RU2825905C2 - Method of guiding anti-missile to supersonic target - Google Patents
Method of guiding anti-missile to supersonic target Download PDFInfo
- Publication number
- RU2825905C2 RU2825905C2 RU2022119212A RU2022119212A RU2825905C2 RU 2825905 C2 RU2825905 C2 RU 2825905C2 RU 2022119212 A RU2022119212 A RU 2022119212A RU 2022119212 A RU2022119212 A RU 2022119212A RU 2825905 C2 RU2825905 C2 RU 2825905C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- missile
- target
- shock wave
- wave front
- cone
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение касается систем противовоздушной обороны (ПВО) и может быть применено в системах перехвата маневрирующих атмосферных сверхзвуковых и гиперзвуковых летательных аппаратов, например самолетов, крылатых ракет, планирующих боевых блоков, управляемых реактивных снарядов, включая малоразмерные и малозаметные для радиолокации цели.The invention concerns air defense systems (AD) and can be used in systems for intercepting maneuvering atmospheric supersonic and hypersonic aircraft, such as aircraft, cruise missiles, gliding warheads, guided missiles, including small-sized and radar-invisible targets.
Всякая система ПВО представляет собой неразрывное единство двух частей: информационной и исполнительной. Информационная часть представлена техническими средствами наблюдения окружающей воздушной обстановки, обнаружения и классификации воздушных объектов и измерения параметров их движения. В современных информационных системах ПВО используются радиотехнические, оптические и акустические средства локации. В исполнительной части современной ПВО используются различные управляемые летательные аппараты, среди которых преобладающее преимущество по комплексу существенных технических параметров принадлежит ракетам. Они превосходят самолеты по скорости, ускорению, дальности, компактности базирования, унивесальности по параметрам среды использования и др. При этом для ракеты - перехватчика (далее - противоракеты) особенно важными являются высокие конечная скорость и ускорение, а также - малое время выхода в зону перехвата цели. Это достигается малоразмерностью противоракеты в сочетании с ее многоступенчатостью или иным способом осуществления частого отбрасывания отработавшей массы конструкции. При этом конечную скорость противоракеты можно подсчитать по формуле Циолковского:Any air defense system is an inseparable unity of two parts: information and executive. The information part is represented by technical means of observing the surrounding air situation, detecting and classifying air objects and measuring the parameters of their movement. Modern air defense information systems use radio, optical and acoustic location means. The executive part of modern air defense uses various controlled aircraft, among which the predominant advantage in terms of a set of essential technical parameters belongs to missiles. They surpass aircraft in speed, acceleration, range, compactness of basing, versatility in terms of the parameters of the environment of use, etc. At the same time, for an interceptor missile (hereinafter referred to as an anti-missile), high final speed and acceleration are especially important, as well as a short time to enter the target interception zone. This is achieved by the small size of the anti-missile in combination with its multi-stage nature or another method of frequently discarding the spent mass of the structure. In this case, the final speed of the anti-missile can be calculated using the Tsiolkovsky formula:
где M0 - стартовая масса ракеты, Мк - конечная масса ракеты, Vконечн. - конечная (орбитальная) скорость ракеты, Vистечения - скорость истечения газов из сопла, которая должна быть в этой формуле заменена на среднюю скорость квазинепрерывного отбрасывания массы топлива и частей конструкции (баков, теплозащитыи др.).where M 0 is the launch mass of the rocket, M k is the final mass of the rocket, Vfinal is the final (orbital) velocity of the rocket, Voutflow is the velocity of the gases outflowing from the nozzle, which in this formula should be replaced by the average velocity of the quasi-continuous ejection of the mass of fuel and parts of the structure (tanks, heat shielding, etc.).
Если допустить, что масса конструкции пренебрежимо мала по сравнению с массой топлива, то для ракетного топлива со скоростью истечения 3 км/сек и конечной скорости противоракеты 9 километров в секунду мы получим по указанной выше формуле отношение стартовой массы к конечной массе равное 20.If we assume that the mass of the structure is negligibly small compared to the mass of the fuel, then for rocket fuel with an exhaust velocity of 3 km/sec and a final velocity of the anti-missile of 9 kilometers per second, we obtain, using the formula given above, a ratio of the launch mass to the final mass equal to 20.
Примером технических решений, допускающих малоразмерность в сочетании с возможностью значительного увеличения числа ступеней являются: изобретения по авторскому свидетельству СССР №1519279 и по патенту РФ на изобретение №2754475. В указанных технических решениях ракета представляет собой продольный пакет из множества твердотопливных ступеней, состыковнных между собой за счет вложения камер сгорания предыдущих ступеней в закритическую часть сопла последующей ступени без дополнительного скрепления. Выгорание топлива предыщей ступени вызывает автоматическую передачу горения в следующую стунень и выталкивание выгоревшей ступени давлением газов вопламенившегоя топлива следующей ступени. Таким образом осуществляется частое отбрасывание отработавшей массы конструкции, почти пропорциональное расходу твердого топлива, без перерыва тяги и управления. При этом, уже при числе ступеней 5, обеспечивается возможность достижения первой космической конечной скорости ракеты при отношении стартовой массы к конечной массе около 25. Т.е. противоракета со стартовой массой 25 килограмм может разогнать конечную массу 1 килограмм до скорости 9 километров в секунду. При этом ускорение такой малоразмерной противоракеты может доходить до нескольких десятков G (G=10 м/сек). Это позволяет например произвести перехват баллистической ракеты на активном участке ее полета со стартовой позиции противоракет, расположенной за несколько сотен километров от места старта баллистической ракеты. При этом наведение может быть произведено с использованием оптической ГСН (головка самонаведения), работающей по излучению ракетных двигателей цели, что конструктивно наиболее просто.An example of technical solutions that allow small dimensions in combination with the possibility of a significant increase in the number of stages are: inventions according to the USSR Author's Certificate No. 1519279 and according to the Russian Federation Patent for Invention No. 2754475. In the specified technical solutions, the rocket is a longitudinal package of many solid-fuel stages joined together by inserting the combustion chambers of the previous stages into the supercritical part of the nozzle of the next stage without additional fastening. The burnout of the fuel of the previous stage causes automatic transfer of combustion to the next stage and ejection of the burnt-out stage by the pressure of the gases of the ignited fuel of the next stage. In this way, frequent ejection of the spent mass of the structure is carried out, almost proportional to the consumption of solid fuel, without interruption of thrust and control. At the same time, already with the number of stages of 5, the possibility of achieving the first cosmic final velocity of the rocket is ensured with a ratio of the launch mass to the final mass of about 25. That is, an anti-missile with a launch mass of 25 kilograms can accelerate the final mass of 1 kilogram to a speed of 9 kilometers per second. In this case, the acceleration of such a small-sized anti-missile can reach several tens of G (G = 10 m / sec). This allows, for example, to intercept a ballistic missile in the active phase of its flight from the launch site of the anti-missile, located several hundred kilometers from the launch site of the ballistic missile. In this case, guidance can be performed using an optical homing head (homing head), operating on the radiation of the target's rocket engines, which is the simplest in design.
Другой вариант осуществления малоразмерной противоракеты, отличающийся частым (квазинепрерывным) отбрасываением отработавшей массы конструкции представлен в патентах РФ на изобретение №2749235, №2752730, а также в заявке РФ на изобретение №2019128485. В этом техническом решении применяется твердое смесевое топливо в дисперсном сыпучем состоянии. При этом топливо подается в камеру сгорания двигателя с помощью шлюзового механизма, который не требует мощного привода, и работает, как и всякий шлюз, за счет небольшого встречного потока газов из камеры сгорания, в которую топливо подается против перепада давления. Электродвигатель при этом нужен только для компенсации потерь на трение уплотнений ротора шлюзового механизма. Причем обечайка топливного бункера разделена на кольцеобразные секции, а единственный ракетный двигатель установлен на днище бункера, который вдвигается в обечайку по мере расходования топлива, как поршень - за счет силы тяги двигателя. При этом, опускающиеся ниже двигателя кольцевые секции обечайки теряют связь с обечайкой и отпадают. Наличие в данном варианте сервоэлектроприводов несколько ограничивает малоразмерность по сравнению с предыдущим вариантом. Однако отношение стартовой массы к конечной массе для достижения скорости 9 километров в секунду остается таким же - примерно 25. При конечной массе 4 кг стартовая масса получится примерно 100 кг, что тоже приемлемо для противоракеты по условию получения достаточно больших ускорений (масштабирование изменяет соотношение между массой и прочностью).Another embodiment of a small-sized anti-missile, characterized by frequent (quasi-continuous) ejection of the spent mass of the structure is presented in Russian patents for invention No. 2749235, No. 2752730, as well as in Russian application for invention No. 2019128485. This technical solution uses solid mixed fuel in a dispersed bulk state. In this case, the fuel is fed to the engine combustion chamber using a sluice mechanism, which does not require a powerful drive, and works, like any sluice, due to a small counter-flow of gases from the combustion chamber, into which the fuel is fed against the pressure drop. The electric motor is needed only to compensate for friction losses of the rotor seals of the sluice mechanism. Moreover, the shell of the fuel bunker is divided into annular sections, and the only rocket engine is installed on the bottom of the bunker, which is pushed into the shell as the fuel is consumed, like a piston - due to the thrust of the engine. In this case, the ring sections of the shell that descend below the engine lose their connection with the shell and fall off. The presence of servo-electric drives in this version somewhat limits the small size compared to the previous version. However, the ratio of the launch mass to the final mass to achieve a speed of 9 kilometers per second remains the same - approximately 25. With a final mass of 4 kg, the launch mass will be approximately 100 kg, which is also acceptable for an anti-missile under the condition of obtaining sufficiently large accelerations (scaling changes the ratio between mass and strength).
Однако применение вышеуказанных малоразмерных противоракет для перехвата воздушных целей сталкивается с проблемами, обусловленными малой массой боевой части, которая может быть размещена в головной части малоразмерной противоракеты. Решение в принципе может быть найдено путем использования высокой конечной скорости для кинетического поражающего действия. Однако при этом требуется высокая точность локации цели. Применение бортовой радиолокационной ГСН осложняется недостатком места для размещения антенны с достаточно узкой диаграммой направленности. Применение многопозиционной наземной радиолокации, которая могла бы решить проблему повышения точности при большой дальности, требует создания сложной распределенной по большой территории наземной инфраструктуры, уязвимой к средствам подавления. Применение оптических систем локации воздушных целей ограничивается облачностью, которая часто ограничивает дальность оптической локации и создает возможность вражеским целям лететь под прикрытием облаков на значительные расстояния.However, the use of the above-mentioned small-size anti-missiles for intercepting air targets encounters problems caused by the small mass of the warhead, which can be placed in the head of a small-size anti-missile. A solution can, in principle, be found by using a high terminal velocity for kinetic destructive action. However, this requires high target location accuracy. The use of an onboard radar homing head is complicated by the lack of space for placing an antenna with a sufficiently narrow directional pattern. The use of multi-position ground-based radar, which could solve the problem of increasing accuracy at long range, requires the creation of a complex ground infrastructure distributed over a large area, vulnerable to suppression means. The use of optical air target location systems is limited by cloud cover, which often limits the range of optical location and creates the possibility for enemy targets to fly under the cover of clouds over significant distances.
Наличие этой проблемы заставляет обратить внимание на акустические информационные системы, которые в современную эпоху сверхзвуковых полетов вновь приобретают актуальность. Известны например технические решения, позволяющие определить расположение точки выстрела снаряда или пули с помощью нескольких акустических датчиков, закрепленных в нескольких точках по некоторой базовой конфигурации (см. патент РФ на изобретение №2512128 разработки США). В другом варианте определяется ориентация фронта прохождения ударной волны и пеленг на траекторию пролета сверхзвуковой цели над поверхностью земли с помощью нескольких разнесенных трехкоординатных акселерометров (см.патент на изобретение РФ №2408025 разработки США).The presence of this problem makes us pay attention to acoustic information systems, which are becoming relevant again in the modern era of supersonic flights. For example, technical solutions are known that allow us to determine the location of the point of a projectile or bullet shot using several acoustic sensors fixed at several points according to a certain basic configuration (see Russian patent for invention No. 2512128 developed by the USA). In another version, the orientation of the shock wave front and the bearing on the trajectory of a supersonic target over the earth's surface are determined using several spaced three-coordinate accelerometers (see Russian patent for invention No. 2408025 developed by the USA).
Однако, недостатком указанных технических решений является то, что, если цель способна хоть немного непредсказуемо маневрировать, то расположение цели на момент перехвата может отличаться от вычисленного по полученным данным, и точное попадание в цель будет невозможно, и для перехвата придется применять боевую часть большой мощности, которая не может быть размещена на малоразмерной ракете. Крупнотоннажная же противоракета не имеет (по условиям прочности конструкции) достаточного для перехвата высокоманевренной цели ускорения и маневренности.However, the disadvantage of the specified technical solutions is that if the target is capable of even slightly unpredictable maneuvering, then the location of the target at the time of interception may differ from that calculated from the data received, and an accurate hit on the target will be impossible, and for interception it will be necessary to use a high-power warhead, which cannot be placed on a small-sized missile. A large-capacity anti-missile does not have (due to the strength of the structure) sufficient acceleration and maneuverability to intercept a highly maneuverable target.
Таким образом, известные технические решения не содержат сведений о том, как построить замкнутую систему наведения на высокоскоростную, например гиперзвуковую, а также высокоманевренную, цель, т.е. - как построить полную систему ПВО - наземную или бортовую, действующую по высокоманевренным сверхзвуковым целям без промаха, т.е. без необходимости применения мощной боевой части противоракеты.Thus, the known technical solutions do not contain information on how to build a closed guidance system for a high-speed, for example hypersonic, as well as a highly maneuverable target, i.e. how to build a complete air defense system - ground or airborne, operating against highly maneuverable supersonic targets without missing, i.e. without the need to use a powerful warhead of an anti-missile.
Предметом предлагаемого изобретения является устранение указанного недостатка известных технических решений и обеспечение возможности перехвата маневрирующей сверхзвуковой (в частности гиперзвуковой) цели на основе акустической локации ее по создаваемой целью ударной волне в процессе полета через атмосферу.The subject of the proposed invention is to eliminate the said drawback of known technical solutions and to ensure the possibility of intercepting a maneuvering supersonic (in particular hypersonic) target based on its acoustic location by the shock wave created by the target during its flight through the atmosphere.
Предлагается способ наведения противоракеты на сверхзвуковую цель, использующий регистрацию создаваемой сверхзвуковой целью ударной волны. Цель изобретения достигается тем, что датчик ударной волны располагают на борту противоракеты, которую пилотируют, отслеживая положение фронта ударной волны относительно противоракеты и используя поверхность фронта ударной волны в качестве навигационной направляющей. При этом положение и ориентация поверхности фронта ударной волны определяется по пространственным и временным координатам факта пересечения фронта ударной волны бортовым датчиком, установленным на противоракете. Эти координаты являются точкой, принадлежащей поверхности ударной волной. При этом поверхность фронта ударной волны, является, как известно, поверхностью Маха, характеризующей процесс сверхзвукового обтекания цели (см. Н.Ф. Краснов, Аэродинамика, часть 1, стр. 154. Москва, Высшая школа, 1980 г.) и имеет, в общем случае, вид конуса с криволинейными образующими и с вершиной, жестко связанной с носовой частью цели. Определив таким образом, т.е. путем нескольких пересечений, координаты нескольких точек поверхности, можно определить форму, положение и пространственную ориентацию конической поверхности Маха, а следовательно - и координаты вершины конуса, в которой расположена цель. Это имеет место в случае, если цель не маневрирует и если конус имеет правильную форму. Таким образом, пространственно-временное положение цели будет определено без использования средств радио или оптической локации.A method is proposed for guiding an interceptor missile to a supersonic target using the registration of a shock wave created by the supersonic target. The objective of the invention is achieved in that the shock wave sensor is placed on board the interceptor missile, which is piloted, tracking the position of the shock wave front relative to the interceptor missile and using the surface of the shock wave front as a navigation guide. In this case, the position and orientation of the surface of the shock wave front is determined by the spatial and temporal coordinates of the fact of intersection of the shock wave front by the onboard sensor installed on the interceptor missile. These coordinates are a point belonging to the surface of the shock wave. In this case, the surface of the shock wave front is, as is known, the Mach surface, characterizing the process of supersonic flow around the target (see N. F. Krasnov, Aerodynamics,
Если же цель маневрирует, то конус поверхности Маха будет искривленным. Однако это искривление, вследствие ограниченности маневренных возможностей цели, будет небольшим. Если после сближения с целью повторить определение формы и положения конуса Маха путем дополнительного пересечения траектории противоракеты с фронтом ударной волны, то ошибка, обусловленная маневрированием цели, уменьшится. Таким образом, путем неоднократной корректировки расчетов положения вершины конуса, ошибка расчетного определения положения цели в процессе сближения противоракеты с целью, будет уменьшаться и может достигнуть величины, меньшей суммы диаметров цели и противоракеты. Таким образом, произойдет прямое столкновение с целью, т.е. ее разрушение или отклонение от объекта атаки. Двигаясь вдоль поверхности фронта ударной волны в направлении полета цели, т.е. двигаясь за целью в догоняющем режиме и со скоростью, превышающей скорость цели, противоракета неизбежно придет в вершину конуса, т.е. в точку расположения цели и столкнется с ней. Таким образом, будет обеспечено наведение с точностью, достаточной для кинетического поражения цели, т.е. без использования боезаряда. Учитывая вышеуказанную возможность достижения малоразмерной противоракетой скоростей, значительно превышающих скорость полета целей в атмосфере (даже, если скорость цель гиперзвуковая), то скорость столкновения противоракеты с целью будет достаточной для разрушения цели с эффективностью, превышающей эффективность кумулятивных боеприпасов. Более низкие скоростные возможности цели по сравнению с возможностями противоракеты, обусловлены наличием у цели полезной нагрузки в виде боезаряда. Если же цель не несет боезаряд, т.е. является, как и противоракета, оружием кинетического действия, то она не несет большой опасности, какую несут боеголовки осколочно-фугасного, ядерного или иного действия на расстоянии. Боеголовки кинетического действия достаточно просто отклонить от точного попадания в цель. Для этого достаточно небольшой скорости столкновения с противоракетой. В любом случае процесс перехвата цели по предлагаемому способу оказывается менее разрушительным для окружающей обстановки, т.к., либо цель уничтожается на значительном расстоянии до объекта атаки, либо не несет в себе взрывчатый боезаряд, и просто отклоняется от попадания в объект атаки, если цель кинетическая.If the target maneuvers, the Mach surface cone will be curved. However, this curvature will be small due to the limited maneuvering capabilities of the target. If, after approaching the target, the determination of the shape and position of the Mach cone is repeated by additionally crossing the trajectory of the interceptor missile with the shock wave front, the error caused by the maneuvering of the target will decrease. Thus, by repeatedly correcting the calculations of the position of the cone apex, the error in the calculated determination of the target position during the approach of the interceptor missile to the target will decrease and may reach a value less than the sum of the diameters of the target and the interceptor missile. Thus, a direct collision with the target will occur, i.e. its destruction or deviation from the object of attack. Moving along the surface of the shock wave front in the direction of the target's flight, i.e. moving behind the target in the catch-up mode and at a speed exceeding the speed of the target, the interceptor missile will inevitably arrive at the apex of the cone, i.e. at the point where the target is located, and collide with it. Thus, guidance will be provided with an accuracy sufficient for kinetic destruction of the target, i.e. without using a warhead. Considering the above-mentioned possibility of a small-sized anti-missile achieving speeds significantly exceeding the speed of flight of targets in the atmosphere (even if the target speed is hypersonic), the collision speed of the anti-missile with the target will be sufficient to destroy the target with an efficiency exceeding the efficiency of cumulative munitions. The lower speed capabilities of the target compared to the capabilities of the anti-missile are due to the presence of a payload in the form of a warhead on the target. If the target does not carry a warhead, i.e. is, like the anti-missile, a kinetic action weapon, then it does not pose a great danger, which is posed by high-explosive, nuclear or other warheads at a distance. Kinetic warheads can be easily deflected from an accurate hit on the target. For this, a low collision speed with the anti-missile is sufficient. In any case, the process of intercepting a target using the proposed method is less destructive to the surrounding environment, since either the target is destroyed at a significant distance from the target of the attack, or does not carry an explosive warhead, and simply deviates from hitting the target of the attack if the target is kinetic.
Факт пересечения волнового фронта ударной волны противоракетой может быть опознан по скачкообразному изменению давления атмосферного воздуха. При этом направление пересечения фронта, т.е. - входа в полость конуса Маха или выхода из него, определяется по изменению уровня акустического фона, т.к. внутри конуса Маха к акустическому фону окружающей среды добавляется фон турбулентности, создаваемой процессом обтекания цели, а также работой двигателя цели. Вне конуса Маха эта составляющая фона отсутствует.The fact of the shock wave front intersection by the anti-missile can be identified by the sudden change in atmospheric air pressure. In this case, the direction of the front intersection, i.e. the entrance to the Mach cone cavity or the exit from it, is determined by the change in the acoustic background level, since inside the Mach cone, the acoustic background of the environment is supplemented by the background of turbulence created by the process of flowing around the target, as well as the operation of the target engine. Outside the Mach cone, this component of the background is absent.
Проблема состоит в том, как замерить это давление, т.к. оно характеризует состояние невозмущенной части набегающего потока. Если поставить трубку Пито, используемую на самолетах для измерения воздушной скорости, то мы будем замерять давление остановленного потока. В данном случае, учитывая гиперзвуковую скорость полета противоракеты, это будет давление прямого скачка уплотнения, которое не только многократно превышает давление в невозмущенной части набегающего потока, но и сопровождается сильным скачком температуры, а также диссоциацией газов и световым излучением. Впрочем, все эти параметры воздуха в зоне прямого скачка уплотнения однозначно связаны с давлением этой же струйки потока в невозмущенной его части. И любой из параметров состояния воздуха в прямом скачке уплотнения может быть использован для пересчета в давление невозмущенной среды, как статическое, так и имульсное и звуковое (акустическое). Таким образом, замеряя давление, или температуру, или плотность газа, или интенсивность или спектральные характеристики оптического излучения газа в прямом скачке уплотнения, мы получим информацию об изменении давления невозмущенной атмосферы в той части струйки потока, которая попадает в точку прямого скачка уплотнения.The problem is how to measure this pressure, since it characterizes the state of the undisturbed part of the incident flow. If we install a Pitot tube, used on airplanes to measure airspeed, then we will measure the pressure of the stopped flow. In this case, given the hypersonic flight speed of the anti-missile, this will be the pressure of the direct shock wave, which not only many times exceeds the pressure in the undisturbed part of the incident flow, but is also accompanied by a strong jump in temperature, as well as dissociation of gases and light radiation. However, all these air parameters in the zone of the direct shock wave are clearly related to the pressure of the same stream of flow in its undisturbed part. And any of the parameters of the air state in the direct shock wave can be used to convert to the pressure of the undisturbed environment, both static and pulse and sound (acoustic). Thus, by measuring the pressure, or temperature, or density of the gas, or the intensity or spectral characteristics of the optical radiation of the gas in the normal shock wave, we will obtain information about the change in pressure of the undisturbed atmosphere in that part of the flow stream that enters the point of the normal shock wave.
Аналогичная однозначная связь с параметрами невозмущенного потока существует и при расположении датчика в косом скачке уплотнения или в любой точке поверхности противоракеты. Эта связь определяется картиной обтекания летательного аппарата сверхзвуковым потоком. Однако, при установке датчика на поверхности фюзеляжа, имеющего заостренную головную часть, имеется некоторая неопределенность в распределении струек потока по разным сторонам от острия. При этом, небольшие отклонения противоракеты по тангажу, курсу или крену могут переключать струйки по разным сторонам фюзеляжа. Таким образом, положение точки пересечения датчика с фронтом ударной волны будет определяться с погрешностью, равной поперечному диаметру фюзеляжа. Устранить этот недостаток можно, разместив датчик на выносном штативе с вынесением точки забора воздуха в невозмущенный поток. При этом, как и в случае с трубкой Пито, датчик можно снабдить собственным обтекателем малого размера, что даст соответствующее уменьшение величины погрешности, обусловленной рассечением потока заостренной вершиной с разнесением соседних струек потока по разным сторонам обтекателя малого размера.A similar unambiguous connection with the parameters of the undisturbed flow also exists when the sensor is located in an oblique shock wave or at any point on the surface of the anti-missile. This connection is determined by the pattern of flow around the aircraft by a supersonic flow. However, when installing the sensor on the surface of a fuselage with a pointed nose, there is some uncertainty in the distribution of the flow jets on different sides of the tip. In this case, small deviations of the anti-missile in pitch, course or roll can switch the jets on different sides of the fuselage. Thus, the position of the intersection point of the sensor with the shock wave front will be determined with an error equal to the transverse diameter of the fuselage. This drawback can be eliminated by placing the sensor on an external stand with the air intake point moved into the undisturbed flow. In this case, as in the case of the Pitot tube, the sensor can be equipped with its own small-sized fairing, which will provide a corresponding reduction in the magnitude of the error caused by the flow being cut by the pointed tip with the separation of adjacent streams of flow on different sides of the small-sized fairing.
Чтобы уменьшить требуемое число циклов пересечения противоракеты с поверхностью фронта ударной волны, необходимое для определения угловой ориентации фронта ударной волны, следует установить на борту противоракеты несколько - по крайней мере два, пространственно разнесенных датчика ударной волны. Тогда за одно пересечение противоракетой конуса Маха мы получим сразу несколько пространственно-временных координат поверхности Маха. При этом за одно пересечение можно будет определить не только координаты одной точки поверхности Маха, но и ее угловую ориентацию в окрестности данной точки, и даже тензор кривизны поверхности конуса на заключительном этапе сближения с целью, когда радиус поперечной кривизны конуса достаточно мал. Это сокращает необходимое число пересечений поверхности фронта ударной волны, выполняемое путем маневрирования противоракеты.In order to reduce the required number of cycles of the interceptor missile crossing the shock wave front surface, necessary to determine the angular orientation of the shock wave front, several - at least two - spatially separated shock wave sensors should be installed on board the interceptor missile. Then, for one intersection of the Mach cone by the interceptor missile, we will immediately obtain several space-time coordinates of the Mach surface. In this case, for one intersection it will be possible to determine not only the coordinates of one point of the Mach surface, but also its angular orientation in the vicinity of this point, and even the curvature tensor of the cone surface at the final stage of approach to the target, when the radius of the transverse curvature of the cone is sufficiently small. This reduces the required number of intersections of the shock wave front surface, performed by maneuvering the interceptor missile.
При чем, если стабилизировать угол крена противоракеты относительно земли, например измеряя его по поляризации принимаемых сигналов радиомаяков или с помощью гироскопа, то для измерения угла наклона поверхности фронта ударной волны достаточно иметь два разнесенных бортовых датчика фронта ударной волны.Moreover, if the angle of the anti-missile roll relative to the ground is stabilized, for example by measuring it by the polarization of the received signals from radio beacons or using a gyroscope, then to measure the angle of inclination of the surface of the shock wave front it is sufficient to have two spaced onboard shock wave front sensors.
В процессе приближения к цели, интенсивность скачков давления от ударной волны, а также интенсивность акустической турбулентности, заполняющей конус Маха, возрастает, что упрощает процесс регистрации координат пересечения противоракеты с конусом Маха и уменьшает влияние возможных помех от посторонних источников, например от других целей. На начальных этапах сопровождения цели противоракета может пилотироваться по данным внешних радиолокационных систем, т.к. при этом не требуется высокой точности, а удальность от наземной инфраструкты ПВО еще невелика. Предлагаемый способ определения координат цели потребуется главным образом на заключительном этапе наведения, когда требуется высокая точность локации, трудно достижимая средствами радиолокации, а оптическая локация ограничена облачностью.As the target approaches, the intensity of pressure surges from the shock wave, as well as the intensity of acoustic turbulence filling the Mach cone, increases, which simplifies the process of recording the coordinates of the interceptor missile's intersection with the Mach cone and reduces the impact of possible interference from external sources, such as other targets. At the initial stages of target tracking, the interceptor missile can be piloted using data from external radar systems, since high accuracy is not required, and the distance from the ground-based air defense infrastructure is still small. The proposed method for determining target coordinates will be required mainly at the final stage of guidance, when high location accuracy is required, which is difficult to achieve using radar, and optical location is limited by cloudiness.
Поскольку координаты точек поверхности фронта ударной волны являются координатами движения самой противоракеты в момент пересечения ее с фронтом ударной волны, то координаты противоракеты должны быть известны - по крайней мере на начальных этапах захвата цели противоракетой и до момента выхода на режим отслеживания фронта ударной волны в режиме малых отклонений. Для этого, на начальных этапах наведения, пилотирование противоракеты может производится с использованием обычных внешних навигационных систем позиционирования, например с помощью системы радиомаяков, установленных на земле. Применение радиомаяков, установленных на спутниках (ГЛОНАС и т.п.) следует считать, в условиях глобального противостояния, ненадежным.Since the coordinates of the shock wave front surface points are the coordinates of the interceptor missile itself at the moment of its intersection with the shock wave front, the coordinates of the interceptor missile must be known - at least at the initial stages of target acquisition by the interceptor missile and until the moment of entering the shock wave front tracking mode in the small deviation mode. For this purpose, at the initial stages of guidance, piloting of the interceptor missile can be performed using conventional external navigation positioning systems, for example, using a system of radio beacons installed on the ground. The use of radio beacons installed on satellites (GLONASS, etc.) should be considered unreliable in the conditions of global confrontation.
Кроме того, при пилотировании противоракеты путем отслеживания положения конического фронта ударной волны, имеется проблема управления противоракеты по углу курса. Если просто задать направление полета в сторону вершины конуса, то в процессе приближения противоракеты к вершине конуса траектория движения будет принимать характер винтовой линии со все уменьшающимся шагом винта, что приведет к исчерпанию маневренных возможностей противоракеты по поперечному ускорению и к отрыву от поверхности конуса Маха. Избежать этого можно, если в процессе пилотирования поддерживать постоянным угол крена противоракеты относительно земли, а также постоянно контролировать поперечный наклон поверхности ударной волны относительно противоракеты. При этом, в случае обнаруженного нарастания поперечного наклона фронта ударной волны относительно противоракеты, следует производить отклонение противоракеты по курсу в сторону, соответствующую, как бы, скатыванию с горки на косогоре. При таком управлении курсом противоракета будет придерживаться траектории, близкой к образующей конуса Маха и не будет уходить в винтовую траекторию. Т.е. будут устранены проблемы с нарастанием перегрузок, сопровождающих приближение противоракеты к вершине конуса.In addition, when piloting an interceptor missile by tracking the position of the conical shock wave front, there is a problem of controlling the interceptor missile by the heading angle. If we simply set the flight direction towards the cone apex, then as the interceptor missile approaches the cone apex, the trajectory of motion will take the form of a helical line with an ever-decreasing propeller pitch, which will lead to the exhaustion of the interceptor missile's maneuvering capabilities in terms of lateral acceleration and to its separation from the Mach cone surface. This can be avoided by maintaining a constant bank angle of the interceptor missile relative to the ground during piloting, and also by constantly monitoring the lateral inclination of the shock wave surface relative to the interceptor missile. In this case, if an increase in the lateral inclination of the shock wave front relative to the interceptor missile is detected, the interceptor missile should be deflected along the heading to the side corresponding, as it were, to rolling down a hill on a slope. With such heading control, the interceptor missile will adhere to a trajectory close to the Mach cone generatrix and will not go into a helical trajectory. That is, problems with the increase in overloads that accompany the approach of the anti-missile to the top of the cone will be eliminated.
Изобретение поясняется нижеследующим детальным описанием примера выполнения и тремя фигурами.The invention is explained by the following detailed description of an example of implementation and three figures.
На фиг. 1 проиллюстрирован пример предлагаемого способа наведения, а именно - изображена цель 1 в системе координат, движущейся вместе с целью. Изображена также поверхность фронта ударной волны 2 в определенный момент времени. Поверхность ударной волны 2 в данном примере имеет вид конуса, искривленного в зоне приближения к вершине, что обусловлено маневрированием цели. При этом поверхность 2 остается на фиг. 1 почти неподвижной, т.к. скорость сдува ее набегающим потоком воздуха влево компенсируется распространением фронта звуковой волны под углом вправо. Вершина конуса остается на фиг. 1 неподвижной и совмещенной с неподвижной целью 1. Смещаются влево только искривления конуса. Vвозд. Обозначает скорость воздушного потока, которая обратна по знаку так называемой воздушной скорости цели. Показано два конуса ударной волны - идеальный и искривленный. Показана траектория маневрирования противоракеты 3 в вертикальной плоскости.Fig. 1 illustrates an example of the proposed guidance method, namely,
На фиг. 2 показан пример возможного размещения двух датчиков 4 и 5 фронта ударной волны на борту противоракеты 3.Fig. 2 shows an example of a possible placement of two shock
На фиг. 3 изображен вид по стрелке А, показанной на фиг. 1. Показана траектория маневрирования противоракеты по курсу в процессе отслеживания искривленной образующей реальной поверхности конуса Маха с вершиной в точке O/. Обозначен угол «а» поперечного наклона фронта ударной волны, измеряемый датчиками 4 и 5 по разности времени пересечения ими фронта ударной волны в процесс движения оси пртиворакеты по вертикали.Fig. 3 shows a view along arrow A shown in Fig. 1. The trajectory of the anti-missile maneuvering along the course is shown in the process of tracking the curved generatrix of the real surface of the Mach cone with the apex at point O / . The angle "a" of the transverse inclination of the shock wave front is indicated, measured by
Предлагаемой способ наведения состоит в следующем. Предварительные параметры полета цели 1 определяются обычным средствами обнаружения, например радиолокатором 6, расположенным на передней линии системы ПВО. Координаты противоракеты 3 на начальном этапе захвата цели и сопровождения, определяются триангуляцией с помощью системы радиомаяков 7, разнесенных между собой на некоторые базовые расстояния по треугольнику. Угловые текущие параметры положения противоракеты по тангажу, курсу и крену, с целью упрощения и компактизации бортового оборудования, могут измеряться по поляризации принимаемых радиосигналов маяков 7 с помощью расположенной на борту противоракеты векторной антенны, состоящей из трех взаимно ортогональных диполей. Однако могут быть применены и гироскопы, если удастся сделать их достаточно компактными для установки на малоразмерной противоракете.The proposed method of guidance is as follows. The preliminary parameters of the
Учитывая, что на фиг. 1 дано изображение в движущейся относительно земли системе координат, в которой цель 1 неподвижна, процесс разгона противоракеты после старта выглядит, как торможение. При этом противоракету пилотируют, вводя ее в полость конуса ударной волны 2. Траектория полета противоракеты на этом этапе имеет вид дуги «б». В момент пересечения противоракетой конуса 2 в точке «в», координаты противоракеты, непрерывно измеряемые по запаздыванию сигналов радиомаяков 7, являются одновременно координатами одной из точек поверхности фронта ударной волны 2. Если на борту противоракеты имеются два пространственно разнесенных датчика 4 и 5 фронта ударной волны (см. фиг. 2), то по разности времени появления в этих датчиках сигналов и по известному вектору скорости движения противоракеты можно определить угол «а» ориентации фронта ударной волны (см. фиг. 3). При нулевом значении угла «а» сигналы в датчиках будут одновременные. Знак расхождения их по времени отображает знак угла поперечного наклона фронта ударной волны относительно противоракеты и земли. Маневрированием противоракеты по курсу удерживают угол «а» около нулевого значения. При этом траектория «г» противоракеты будет совершать малые колебания относительно искривленной образующей конуса ударной волны (конуса Маха). Это избавит от перехода в винтовую линию, огибающую ось конуса, и обеспечит приведение траектории противоракеты к вершине О/ конуса, где расположена цель 1 (см. фиг. 3).Considering that Fig. 1 shows an image in a coordinate system moving relative to the earth, in which target 1 is stationary, the process of acceleration of the interceptor missile after launch looks like braking. In this case, the interceptor missile is piloted by introducing it into the cavity of the cone of
Аналогичные малые колебания противоракета совершает в вертикальной плоскости (см. фиг. 1). Задачей вертикальных колебаний является отслеживание поверхности фронта ударной волны, в то время, как задачей описанных выше малых колебаний в горизонтальной плоскости является пилотирование вдоль криволинейной образующей конуса. Аналогией является движение автомобиля по поверхности земли. При этом, направляющими, отслеживающими поверхность земли, служат колеса. Отслеживание образующей конуса является аналогом работы рулевого управления, обеспечивающего качение автомобиля по дну желобообразного, сужающегося по ходу движения, оврага.The anti-missile performs similar small oscillations in the vertical plane (see Fig. 1). The task of the vertical oscillations is to track the surface of the shock wave front, while the task of the small oscillations described above in the horizontal plane is to pilot along the curvilinear generatrix of the cone. An analogy is the movement of a car on the surface of the earth. In this case, the guides that track the surface of the earth are the wheels. Tracking the generatrix of the cone is analogous to the operation of the steering control, which ensures the rolling of the car along the bottom of a trough-shaped ravine that narrows in the direction of travel.
Приведенная аналогия позволят понять распределение функций трех подсистем управления автопилота противоракеты: по крену, по тангажу и по курсу, обеспечивающих приведение противоракеты к цели с точностью, достаточной для прямого столкновения. При этом на заключительном этапе наведения, обеспечивающем точность до получения прямого столкновения, радиолокатор не требуется.The given analogy will help to understand the distribution of functions of the three control subsystems of the anti-missile autopilot: roll, pitch and heading, which ensure the anti-missile is brought to the target with an accuracy sufficient for a direct collision. At the final stage of guidance, which ensures accuracy up to a direct collision, a radar is not required.
Чтобы оценить возможные параметры процесса наведения по расстояниям и требуемым перегрузкам противоракеты подсчитаем время и путь ускорения противоракеты до скорости 5 километров в секунду, что является пределом для возможных гиперзвуковых целей в атмосфере.In order to estimate the possible parameters of the guidance process based on distances and required overloads of the anti-missile, we will calculate the time and path of acceleration of the anti-missile to a speed of 5 kilometers per second, which is the limit for possible hypersonic targets in the atmosphere.
Принимая ускорение постянным и равном 100 м/сек2 (10 G), получим время ускорения 5000/100=50 секунд.Taking the acceleration as constant and equal to 100 m/ sec2 (10 G), we get the acceleration time 5000/100=50 seconds.
При этом путь ускорения составит 100* 502 /2=125000 м, т.е. 125 километров, что приемлемо для перехвата целей на подступах к важным объектам инфраструктуры государства, размещаемым обычно не на самой границе.In this case, the acceleration path will be 100* 50 2 /2 = 125,000 m, i.e. 125 kilometers, which is acceptable for intercepting targets on the approaches to important state infrastructure facilities, usually located not on the border itself.
За это время цель, которая, в отличие от противоракеты, движется с постоянной скоростью, пройдет вдвое большее расстояние, т.е. 250 километров. Однако добавочные 125 километров входят в дальность действия радиолокатора 6 и могут простираться на чужую территорию.During this time, the target, which, unlike the anti-missile, moves at a constant speed, will travel twice as much distance, i.e. 250 kilometers. However, the additional 125 kilometers are included in the range of
Предлагаемый способ наведения особенно необходим для перехвата гиперзвукоых крылатых ракет, а также планирующих боевых блоков, точная радиолокация которых требует создания обширной разнесенной по территории наземной инфраструктуры, например в виде многопозиционной системы радиолокации. Или же потребует установки мощной боевой части, компенсирующей большой промах, обусловленный погрешностями однопозиционной радиолокации на больших дальностях. Оптические методы локации ограничены облачностью.The proposed method of guidance is especially necessary for intercepting hypersonic cruise missiles, as well as gliding warheads, the precise radar location of which requires the creation of an extensive ground infrastructure distributed over the territory, for example, in the form of a multi-position radar system. Or it will require the installation of a powerful warhead, compensating for the large miss caused by the errors of single-position radar at large distances. Optical location methods are limited by cloudiness.
Таким образом, предлагаемый способ наведения противоракет на сверхзвуковые цели не имеет ограничений поточности и дальности радиолокации, а также по метеоусловиям и может быть реализован с применением имеющихся однопозиционных радиолокаторов и наземных радиомаяков позиционирования, входящих в состав системы ПВО.Thus, the proposed method of guiding anti-missiles to supersonic targets has no limitations on the flow and range of radar, as well as on meteorological conditions, and can be implemented using existing single-position radars and ground-based positioning radio beacons that are part of the air defense system.
Claims (1)
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2022119212A RU2022119212A (en) | 2024-01-15 |
RU2825905C2 true RU2825905C2 (en) | 2024-09-02 |
Family
ID=
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2416103C2 (en) * | 2009-07-06 | 2011-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Корпорация | Method of determining trajectory and speed of object |
RU2464520C2 (en) * | 2010-12-14 | 2012-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Formation method of missile control at direction to group of manoeuvring targets |
RU2512128C2 (en) * | 2009-10-01 | 2014-04-10 | РЭЙТЕОН БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИС | Onboard system and method of shooter location |
RU2718183C1 (en) * | 2019-08-22 | 2020-03-31 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дельта" | Method of hitting hypersonic aircrafts |
RU2722909C1 (en) * | 2019-12-04 | 2020-06-04 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дельта" | Method of hitting supersonic air target with antiaircraft projectile with non-contact target sensor |
RU2726394C1 (en) * | 2017-03-03 | 2020-07-13 | Мбда Франс | Method and device for predicting optimal solutions of attack and defence in scenario of military conflict |
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2416103C2 (en) * | 2009-07-06 | 2011-04-10 | Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом"-Корпорация | Method of determining trajectory and speed of object |
RU2512128C2 (en) * | 2009-10-01 | 2014-04-10 | РЭЙТЕОН БиБиЭн ТЕКНОЛОДЖИС | Onboard system and method of shooter location |
RU2464520C2 (en) * | 2010-12-14 | 2012-10-20 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Балтийский государственный технический университет "ВОЕНМЕХ" им. Д.Ф. Устинова (БГТУ "ВОЕНМЕХ") | Formation method of missile control at direction to group of manoeuvring targets |
RU2726394C1 (en) * | 2017-03-03 | 2020-07-13 | Мбда Франс | Method and device for predicting optimal solutions of attack and defence in scenario of military conflict |
RU2718183C1 (en) * | 2019-08-22 | 2020-03-31 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дельта" | Method of hitting hypersonic aircrafts |
RU2722909C1 (en) * | 2019-12-04 | 2020-06-04 | Акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Дельта" | Method of hitting supersonic air target with antiaircraft projectile with non-contact target sensor |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11187507B2 (en) | Interception missile and warhead therefor | |
EP2802838B1 (en) | Anti-rocket system | |
US6481666B2 (en) | Method and system for guiding submunitions | |
US4641801A (en) | Terminally guided weapon delivery system | |
US8115148B1 (en) | Method for targeting a preferred object within a group of decoys | |
CN114502465B (en) | Determination of attitude by pulsed beacons and low cost inertial measurement units | |
KR102619438B1 (en) | Guided missile system for detecting off-axis targets | |
US6138944A (en) | Scatterider guidance system for a flying object based on maintenance of minimum distance between the designating laser beam and the longitudinal axis of the flying object | |
AU568300B2 (en) | Terminally guided weapon delivery system | |
HERMAN et al. | Subsystems for the extended range interceptor (ERINT-1) missile | |
RU2544446C1 (en) | Rolling cruise missile | |
RU2701671C1 (en) | Missile guidance method | |
US4530270A (en) | Method of directing a close attack missile to a target | |
RU2825905C2 (en) | Method of guiding anti-missile to supersonic target | |
US4560120A (en) | Spin stabilized impulsively controlled missile (SSICM) | |
RU2339905C2 (en) | Roll-stabilised air bomb with inertial-satellite guidance system | |
US5430449A (en) | Missile operable by either air or ground launching | |
JPH0457960B2 (en) | ||
Siouris | Tactical missile guidance laws | |
RU2148236C1 (en) | Method for missile guidance on target | |
Davies | Integrated target tracking and weapon guidance | |
Ahammed | A Critical Study on Missile and Missile Guidance | |
Siouris | Weapon Delivery Systems | |
Öström et al. | Simulations of Atmospheric Hypersonic Weapon Intercept | |
KULAS | The guidance and control of small munitions |