаемую степень контроля над полем потока за счет эффектов импульса . [ нужна ссылка ] Они выполняли роль рулевых устройств снаряда, используя систему, подобную диафрагме, с минутным колебанием, питаемую пьезокерамическими элементами. Из-за крошечных воздушных вихрей, создаваемых синтетическими струями, вокруг снаряда могла возникнуть асимметрия воздушного потока. Кроме того, возникший эффект Коанда умножил последствия этого явления, вызывая изменения потока воздуха, которые были достаточно сильными, чтобы изменить траекторию снаряда. Электроника SCORPION также подверглась g-закалке, чтобы выдерживать большие силы, возникающие во время каждого запуска. [6]
Однако с этой конструкцией все еще остаются проблемы. Снаряду SCORPION не хватает места для полезной нагрузки для полноценной системы наведения, а также большей взрывной силы. В результате дополнительные функции, предложенные для боеприпаса SCORPION, включали добавление в снаряде большего места для взрывчатых веществ и систему, которая позволяла снаряду детонировать в заранее установленной точке детонации. Исследователи также исследовали использование приводов газогенераторов, которые используют крошечные заряды взрывчатого вещества вместо струй воздуха для управления курсом снаряда. [5]
Помимо 40-мм SCORPION, был разработан также 25-мм SCORPION. Сконструированный аналогично 40-мм модели, 25-мм боеприпас SCORPION состоял из двух секций: электронного модуля управления и исполнительного модуля. Модуль электронного управления представлял собой герметичный цилиндрический контейнер, в котором размещались платы питания, драйвера, IMU, процессора и разъемов, а также съемная выступающая часть , предоставлявшая пользователю доступ к средствам связи и данным. Снаряд также включал в себя командное наведение и комплект инерциальных датчиков (ИСС), последний из которых содержал плату генератора, плату процессора и комплект датчиков. Комплект датчиков включал 2-осевые датчики скорости, 3-осевые акселерометры , два радиально ориентированных акселерометра и 3-осевые магнитометры. Модуль исполнительного механизма хранился отдельно от остальной части сборки, чтобы предотвратить попадание любого потенциально опасного материала, такого как порох, в электронный модуль управления непосредственно перед выстрелом. Двигательная установка SCORPION состояла из гильзы, вмещавшей топливо и обтюратор , который изолировал внутри себя газы сгорания под высоким давлением. Обтюратор служил для передачи крутящего момента для стабилизации вращения и распределения осевой силы для ускорения снаряда внутри ствола пушки. [1] По данным летных экспериментов, проведенных в Армейской исследовательской лаборатории, 25-мм SCORPION успешно установил вес заряда, необходимый для удовлетворения требований по скорости при запуске со скоростью 0,8 Маха. [ нужна ссылка ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Ловас, Андре; Браун, Т. Гордон; Харкинс, Томас (2008). «Инновационные технологии и методы испытаний и оценки боеприпасов малого калибра на месте» (PDF) . Журнал ИТЭА . 29 : 29–36. Архивировано (PDF) из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б с д и Саху, Джубарадж; Хиви, Карен (2006). «Моделирование синтетического струйного управления потоком вращающегося снаряда с точностью по времени». В Джонсе, Грегори; Джослин, Рональд (ред.). Применение технологии управления циркуляцией (PDF) . Том. 214. Центр аэрокосмических исследований. стр. 579–598. дои : 10.2514/5.9781600866838.0579.0598 . ISBN 978-1-56347-789-8 . Архивировано (PDF) из оригинала 14 марта 2020 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Мэсси, Кевин; Ловас, Андре; МакМайкл, Джим; Браун, Ти Джей; Саху, Джубарадж; Плотинс, Петр (декабрь 2008 г.). Наведение с замкнутым контуром нелинейно вращающейся 40-мм гранаты с использованием микроадаптивного управления потоком (PDF) (Отчет). Исследовательская лаборатория армии США. АДА504317. Архивировано из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б Ловас А., Мэсси К., Хейгес М., Браун Т.Г., Харкинс Т. «Программа DARPA SCORPION. Переход к армейской программе АТО с летальным исходом: история успеха» (PDF) . Исследовательская лаборатория армии США.
- ^ Jump up to: а б Годовой отчет GTRI за 2005 год (PDF) (Отчет). Технологический институт Джорджии. 2006.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час МакМайкл, Джим; Ловас, Андре; Плотинс, Петр; Саху, Джубарадж; Браун, Т. Гордон; Глезер, А. (сентябрь 2005 г.). Микроадаптивное управление потоком применительно к вращающемуся снаряду (PDF) (отчет). Исследовательская лаборатория армии США. АРЛ-ТР-3589. Архивировано (PDF) из оригинала 10 июля 2020 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ Jump up to: а б Объединенное командование по управлению жизненным циклом боеприпасов и летальности (PDF) (Отчет). Исследовательская лаборатория армии США. Июнь 2007 г. Архивировано (PDF) из оригинала 1 июня 2022 г. - через Центр технической информации Министерства обороны.
- ^ «Управляющие боеприпасы с синтетическими реактивными приводами» (PDF) . Годовой отчет за 2005 год (Отчет). Технологический исследовательский институт Джорджии.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Метравиб Защита (на французском языке)