Vps obr th 3 4 2018 by yandex2346

теоретические основы, расчеты и проектирование

УДК: 623.555:531.55

Влияние разброса начальной скорости гранаты на вероятность попадания в цель THE INFLUENCE OF THE SPREAD OF THE INITIAL GRENADE SPEED ON THE PROBABILITY OF HITTING THE TARGET Канд. техн. наук В.В. Кореньков, канд. техн. наук С.И. Лежнин, д-р техн. наук В.В. Селиванов, В.В. Сурин PhD V.V. Korenkov, PhD S.I. Lezhin, DPhil V.V. Selivanov, V.V. Surin МГТУ им. Н.Э. Баумана Описана модель расчета внешней баллистики в полной трехмерной постановке в приближении динамики материальной точки с учетом влияния бокового ветра. Приведены ошибки, определяющие вероятность попадания в цель. Проведено математическое моделирование попадания гранаты в цель методом статистических испытаний при вариациях внешних условий стрельбы. Представлены оценки вероятности попадания гранаты в лобовую проекцию танка для разных режимов стрельбы из гранатометного комплекса. Показана принципиальная возможность реализации компенсации ветрового сноса неуправляемых средств ближнего боя с авторегулируемым двигателем. Теоретически обосновано существенное увеличение вероятности попадания гранат при использовании реактивного двигателя с системой авторегулирования тяговых характеристик в условиях повышения точности прицеливания и ориентирования оружия. Ключевые слова: разброс начальной скорости, авторегулирование тяги импульсного двигателя, внешняя баллистика, боковой ветровой снос, ошибки прицеливания и ориентирования оружия, техническое рассеивание, вероятность попадания. The model for external ballistics calculation in a full three-dimensional formulation in the material point dynamics approximation with allowance for side wind is described. Errors, determining the probability of hitting the target, are considered. Mathematical simulation of the grenade impact at a target is carried out by statistical tests with external conditions of firing variation. Estimations of tank frontal projection hit probability for different firing modes of grenade launcher are presented. The fundamental possibility of realization of wind drift compensation for unguided munitions with auto-regulated engine is shown. Significant increase of the grenade hit probability when using a jet engine with the thrust characteristics auto-regulation system in conditions of aiming accuracy and weapon orientation increasing is theoretically proved. Keywords: initial velocity spread, pulsed engine thrust autoregulation, external ballistics, side wind drift, errors of sighting and weapon orientation, technical dispersion, hit probability.

Для эффективного применения гранатометных комплексов в антитеррористических операциях в городах и густонаселенных районах необходимо обеспечить заданную точность попадания, которая во многом определяется постоянством

баллистических характеристик гранатометного выстрела. Нестабильность баллистических характеристик выстрелов средств ближнего боя (СББ) в первую очередь зависит от колебаний начальной скорости изделий, обусловленной темпера3

Вопросы оборонной техники турным разбросом тяговых характеристик [1, 2] импульсного реактивного двигателя на твердом топливе (ИРДТТ). В работе [3] показано, что снижение температурного градиента баллистических характеристик неуправляемых гранат для СББ во всех климатических условиях применения можно обеспечить введением в конструкцию ИРДТТ автоматически регулирующих критическое сечение устройств. Экспериментально подтверждено снижение температурного разброса давления в камере таких двигателей в 12 раз. Применение системы авторегулирования тяговых характеристик позволяет значительно повысить эксплуатационные и боевые свойства оружия для антитеррористических операций, прежде всего, кучность стрельбы из гранатомета. Кроме того, применение в гранатометном выстреле двигателя с авторегулируемыми характеристиками тяги позволяет реализовать компенсацию бокового ветрового сноса гранаты, стабилизируемой оперением: авторегулируемый двигатель, имеющий постоянную тягу во всем диапазоне температур применения, испытывает на полете постоянную осевую силу сопротивления, уравновешивая которую с помощью специального устройства, обеспечивающего постоянную малую тягу, можно компенсировать боковую силу [4], что позволяет в 2…2,5 раза снизить расход боеприпасов при стрельбе СББ на дальность до 1000 м по одиночным целям. Для количественной оценки влияния сокращения разброса начальной скорости гранат на повышение вероятности попадания в цель необ-

ходимо иметь физические и математические модели внешней баллистики и оценки вероятности, учитывающие этот фактор. Корректность расчета вероятности попадания гранат в цель определяется возможностью и качеством учета стохастических факторов, способных оказать влияние на положение гранаты относительно цели на траектории — главным образом ветра на дистанции ее полета к цели. Величины пульсаций скорости ветра в потоке могут достигать 100% номинала ее средней скорости, причем интенсивность пульсаций максимальна вблизи поверхности земли. Для учета влияния этого фактора расчет внешней баллистики гранат проводится в полной трехмерной постановке в приближении динамики материальной точки, но с учетом вектора сил, связанного с адаптацией (стабилизацией) гранаты в потоке. В качестве основного допущения принято, что граната после выхода из транспортного пускового контейнера (ТПК) «мгновенно» ориентируется по потоку вдоль суммарного вектора Vs от сложения скорости набегающего потока (начальная скорость гранаты V0) и вектора скорости ветра Vv. Допущение обосновано тем, что на практике устойчивая в полете граната приобретает такое положение на дистанции движения 3…5 метров после выхода из ТПК, что составляет менее 1/100 дистанции ее последующего движения к цели. На рис. 1 представлена физическая картина движения гранаты на траектории. Граната вовлекается в движение в стартовой системе координат в направлении ветра под дей-

Рис. 1. Схема движения гранаты в условиях действия бокового ветра (вид в плоскости действия ветра)

теоретические основы, расчеты и проектирование ствием проекции силы сопротивления на соответствующую ось стартовой системы координат. В пределе после приобретения гранатой скорости, равной скорости ветра вдоль его направления, движение гранаты происходит по касательной к траектории без «видимого» различия между ориентацией гранаты в стартовой системе координат и касательной к ее траектории. Для учета этих особенностей трехмерные уравнения движения материальной точки дополняются кинематическими соотношениями, характерными для расчета движения твердого тела. Система уравнений, описывающая такое движение в общем случае (с работающим на траектории двигателем), имеет вид dVx/dt = (P(t) – F(Vs, ρ(y), y)(Vx + Vvx)/(Vs·m); dVy/dt = (P(t) – F(Vs, ρ(y), y)(Vy + Vvy)/( Vs·m); dVz/dt = (P(t) – F(Vs, ρ(y), y)(Vz + Vvz)/ (Vs·m); dx/dt = Vx, dy/dt = Vy, dz/dt = Vz,

(1)

где P(t) — сила тяги, переменная во времени; F (Vs ,ρ( y ), y ) — сила сопротивления воздуха; F(Vs, ρ(y), y) = 0,5Cx(M)ρ(y)Vs2; ρ(y) = ρ0(T0)(1 – 2,26·10–5y)4,247 — плотность воздуха в зависимости от высоты над уровнем моря; Сx(M) — закон изменения коэффициента лобового сопротивления гранаты; M = Vs/C(y) — число Маха; C(y) = 20,058·(288,15 – 0,0065y)0,5 — скорость звука в воздухе на текущей высоте над уровнем моря; t — время; m — масса гранаты; x, y, z — дальность, высота и боковое смещение; Vx, Vy, Vz — компоненты вектора скорости гранаты в стартовой системе координат; Vvx, Vvy, Vvz — компоненты вектора скорости ветра в стартовой системе координат, а Vs = [(Vvx – Vx)2 + (Vvy – Vy)2 + (Vvz – Vz)2]0,5. Начальные условия: при t = 0

(2)

Vx = V0·сos ( λ 0 ), Vy = V0·sin( λ 0 ), Vz = 0, x = y = z = 0, где λ 0 — угол бросания гранаты. Система уравнений с учетом начальных условий решается методом Рунге-Кутта. Работа гранатометного комплекса включает несколько возможных режимов — с применением прибора управления огнем (ПУО) и автономного, без ПУО, на основе глазомерной оценки ситуации. В обоих случаях ориентирование оружия на цель производится оператором вручную. На рис. 2 представлена расчетная схема оценки вероятности попадания гранаты в лобовую проекцию танка (мишень № 12). Оценка вероятности попадания проводится методом статистических испытаний. Методы математического эксперимента позволяют более глубоко по сравнению с аналитическими методами изучать рассеивание, однако модель стрельбы исследуется с априорными законами распределения первичных ошибок. Так как число факторов, определяющих составляющие ошибок, велико и среди них отсутствуют превалирующие, закон распределения отклонений считается нормальным [5]. В расчетах учитываются следующие группы ошибок: – ошибки прицеливания (зависят от режима применения комплекса); – ошибка ориентирования оружия на цель (ручное или с закреплением на пусковой установке); – ошибка от технического рассеивания гранат на траектории; – ошибки, вносимые неопределенностью ветрового сноса (зависят от боковой составляющей скорости ветра, скорости гранаты и дистанции до цели); – ошибки прогноза движения цели (характерны при применении неуправляемого оружия и связаны с неопределенностью перемещения цели в период движения гранаты). Рассмотрим каждую из них. 1. Ошибки прицеливания. Данная группа ошибок зависит от режима применения гранатометного комплекса. При применении ПУО должны выполняться два условия: – ошибка измерения дальности лазерным дальномером не более 10 м, что с учетом моделирования баллистики в данном диапазоне раз5

Вопросы оборонной техники

Рис. 2. Схема формирования ошибок, определяющих вероятность попадания в цель гранат

броса дистанций падения гранаты на дальности 1000 м эквивалентно разбросу по высоте в плоскости цели со срединной ошибкой Еp = 0,75 т.д.; – предельное отклонение средней точки попадания от точки прицеливания по высоте и боку при стрельбе на дальность прямого выстрела (ДПВ) — не более ± 0,25% дальности, что эквивалентно срединной ошибке Еpв = Еpб = 0,675 т.д. При глазомерном прицеливании результирующая срединная ошибка прицеливания может составлять Еp = (0,5…10) т.д. в зависимости от условий боевой работы [6, 7]. 2. Ошибка ориентирования оружия на цель. При ручном ориентировании срединная ошибка может достигать значений Еов = Еод = (2…10) т.д. и более [6, 7]. При ориентировании оружия, закрепленного на пусковой установке, средняя погрешность ориентирования может находиться на уровне 3’, т.е. Еов = 0,87 т.д. и менее [6, 8]. 3. Ошибка от технического рассеивания гранат на траектории. Известно, что кучность боя и вероятность попадания гранаты в цель обратны величине срединного вероятного отклонения (Вб, Вв). Перспективные гранатометно-огнеметные средства должны обеспечивать кучность боя при стрельбе по щиту на ДПВ по высоте и боку Вв ≤ 0,5 м; Вб ≤ 0,5 м, что эквивалентно, по данным проведенного баллистического моделирования отклонений, наличию срединной ошибки Ев = Еб = 2,3 т.д. Равенство Вв и Вб означает, что их значения получены в условиях стрельбы с одинаковой или мало отличающейся начальной скоростью гранаты, что реализуется при отстреле партии гранат при одной температуре заряда. Значимый разброс начальных скоростей гранаты ± (4…7)% 6

возникает за счет влияния изменения температуры заряда. При этом существенно возрастает значение Вв, причем его изменение с расстоянием существенно нелинейно и зависит от баллистических свойств гранаты. Значение Вв в первом приближении можно оценить как (3) = Bв Вв ( ДПВ ) + ∆Yh ( X , dV ) , где ∆Yh ( X , dV ) — изменение координаты точки попадания по отношению к координате точки прицеливания Yh на лобовой проекции цели. Зависимость ∆Yh ( X , dV ) от дальности X и относительного изменения начальной скорости dV может быть получена по результатам вычислительных экспериментов в расчетах внешней баллистики конкретной гранаты. При этом величина срединной ошибки от отклонения начальной скорости определяется выражением

Eвв = ∆Yh( X , dV ) / 4 X .

(4)

4. Ошибки, вносимые неопределенностью ве трового относа. Данные ошибки выделены в отдельную составляющую, так как их влияние растет пропорционально квадрату дистанции до цели. За основу оценки Еv принята 1/4 значения максимального сноса гранаты на траектории при достижении заданной дальности. Величина Еv зависит от боковой составляющей скорости ветра, скорости гранаты и дистанции до цели. Зависимость Еv от указанных параметров получена на основе аппроксимации результатов численного моделирования баллистики гранат в условия воздействия бокового ветра различной интенсивности от 0 до 10 м/с.

теоретические основы, расчеты и проектирование Вероятное отклонение, связанное с неопределенностью ветровой обстановки в зоне движения гранаты, получено в данной работе из аппроксимации результатов численного моделирования движения гранаты в калибре 105 мм с начальной скоростью 140 м/с с учетом бокового ветра в диапазоне 0…10 м/с: Еv = 0,44·10-7· νe ·x2, 3 4,

(5)

где x — дальность [м]; ve — скорость бокового ветра [м/с]. 5. Ошибки прогноза движения цели. Данный вид ошибок характерен при применении неуправляемого оружия и связан с неопределенностью перемещения цели в период движения гранаты от момента выстрела до достижения прогнозной дальности до цели. В общем случае за время полета гранаты, достигающего десятков секунд, цель может совершить любые маневры, вплоть до разворота в обратном направлении. В расчетной модели принято, что цель может произвольно равновероятно двигаться в угле ± 15° от прогнозного направления вектора скорости цели в момент выстрела. При этом скорость цели может равновероятно изменяться от 0 до 10 м/с. Спецификой стрельбы из СББ является возникновение достаточно больших углов встречи гранаты с целью. Так, даже при стрельбе на дальность прямого выстрела типичный угол встречи − 2...− 2,5°, что увеличивает эффективную площадь цели (за счет проекции глубины цели типа «танк» на картинную плоскость) на

~ 8…10%. На дальностях 600 м угол встречи может составлять − 11...− 12°, а прирост эффективной площади цели ~ 50%, что учтено в методике расчета вероятности попадания гранаты в цель. На рис. 3 приведена расчетная схема, построенная по стандартной мишени № 12а (боковая проекция танка) для оценки изменения прироста эффективной площади проекции танка в зависимости от угла встречи с гранатой СББ при стрельбе со стороны лобовой проекции танка. Изменение относительной эффективной площади цели от модуля угла подхода гранаты λk хорошо описывается выражением S/S0 = cos(λk) + 2,6 cos(π/2 − λk),

(6)

где S0 — площадь лобовой проекции танка (мишень № 12). Программа для расчета вероятности попадания в цель с учетом сделанных допущений и учетом указанных ошибок реализована в системе Mathcad. Оценка влияния разброса начальной скорости гранат на вероятность попадания W в цель проведена для противотанковой гранаты (ПГ) калибром 105 мм, с полетной массой 6 кг и коэффициентом лобового сопротивления Сх = 0,38. ДПВ при начальной скорости метания V0 = 140 м/с и угле бросания λ = 2,59° составляет 173,6 м. Время полета на ДПВ tk = 1,278 c, при этом угол подхода к цели λk = −2,69°, а боковой снос при ветре 5 м/с составляет величину ΔZ = 0,192 м. На рис. 4 приведены зависимости от дальности стрельбы для времени полета на заданную даль-

Рис. 3. Расчетная схема учета изменения эффективной площади цели от угла встречи с гранатой

Вопросы оборонной техники

Рис. 4. Баллистические характеристики стрельбы ПГ-105

Рис. 5. Изменение высоты точки попадания относительно точки прицеливания при вариациях начальной скорости гранаты ПГ-105

Рис. 6. Изменение Евв от дальности для разных относительных отклонений начальной скорости dV (указаны в % цифрами у кривых)

ность tk, бокового сноса при боковом ветре 5 м/с, равного ΔZ, и модуля угла подхода гранаты к цели λk. При вариациях начальной скорости гранаты, возможных в условиях отсутствия компенсации влияния разброса температуры окружающей среды, траектория гранаты изменяется. На рис. 5 показаны изменения ΔYh — координаты точки попадания по отношению к координате точки прицеливания Yh на лобовой проекции цели — на заданных дальностях (указаны цифрами у кривых) в зависимости от величины относительного отклонения начальной скорости от базового значения V0. Значения ΔYh приведены в единицах дальности стрельбы. Изменение Евв, определяемое изменением ΔYh с расстоянием до цели, приведено на рис. 6. Значения Евв в единицах тысячных дальности (т.д.) от дальности X и относительного изменения начальной скорости dV хорошо аппроксимируется выражением

Евв(X, dV) = 250·(C1(X)·dV2 + C2(X)·dV),

(7)

где C1(X) = (– 3,15·10-3·X 2 – 7,1X)·10–8; C2(X) = = (1,854·10-3·X 2 + 4,88X)·10–6. Пунктирная линия соответствует срединной ошибке Ев = Еб = 2,3 т.д., определяемой разбросом технических параметров гранаты (массы пороха и гранаты, коэффициента сопротивления и т.п.), контролируемых на ДПВ. Видно, что при всех значениях относительного изменения начальной скорости dV вклад Евв в рассеивание сравним или превышает значения Ев. На рис. 7−9 приведены изменения вероятности попадания в танк при его лобовом обстреле гранатами ПГ-105 с вариациями работы двигателя, дающими разброс начальной скорости до ± 7%, характерный для подавляющего боль-

теоретические основы, расчеты и проектирование

Рис. 7. Вероятность попадания в танк при фронтальной стрельбе (для стандартных условий стрельбы из ручного гранатомета по неподвижной цели в безветренную погоду) при глазомерном прицеливании (слева) и прицеливании с ПУО (справа)

Рис. 8. Вероятность попадания в танк при фронтальной стрельбе (для стандартных условий стрельбы из ручного гранатомета по подвижной цели и боковом ветре) при глазомерном прицеливании (слева) и прицеливании с ПУО (справа)

Рис. 9. Вероятность попадания в танк при фронтальной стрельбе (прицеливание с применением ПУО и наилучшим ручным ориентированием оружия при стандартных условиях стрельбы из ручного гранатомета по неподвижной цели в безветренную погоду)

Вопросы оборонной техники шинства ИРДТТ РПГ со вкладными и особенно щеточными зарядами и вариациями внешних условий стрельбы (скорости бокового ветра и подвижности танка). На всех рисунках верхняя кривая соответствует «идеальной» гранате с нулевым техническим рассеиванием (Ев = Еб = 0 т.д.) и нулевым разбросом скорости (dV = 0). Нижняя линия описывает зависимость для гранаты с реальным техническим рассеиванием Ев = Еб = 2,3 т.д. и максимальным разбросом начальной скорости dV = 7%. Средние линии соответствуют зависимостям изменения вероятности попадания в танк при срединной ошибке по высоте и по боку Ев = Еб = 2,3 т.д. (эквивалентной кучности боя при стрельбе по щиту на ДПВ по высоте и боку Вв ≤ 0,5 м, Вб ≤ 0,5 м, характерной для большинства РПГ) для разных значений dV, от 0 до 4% (отмечены цифрами у кривых). Расчеты на рис. 7−8 проведены для стрельбы при среднем уровне ручного ориентирования оружия, обеспечивающего срединную ошибку ориентирования Ео = 5 т.д. Расчеты на рис. 7 соответствуют наилучшему ручному ориентированию оружия Ео = 2 т.д. Данные на рис. 7 (слева) и рис. 8 (слева) соответствуют среднему уровню ручного прицеливания, при котором срединная ошибка Ер = 5 т.д. (Ерв = Ерд = 5 т.д.). При этом результаты на рис. 8 (слева) соответствуют условиям стрельбы по произвольно равновероятно движущейся со скоростью Vц =10 м/с в угле ± 15° (от прогнозного направления вектора скорости цели в момент выстрела) цели при боковом ветре Vv = 5 м/с. Данные на рис. 7 (справа) и рис. 8 (справа) соответствуют уровню ручного прицеливания с применением ПУО, при котором Ер = 0,675 т.д. (Ерв = Ерд = 0,675 т.д.). При этом результаты на рис. 8 (справа) соответствуют условиям стрельбы по движущейся цели (10 м/с) при боковом ветре 5 м/с. Условия стрельбы, учтенные в расчетах, отраженных на рис. 9, соответствуют условиям, аналогичным для рис. 7 (справа), но для наилучшего ручного ориентирования оружия, обеспечивающего Ео = 2 т.д. В условиях сильного влияния ошибок прицеливания и ориентирования оружия (рис. 7 и рис. 8 слева) влияние возможного разброса начальных скоростей гранаты на вероятность попадания невелико. Разница между «идеальной» гранатой и 10

наихудшей не превышает 2-х раз на низком уровне вероятностей попадания 0,1…0,2, реализуемом на дальностях более 500 м. Абсолютные значения вариаций вероятности попадания незначительно возрастают от 0,03 до 0,07 при изменении дальности стрельбы от 200 до 600 м. В условиях уменьшения части ошибок прицеливания при использовании ПУО (рис. 7 и 8 справа) и наилучшего ориентирования гранатомета на цель (рис. 9) влияние возможного разброса начальных скоростей гранаты на вероятность попадания резко увеличивается. Значительный прирост вероятности попадания наблюдается уже начиная с ДПВ. Разница между «идеальной» гранатой и наихудшей возрастает до 4…5 раз на высоком уровне вероятностей попадания 0,4…0,3, реализуемом на дальностях более 400 м. Абсолютные значения вариаций вероятности попадания возрастают в 2…3 раза, от 0,1 до 0,15 (рис. 7, справа), и даже в 4 раза, от 0,12 до 0,3 (рис. 9) при изменении дальности стрельбы от 200 до 600 м. Таким образом, снижение разброса начальных скоростей гранаты за счет авторегулирования тяговых характеристик импульсного РДТТ в условиях повышения точности прицеливания и ориентирования оружия (в перспективе — применяя гранатометы с роботизированных платформ) позволяет увеличить вероятность попадания в цель на дистанциях более 400 м более чем в 2 раза, а также создает предпосылки для практической реализации компенсации ветрового сноса неуправляемых СББ, который является основным фактором ограничения роста их эффективности при увеличении дальности применения [4]. Литература 1. Соколовский М.И., Петренко В.И., Зы ков Г.А., Лянгузов С.В., Тодощенко А.И., По пов В.Л., Потапов Б.Ф, Севастьянов В.В., Ярушин С.Г. Управляемые энергетические установки на твёрдом ракетном топливе. — М.: Машиностроение. 2003. 464 с. 2. Шапиро Я.М., Мазинг Г.Ю., Прудников Н.Е. Теория ракетного двигателя на твёрдом топливе. — М.: Военное издательство Министерства Обороны СССР. 1966. 256 с. 3. Кореньков В.В., Лежнин С.И., Светого ров Н.В., Селиванов В.В., Сергиенко С.В. Моде

теоретические основы, расчеты и проектирование лирование процесса диссипации кинетической энергии регулятора расхода импульсного реактивного твердотопливного двигателя // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. «Машиностроение». 2015. № 4. С. 61−73. 4. Кореньков В.В., Селиванов В.В. О направлениях модернизации одноразовых ручных противотанковых гранатаметов // Известия РАРАН. 2018. № 1 (101). С. 110–117. 5. Боеприпасы, учебник в 2-х томах / под общ ред. В.В. Селиванова / Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. 6. Высокоточный автоматизированный прицельный комплекс индивидуального стрелкового оружия / Р.И. Банкгальтер и др. // Вопросы оборонной техники. Сер. 4. 2005. № 1 (169). С. 7−18. 7. Шерешевский М.С., Гонтарев А.Н., Ми наев Ю.В. Эффективность стрельбы из автоматического оружия. — М.: ЦНИИ информ. 1979. 328 с. 8. Лебединец А.Н. Организация, вооружение и боевые возможности мотострелковых подразделений малого масштаба: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2012. 108 с. References 1. Sokolovskij M.I., Petrenko V.I., Zykov G.A., Lyanguzov S.V., Todoshchenko A.I., Popov V.L., Potapov B.F, Sevastyanov V.V., Yarushin S.G. Gui

ded power systems with solid rocket fuel. — M.: Mashinostroenie. 2003. 464 p. 2. Shapiro Y.M., Mazing G.Y., Prudnikov N.E. Theory of the rocket engine with solid fuel. — M.: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. 1966. 256 p. 3. Koren’kov V.V., Lezhnin S.I., Svetogorov N.V., Selivanov V.V., Sergienko S.V. Simulation of the process of kinetic energy dissipation of the flow regulator of the pulsed jet solid-fuel engine // Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Ser. «Mashinostroenie». 2015. № 4. P. 61−73. 4. Korenkov V.V., Lezhnin S.I., Selivanov V.V., Surin V.V. Compensation for wind drift of unguided munitions-the main factor in increasing the effectiveness of weapons with increasing application range) // Izves tiya RARAN, v pechati. 2018. № 1 (101). Р. 110–117. 5. Ammunition: manual in 2 vol. / pod obshch red. V.V. Selivanova / Izd-vo MGTU im. N.E. Bau mana. 2016. 6. High-precision automated sighting complex of individual small arms / R.I. Bankgalter et al // Voprosy oboronnoj tekhnik. 2005. Ser. 4. № 1 (169). P. 7−18. 7. Shereshevskij M.S., Gontarev A.N., Mina ev Y.V. The effectiveness of automatic weapons shooting. — M.: CNII inform. 1979. 328 p. 8. Lebedinec A.N. Organization, armament and combat capabilities of small-scale motorized infantry units: educational manual. — M.: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana. 2012. 108 p.

Вопросы оборонной техники

УДК: 623.455.123

О математическом моделировании трехмерной траектории движения пули, изменяющейся в заданном направлении About mathematical modeling of the three-dimensional trajectory bullet’s motion, changing in a given direction Д-р техн. наук, канд. экон. наук С.А. Писарев, канд. техн. наук Д.В. Чирков, И.В. Токарев DPhil, PhD S.A. Pisarev, PhD D.V. Chirckov, I.V. Tokarev Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова Разработана обобщенная математическая модель движения асимметричного неуправляемого вращающегося тела (пули) в воздухе в трехмерном пространстве с силами сопротивления заданными в виде аппроксимирующих функции. Описана математическая схема движения пули на траектории и составлена аэродинамическая расчетная модель для определения сил, действующих на тело, из программного продукта ANSYS CFX. Проведена верификация теоретической силы лобового сопротивления, полученными из ANSYS CFX с таблицами стрельб, определены отклонения от практических значений. Выполнен расчет внешней баллистики для пули 7Н6 в соответствии с разработанной математической моделью при определенных начальных условиях расположения пули в канале ствола и проанализированы относительные ошибки основных параметров траектории. Определены направления дальнейших исследований и основные результаты работы. Ключевые слова: кучность стрельбы, пуля, траектория, математическая модель, сила сопротивления. A generalized motion’s mathematical model of an asymmetric uncontrolled rotating body (bullet) in air in three-dimensional space with resistance forces given in the form of approximating functions is developed. A mathematical scheme for the bullet’s motion on a trajectory is described and an aerodynamic design model for determining the forces acting on the body from the software product ANSYS CFX is compiled. Verification of the theoretical drag force, obtained from the ANSYS CFX with the firing tables was carried out, determined deviations from practical values. The external ballistics for the 7H6 bullet was calculated in accordance with the developed mathematical model under certain initial conditions for the bullet’s location in the barrel and the relative errors of the main trajectory parameters were analyzed. Directions of further research and the main results of the work are determined. Keywords: accuracy of fire, bullet, trajectory, mathematical model, resistance force.

Работа [1] описывает математическую модель движения симметричной гироскопически устойчивой пули в воздухе с силами сопротивления, заданными в виде аппроксимирующих функции. В этой работе показана сходимость расчетных величин штатной пули патрона 7Н6 с таблицами стрельб, что подтверждает возможность использования аэродинамических сил из программного комплекса ANSYS CFX для 3D моделей пуль. Основным выводом ра12

боты являлось то, что необходимо разработать более развернутую систему дифференциальных уравнении описывающих движение пуль с более широким диапазоном изменения их конструктивных параметров. Поэтому целью настоящей статьи является разработка и обобщение математической модели движения асимметричной вращающейся пули в воздухе в трехмерном пространстве с более широким диапазоном начальных условий выстрела.

теоретические основы, расчеты и проектирование Разработка математической модели с возможностью оценки траектории движения пуль с различными внешнебаллистическими параметрами позволит теоретически обосновать возможность применения нового способа повышения кучности автоматической стрельбы короткими очередями, когда первая пуля в очереди является штатной, а две другие имеют конструктивные особенности, позволяющие изменять траекторию движения пули в заданном направлении. Новый способ позволяет без конструктивных изменений оружия повысить его боевую эффективность. Актуальность применения нового способа обоснована в работе [2], на данный способ получен патент на изобретение, не имеющий аналогов в мире [3], но задача не решена на сегодняшний день и представляет собой интерес для исследования. Существует большое количество математических моделей движения тела в воздухе, которые существенно отличаются друг от друга, в зависимости от используемых систем координат и системы сил и моментов, учитываемых в модели [4, 5, 6, 7]. Особое место в математической модели занимают допущения, которые определяют область применения модели и условия работы физической модели. В общем случае составление уравнений движения тела включает три направления [8]: 1. Составление уравнений движения центра масс тела. 2. Составление уравнений движения тела относительно центра масс. 3. Составление кинематических или других соотношений, обеспечивающих равенство переменных величин с количеством уравнений движения. Определим допущения разрабатываемой математической модели, которые позволят упростить часть дифференциальных уравнений и определить область применения данной модели: 1. Движение пули происходит на плоской невращающейся земле. 2. Ускорение силы тяжести постоянно на всей траектории и равно 9,8065 м/с2. 3. Масса пули постоянна в процессе движения. 4. Пуля гироскопически устойчива на всей траектории движения. 5. Метеорологические условия нормальные и боковой ветер отсутствует.

Основным уравнением поступательного движения системы постоянной массы является следующее выражение q

dV =R+g, dt

где q — масса тела, d V / dt — ускорение вектора скорости тела, R — вектор внешней силы, действующий на тело, g — вектор силы тяжести снаряда. Для вращательного движения системы постоянной массы dL + ω× L = M , dt где d L / dt — изменение вектора момента количества движения, ω — вектор скорости вращения подвижной системы координат относительно центра, L — вектор момента количества движения, M — вектор внешнего момента сил, действующего на систему. Таким образом, на основе данных допущений базовых уравнений составим систему дифференциальных уравнений, описывающих движение асимметричной пули по настильной траектории. При изучении движения тела примем три системы координат: 1. Земная система координат xyz , в которой ось x направлена по горизонту в плоскости стрельбы, ось y — вертикально вверх, ось z — вправо, так чтобы система координат xyz являлась правокоординатной. 2. Связанная система координат x1 y1 z1 , в которой ось x1 направлена по продольной ось снаряда от центра массы к головной части, ось y1 лежит в вертикальной плоскости симметрии, ось z1 перпендикулярна плоскости x1 y1 и направлена так чтобы система координат x1 y1 z1 являлась правокоординатной. 3. Скоростная система координат x y z , в которой ось x направлена по вектору скорости центра массы тела, ось y лежит в вертикальной плоскости симметрии снаряда, а ось z перпендикулярно x y , так чтобы система координат x y z являлась правокоординатной. Положение тела в связанной системе координат x1 y1 z1 относительно земной неподвижной 13

Вопросы оборонной техники

Рис. 1. а — ориентация связанной системы координат относительно земной; б — ориентация связанной системы координат относительно скоростной; в — ориентация скоростной системы координат относительно земной

системы xyz определяется шестью координатами: тремя координатами центра масс x, y, z и тремя углами: η, ϑ, γ (рис. 1, а). Угол, лежащий в плоскости между продольной осью снаряда и ее проекцией на горизонтальную плоскость — угол тангажа ϑ . Угол между проекцией продольной оси снаряда на горизонтальную плоскость и земной координатой x — угол рысканья η . Поворот снаряда относительно продольной оси — угол крена γ . Косинусы углов между осями земной и связанной системами координат:

x1 y1 z1 x1 y1 z1 x1 y1 z1

x cos η cos ϑ

cos η sin γ − cos η sin ϑ cos γ sin η cos γ + cos η cos ϑ sin γ y sin ϑ cos γ cos ϑ

− sin η cos ϑ z − sin η cos ϑ cos η sin γ + sin η cos ϑ cos γ cos η cos γ + sin η sin ϑ sin γ

Положение связанной системы x1 y1 z1 относительно скоростной системы координат x y z определяется углами δ y и δ z (рис. 1, б). Косинусы углов между осями связанной и скоростной системы координат: 14

cos δ z cos δ y

sin δ z

z − cos δ z sin δ y

− cos δ y sin δ z

cos δ z

sin δ z sin δ y

sin δ y

cos δ y

Положение скоростной системы координат x y z относительно земной неподвижной системы xyz определяется углами ψ и θ (рис. 1, в). Косинусы углов между осями скоростной и земной системы координат:

x y z

x cos ψ cos θ sin θ − sin ψ cos θ

y − cos ψ sin θ cos θ sin ψ sin θ

z sin ψ 0

cos ψ

Положение вектора скорости V в земной системе координат определяется двумя углами: углом θ — углом наклона касательной к горизонту и углом ψ — углом курса. Угловая скорость снаряда ω в связанной системе координат x1 y1 z1 равна ω = η + ϑ + γ . Проецируем векторное равенство на оси x1 , y1 , z1 ω x1 = η sinϑ + γ ,  sinγ , ω y1 = η cosϑcosγ + ϑ  cosγ . ω y1 = η cosϑsinγ + ϑ

Поскольку переход от скоростной системы координат системы x y z к связанной проходит

теоретические основы, расчеты и проектирование путем двух последовательных вращений: на угол δ y вокруг оси y и на угол δ z вокруг оси z1 , то обозначим через Ω угловую скорость скоростной системы x y z относительно земной системы координат xyz , тогда ω = Ω + δ y + δ z .

Проецируем на скоростные оси, пользуясь направляющими косинусами: Ω x = ωx1 cosδ z cosδ y − ω y1 sinδ z cosδ y + + ω z1 sinδ y − δ z sinδ y ; Ω y = ω x1 sinδ z + ω y1 cosδ z − δ y , + ωz1 cosδ y − δ z cosδ y .

Проецируем ускорение d V / dt на скоростные оси, используя формулу кинематики для связи между абсолютной и локальной производными вектора V : ~ d V dV = + (Ω × V ) dt dt d V / dt V

0 0

Следовательно,  dV  = dV ,  dV  = VΩ ,  dV  = VΩ .      z  y  dt  x dt  dt  y  dt  z

dx dx dx = Vcosψсosθ, = Vsin θ, = −Vsin ψсosθ. dt dt dt На вращающуюся пулю во время движения в воздухе действуют силы и моменты, созданные частицами воздуха, и сила тяжести, направленная вертикально вниз в земной системе координат. Спроецировав силу тяжести g на скоростную систему координат, получим g x = − g sin θ, g y = − g cos θ.

Ω z = −ω x1 cosδ z sinδ y + ω y1 sinδ z sinδ y +

x dV / dt V

Проекции скорости центра масс снаряда на земные оси при отсутствии бокового ветра имеют вид

Силы и моменты, создаваемые со стороны воздуха на тело, включают в себя: – силу сопротивления воздуха, приложенную к центру сопротивления (центру давления), расположенному впереди центра масс пули; – опрокидывающий момент, создаваемый силой сопротивления воздуха; – тушащий момент, пропорциональный угловой скорости колебания оси пули и скорости поступательного движения пули; – сила Магнуса, возникающая, если воздушный поток направлен перпендикулярно продольной оси пули; – момент поверхностного трения, стремящийся уменьшить угловую скорость вращения пули относительно продольной оси. Силой Магнуса пренебрегаем, так как боковой ветер отсутствует. Тушащий момент мал по отношению к другим силам и моментам и носит динамический характер, вычислить его в данных

Рис. 2. а — схема расположения скоростной системы в потоке при δ y , δ z = 0 ; б — общая схема математической модели движения пули в воздухе

Вопросы оборонной техники условиях сложно, так как аэродинамическая задача решается в статической трактовке, поэтому исключим этот момент из расчета. Остальные силы и моменты входят в расчетную аэродинамическую модель, построенную в программном комплексе ANSYS CFX. В зависимости от расположения пули в потоке воздуха найдены силы и моменты, действующие на центр массы пули. Расчетная модель изображена на рис. 2, а и 2, б. Для согласования полученных данных из CFX с таблицами стрельб проведем верификацию по силе лобового сопротивления, изменяя давление среды со стандартных 1 атм до необходимой. Для пули 7Н6 были использованы данные из таблиц стрельбы по наземным целям из стрелкового оружия калибра 5,45 мм, представленные в табл. 1. Из табл. 1 с помощью метода наименьших квадратов [9] аналитически зададим функцию изменения скорости от времени Vэксп (t ) = exp(6 ,802 − 1,002 ⋅ t + 0 ,192 ⋅ t 2 ) , из которой выразим функцию изменения силы сопротивления в зависимости от времени

Fэксп (t ) = 3,4 ⋅ 10−3 ⋅ (− 1,002 + 0 ,384 ⋅ t ) × × exp(6 ,802 − 1,002 ⋅ t + 0 ,192 ⋅ t 2 ).

Определим функцию изменения силы сопротивления от скорости набегающего потока, обособляя в функции переменную t и подставляя её Fэксп = 13,57 ⋅ 10−5 ⋅ − 2631+ 479 ⋅ 106 ⋅ ln (V ) . Исходя из приведенных табличных экспериментальных данных, закон изменения лобового сопротивления движению пули будет иметь вид c x эксп =

2 ⋅ 13,57 ⋅ 10−5 − 2631+ 479 ⋅ 106 ⋅ ln (V ) . ρ ⋅ V 2 ⋅ 2 ,51⋅ 10−5

Сравнение расчетных и экспериментальных сил сопротивления движению для различных скоростей обыкновенной пули патрона 5,45 мм 7Н6 при давлении окружающей среды в 0,82 атм приведены в табл. 2. Таблица 1

Основная таблица для автоматов Калашникова АК74М № п/п

Дальность, м

Полное время полета пули, с

Окончательная скорость пули, м/с

100

0,12

801

200

0,25

709

300

0,39

623

400

0,57

543

500

0,77

467

600

1,01

397

Сравнение экспериментальных данных сил сопротивления с расчетными

Таблица 2

№ п/п

Скорость набегающего потока V, м/с

Сила лобового сопротивления, определенная по таблицам стрельбы, Fэксп, H

Расчетная сила лобового сопротивления, Fрасч, H

Отклонение, δ

801

2,60

2,56

0,04

709

2,18

2,2

– 0,02

623

1,80

1,86

– 0,06

543

1,45

1,54

– 0,09

467

1,12

1,22

– 0,1

397

0,83

0,89

– 0,06

теоретические основы, расчеты и проектирование После проведения верификации рассчитываем значение силы сопротивления, спроецированное на скоростную систему координат, и значение момента, спроецированное на связанную систему координат, при различных скоростях потока и углах наклона оси пули δ y , δ z . Расчетные точки значений сил и моментов аппроксимируем в полиномы 7 степени с 3 переменными δ y , δ z , V с помощью метода наименьших квадратов. Важно отметить, что расчетные точки должны полностью закрывать область значении переменных и перекрывать их для более точной аппроксимации. Расчеты проведем для штатной пули 7Н6 на дистанцию 100 метров для уменьшения времени расчета. Таким образом, имея выражения для проекции сил и моментов, действующих на снаряд в полете, принимая во внимание формулы для проекции ускорения, кинематических моментов и их производных, можно записать уравнения поступательного движения центра массы снаряда в проекциях на скоростную систему координат и уравнения вращательного движения около центра массы в проекциях на скоростную систему координат и уравнения вращательного движения около центра массы в проекции на связанные оси. Соответственно, они имеют вид dV q = Rx − qgsin θ, dt qVΩ z = R y − qgcosθ, − qVΩ y = Rz , I x1 I y1 I z1

dω x1 dt dω y1 dt dω z1 dt

+ (I z1 − I y1 )ω z1 ω y1 = M x1 , + (I x1 − I z1 )ω x1 ω z1 = M y1 , + (I y1 − I x1 )ω x1 ω y1 = M z1 .

Полученная система дифференциальных урав нений, дополненная кинематическими соотношениями, является общей системой, определяющей движение неуправляемого тела в воздухе. В боль шинстве случаев при исследовании устойчивости движения и рассеивания пуль линеаризируют данную систему уравнений. При малых углах δ y , δ z направляющие косинусы упрощаются sinδ y = δ y , sinδ z = δ z , cosδ y = 1, cosδ z = 1 .

Тогда Ω x = ω x1 − ω y1 δ z + ω z1 δ y − δ z δ y , Ω y = ω x1 δ z + ω y1 − δ y , Ω z = −ω x1 δ y + ω z1 − δ z . Для удобства примем следующие обозначения I x1 = A, I y1 = B , I z1 = C . Тогда уравнения движения центра масс тела и уравнения движения тела относительно центра масс перепишутся в следующем виде dV = Rx − qgsin θ, dt qV (− ω x1 δ y + ω z1 − δ z ) = R y − qgcosθ, q

− qV (ω x1 δ z + ω y1 − δ y ) = Rz ,

A B C

dω x1 dt dω y1 dt dω z1 dt

+ (C − B )ω z1 ω y1 = M x1 , + ( A − C )ω x1 ω z1 = M y1 , + ( B − A)ω x1 ω y1 = M z1 .

Преобразуем систему дифференциальных урав нении в более практичный вид dδ z qgcosθ − R y = + ω z1 − ω x1 δ y , dt qV dδ y R z = + ω x1 δ z + ω y1 , dt qV dω x1 M x1 − (C − B )ω z1 ω y1 = , dt A dω y1 M y1 − ( A − C )ω x1 ω z1 = , dt B dω z1 M z1 − ( B − A)ω x1 ω y1 = . dt B Так как движение центра масс можно рассматривать через поворот на углы ψ и θ : ~ dV d V dV q = R + g, = + (ω × V ), dt dt dt 17

Вопросы оборонной техники x

z   ω × V = ψsin θ ψcosθ θ = V 0 0 = θ V y − ψ cosθV z , dV = Rx − qgsin θ, dt qθ V = R y − qgcosθ, q

− qψ cosθV = Rz . Общая система дифференциальных уравнении асимметричного вращающегося тела в воздухе dV Rx  = − gsin θ,  dt q  dθ R y gcosθ  = − ,  dt qV V  Rz dψ  =−  dt qcosθV  qg cos θ − R y  dδ z = + ω z1 − ω x1 δ y ,  dt qV  dδ y Rz  = + ω x1 δ z + ω y1 , dt qV   dω x1 M x1 − (C − B )ω z1 ω y1 = ,  A  dt  dω y1 = M y1 − ( A − C )ω x1 ω z1 ,  dt B  dω z M z1 − ( B − A)ω x1 ω y1 1  = , C  dt dx  = Vcosθcosψ,  dt  dy  = Vsin θ, dt  dz  = −Vsin ψcosθ.  dt Для численного интегрирования системы диф ференциальных уравнений методом Рунге-Кутта 4 порядка необходимо определить начальные значения всех величин, входящих в систему [10]. Пуля 7Н6 имеет массо-инерционные характеристики, представленные в табл. 3, рассчитанные из 3D модели пули. Начальная скорость пули при стрельбе из АК74М составляет V0 = 900 м/с . Начальный угол вылета пули 7Н6 по таблицам стрельб на 100 мет 18

Таблица 3 Массо-инерционные характеристики расчетной пули

q, кг

0,0034

I x1 (А), кг·м2

1,180411·10-8

I y1 (В), кг·м2

1,1515618·10-7

I z1 (С), кг·м2

1,1515617·10-7

Координата центра масс от носика пули (x; y; z), мм

(15,736;0;0)

ров составляет θ0 = 0°2' = 0 ,00058178 рад. На чальный угол курса — ψ 0 = 0 рад. Начальные координаты пули в момент вылета из канала ствола — x0 = 0; y0 = 0; z 0 = 0. Скорость вращения пули относительно продольной оси для шага нарезов АК74М 200 мм составляет ϕ0 = ω x1 = 28714 рад/с. Начальное движение пули около центра масс оказывает влияние на движение центра масс. Так как мы решаем теоретическую задачу будем считать, что созданы идеальные условия расположения штатной пули 7Н6 в канале ствола рис. 3. Канал ствола и пуля выполнены с абсолютно точной осевой симметрией, ствол неподвижен относительно атмосферы. В таких условиях начальные значения углов δ y , δ z для штатной пули 7Н6 составляют δ y 0 = 0°; δ z0 = 0°. Значение начальных угловых скоростей — ω y1 0 = 0 рад/с , ωz1 0 = 0 рад/с .

Рис. 3. Идеальное расположение пули в канале ствола

теоретические основы, расчеты и проектирование Таблица 4

Результаты расчета штатной пули 7Н6 на дальность 100 м t, c

V, м/с

θ, рад

ψ, рад

δy , рад

δz , рад

ωx1 , рад/с

ω y1 , рад/с

ωz1 , рад/с

x, м

y, м

z, м

0,00

900,0

0,0006

0,0000

0,00000

28714

0,0000

0,00

0,000

0,01

891,8

0,0005

0,0000

– 0,00014

0,00008

28652

0,2884

– 0,2235

8,97

0,005

0,000

0,02

883,5

0,0004

0,0000

0,00003

– 0,00006

28590

0,1292

– 0,1220

17,85

0,009

0,000

0,03

875,3

0,0003

0,0000

– 0,00010

0,00003

28529

0,2658

– 0,1823

26,65

0,012

0,000

0,04

867,2

0,0002

0,0000

– 0,00004

0,00003

28468

0,0380

– 0,0574

35,38

0,014

0,000

0,05

859,0

0,0001

0,0000

– 0,00001

0,0000

28407

– 0,014

0,0069

44,00

0,015

0,000

0,06

850,8

0,0000

0,0001

– 0,00010

0,00006

28346

0,2119

– 0,2148

52,57

0,015

0,001

0,07

842,7

– 0,0001

0,0001

– 0,00009

0,00006

28286

0,1497

– 0,1761

60,99

0,014

0,001

0,08

834,5

– 0,0002

0,0001

0,00003

– 0,00003

28226

– 0,0038

– 0,0295

69,38

0,013

0,002

0,09

826,4

– 0,0003

0,0002

– 0,00002

0,00000

28166

0,1617

– 0,1863

77,70

0,011

0,003

0,10

818,3

– 0,0004

0,0002

0,00003

– 0,00008

28106

0,0903

0,0221

85,93

0,007

0,005

0,11

810,1

– 0,0005

0,0002

– 0,00008

0,00001

28047

0,2858

– 0,2389

94,08

0,003

0,007

0,12

804,2

– 0,0006

0,0003

– 0,00001

– 0,00006

28003

0,1455

– 0,0244

100,01

0,000

0,008

Результаты расчетов представлены в табл. 4. Определим относительную ошибку расчетных величин штатной пули 7Н6 по отношению к таблицам стрельбы на 100 м: Для времени полета t : εt =

0 ,12 − 0 ,12 = 0. 0 ,12

Для координаты x : εx =

100 − 100,01 = 0 ,0001. 100

Для координаты y : εy =

0−0 = 0. 0

Для конечной скорости пули V : εV =

801− 804,2 = 0 ,004 . 801

Для угла наклона пули θ :

εθ =

0 ,006 − 0 ,006 = 0. 0 ,006

Изложенные в статье результаты теоретических исследований дополняют известные теоретические положения внешней баллистики и показывают хорошую сходимость расчетной траектории с таблицами стрельб. Основные выводы работы заключаются в следующем: 1. Аппроксимирующие функции сил и моментов, полученных из ANSYS CFX, действующие на пулю в воздухе, заданы с высокой точностью, но из-за малости величин подъемной силы и боковой силы накапливается ошибка, влияющая на координату y и z. Для верификации по координатам y и z необходимо знать реальные значения сил. 2. Математическая модель движения пули 7Н6 хорошо согласуется с практическими стрельбами. На траекторию движения пули значительно влияют начальные условия стрельбы. 3. Необходимо провести верификацию основных расчетных величин, особенно начальных условии выстрела. Поэтому следующий этап исследований по изучению конструкций пуль, позволяющих изменять траекторию их движения в заданном направле19

Вопросы оборонной техники нии с целью увеличения кучности автоматической стрельбы, связан с проведением экспериментальных стрельб и их согласование с теоретическими данными. Дополнительным этапом исследования является сравнение аэродинамических сил и моментов, полученных из ANSYS CFX с данными из другого программного комплекса, с возможностью более точных настроек физической модели движения воздуха, например, из FlowVision. Литература 1. Якимович Б.А., Писарев С.А., Чирков Д.В., Токарев И.В. Математическая модель движения неуправляемой пули в воздухе с силами сопротивления, заданными в виде аппроксимирующих функции // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калаш никова. 2017. № 3. С. 9–12. 2. Якимович Б.А., Писарев С.А., Чирков Д.В., Фархетдинов Р.Р. Обоснование нового способа повышения кучности стрельбы из автоматического оружия // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашни кова. 2015. № 4. С. 9–12. 3. Якимович Б.А., Писарев С.А., Чирков Д.В., Фархетдинов Р.Р. Способ повышения кучности автоматической стрельбы короткими очередями // Патент РФ № 2607152/10.01.2017 г. 4. Коновалов А.А. Внешняя баллистика / А.А. Ко новалов, Ю.В. Николаев. — Москва: ЦНИИ информации. 1979. 228 с. 5. Шапиро Я.М. Внешняя баллистика / Я.М. Шапиро. — М.: Государственное издательство оборонной промышленности. Переизд. 1981. 408 с. 6. Дмитриевский А.А. Внешняя баллистика / А.А. Дмитриевский, Л.Н. Лысенко, С.С. Богодистов. Машиностроение, 3-е издание. 1991. 640 с. 7. Harold R. Vaughn. Rifle Accuracy Facts / Harold R. Vaughn. Precision Shooting, Inc. 3rd edition. 2000. 292 p. 8. Фарапонов В.В. Математическое моделирование движения неуправляемого осесимметричного тела в однородном поле силы тяжести / В.В. Фа рапонов, Н.В. Савкина, В.И. Биматов. — Томск: STT. 2017. 60 с. 9. Линник Ю.В. Метод наименьших квадратов и основы математико-статистической теории

обработки наблюдений / Ю.В. Линник. — М.: Гос. изд-во физ.-мат. лит., переизд. 1986. 354 с. 10. Бахвалов Н.С. Численные методы / Н.С. Бах валов, Н.П. Жидков, Г.М. Кобельков. — М.: Лаборатория Базовых знаний. 2001. 630 с. References 1. Yakimovich B.A., Pisarev S.A., Chirkov D.V., Tokarev I.V. A mathematical model of the uncontrolled bullet’s motion in the air with the resistance forces given in the approximating functions form // Herald of IzhSTU named after M.T. Kalashnikov). 2017. № 3. С. 9–12. 2. Yakimovich B.A., Pisarev S.A., Chirkov D.V., Farhetdinov R.R. Justification of a new way to improve the accuracy of fire from automatic weapons // Herald of IzhSTU named after M.T. Kalashnikov. 2015. № 4. Р. 9–12. 3. Yakimovich B.A., Pisarev S.A., Chirkov D.V., Farhetdinov R.R. The method of increasing the accuracy of automatic short-burst shooting. // Patent of the Russian Federation № 2607152 / 10.01.2017. 4. Konovalov A.A. External Ballistics / A.A. Konovalov, Yu.V. Nikolaev. — Moscow: Central Research Institute of Information. 1979. 228 p. 5. Shapiro Ya.M. External ballistics / Ya.M. Sha piro-M: State Publishing House of the Foreign Industry. 1946. 408 p. 6. Dmitrievskiy A.A. Vneshnyaya ballistika [Ex ternal ballistics] / A.A. Dmitrievskiy, L.N. Lyisenko, S.S. Bogodistov Mechanical Engineering, 3rd edition. 1991. 640 p. 7. Harold Vaughn. Rifle Accuracy Facts. Precision shooting Inc. 1998. 292 p. 8. Faraponov V.V. Mathematical modeling of the motion of an uncontrolled axisymmetric body in a homogeneous field of gravity. V.V. Faraponov, N.V. Savkin, V.I. Bimatov: — Tomsk: STT. 2017. 60 p. 9. Linnik Yu.V. The method of least squares and the foundations of the mathematical-statistical theory of processing observations / Yu.V. Linnik. — M.: Gos. Izd-vo in fiz.-mat. Lit. 1962. 354 p. 10. Bakhvalov N.S. Numerical methods / N.S. Bakh valov, N.P. Zhidkov, G.M. Kobelkov. — Moscow: Labo-ratory of Basic Knowledge. 2001. 630 p.

теоретические основы, расчеты и проектирование

УДК: 623.445

Компьютерное моделирование сопротивления деформированию и разрушению дискретно-тканевых оболочек бронешлема при высокоскоростном ударе Computer modeling of resistance to deformation and destructions of fabric covers of the helmet at high-speed blow И.Е. Жуков1, А.В. Миляев1, д-р техн. наук А.Ю. Муйземнек2, канд. техн. наук А.А. Котосов3 I.E. Zhukov, A.V. Milyaev, DPhil A.Yu. Muyzemnek, PhD A.A. Kotosov 1

ООО «Специальная и медицинская техника», 2Пензенский государственный университет, 3 Филиал ВА МТО им. генерала армии А.В. Хрулева г. Пенза В результате лабораторных исследований структуры волокон, нитей и тканей из арамидных и стеклянных волокон, их сопротивление деформированию и разрушению нитей, выбора перспективных математических моделей тканых и композиционных материалов и идентификации их параметров были разработаны компьютерные модели процессов функционирования дискретно-тканевых оболочек бронешлема при высокоскоростном ударе поражающим элементом боеприпаса. При проведении вычислительного эксперимента выявлены основные этапы процесса деформирования и разрушения дискретно-тканевых оболочек с двоякой положительной кривизной, функционирующих в условиях приложения высокоскоростных ударных нагрузок. Ключевые слова: структура арамидных волокон, нитей и ткани, компьютерное моделирование, дискретно-тканевая оболочка, шлем, высокоскоростной удар, фрагмент боеприпаса. As a result of laboratory researches of structure of threads and fabrics from aramide and glass fibers, their resistance to deformation and destructions of threads, the choice of perspective mathematical models of woven and composition materials and identification of their parameters were developed computer models of processes of functioning of discrete and fabric covers of the helmet at high-speed blow by the ammunition fragment. When carrying out computing experiment the main stages of process of deformation and destruction of the discrete and fabric covers with double positive curvature functioning in the conditions of the appendix of high-speed shock loads are revealed Keywords: structure of aramide fibers, threads and fabric, computer modeling, discrete and fabric cover, helmet, high-speed blow, ammunition fragment.

Для более полной реализации потенциальных свойств современных арамидных тканей в конструкции бронешлема необходимо знание влияния тонкого строения арамидных нитей и тканей на сопротивление деформированию и разрушению, а также закономерностей взаимодействия слоев ткани между собой, элементами конструкции, обеспечивающими их положение в

изделии, и с ударником. Для адекватного описания процессов сопротивления деформированию и разрушения дискретно-тканевых оболочек бронешлема в условиях ударного нагружения необходимо учитывать размеры и физико-механические характеристики волокон, являющихся основой нитей и тканей, а также характеристики структуры тканей, представляющих собой от21

Вопросы оборонной техники дельные слои или входящие в состав композитов удерживающих элементов конструкции. В качестве примера рассмотрим дискретно-тканевую оболочку бронешлема, состоящую из 21 слоя арамидной ткани, которые свободно лежат между слоями из слоистых полимерных композиционных материалов (рис. 1). Срединная поверхность оболочки имеет главные радиусы кривизны 12 и 14 см соответственно. Наружный слой имеет толщину 1,45 мм и состоит из пяти слоев арамидной ткани, помещенных в эпоксидную матрицу. Внутренний слой имеет толщину 2,25 мм и состоит из трех слоев арамидной ткани и трех слоев стеклоткани, помещенных в эпоксидную матрицу. Арамидные ткани изготовлены из волокон марок Русар, имеющих следующие характеристики [1, 2]: объемная плотность — 1450 кг/м3; средний диаметр волокна — 9,28 мкм; среднее предельное напряжение растяжения — 4,28 ГПа; средняя предельная деформация растяжения — 3,05%; средний модуль упругости — 140,51 ГПа; средняя работа разрушения при растяжении — 65,3 МДж/м3. Ударником является шарик, имеющий диаметр 6,35 мм и массу 1,03 г. В начальный момент времени ударник движется под углом к наружной поверхности оболочки с заданной скоростью. Скорость ударника варьировалась в диапазоне от 360 до 550 м/с, угол соударения — от нуля (т.е. по нормали к поверхности) до 30º.

б Рис. 1. Дискретно-тканевая оболочка бронешлема с двоякой положительной кривизной и ударник в момент первого контакта: а — общий вид; б — продольный разрез

Считалось, что внешний и внутренний слои оболочки закреплены по периметру, а внутренние слои ткани свободны. Для моделирования тканых материалов в прог рамме LS-DYNA [3] использовалась модель материала типа 234. Эта модель материала предложена А. Табеи и И. Ивановым в 2004 году для описания поведения анизотропных вязкоупругих тканых материалов [4]. Она описывает тонкие эффекты изменения сопротивления ткани деформированию при стеснении нитей, изменении ориентации нитей ткани при сдвиге и блокировании нитей при пакетировании ткани. Модель учитывает выпрямление нитей при их натяжении. Также учитываются контактные силы взаимодействия нитей, приводящие к диссипации части энергии. Сопротивление деформированию и разрушение нитей зависят от скорости деформации. Для моделирования слоистых полимерных ком позиционных материалов использовалась модель материала типа 58. Эта модель предназначена для моделирования композитных материалов с однонаправленными или ткаными слоями. Она позволяет описать ортотропное нелинейно упругое поведение, накопление поврежденности и разрушение материала. Экспериментальным исследованиям были подвергнуты три ткани. Предварительно были проведены следующие исследования: – определение геометрических параметров репрезентативных ячеек исследуемых тканей и нитей и их статистический анализ; – определение удельной массы тканей и нитей, их пористости; – испытания изготовленных образцов из арамидных тканей на растяжение. При исследовании структуры тканей и нитей был использован микроскоп «Livenhuk», оснащенный видеокамерой С310. Определение плотности тканей и нитей осуществлялось с использованием аналитических весов. Расчет пористости тканей осуществлялся по плотности нитей и тканей и геометрическим параметрам репрезентативных ячеек. Исходными данными для расчета пористости являлись плотность феламентов, удельная масса ткани (масса, отнесенная к квадратному метру), измеренная толщина ткани, измеренная ширина репрезентативной ячейки ткани. В рассматриваемых тканях репрезентативная ячейка имела в плане форму, близкую к квадрату,

теоретические основы, расчеты и проектирование что было учтено в проведенных вычислениях. Результаты предварительных исследований структуры арамидных тканей, а также расчетов их пористости представлены в таблице. Испытания тканей и слоистых пластиков на растяжение были проведены на универсальной испытательной машине МИ-40КУ с числовым программным управлением. При проведении испытаний использовались стандартные плоские образцы, имеющие ширину рабочей части 10 мм и длину — 100 мм, которые в процессе испытаний доводились до разрушения. Толщина образцов соответствовала толщине ткани или композитной пластины. Образцы из пластин вырезались вдоль направления нитей основы, а также под углом 45° и 90°. Результаты экспериментальных исследований позволили определить следующие параметры модели материала типа 234 для ткани 1: массовую плотность материала — 0,519 г/см3; модуль Юнга нити в осевом направлении нити —

110,86 ГПа; модуль Юнга нити в трансверсальном направлении — 44,65 ГПа; модуль сдвига нити — 16,1 ГПа; предельную деформацию разрушения — 3,05%; запирающий угол ткани — 27,1º; начальный угол блокирования — 45º; переходный угол для блокирования — 3º; ширину нити — 0,263 мм; шаг между нитями — 0,45 мм; реальную толщину нити — 0,125 мм; эффективную толщину нити — 0,25 мм; площадь сечения нити — 2,58·10-2 мм2; упругую константу элемента «а» — 164,4 ГПа; коэффициент демпфирования элемента «b» — 23,39 МПа·с; предельную деформацию элемента «а» — 2,61%; коэффициент трения между нитями — 0,8; трансверсальный модyль сдвига ткани — 4,4 ГПа; упругую константу элемента «b» — 965,5 ГПа. Результаты экспериментальных исследований слоистых полимерных композиционных материалов позволили определить параметры модели материала типа 58. Для определения эффективных упругих модулей нитей, тканей и композициТаблица

Характеристики тканей Наименование параметра

Материал Ткань-1

Ткань-2

Ткань-3

твил 2/2

плейн

Толщина ткани h, мм

0,25

0,3

0,36

Удельная плотность материала ρ s , г/см2

129

130

200

Плотность материала ρ , г/см3

0,519

0,433

0,5

Плотность нитей ρ l , текс

29,17

32,5

Ширина репрезентативной ячейки вдоль основы lw, мм

0,9

1,0

0,9

Ширина репрезентативной ячейки вдоль утка lf, мм

0,9

1,0

0,9

Ширина нитей основы hw*, мм

0,263

0,244

0,146

Ширина нитей утка hf*, мм

0,263

0,244

0,146

Площадь поперечного сечения нитей основы Sw, мм2

2,58·10-2

2,87·10-2

2,29·10-2

Площадь поперечного сечения нитей утка Sf, мм2

2,58·10-2

2,87·10-2

2,29·10-2

22,2

Плетение

Плотность укладки нитей утка, нитей/см Пористость ткани П , % Примечание: * — расчетное значение.

Вопросы оборонной техники онных материалов внутреннего и внешнего слоев оболочки использовался метод Мори-Танако [5], при идентификации параметров моделей материа лов — метод скользящего допуска. При выполнении процедуры гомогенизации использовалась показанная на рис. 2, а геометрическая модель репрезентативной ячейки (RVE). Используемая при расчете напряженно-деформированного сос тояния конечно-элементная сетка RVE показана на рис. 2, б, полученные распределения приведенных по Мизесу напряжений в RVE и в ткани — на рис. 2, в и 2, г. Получены следующие значения упругих модулей арамидных нитей: модуль Юнга в осевом направлении — 79,96 ГПа; модуль Юнга в перпендикулярной плоскости — 27,58 ГПа; коэффициент Пуассона в перпендикулярной плоскости — 0,42; трансверсальный коэффициент Пуассона — 0,32; трансверсальный модуль сдвига — 11 ГПа. Инженерные константы полимерного слоистого композита имеют следующие значения: модули Юнга E1 = 26,92 ГПа, E2 = 26,92 ГПа, E3 = 15,61 ГПа; коэффициенты Пуассона ν12 = 0,18, ν21 = 0,18, ν13 = 0,46, ν31 = 0,27, ν23 = 0,46, ν32 = 0,27; модули сдвига G12 = 5,92 ГПа, G13 = 7,05 ГПа, G23 = 7,05 ГПа; плотность материала ρ = 2,1 г/см3. Матрица жесткости слоистого полимерного композиционного материала имеет вид 0 0 0  34,78 11,94 12,45 11,94 34,78 12,45 0 0 0    0 0  12,45 12,45 22,24 0 K =  ГПа. 0 0 5,92 0 0   0  0 0 0 0 7 ,05 0    0 0 0 0 7 ,05  0

С использованием моделей материалов типа 58 и 234 была разработана компьютерная модель рассматриваемого процесса. Компьютерная модель имела следующие характеристики: количество элементов — 962048; количество узлов — 971897; количество частей — 25; типы моделей материалов — 1, 10, 58, 234; средний размер элементов конечных элементов — 0,5 мм; размер расчетной области — 92 × 92 мм. Компьютерное моделирование позволило исследовать процессы сопротивления деформированию и разрушения оболочки в исследуемом диапазоне скоростей и углов соударения. На рис. 3 показаны форма и расположение элементов рассматриваемой системы в различные моменты времени при соударении ударника с оболочкой со скоростью 550 м/с при угле соударения, равном 30º. Рис. 3, а соответствует моменту пробития наружного слоя оболочки, рис. 3, б — началу взаимодействия тканевого пакета с внутренним слоем оболочки, рис. 3, в — образованию развитой выпучины на внутренней поверхности оболочки, рис. 3, г — разрушению внутреннего слоя оболочки. Выполнение аналогичного компьютерного моделирования, но для удара 9-мм пули патрона 57-Н-181С пистолета ПМ по дискретно-тканевой оболочке бронешлема показано на рис. 4, скорость пули 295 м/с. Результаты расчёта некоторых параметров компьютерного моделирования для удара 9-мм пули патрона 57-Н-181С пистолета ПМ по нормали к дискретно-тканевой оболочке бронешлема показаны на рис. 5. Количественное и качественное сопоставление результатов компьютерного моделирования

Рис. 2. Результаты моделирования слоистых полимерных композиционных материалов: а — геометрическая модель RVE (без матрицы); б — конечно-элементная сетка RVE; в, г — распределения приведенных по Мизесу напряжений в RVE и в ткани

теоретические основы, расчеты и проектирование

а б в г Рис. 3. Форма и расположение элементов рассматриваемой системы в различные моменты времени: а — при t = 8 мкс; б — при t = 22,4 мкс; в — при t = 41,6 мкс; г — при t = 152 мкс

а б в г Рис. 4. Форма и расположение элементов рассматриваемой системы в различные моменты времени: а — при t = 10 мкс; б — при t = 100 мкс; в — при t = 200 мкс; г — при t = 300 мкс

с результатами экспериментов [6] показало их удовлетворительную согласованность. На рис. 6 представлены результаты компьютерного моделирования нарастания выпучины при выстреле из пистолета ПМ в боковую проекцию бронешлема со скоростью 304 м/с (шлем 2, расчёт). Результаты расчёта высоты нарастания выпучины значительно превышают результаты экспериментального тестирования на начальном участке формирования выпучины, но уже после истечения 0,3 мс величина относительной ошибки находится в интервале 20…30%. Определённый интерес для оценки интенсивности воздействия выпучины шлема на объект защиты представляет зависимость скорости нарастания выпучины (деформации шлема) от времени её формирования, представленная на рис. 7. Как видно из рисунка, пиковая скорость нарастания выпучины для усиленного шлема 1 составила 60 м/с, а для шлема 2 — 110 м/с. Для падения скорости выпучины до минимального значения

менее 1 м/с потребуется не более 1,5 мс. Кроме того, на рис. 7 также представлены результаты компьютерного моделирования нарастания выпучины при выстреле из пистолета ПМ в боковую проекцию шлема 2 со скоростью 304 м/с (шлем 2, расчёт). Результаты компьютерного моделирования скорости нарастания выпучины также значительно превышают результаты экспериментального тестирования на начальном участке формирования выпучины, но уже после истечения 0,2 мс величина относительной ошибки находится в интервале 10…20%. Таким образом, в результате лабораторных исследований структуры волокон, нитей и тканей из арамидных и стеклянных волокон, их сопротивления деформированию и разрушения нитей, выбора перспективных для создания компьютерных моделей дискретно-тканевых оболочек математических моделей тканых и композиционных материалов и идентификации их параметров

а б Рис. 5. Результаты расчёта основных параметров компьютерного моделирования для удара 9-мм пули патрона 57-Н-181С пистолета ПМ по нормали к оболочке бронешлема. Скорость пули 295 м/с

Вопросы оборонной техники

Рис. 6. Нарастание высоты выпучины (амплитуды запреградного выступа) шлема во времени

были разработаны компьютерные модели процессов функционирования дискретно-тканевых оболочек при высокоскоростном ударном нагружении. Выявлены закономерности процесса деформирования и разрушения дискретно-тканевых оболочек с двоякой положительной кривизной, функционирующих в условиях приложения высокоскоростных ударных нагрузок, включающие следующие этапы: – пробитие ударником внешнего слоя оболочки из композиционного материала; – взаимодействие ударника со слоями тканевого пакета, уменьшение кинетической энергии ударника за счет работы сил сопротивления деформированию тканей и сил трения между слоями ткани. Важно обеспечить вовлечение в движение достаточно больших областей тканей, что возможно за счет их высокой прочности, и наличие градиента скорости деформации по толщине тканевого пакета. Вовлечение в движение достаточно больших областей тканей будет способствовать более равномерному нагружению внутреннего слоя; – взаимодействие ударника и получившей значительную скорость части тканевого пакета с внутренним слоем оболочки из композиционного материала. Дальнейшее уменьшение кинетической энергии ударника за счет работы сил сопротивления деформированию, которое сопровождается образованием выпучины на внутренней поверхности оболочки. Образование выпучины на внутреннем композиционном слое оболочки с двоякой положительной кривизной является энергоемким процессом локальной потери его устойчивости. Образование выпучины большого объема способствует существенному уменьшению кинетической энергии ударника. 26

Рис. 7. Зависимость скорости нарастания выпучины шлема от времени её формирования

Выявленные закономерности процессов сопротивления деформированию и разрушения дискретно-тканевых оболочек с двоякой положительной кривизной функционирующих в условиях приложения ударных нагрузок могут быть использованы при проектировании соответствующих элементов конструкций бронешлема. Выбор материалов и назначение размеров оболочки должны обеспечивать реализацию рационального процесса сопротивления деформированию и разрушения. Литература 1. Харченко Е.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные бронематериалы. Том 1. Меха низмы взаимодействия с баллистическими элементами боеприпасов / Харченко Е.Ф., Ермоленко A.Ф. — М.: ЦНИИСМ. 2013. 295 с. 2. Харченко Е.Ф. Композитные, текстильные и комбинированные материалы. Том 2. Современные защитные структуры и средства индивидуальной бронезащиты. — М.: ЦНИИСМ. 2014. 332 с. 3. Материалы и защитные структуры для локального и индивидуального бронирования / В.А. Григорян, И.Ф. Кобылкин, В.М. Маринин, Е.Н. Чистяков. Под ред. В.А. Григоряна. — М.: Изд. Радио-Софт. 2008. 406 с. 4. Hallquist J.O. LS-DYNA Theory Manual. — Livermore: Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2006. 680 p. 5. LS-DYNA. Ключевое слово. Руководство пользователя. Том II. Август 2012 г. Версия 971 R6.1.0. Ливерморская технологическая корпорация. — Ливермор. Калифорния. 6. Табиеи Ала, Ивелин Иванов. Вычисли тельная микромеханическая модель гибкой тканой

теоретические основы, расчеты и проектирование ткани при моделировании конечными элементами // VII Международная конференция пользователей LS-DYNA 8–15 ... 8–25. 7. Муйземнек А.Ю. Исследование сопротивления деформированию и разрушения дискретно-тканевых оболочек с двоякой положительной кривизной / А.Ю. Муйземнек // Вестник Пензенского государственного университета. 2016. № 2 (14). C. 96–102. 8. Мори Т., Танака К. Среднее напряжение в матрице и средняя упругая энергия материалов с невосприимчивыми включениями. Acta Metallurgica. 21. 1973. С. 571–574. 9. Использование высокоскоростной видео регистрации для оценки параметров тыльной деформации при непробитии шлема поражающим элементом / Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В. // Сборник докладов XIV международной научно-практической конференции: Новейшие тенденции в области конструирования и применения баллистических материалов и средств защиты (15–18 сентября 2015 г.) Ялта (Крым, РФ). 10. Роль подтулейного устройства в механизме травмы головы при непробитии шлема поражающим элементом / Жуков И.Е., Котосов А.А., Миляев А.В. Актуальные проблемы защиты и безопасности: Труды XIX Всероссийской НПрК РАРАН (4–7 апреля 2016 г.) том 2. Технические средства противодействия терроризму. — М.: ФГБУ «РАРАН» и СПб.: «НПО СМ». 2016. С. 254–260. References 1. Kharchenko E.F. Composite textile and combined armor materials. Volume 1. Mechanisms of interaction with ballistic damaging elements / Kharchenko E. F., Ermolenko A.F. — M.: TSNIISM. 2013. 295 p. 2. Kharchenko E.F. Composite textile and com bined armor materials. Volume 2. Modern protective

structures and means of individual armor protection. — M: TSNIISM. 2014. 332 p. 3. Materials and protective structures for local and individual armor / V.A. Grigoryan, I.F. Kobylkin, V.M. Marinin, E.N. Chistyakov // Edited by V.A. Grigoryan. — Moscow: Izd. Radio-Soft. 2008. 406 p. 4. Hallquist J.O. LS-DYNA Theory Manual. — Livermore: Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2006. 680 p. 5. LS-DYNA. Keyword User’s Manual. Volume II. August 2012 Version 971 R 6.1.0. Livermore Software Technology Corporation. — Livermore, CA. 6. Tabiei Ala, Ivelin Ivanov. Computational micro-mechanical model of flexible woven fabric for finite element impact simulation // 7-th International LS-DYNA Users Conference 8–15…8–25 7. Mujzemnek A.Y. Study on resistance to deformation and destruction of discrete layers of fabric with a twofold positive curvature / A.Y. Mujzemnek // Herald of the Penza State University. 2016. № 2 (14). C. 96–102. 8. Mori Т., Tanaka K. Average stress in matrix and average elastic energy of materials with misfitting inclusions. Acta Metallurgica, 21. 1973. Р. 571–574. 9. Use of high-speed video recording to evaluate the parameters of the rear deformation when the helmet is not penetrated by an injuring element / Zhukov I.E., Kotosov A.A., Milyaev A.V. Collected papers of the XIV international scientific and practical conference: The latest trends in the design and application of ballistic materials and protective equipment (September 15–18, 2015) Yalta (Crimea, Russia). 10. Role of system of the suspender of helmet in the head injury mechanism in the absence of its perforation by high-speed element / Zhukov I.E., Kotosov A.A., Milyaev A.V. Actual problems of protection and safety: Collected papers of the XIX international scientific and practical conference RARAN (4–7 April 2016 г.) volume 2. Technical means of countering terrorism. — M.: FGBU «RARAN» and SPb.: «NPO SM» 2016. Р. 254–260.

Вопросы оборонной техники

УДК: 623.546

Обработка результатов внешнетраекторных измерений дальномерным методом трилатерации Handling the results of outer vector measuring with a tachometric directional method Канд. техн. наук Д.В. Искоркин PhD D.V. Iskorkin ВА МТО им. генерала армии А.В. Хрулева Рассматриваются методы определения положения объекта в пространстве по результатам засечки с одного и нескольких измерительных пунктов. Приводится общий обзор двух- и трёхпунктных методов позиционирования и подробно рассматривается один из них. Выводятся аналитические зависимости для определения координат объекта дальномерным методом трилатерации, а также формулы оценки точности и связанности координат. Ключевые слова: траекторные измерения, дальномерно-пеленгационный метод, ошибки измерений, метод линеаризации, скалярное и векторное произведение векторов, пересечение сфер. Methods of defining the place of objects in space by the results of making a notch from one or more points are considered. A general view of two- and threepointed methods of positioning are being shown and one of them is being considered. The analytical dependencies for defining the object’s coordinates by a tachometric method of trilateration are shown, and also the formulas of accuracy defining and coordinates connectedness. Keywords: trajectory measures, tachometric directional method, measuring mistakes, linearization method, scale and vector product of vectors, sphere intersection.

Измерения пространственных координат объектов представляют собой в настоящее время актуальную научную задачу. Такими объектами могут быть летательные аппараты различного назначения, наземный и морской транспорт, пункты геодезической сети, потребители навигационной информации и т.п. [1, 2]. Объекты могут быть как динамическими, так и статическими. Измерению подвергаются различные параметры положения и движения — координаты центра масс, их отклонения от номинальных величин, поступательные и вращательные скорости и ускорения как самого объекта, так и его отдельных элементов, величины, характеризующие угловое положение объекта в различных системах координат. Измерения могут производиться приборами, уставленными как на самом 28

объекте, так и вне его. В первом случае говорят о телеметрических измерениях, а во втором — о внешнетраекторных. Внешнетраекторные измерения выполняются приборным комплексом, расположенным, как правило, на земной поверхности и состоящим из совокупности нескольких измерительных пунктов с необходимым приборным оборудованием. Точность получаемой информации зависит от технических характеристик измерительной аппаратуры, особенно от ошибок измерения угловых величин и расстояний, количества используемых измерительных средств, их размещения на местности, а также от порядка производства и обработки результатов измерений. Повышение точности измерений может производиться по всем указанным направлениям.

теоретические основы, расчеты и проектирование Первые два направления предполагают улучшение технических характеристик приборного комплекса или их количества, что всегда связано со значительными материальными и временными затратами. Последние два пути позволяют повысить точность измерений без дополнительных материальных затрат и являются наиболее предпочтительными направлениями совершенствования измерительных комплексов. Наиболее общим и распространённым является дальномерно-пеленгационный способ производства внешнетраекторных измерений, сущность которого заключается в определении положения объекта в сферической системе координат с центром в измерительном пункте путём регистрации трёх параметров: дирекционного угла α или азимута А, угла места ε и дальности R (рис. 1). Данный способ реализуется в радиолокационных станциях [3]. При организации измерений с одного измерительного пункта положение объекта определяется однозначно и может быть пересчитано в прямоугольную систему координат по зависимостям [4] XГ О = XГ ИП + R cos ε cos α; hГ О = hГ ИП + R sin ε; YГ О = YГ ИП + R cos ε sin α,

(1)

где XГ ИП; hГ ИП; YГ ИП — географические координаты измерительного пункта.

Однако все измерения сопровождаются ошиб ками регистрируемых параметров, с ошибками определяются и координаты измерительных пунктов. Эти обстоятельства в конечном итоге приводят к ошибкам определения положения объекта. Кроме того, возможны случаи, когда один или несколько параметров по тем или иным причинам не регистрируются. Так, если хотя бы один из параметров не будет определен, то при дальномерно-пеленгационном способе производства измерений однозначно определить положение объекта становится невозможным. С целью устранения этих недостатков, а также для повышения надежности получения необходимой информации, в измерительную схему включают несколько измерительных пунктов. В случае двух измерительных пунктов число регистрируемых параметров составит шесть единиц: (α1; ε1; R1) и (α2; ε2; R2), где индексы 1 и 2 указывают на принадлежность параметра порядковому номеру измерительного пункта. Каждая тройка чисел будет определять положение исследуемого объекта в пространстве. В табл. 1 приведены все возможные сочетания таких троек параметров. Считая ошибки определения координат измерительных пунктов и ошибки измерений независимыми случайными величинами [5], срединные ошибки координат объекта дальномерно-пеленгационным методом можно найти по следующим зависимостям

Рис. 1. Схема дальномерно-пеленгационного способа измерений

Вопросы оборонной техники

Комбинации регистрируемых параметров в схеме двух измерительных пунктов № метода

α1

ε1

R1 α2

ε2

1 1 1 2

2 3

10 9

Алгоритм № 1

Точка

Алгоритм № 2

Пересечение луча и вертикальной плоскости

Алгоритм № 3 Пересечение луча и вертикального конуса

Алгоритм № 4

Пересечение луча и сферы

Алгоритм № 6

Пересечение сферы и вертикальной плоскости, проходящей через её центр, и другой вертикальной плоскости

Алгоритм № 7

Пересечение сферы и вертикальной плоскости, проходящей через её центр, и вертикального конуса

Алгоритм № 8

Пересечение сферы и вертикальной плоскости, проходящей через её центр, и другой сферы

Пересечение сферы и конуса с одним центром и плоскостью

Алгоритм № 9

Пересечение сферы и вертикального конуса с одним центром и другого вертикального конуса

Алгоритм № 10

Пересечение сферы и вертикального конуса с одним центром и другой сферой

Алгоритм № 5 Алгоритм № 5

6 7

Кол-во повторений

Алгоритм № 6

Геометрическая интерпретация задачи

№ алгоритма

Алгоритм № 2

Измеряемые параметры

Таблица 1

Алгоритм № 3 6

Алгоритм № 7

Алгоритм № 9

Алгоритм № 4 8

Алгоритм № 8

Алгоритм № 10

10 10 10

Алгоритм № 1

теоретические основы, расчеты и проектирование  Е 2 [X Г О ] = Е 2 [X Г ИП ] + cos2 εcos2 αE 2 [R ] +  2 2 2 2 2 2 2 2 + R sin εcos αE [ε] + R cos εsin αE [α ];  2 2 2 2  E [hГ О ] = Е [hГ ИП ] + sin εE [R ] + (2)  2 2 2 + R cos εE [ε];  2 2 2 2 2  E [YГ О ] = Е [YГ ИП ] + cos εsin αE [R ] + + R 2sin 2 εsin 2 αE 2 [ε] + R 2 cos2 εcos2 αE 2 [α ],  где E[XГ О], E[hГ О], E[YГ О] — срединные ошибки географических координат объекта; E[XГ ИП], E[hГ ИП], E[YГ ИП] — срединные ошибки географических координат измерительного пункта; E[R], E[ε], E[α] — срединные ошибки регистрации величин R, ε, α соответственно. Суммарная ошибка определения координат объекта может быть определена по формуле E2[KГ О] = E2 [XГ О] + E2[hГ О] + E2[YГ О].

(3)

В столбцах «Измеряемые параметры» табл. 1 числами обозначены ячейки, которые задействованы в расчётах алгоритма помещенного в строку, а цифра в ней означает порядковое число использования данного параметра. Это число суммируется по столбцу. Анализ табл. 1 показывает, что при организации измерений дальномерно-пеленгационным способом, различное число алгоритмов составляет 6!/[3!(6 – 3)!] = 20 единиц. Точность положения объекта при использовании всех указанных алгоритмов повысится в 20 раз по дисперсии и в 20 раз по величине срединной ошибки по сравнению с отдельно взятым алгоритмом. Алгоритмы № 2 и 3 представляют собой «чисто» пеленгационный метод, так как при вычислениях используются только углы и не используются расстояния. Все показанные алгоритмы могут использоваться дважды. Алгоритм № 1 не требует наличия второго измерительного пункта и сводится к вычислениям по зависимостям (1). Остальные алгоритмы используют параметры, зарегистрированные обязательно на двух разных измерительных пунктах, таких методов насчитывается 18. Каждый регистрируемый параметр в двадцати представленных методах используется ровно по 10 раз. При отсутствии любого из регистрируемых параметров число методов сокра-

щается с 20 до 10 = 5!/[3!(5 – 3)!]. Однако положение объекта все же будет определено, но с меньшей точностью, которая снизится до величины 10 . При отсутствии измерений сразу двух параметров из шести число регистрируемых величин составит 4 единицы, а число используемых методов будет равно 4 = 4!/[3!(4 – 3)!]. Также возможным будет определить положение объекта и при трёх незарегистрированных параметрах, но в этом случае «рабочим» останется только один расчётный метод 3!/[3!(3 – 3)!] = 1. Дальнейшее уменьшение числа регистрируемых параметров не позволит однозначно позиционировать объект измерений. Все указанные способы имеют собственные формульные схемы решения, вытекающие из зависимостей аналитической геометрии. Однако эти схемы приходится обязательно усложнять логическими условиями для исключения неоднозначности решений, всегда присущих задачам на пересечение поверхностей второго порядка. При организации измерений c тремя измерительными пунктами и регистрации на каждом из них трёх параметров (α1; ε1; R1), (α2; ε2; R2) и (α3; ε3; R3) измерения с каждой пары приёмных пунктов могут быть обработаны методами, представленными в табл. 2. Кроме того, в общий перечень добавятся методы, использующие внешнетраекторную информацию с трёх различных измерительных пунктов. Такие методы называют трёхпунктными [3, 4]. Можно показать, что при этом общее количество двухпунктных методов расчёта увеличится в три раза, с 18 до 54, а число различных алгоритмов останется неизменным и составит 10 единиц. Количество методов, использующих информацию с одного измерительного пункта, увеличится с двух до трёх, а количество методов, использующих информацию со всех трёх измерительных пунктов, составит дополнительно 27 единиц. В общем случае при регистрации всех девяти параметров общее количество расчётных методов составит 9!/[3!(9 – 3)!] = 3 + 54 + 27 = 84 единицы. При этом количество различных алгоритмов увеличится с 10 до 20. Отдельные алгоритмы, представленные в табл. 1 и 2, защищены патентами Российской Федерации [6]. Рассмотрим порядок расчётов в соответствии с трёхпунктным методом № 20. Математически за дача формулируется следующим образом. 31

Вопросы оборонной техники Методы расчёта при организации измерений с трёх измерительных пунктов № п/п

Измеряемые параметры α1

ε1

α2

ε2

ε3

20 24

Алгоритм 13 21

Алгоритм 14 A1-E2-E3

Алгоритм 14

Алгоритм 16

Пересечение двух сфер и вертикальной плоскости

Алгоритм 16 Пересечение двух вертикальных конусов и сферы

Алгоритм 17

Трёхпунктный

Алгоритм 17

Алгоритм 18 E1-E2-E3

Пересечение трех вертикальных конусов Трёхпунктный

Алгоритм 19 E1-R2-R3

Пересечение двух сфер и вертикального конуса

Алгоритм 19

25 25

26 26

Алгоритм 16 A1-R2-R3

Алгоритм 17 E1-E2-R3

Алгоритм 15

Пересечение вертикальной плоскости, вертикального конуса и сферы

Алгоритм 15

27 23

Алгоритм 15 A1-E2-R3

Алгоритм 15 24

Пересечение двух вертикальных конусов и вертикальной плоскости

Алгоритм 15 22

Пересечение двух вертикальных плоскостей и сферы

Алгоритм 14 21

Алгоритм 13 A1-A2-R3

Пересечение двух вертикальных плоскостей и вертикального конуса

Алгоритм 13

21 23

Алгоритм 12 A1-A2-E3

Пересечение трех вертикальных плоскостей

Алгоритм 12

Алгоритм 11 A1-A2-A3

21 21

Геометрическая интерпретация задачи и классификация по количеству ИП

Алгоритм 12

Обозначение и номер алгоритма

α3 20

20 20

Таблица 2

Алгоритм 19 28

Алгоритм 20 R1-R2-R3

Пересечение трех сфер

теоретические основы, расчеты и проектирование Пусть известны географические координаты трёх измерительных пунктов ИП1 (XГ1; hГ1; YГ1), ИП2 (XГ2; hГ2; YГ2), ИП3 (XГ3; hГ3; YГ3), с каждого из которых измерена дальность до объекта R1, R2, R3 соответственно. Необходимо найти географические координаты объекта (XГ О; hГ О; YГ О) (рис. 2). Геометрически данная задача представляет собой поиск общих точек трёх сфер с центрами в измерительных пунктах. Такая задача в литературе носит название трилатерации [7]. В некоторых литературных источниках [3, 8] попытки решить задачу пересечения трех сфер в конечном итоге сводятся к решению системы трех линейных алгебраических уравнений вида

( X Г 1 − X Г 2 )x + (YГ 1 − YГ 2 )y + (Z Г 1 − Z Г 2 )z = 

 1 2 2 2 2  = (R2 − R1 +  2 −  1 );  2 ( X Г 1 − X Г 3 )x + (YГ 1 − YГ 3 )y + (Z Г 1 − Z Г 3 )z =    1 2 2 2 2 = (R3 − R1 +  3 −  1 );  2  ( X Г 2 − X Г 3 )x + (YГ 2 − YГ 3 )y + (Z Г 2 − Z Г 3 )z =  1  = (R32 − R22 +  23 −  22 ),  2 2 i

2 Гi

где  = Х + Y + Z . Однако анализ данной системы показывает, что уравнения, входящие в неё, не являются линейно независимыми, так как третье из них можно получить, вычитая первое из второго. Поэтому определитель матрицы свободных членов всегда будет равен нулю, а система не будет иметь решения. Данное обстоятельство заставляет искать иные пути решения задачи пересечения трех сфер.

Две сферы пересекаются по окружности, центр которой С12 лежит на отрезке, соединяющем центры сфер С1 и С2. Расстояние между центрами сфер обозначим d12, а длины отрезков С1С12 и С2С12 через d12χ и d12(1 – χ) соответственно, при этом

d1 2 =

( X Г 2 − X Г 1 )2 + (hГ 2 − hГ 1 )2 + (YГ 2 − YГ 1 )2 .(4)

Из рис. 3 следует, что у прямоугольных треугольников ОС12С1 и ОС12С2 высота h = ОС12 общая, поэтому справедливо равенство R12 − d122χ 2 = R22 − d122 (1 − χ ) = 2

= R22 − d122 + 2χd122 − χ 2 d122 ,

(5)

поэтому R12 − R22 + d122 = 2χd122 ,

(6)

1  R12 − R22  + 1 . 2  d122 

(7)

откуда χ=

Таким образом был рассмотрен первый случай, когда объект находится между центрами сфер (рис. 3, а). Во втором случае, когда объект расположен по одну сторону от центров окружностей Окр1 и Окр2 (рис. 3, б), справедливо выражение R12 − d122χ 2 = R22 − d122 (1 − χ ) = 2

= R22 − d122 + 2χd122 − χ 2 d122 ,

(8)

которое совпадает с (5). Так как последнее выражение справедливо для любой координаты, то координаты точки С12 будут равны [9] X Г С1 2 = X Г 1 + χ( X Г 2 − X Г 1 );  hГ С1 2 = hГ 1 + χ(hГ 2 − hГ 1 );   YГ С1 2 = YГ 1 + χ(YГ 2 − YГ 1 ). 

Рис. 2. Схема алгоритма № 20 R1-R2-R3

(9)

Уравнение плоскости, проходящей чрез точку С12 и перпендикулярной вектору С1С2 , будет иметь вид 33

Вопросы оборонной техники

а б Рис. 3. Схемы возможных положений объекта измерений относительно центров сфер: а — объект между центрами сфер; б — объект вне центров сфер

или

(x − X Г С1 2 )( X Г 2 − X Г 1 ) / d1 2 + + (h − hГ С1 2 )(hГ 2 − hГ 1 ) / d1 2 + + ( y − YГ С1 2 )(YГ 2 − YГ 1 ) / d1 2 = 0

(10)

А1 2 X + B1 2h + C1 2Y + D1 2 = 0 ,

(11)

D1 3 = − Х Г C1 3 ( Х Г 3 − Х Г 1 ) / d1 3 −

− hГ C1 3 (hГ 3 − hГ 1 ) / d1 3 − YГ C1 3 (YГ 3 − YГ 1 ) / d1 3 = = − Х Г C1 3 А1 3 − hГ C1 3В1 3 − YГ C1 3С1 3; X Г С1 3 = X Г 1 + χ1 3 ( X Г 3 − X Г 1 ) ;

где А1 2 = ( Х Г 2 − Х Г 1 ) / d1 2 ; В1 2 = (hГ 2 − hГ 1 ) / d1 2 ; С1 2 = (YГ 2 − YГ 1 ) / d1 2 — координаты нормали к плоскости; D1 2 = − Х Г C1 2 ( Х Г 2 − Х Г 1 ) / d1 2 −

= − Х Г C1 2 А1 2 − hГ C1 2В1 2 − YГ C1 2С1 2 . При вычислении координат единичного вектора (A12; B12; C12) можно не делить его составляющие на d12, при этом в теории результат останется неизменным. Однако при больших величинах A12; B12; C12 могут появляться ошибки, обусловленные наличием в расчётах бесконечно больших и бесконечно малых величин. Рассуждая аналогично, можно утверждать, что уравнение плоскости, образованной пересечением сфер 1 и 3 имеет вид (12)

где А1 3 = ( Х Г 3 − Х Г 1 ) / d1 3 ; В1 3 = (hГ 3 − hГ 1 ) / d1 3 ; С1 3 = (YГ 3 − YГ 1 ) / d1 3 — координаты нормали к плоскости; 34

YГ С1 3 = YГ 1 + χ1 3 (YГ 3 − YГ 1 ) ; d1 3 =

− hГ C1 2 (hГ 2 − hГ 1 ) / d1 2 − YГ C1 2 (YГ 2 − YГ 1 ) / d1 2 =

А1 3 X + B1 3h + C1 3Y + D1 3 = 0 ,

hГ С1 3 = hГ 1 + χ1 3 (hГ 3 − hГ 1 ) ;

( X Г 3 − X Г 1 )2 + (hГ 3 − hГ 1 )2 + (YГ 3 − YГ 1 )2 ; χ1 3 =

1  R12 − R32  + 1 . 2  d123 

Плоскости (12) и (13) пересекаются по некоторой прямой m, которую можно найти, решая систему уравнений А1 2 X + B1 2h + C1 2Y + D1 2 = 0;  А1 3 X + B1 3h + C1 3Y + D1 3 = 0. 

(13)

Данной системе уравнений удовлетворяют все точки, принадлежащие прямой m, в том числе и некоторая произвольная точка М, имеющая ординату Y = YCP = (YГ 1 + YГ 2 + YГ 3)/3. В общем случае можно выбрать любую ординату, но, чтобы не иметь при вычислениях числа большой размерности, целесообразно использовать значение наиболее близкое к ординате объекта. В этом случае система (10) будет иметь вид

теоретические основы, расчеты и проектирование А1 2 X + B1 2h + C1 2YСР + D1 2 = 0;  А1 3 X + B1 3h + C1 3YСР + D1 3 = 0. 

( X M + kmX − X Г 1 )2 + (hM + kmh − hГ 1 )2 +

(14)

+ (YM + kmY − YГ 1 ) = R12 . 2

откуда

Раскрывая скобки, получим

Х М = [− (С1 2YCP + D1 2 )B1 3 + (С1 3YCP + D1 3 )B1 2 ] /   / ( А1 2B1 3 − А1 3B1 2 );   hМ = [− (С1 3YCP + D1 3 ) A1 2 + (С1 2YCP + D1 2 ) A1 3 ] /  (15)  / ( А1 2B1 3 − А1 3B1 2 );   YМ = (YГ 1 + YГ 2 + YГ 3 ) / 3.

Направление прямой m можно найти из векторного произведения нормалей плоскостей (12) и (13) i   N1 2 × N1 3 = A1 2 A1 3

j k B1 2 C1 2 = B1 3 C1 3

(16)

где N12(A12; B12; C12), N13(A13; B13; C13) — нормали к плоскостям (12) и (13) соответственно. Таким образом, каноническое уравнение прямой m будет иметь вид x − XM h − hM = = B1 2C1 3 − B1 3C1 2 C1 2 A1 3 − C1 3 A1 2 Y − YM = =k A1 2B1 3 − A1 3B1 2 x − X M h − hM y − YM = = =k, mX mh mY

(17)

будем иметь

+ 2k [m X ( X M − X Г 1 ) + mh (hM − hГ 1 ) + mY (YM − hГ 1 )] + (21)

[

]

+ ( X M − X Г 1 ) + (hM − hГ 1 ) + (YM − hГ 1 ) − R12 = 0. 2

Решая полученное квадратное уравнение относительно параметра k, будем иметь Д /4=

= [m X ( X M − X Г 1 ) + mh (hM − hГ 1 ) + mY (YM − hГ 1 )] − 2

− (m X2 + mh2 + mY2 )×

(22)

]

× ( X M − X Г 1 ) + (hM − hГ 1 ) + (YM − hГ 1 ) − R12 , 2

откуда  m X (xM − X Г 1 ) + mh (hM − hГ 1 ) +   k1,2 = −   /  + mY (YM − YГ 1 ) ± 1 4 Д   2 2 2 / (m X + mh + mY );  m X ( X M − X Г 1 ) + mh (hM − hГ 1 ) +  k1,2 = −  ±  + mY (YM − hГ 1 )  / (m X2 + mh2 + mY2 ).

 Д / 4 / 

(23)

Окончательно координаты объекта можно найти из выражения (18) (18)

где m X = B1 2C1 3 − B1 3C1 2 ; mh = C1 2 A1 3 − C1 3 A1 2 ; mY = A1 2B1 3 − A1 3B1 2 — координаты направляющего вектора прямой m; k — параметр. Подставляя полученное уравнение прямой m в уравнение первой сферы

(x − X Г 1 )2 + (h − hГ 1 )2 + ( y − YГ 1 )2 = R12 ,

k 2 (m X2 + mh2 + mY2 ) +

[

= ( B1 2C1 3 − B1 3C1 2 ; C1 2 A1 3 − C1 3 A1 2 ; A1 2B1 3 − A1 3B1 2 ),

или

(20)

(19)

Х Г О 1,2 = Х М + k1,2 ( B1 2C1 3 − B1 3C1 2 );  hГ О 1,2 = hМ + k1,2 (C1 2 A1 3 − C1 3 A1 2 );   YГ О 1,2 = YМ + k1,2 ( A1 2B1 3 − A1 3B1 2 ). 

(24)

В общем случае общих точек у прямой и сферы может не быть совсем, а при их наличии — одна или две. Выбор нужной из них может быть произведен по степени близости к приближённому решению. Исходными данными для расчётов в рассматриваемом способе являются n = 12 величин: arg{(XГ1; hГ1; YГ1), (XГ2; hГ2; YГ2), (XГ3; hГ3; YГ3), (R1; R2; R3)}, а решением — три величины (XГ О; hГ О; YГ О). Так как искомые величины коор35

Вопросы оборонной техники динат объекта зависят от одних и тех же величин arg, то по отношению друг к другу (XГ О; hГ О; YГ О) будут являться зависимыми. Корреляционный момент КXY можно найти по формуле [10] n  ∂f  ∂f  К XY = ∑  X  Y  D[argi ] + i =1  ∂argi  ∂argi  n  ∂f  ∂f  + ∑  X  Y  K ij( arg ) , i ≠ j  ∂argi  ∂arg j 

D[ X ГО ]

(25)

 ∂f  ∂f  ∑  ∂argX  ∂argh  D[argi ] i =1  i  i 

n =1 2

D[hГО ]

Так как итоговая зависимость результатов расчётов от аргументов достаточно сложна, то для оценки точности координат целесообразно использовать метод линеаризации. В условиях рассматриваемого способа срединную ошибку координаты XГ О можно найти по следующей зависимости 2

 ∂f   ∂f   ∂f  E [Х Г О ] =  X E[R1 ] +  X E[R2 ] +  X E[R3 ] ∂ R ∂ R ∂ R  1   2   3 

,(27)

где E[XГ О] — срединная ошибка определения координаты ХГ О объекта; ∂fX/∂R1 — частная производная координаты ХГ О по дальности до объекта с первого измерительного пункта. Она показывает, насколько изменится расчетное значение ХГ О при изменении R1 на единицу; E[R1], E[R2], E[R3] — срединные ошибки измерений углов места и дальности до объекта с измерительных пунктов. Аналитические зависимости для расчёта срединных ошибок координат hГ О и YГ О имеют вид, аналогичный (27)   E [hГ О ] =     E [YГ О ] = 

где D[argi] — дисперсии величин исходных данных (i = 1…n); К ij( arg ) — парные корреляционные моменты величин исходных данных. Два других корреляционных момента КXh и КhY можно найти по аналогичным зависимостям. Поскольку измерения углов места с разных измерительных пунктов независимы, то К ij( arg ) = 0, а второе слагаемое в последней формуле можно отбросить. Тогда корреляционная матрица системы случайных величин (XГ О; hГ О; YГ О) будет иметь вид

 ∂f h   ∂f h   ∂f h   ∂R E[R1 ] +  ∂R E[R2 ] +  ∂ε E[R3 ] ;  1   2   3   ∂f Y   ∂f   ∂f  E[R1 ] +  Y E[R2 ] +  Y E[R3 ] .  ∂ R ∂ R ∂ R  1   2   3 

(28)

 ∂f

 ∂f Y  i =1  i  ∂argi n =1 2  ∂f  ∂f ∑  ∂argh  ∂argY i =1  i  i D[YГО ] n =1 2

∑  ∂argX

  D[argi ]    D[argi ] . 

(26)

По этой же причине частные производные, входящие в выражения (25)–(28), целесообразно определять по формулам численного дифференцирования по трём точкам f ( R + ∆R ; R2 ; R3 ) − f X ( R1 − ∆R ; R2 ; R3 ) ∂f X = X 1 (29) ∂R1 2∆R

или по двум точкам f ( R + ∆R ; R2 ; R3 ) − f X ( R1 ; R2 ; R3 ) ∂f X . (30) = X 1 ∂R1 ∆R Другие частные производные ∂fX/∂R1, ∂fX/∂R2 …, ∂fY/∂R3 целесообразно определять по аналогичным зависимостям. Данные зависимости справедливы при условии, что координаты всех измерительных пунктов известны с нулевыми ошибками. При наличии таких ошибок суммирование под знаком квадратного корня необходимо дополнительно распространить на сумму квадратов всех произведений частных производных соответствующих координат объекта по координатам измерительных пунктов на срединные ошибки координат измерительных пунктов. Сравнительный анализ точности позиционирования объектов, координаты которого вычислены способами № 1 и 20 показан на рис. 4. Исходными

теоретические основы, расчеты и проектирование

а б Рис. 4. Линии равных ошибок позиционирования объектов: а — способ № 1; б — способ № 20

данными для расчетов были приняты следующие: ХГ 1 = 87360; hГ 1 = 150; YГ 1 = 22010; ХГ 2 = 88100; hГ 2 = 200; YГ 2 = 19880; ХГ 3 = 84000; hГ 3 = 180; YГ 3 = 1900, район засечки ХГ Р = 84000…88000; YГ Р = 18000…23000, высота засечки — hГ Р = 1000. Ошибки позиционирования измерительных пунктов и ошибки измерений расстояний E[XГ ИП] = E[YГ ИП] = 1 м; E[hГ ИП] = 3 м; E[R] = 7 м. Вычислялись суммарные ошибки E[KГ О] по трем координатам и средняя срединная ошибка для заданного района, которые составили 8,0 и 28,4 м соответственно. Такие результаты в качественном виде можно было предположить априори, так как при реализации способа № 1 используется только шесть исходных величин против 12 в способе № 20. Каждая из них увеличивает суммарную ошибку координат объекта. В этой связи возникает вопрос, зачем нужны новые менее точные методы? Необходимость разработки подобных алгоритмов обусловлена наличием ошибок измерений регистрируемых параметров, которые в конечном итоге приводят к ошибкам позиционирования объектов. Наличие бóльшего числа различных расчётных методов позволяет уменьшить дисперсии координат объектов пропорционально их количеству. Кроме того, выбор суммарного среднего квадратического отклонения координат объектов в качестве целевой функции позволяет решать задачи оптимизации размещения измерительных пунктов на местности, в результате чего точность позиционирования дополнительно увеличивается на величину от десятков до сотен процентов.

Таким образом, для повышения точности и надежности внешнетраекторных измерений целесообразно строить измерительные схемы с двумя и более измерительными пунктами. В случае использования двух измерительных пунктов число различных расчётных алгоритмов составляет 10 единиц, а общее количество методов обработки — 20. В случае использования трёх измерительных пунктов число различных расчётных алгоритмов составляет 20 единиц, а общее количество методов обработки — 84. При дальнейшем увеличении числа измерительных пунктов N количество алгоритмов не изменяется, а число расчётных методов увеличивается в соответствии с зависимостью 3N!/[3!(3N – 3)!]. Расчёты показывают, что разности истинных и вычисленных по полученным зависимостям координат объектов, имеют нулевые математические ожидания, но различные средние квадратические отклонения. Величины данных отклонений зависят от количества измерительных пунктов, точности их географических координат, расположения относительно объекта измерений и друг друга, а также от точности регистрируемых параметров на каждом из них. Литература 1. Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И. Всё о GPS-навигаторах // Справоч ник. — М.: Издательство НТ Пресс. 2005. 392 с. 2. Гетман Г. Высоко ли погас болид? // Квант. 1992. № 4. С. 35–37. 3. Ветров В.В., Клочков В.Д., Осин А.И и др. Методы и средства измерения эксперименталь ной баллистики // Учебное пособие. — Тула: Из дательство ТулГУ. 2005. 323 с. 37

Вопросы оборонной техники 4. Беляева С.Д., Монченко Н.М., Паршин Ж.П. Практические приложения теории движения снаряда относительно центра масс. — М.: Издательство МО СССР. 1989. 120 с. 5. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения // Учебное пособие. 3 изд. — М.: Издательский центр «Академия». 2003. 464 с. 6. Патент РФ на изобретение № 2601494, 20.04.2015. Шишков С.В. Способ определения координат летательных аппаратов на основе использования двух дирекционных углов и одного угла места // Патент России, 10.11.2016. Бюл. № 31. 7. Образовательный математический сайт. Ре жим доступа: http://www.exponenta.ru. 8. Дмитриевский А.А., Казаковцев В.П., Усти нов В.Ф. и др. Движение ракет. Введение в теорию полёта ракет. — М.: ВИ МО. 1968. 464 с. 9. Пискунов Н.С. Дифференциальное и интегральное исчисления. Т. 1. Издание 11. — М.: Издательство «Наука». 1976. 456 с. 10. Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Задачи и упражнения по теории вероятностей // Учеб. пособие. 5 е изд. — М.: Издательский центр «Академия». 2004. 440 с. References 1. Naiman V.S., Samoylov A.E., Ilyin N.R, Sheynis A.I. All about GPS. Guidebook. — M.: Publishing office NT press. 2005. 392 p.

2. Getman G. Has the bolide extinguished high? // Quant. 1992. № 4. Р. 35–37. 3. Vetrov V.V., Klochkov V.D. Osin A.I. and others; methods and measuring tools of experimental ballistics, educational book. — Tula: Publishing office TulGU. 2005. 323 p. 4. Belyaeva S.D., Monchenko N.M., Parshin ZH.P. Practical appendix of the theory projectile movement missile comparatively axis of mass. –— M.: Publisher MO USSR. 1989. 120 p. 5. Ventsel E.S., Ovcharov L.A. Theory of probability and its engineering applications. Guidebook. 3rd edition. — M.: Publishing house «Akademiya». 2003. 464 p. 6. Russian Federation’s patent for the invention № 2601494, 20.04.2015. Shishkov S.V. The way to determinate coordinates of flying machines which is founded on using two directional angles and one angle of sight // Patent of Russia, 10.11.2016. Bul. № 31.7. 7. Educational mathematical website. Access mode: http://www.exponenta.ru 8. Dmitriyevsky A.A. and others; rocket motion. Introduction to the theory of the rocket flight. — M.: VI MO. 1968. 464 p. 9. Piskunov N.S. Differential and integral calculus. Volume 1. Edition 11. — M.: Publishing house «Nauka». 1976. 456 p. 10. Ventcel E.S., Ovcharov L.A. Tasks and exer cises of the theory of probability. Training aids. 5th edition. — M.: Publishing center «Academy». 2004. 440 p.

теоретические основы, расчеты и проектирование

УДК: 623.445

Компьютерное моделирование механического действия воздушной ударной волны на бронешлем и объект защиты Computer modeling of mechanical action of the shock wave of explosion on the helmet and the simulator of the head И.Е. Жуков1, А.В. Миляев1, канд. техн. наук А.А. Котосов2 I.E. Zhukov, A.V. Milyaev, PhD A.A. Kotosov ООО «Специальная и медицинская техника», Филиал ВА МТО им. генерала армии А.В. Хрулева г. Пенза 1

Показано содержание компьютерного моделирования процесса импульсного силового нагружения бронешлема и объекта защиты ударной волной взрыва для прогнозирования тяжести травмы головы. При этом реализован способ оценки травмобезопасности бронешлема, ранее успешно применявшийся для оценки ударостойкости бронешлема, при условии его непробития поражающим элементом боеприпаса, базовой частью которого являлось сравнение кривых перегрузки и внутриполостного давления баллистического имитатора головы экипированного штатным и перспективным бронешлемом. Ключевые слова: компьютерное моделирование, ударная волна взрыва, шлем, ременное подтулейное устройство, баллистический имитатор головы, кривая перегрузки, кривая внутриполостного давления. Content of computer modeling of process of pulse loading of the helmet and the simulator of the head by the shock wave of explosion for forecasting of weight of the injury is shown. At the same time the way of the assessment of injury prevention of the helmet which was earlier successfully applied to the assessment of shock resistance of the helmet on condition of lack of its perforation is implemented by the striking ammunition element. As criteria of injury prevention of the helmet it is offered to use comparison of curves of the overload and intracavitary pressure of the ballistic simulator of the head equipped with the regular and perspective helmet. Keywords: сomputer modeling, shock wave of explosion, helmet, sling device of the helmet, ballistic simulator of the head, overload curve, curve of intracavitary pressure.

Компьютерное моделирование процесса им пульсного силового нагружения бронешлема и объекта защиты ударной волной взрыва для прог нозирования тяжести травмы головы было выполнено на вычислительной базе и с использованием программы LS-DYNA (пакета автоматизированного инженерного анализа [1, 2]) Пензенского государственного университета.

В ходе компьютерного моделирования были разработаны компьютерные модели: баллистического имитатора головы (а), общевойскового бронешлема (б) с ременным подтулейным устройством (в). Перечисленные компьютерные модели показаны на рис. 1. Основой создания компьютерных моделей явились: 39

Вопросы оборонной техники

б Рис. 1. Разработанные компьютерные модели

– упрощённая трёхмерная геометрическая модель баллистического имитатора головы ООО «Специальная и медицинская техника» [3], записанная в формате программы KOMПAC-3D, V15; – трехмерные геометрические модели бро нешлема, полученные сканированием на 3D-прин тере Artec 3D; – результаты измерения размеров ремней под тулейных устройств бронешлема. Характеристики механических свойств материалов рассматриваемой механической системы БИГ, представлены в табл. 1. Параметры модели композиционного материала бронешлема были заимствованы из работ [4, 5]. При построении компьютерной модели были приняты следующие допущения: – заряд взрывчатого вещества располагается достаточно далеко от баллистического имитатора головы баллистического имитатора головы (БИГ), чтобы считать, что взрывное воздействие ограничивается только действием воздушной ударной волны; – воздействие воздушной ударной волны на элементы конструкции рассчитывалось с помощью стандартной функции Conwep [6];

– процесс деформирования конструкции при взрывном и ударном нагружениях считался изотермическим; – сопротивление воздуха движению всех эле ментов системы принималось пренебрежимо малым; – считалось, что силы тяжести, действующие на элементы конструкции, не оказывают существенного влияния на характер движения и деформирования элементов конструкции; – в начальный момент времени все элементы баллистического имитатора головы, бронешлема и подтулейного устройства находятся в неподвижном состоянии, внутренние напряжения в них отсутствуют. Основой для построения конечно-элементных сеток являлись ранее указанные геометрические модели. Размер конечных элементов не превышал 5,2 мм. Краткая характеристика конечно-элементных моделей элементов, входящих в рассматриваемую систему «бронешлем–подтулейное устройство–объект защиты», приведена в табл. 2. Перечень используемых моделей материалов и уравнений состояния приведён в табл. 3. В таблице использованы следующие обозначения моделей

Характеристики физико-механических свойств материалов моделей Характеристика

Значение

Полиуретан марки PMC-780

Характеристика

Таблица 1 Значение

Техническая вода

Плотность ρ , г/см3

1,256*

Плотность ρ , г/см3

0,983*

Модуль Юнга E, МПа

14,99

Динамическая вязкость η, Па·с

Коэффициент Пуассона

0,4988

Модуль сдвига, Гпа

0,0047

Модуль сдвига, ГПа

51,1

Модуль объёмного сжатия, ГПа

1,944

Модуль Юнга Е, ГПа

115

Биметалл 3

Примечание: * Заимствовано из базы данных программы ANSYS/Workbench.

0,00179

теоретические основы, расчеты и проектирование Таблица 2

Краткая характеристика конечно-элементных сеток Наименование части

Количество элементов

Баллистический имитатор головы БИГ

329117

Бронешлем (оболочка)

4088

Подтулейное устройство

2286 Таблица 3

Перечень используемых моделей материалов и уравнений состояния № п/п

Наименование части

Модель материала

Уравнение состояния

Корпус БИГ

–

Внутрикорпусная жидкость

Бронешлем (оболочка)

#22

–

Ремни подтулейного устройства

#34, #B01

–

Опора

#S01

–

материалов: #1 — модель упругого материала; #22 — модель композиционного материала; #34 — модель тканого материала; #B01 — модель ремня безопасности; #S01 — модель упругой пружины. В таблице использованы следующие обозначения уравнений состояния: #4 — МиГрюнайзена. Подробное описание используемых материалов, уравнений состояний, начальных и граничных условий приведено в работе [5, 7]. При создании компьютерной модели счи талось, что взрыв является воздушным. Моде лирование механического действия воздушной ударной волны на бронешлем и объект защиты было реализовано для взрыва тринитротолуола заданной массы и на задаваемом расстоянии, значения которых представлены в табл. 4. Для наглядности в этой же таблице представлены результаты расчёта пикового значения избыточного давления в проходящей воздушной ударной волне (ВУВ) по зависимости pmax = p0 2  Z   8081 +      4 ,5   , = 2   Z 2    Z 2    Z   1 + 1 +    1 + 1 +    1 + 1 +      0 ,32     1,35     0 ,048  

(1)

где Z =

; W d — расстояние до цели; W — масса ВВ. И расчёт пикового значения избыточного давления во фронте отражённой ВУВ по зависимости 3

p r = 2 p max

7 p0 + 4 p max . 7 p0 + p max

(2)

Сопоставление параметров проходящей воздушной ударной волны (тесты — 2,4,5 и 6,7,8 табл. 4) с нормированными кривыми Боуэна [8] показано на рис. 2. Это позволяет говорить о том, что ВУВ с параметрами, реализуемыми в тестах 2 и 6 второй серии, соответствуют порогу повреждения лёгкого. В тестах 4 и 7 — 99% выживанию травмированных военнослужащих и в 5, 8 тестах — 50% уровню летальных исходов. Процесс взаимодействия ударной волны с нефиксированным телом (БИГ) подразделяется на две последовательные фазы: дифракции и квазистационарного обтекания. Первая фаза занимает интервал времени от соприкосновения фронта волны с объектом защиты (БИГ) до момента, когда она обтечёт его полностью. В её начальный момент на поверхности, 41

Вопросы оборонной техники Параметры проходящей и отражённой воздушной ударной волны воздействующей на бронешлем и объект защиты (БИГ) № п.п.

Вероятность выживания, %

Масса ТНТ, кг

Расстояние до цели, м

Избыточное давление в проходящей УВ, кПа

Время фазы сжатия, мс

Таблица 4

Избыточное давление во фронте ВУВ, кПа (1)

(2)

Первая серия тестов 1

–

0,3

2,0

140

1,70

145

–

0,3

2,0

140

1,70

145

–

Вторая серия тестов 1

порог

1,02

2,0

200

2,13

208

703

порог

1,02

2,0

200

2,13

208

703

1,69

1,6

500

2,07

516

2046

2,09

1,5

700

2,08

700

2501

порог

36,8

9,0

125

8,21

102

281

161,8

9,0

300

10,51

319

1238

231,5

9,0

400

11,15

420

1690

Примечание: Вероятность выживания или летального исхода соответствует значениям параметров ВУВ, взятым на модифицированных кривых Боуэна. Во 2-м тесте первой и 1-м тесте второй серий имитатор БИГ был экипирован общевойсковым бронешлемом.

Рис. 2. Модифицированные кривые Боуэна для (выживания) человека в свободном поле, когда продольная ось тела перпендикулярна направлению распространения ударной волны. Пунктирные линии показывают оригинальные данные (сплошные — адаптированные [9, 10]), нижняя линия — порог повреждения лёгких

обращённой к взрыву, возникает скачок уплотнения (ΔРотр), в 2…5 и более раз превышающее избыточное давление во фронте проходящей ударной волны. В результате его действия объект защиты испытывает тотальный лобовой и касательные удары и сотрясение в целом. В связи с тем, что частотный 42

спектр ударной волны характеризуется преобладанием высоких частот, она сравнительно легко проникает через низкочастотную систему БИГ, создавая в нём сложную систему продольных, поперечных и поверхностных волн, распространяющихся со скоростью, близкой к скорости звука в среде данной

теоретические основы, расчеты и проектирование плотности. Продолжительность фазы дифракции определяется размерами объекта защиты, учитывая сверхзвуковую скорость ударной волны, она ничтожно мала (десятые доли мс). Однако нагрузки, испытываемые объектом защиты в эту фазу, весьма велики, поскольку определяются величиной давления отражения. Период квазистационарного обтекания, занимающий почти всю положительную фазу волны (τ+), представляет собой в десятки-сотни раз более длительный и поэтому более стабильный процесс. В этот период объект защиты подвергается преимущественному воздействию динамического напора. При этом передняя поверхность имитатора испытывает давление, равное сумме давления отражения (ΔРотр) и скоростного напора (ΔРсн), боковые — ΔР (проходящей УВ), а тыльная — ещё меньшее давление. Разница давлений рождает боковую смещающую силу, параллельную плоскости земли и направленную от центра взрыва.

Одновременно в процессе «обдувания» объекта защиты потоком сжатого воздуха разрежение последнего над объектом становится выше, чем под ним, вследствие чего образуется подъёмная сила, направленная вверх. Совместное действие подъёмной и боковой внешних сил динамического напора вызывает перемещение объекта защиты. Анализ результатов компьютерного моделирования показал, что бронешлем защищает поверхность БИГ от непосредственного действия ВУВ. Для фронтальной ориентации снижение среднего пикового давления ударной волны взрыва на поверхности макета головы минимально и составило около 15%. Это можно объяснить тем, что раскрой (конструкция оболочки) бронешлема не покрывает лоб полностью, в отличие от покрытия бронешлемом затылка и боковой области головы. Одновременно наблюдается увеличение давления под бронешлемом с ременным подтулейным устройством на противоположной стороне от ин-

б Рис. 3. Функция результирующего ускорения и внутриполостного давления БИГ от времени протекания процесса (тест 8, вторая серия) при взрыве 231,5 кг ТНТ на расстоянии 9 м: а — ускорение БИГ до фильтра Баттерворта и после; б — внутриполостное давление в БИГ до и после фильтра

Вопросы оборонной техники

Рис. 4. Сопоставление кривых перегрузки и внутриполостного давления, которые были получены в результате вычислительного и натурного экспериментов (ae или ре — эксперимент, as или рs — расчёт)

цидента взрыва. Это происходит из-за эффекта затекания ВУВ в пространство между имитатором головы и бронешлемом. Причём ударная волна, двигающаяся в подпространстве «имитатор–бронешлем» должна обтекать поверхность головы в купольной и тыльной зоне шлема, которые имеют большую площадь защиты и высоту, чем лобная зона. Поэтому при фронтальной ориентации ударная волна, пересекающая область шеи, и ударная волна взрыва, проходящая за пределами шлема, после воссоединения охватывают подпространство между имитатором и бронешлемом и (из-за геометрических эффектов) вызывают в нём (подпространстве) более высокое давление. При воздействии на БИГ экипированной бронешлемом УВ во время 1-го теста второй серии максимальное (пиковое) поверхностное давление превысило максимальное поверхностное давление, зарегистрированное на имитаторе без бронешлема на 36%. Результаты воздействия на БИГ ВУВ на примере 8-го теста второй серии в виде функции ускорения (мм/мс2) объекта защиты и изменения внутриполостного давления (кПа) представлены на рис. 3. Верификация модели баллистического имитатора головы была осуществлена на основе результатов физических тестов путем сопоставления значений физических величин, полученных экспериментально и в результате компьютерного моделирования. Пример построения кривой перегрузки и кривой внутриполостного давления (сжатия) и сравнение их с аналогичными кривы44

ми, полученными в результате натурных испытаний [7], показан на рис. 4. Условия взрывного воздействия соответствовали 1-му тесту первой серии и условию эксперимента по воздействию на имитатор БИГ воздушной ударной волны с величиной избыточного давления 102,7 ± 5,6 кПа и скоростью фронта 450 м/с. Таким образом, показана состоятельность компьютерного моделирования процесса импульсного силового нагружения бронешлема и объекта защиты ударной волной взрыва для прогнозирования тяжести травмы головы. При этом реализован способ оценки травмобезопасности бронешлема, ранее успешно применявшийся для оценки ударостойкости бронешлема, при условии его непробития поражающим элементом боеприпаса, базовой частью которого являлось сравнение кривых перегрузки и внутриполостного давления баллистического имитатора головы экипированного штатным и перспективным бронешлемом. Литература 1. LS-DYNA. Keyword User’s Manual. Volume II. August 2012 Version 971 R 6.1.0. Livermore Software Technology Corporation. — Livermore, CA. 2. Hallquist J.O. LS-DYNA Theory Manual. — Livermore: Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2006. 680 p. 3. Баллистический имитатор головы для определения защитных свойств шлемов / Жуков И.Е.,

теоретические основы, расчеты и проектирование Котосов А.А., Ковалёв Д. Ю., Миляев А.В. // Воп росы оборонной техники. Серия. 16. Вып. 3–4 (81–82). 2015. С. 50–55. 4. Magnus Aare, Svein Kleiven. Evaluation of head response to ballistic helmet impacts using the finite element method // International Journal of Impact Engineering, 34. 2007. 596–608 p. 5. Муйземнек А.Ю. Исследование сопротивления деформированию и разрушения дискретно-тканевых оболочек с двоякой положительной кривизной / А.Ю. Муйземнек // Вестник Пензенского государственного университета. 2016. № 2 (14). C. 96–102. 6. Martin Larcher. Simulation of the Effects of an Air Blast Wawe // European Commission, Joint Research Centre, Institute for the Protection and Security of the Citizen. 2007. 86 p. 7. Моделирование повреждений живой силы ударной волной / И.E. Жуков, А.А. Котосов, А.В. Миляев, А.В. Серов; под общ. ред. А.А. Кото сова — Пенза: филиал Военной академии материально-технического обеспечения. 2016. 250 с. 8. Bowen I.G., Fletcher, E.R., Richmond, D.R., «Estimate of man’s tolerance to the direct effects of air blast», Technical progress report no. DASA2113. Department of Defense, Defense Atomic Support Agency. Washington D.C. 1968. 9. Bas C.R. «Injury biomechanics of blast: known and unknown», DSRC Mitigation of blast injury: modeling and simulation workshop, DARPA — Defense Sciences Research Council. — Arlington. Virginia. April 2005. 10. M.M. van der Voort, K.B. Holm, P.O. Kum mer, J.A. Teland et al. (2016) A new standard for predicting lung injury inflicted by Friedlander blast waves. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 40. Р. 396–405. References 1. LS-DYNA Keyword User’s Manual. Volume I, II. — Livermore: LSТС. 2007. 2206 c.

2. Hallquist J.O. LS-DYNA Theory Manual. — Livermore: Livermore Software Technology Corporation (LSTC). 2006. 680 p. 3. Ballistic head Simulator to determine the protective properties of helmets / Zhukov I.E., Kotosov A.A., Kovalyov D.J., Milyaev A.V. // Questions of defence materiel. Scientific and technical journal. Series 16. number 3–4 (81–82). 2015. Р. 50–55. 4. Magnus Aare, Svein Kleiven. Evaluation of head response to ballistic helmet impacts using the finite element method // International Journal of Impact Engineering, 34. 2007. 596–608p. 5. Mujzemnek A.Y., Study on resistance to deformation and destruction of discrete layers of fabric with a twofold positive curvature /A.Y. Mujzemnek // Herald of the Penza State University. 2016. № 2 (14). C. 96–102. 6. Martin Larcher. Simulation of the Effects of an Air Blast Wawe // European Commission, Joint Research Centre, Institute for the Protection and Security of the Citizen. 2007. 86 p. 7. Modeling of damages of live force by a shock wave / I.E. Zhukov, A.A. Kotosov, A.V. Milyaev, A.V. Serov; under the general editorship of А.А. Ko tosov. — Penza: Branch of the Military Academy of Material and Technical Support. 2016. 250 p. 8. Bowen, I.G., Fletcher, E.R., Richmond, D.R., «Estimate of man’s tolerance to the direct effects of air blast», Technical progress report no. DASA2113, Department of Defense, Defense Atomic Support Agency. Washington D.C., 1968. 9. Bass C.R. «Injury biomechanics of blast: known and unknown», DSRC Mitigation of blast injury: modeling and simulation workshop, DARPA — Defense Sciences Research Council. — Arlington. Virginia. April 2005. 10. M.M. van der Voort, K.B. Holm, P.O. Kum mer, J.A. Teland, et al. (2016) A new standard for predicting lung injury inflicted by Friedlander blast waves. Journal of Loss Prevention in the Process Industries, 40. Р. 396–405.

Вопросы оборонной техники

УДК: 531.3

Механика пространственной модели экзоскелета и антропоморфного робота Mechanics of the spatial model of exoscoket and anthropomorphous robots Канд. техн. наук А.В. Борисов PhD A.V. Borisov Филиал ФГБОУ ВО НИУ «МЭИ» г. Смоленск Разработан новый метод скоростного составления дифференциальных уравнений движения механических систем антропоморфной структуры с шарнирами и звеньями переменной длины. Они приближены к реальности, благодаря моделированию в трехмерном пространстве, и пригодны для непосредственной практической реализации, в отличие от двумерных моделей, которые не могут быть применены при создании реальных образцов. Предлагаемую модель можно использовать для создания военных экзоскелетов, антропоморфных роботов и для исследования опорно-двигательного аппарата человека. Ключевые слова: экзоскелет, антропоморфный робот, трехмерная модель, двумерная модель, человек, опорно-двигательный аппарат, звено, изменение длины, управление, усиление физических возможностей, система дифференциальных уравнений движения, численное исследование. A new method for the rapid compilation of differential equations of motion of mechanical systems of an anthropomorphic structure with hinges and links of variable length is developed. They are close to reality due to modeling in three-dimensional space and are suitable for immediate practical implementation, unlike two-dimensional models that can not be used to create real samples. The proposed model can be used to create military exoskeletons, anthropomorphic robots, and to study the human musculoskeletal system. Keywords: exoskeleton, anthropomorphic robot, three-dimensional model, two-dimensional model, human, musculoskeletal system, link, length change, control, enhancement of physical capabilities, system of differential equations of motion, numerical study.

Введение В будущих войнах предполагается вести боевые действия киберсолдатами. Во многих странах ведутся серьезные научные разработки по созданию боевых роботов и экзоскелетов. Наши теоретические разработки не только не уступают, но по некоторым направлениям находятся впереди зарубежных аналогов. Проблема — практическое построение таких моделей. В статье рассматривается трехмерная модель стержневой механической системы с шар46

нирами и звеньями переменной длины, в рамках которой могут быть описаны экзоскелеты, антропоморфные и манипуляционные роботы, исследованы биомеханические аспекты функционирования опорно-двигательного аппарата человека. Составление дифференциальных уравнений движения представляет значительные трудности при исследовании сложных механических систем с большим числом степеней свободы, каковыми являются пространственные антропоморфные структуры со звеньями переменной длины. Для шарнирных стержневых систем антропоморф-

теоретические основы, расчеты и проектирование ного типа, которые на практике могут быть реализованы в виде экзоскелетов и антропоморфных роботов, состоящих из длинных кинематических цепей, использование уравнений Лагранжа второго рода приводит к почти экспоненциальному росту объёма аналитических преобразований, необходимых для записи дифференциальных уравнений движения, в зависимости от количества звень ев [1]. Предлагается новый эффективный метод компьютерной записи дифференциальных уравнений движения на основании обобщения матриц коэффициентов и рекуррентных алгоритмов для пространственной модели стержневой механической системы антропоморфного типа на основании соответствующих матриц для плоской модели аналогичной структуры. Он легко программируется и может автоматизировать процесс синтеза моделей антропоморфных механизмов с различным количеством подвижных звеньев. В работе [2] была предложена модель автоматизации составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета, которые являлись приближенными. В [3] и [4] изложены точные модели экзоскелета. В [5] разработанные в предыдущих работах методы были применены к созданию модели экзоскелета с одиннадцатью звеньями переменной длины для моделирования всего опорно-двигательного аппарата человека. В научной литературе имеются обширные исследования двумерных моделей экзоскелетов и антропоморфных роботов [6–12]. Однако это — двумерные модели, и движение описывается на плоскости. Они имеют важное теоретическое значение, но непосредственно в практику не могут быть внедрены. Необходимы трехмерные модели, которые можно реализовать практически. Поэтому в работе [13] были обобщены результаты на пространственный случай приближенной модели экзоскелета. Данная статья является продолжением вышеуказанных работ [2–5, 13] на случай точной трехмерной модели без упрощающих предположений и с новым способом составления системы дифференциальных уравнений движения. Отличие данной работы от имеющихся [2–13] заключается еще и в том, что рассматривается трехмерная модель, в которой изменение длины звена является управлением для данной системы, наряду с управляющими моментами в

шарнирах-суставах. Кроме того, здесь рассматривается точная модель, в отличие от моделей, представленных в работах [2, 13], которые являлись приближенными. Имеются программные средства для моделирования антропоморфных систем [14–18] и многие другие, однако ограничение на их использование связано с тем, что уравнения, составленные программой, непригодны для анализа и записи, требуют от исследователя дополнительной интеллектуальной работы по их группировке и приведению к структурированному виду, а также с их ориентацией на численные расчеты инженерных конструкций и отсутствием возможности получения в аналитическом виде дифференциальных уравнений движения. Поэтому предложен новый эффективный, быстродействующий метод составления дифференциальных уравнений движения трехмерных антропоморфных стержневых моделей по соответствующим уравнениям двумерных моделей. Матричное представление дифференциальных уравнений движения, используемое в данной статье, рассматривается в работах [1–5, 9, 13, 19–21]. Результаты разработки модели иллюстрируются конкретным числовым примером. 1. Описание модели и постановка задачи Для иллюстрации разработанного метода получения системы дифференциальных уравнений движения трехмерной стержневой антропоморфной системы с шарнирами и звеньями переменной длины по соответствующим уравнениям двумерной модели необходимо рассмотреть модели одинаковой структуры на плоскости и в пространстве. Для определенности возьмем модель с пятью подвижными звеньями антропоморфной структуры. Рассмотрим модель с пятью подвижными звеньями переменной длины, состоящей из двух двухзвенных ног и корпуса (рис. 1). На рис. 1, а показана двумерная модель, на рис. 1, б — трехмерная и введены соответствующие системы координат, обозначения, способы отсчета углов. Модели состоят из двух двухзвенных ног и корпуса: A1 B1 = l1 (t ) — голень опорной ноги, B1C = l2 (t ) — бедро опорной ноги, CB2 = l3 (t ) — бедро переносимой ноги, B2 A2 = l4 (t ) — голень переноси47

Вопросы оборонной техники

а б Рис. 1. Плоская и пространственная модели экзоскелета с пятью подвижными звеньями переменной длины

мой ноги, CD = l5 (t ) — корпус. Длины стержней li (t ) (i = 1, ,5) являются дополнительными степенями свободы, т.е. обобщенными координатами. Длина звена l изменяется в результате действия сил на растяжение – сжатие вдоль стержня. Таким образом, плоская модель имеет десять степеней свободы (углы ϕi и длины звеньев li ), а пространственная — пятнадцать (углы ϕi , ψ i и длины звеньев li ). Введем двухиндексные обозначения: первый индекс — номер звена, второй — номер точечной массы на этом звене. Тогда, например, в точке A1 расположена масса m1 0 , в точке C1 — масса m1 1 , в точке B1 — масса m1 2 . Положение массы в точке C1 , не совпадающей с концами стержня, будем задавать с помощью постоянного множителя n1 1 (0 < n1 1 < 1) . Тогда длина A1С1 = n1 1l1 (t ) — функция времени, т.е. точечная масса, находящаяся на стержне между его концами, совершает сложное движение: вращательное вокруг нижней точки A1 и поступательное вдоль A1 B1 . Такое же движение совершает и точечная масса, расположенная в точке B1 . Таким образом, учитывается изменение положения массы во время движения звена при изменении его длины. Введем определение звена переменной длины с точки зрения теоретической механики применительно к задачам моделирования стержневыми си48

стемами опорно-двигательного аппарата человека, экзоскелета или антропоморфного робота. Под звеном переменной длины понимается часть механизма между шарнирами-суставами в виде прямолинейной, быть может, достаточно сложной механической управляемой конструкции, способной изменять свою длину вдоль направления между шарнирами-суставами, т.е. реализовывать растяжение–сжатие, но не подверженное деформациям изгиба и кручения, при этом представляющее единую динамическую систему в механизме. В реальности элементы скелета не прямые, а кривые. Сечения костей являются переменными, кроме того, кость внутри имеет сложную, многослойную структуру. Для моделирования будем выделять из кости среднюю линию и рассматривать экзоскелет из прямолинейных стержней, изменяющих свою длину с течением времени. Реальный сустав заменяем шарниром, в котором может создаваться необходимый управляющий момент. Проводим приближение биомеханических систем стержневыми системами с шарнирами. Моделирование опорно-двигательного аппарата человека имеет особенность, отличающую его от других механизмов: звенья соединяются не только последовательно, но и с ветвлением. Точка ветвления — точка механизма в виде шарнира, из которой выходит более одного звена или после

теоретические основы, расчеты и проектирование нее изменяется способ отсчета угла. Например, опорная нога и переносимая, корпус и руки. На рис. 1 это точка C . Были составлены системы дифференциальных уравнений движения для рассматриваемых моделей, которые в векторно-матричной форме имеют вид (1) для плоской модели и (2) — для пространственной. Нижние индексы у матриц указывают на описание соответствующей обобщенной координаты: κ = 1, 2 , где 1 соответствует обобщенной координате ϕ , 2 — обобщенной координате l .  + Λ κ (ϕ, l )l + Dκ (ϕ, l )Φ ϕ + Aκ (ϕ, l )ϕ  l + gP (ϕ) = M (ϕ, l ), + 2 H (ϕ, l )Φ κ

 + Bκ (ϕ, ψ , l )ψ  + Aκ (ϕ, ψ , l )ϕ + Λ (ϕ,ψ ,l )l + D (ϕ, ψ , l )Φ ϕ + κ

= M κ (ϕ, ψ , l ),

0 η2l2 S1 2    , Al =  0   − η2l1S1 2 где

где в дополнение к двумерной модели: ψ — вектор T угловых обобщенных координат ψ = (ψ1 , , ψ n ) ;  — вектор углоψ — вектор угловых скоростей; ψ  = diag(ψ , , ψ ) — диагональвых ускорений; Ψ 1 n ная матрица; Bκ , Eκ, Gκ — матрицы, учитывающие инерционные свойства; K κ – матрицы, учитывающие переменность длины звеньев; Pκ (ψ ) — матрицы, определяемые моментами силы тяжести.

C1 2 = cos(ϕ1 − ϕ 2 ) ; S1 2 = sin (ϕ1 − ϕ 2 ) ; ζ1 = m1 1n121 + m1 2 ; ζ 2 = m2 1n221 + m2 2 ; η2 = m1 1n1 1 + m1 2 ; η2 = m2 1n2 1 + m2 2 ; θ 2 = m2 0 + m2 1 + m2 2 . Для трехмерной модели матрицы имеют вид  (θ 2 + ζ1 )l12 (C1ψ )2 Aϕ =  ϕ ψ ψ  η2l1l2C1 2C1 C2 0  Aψ =  ϕ ψ ψ  η2l1l2 S1 2C1 S 2 0  Al =  ϕ ψ ψ  − η2l1S1 2C1 C2

где

 ψ + 2G (ϕ, ψ , l )Φ ψ + (2) + E κ (ϕ, ψ , l )Ψ κ  l + gP (ψ ) = + 2 H (ϕ, ψ , l )Φ l + 2 K (ϕ, ψ , l )Ψ

η2l1l2C1 2  ; ζ 2l22  (3)

 ( θ + ζ1 )l12 Aϕ =  2  η2l1l2C1 2

(1)

где ϕ = (ϕ1 , , ϕ n ) — вектор угловых обобщенных координат; l = (l1 , , ln )T — вектор обобщенных координат, описывающих изменения длин  — звеньев; ϕ — вектор угловых скоростей; ϕ   вектор угловых ускорений; Φ = diag (ϕ1 , , ϕ n ) — диагональная матрица; Aκ , Dκ — матрицы, учитывающие инерционные свойства; Pκ — матрицы, определяемые моментами силы тяжести; Λ κ , H κ — матрицы, учитывающие переменную длину звеньев; M κ — векторы обобщенных сил, n — количество звеньев механизма. Для трехмерной модели нижние индексы у матриц указывают на описание соответствующей обобщенной координаты: κ = 1, 2 , 3 , где 1 соответствует обобщенной координате ϕ , 2 — ψ , 3— l.

Для объяснения сущности метода приведем выражение первой матрицы Aκ (ϕ, ψ , l ) для плоской и пространственной моделей. Ввиду громоздкости матриц, ограничимся моделью, состоящей из первых двух подвижных звеньев — голени и бедра опорной ноги. Для двумерной модели матрицы имеют вид

η2l1l2C1ϕ2C1ψ C2ψ  ; ζ 2l22 ( C2ψ )2  − η2l1l2 S1ϕ2S1ψ C2ψ   ; (4) 0  η2l2 S1ϕ2C1ψ C2ψ   , 0 

Ciϕ = cosϕi ; Ciψ = cosψ i ; S iϕ = sin ϕi ; S iψ = sinψ i ; i = 1, 2 ; C1ϕ2 = cos(ϕ1 − ϕ 2 ); S1ϕ2 = sin (ϕ1 − ϕ 2 ),

остальные обозначения совпадают с использованными для плоской модели в формуле (3). Ранее были установлены закономерности в получении матриц для плоской и пространственной модели с любым конечным количеством подвижных звеньев и отсутствием или наличием точек ветвления [2–5, 13]. Задача данной работы заключается в выявлении закономерности для построения матриц трехмерной модели вида (4) по матрицам для соответствующей двумерной модели вида (3). 49

Вопросы оборонной техники 2. Построение матриц уравнений для трехмерных моделей стержневых систем по соответствующим матрицам для плоских моделей Проведем сравнительный анализ двухмерных и трехмерных уравнений. Сравнивая (1) и (2), а также (3) и (4), видно, что добавляются множители, содержащие тригонометрические функции аргумента ψ , возникают новые слагаемые для нового аргумента. На основе анализа матриц для моделей с различным количеством звеньев, которые здесь не приводятся ввиду громоздкости, отметим, что для трехмерного случая большинство матриц потеряли свойство симметрии. Однако они допускают представление в обобщенном виде. Благодаря этому становится возможной запись уравнений без трудоемкой процедуры составления для любого n-звенного механизма подобной структуры. Сравнивая уравнения движения на плоскости и в пространстве, можно получить закономерность записи уравнений трехмерного движения по соответствующему дифференциальному уравнению для двумерной модели. Приведем полученные закономерности. Для того чтобы отличать элементы матриц пространственной и плоской моделей, снабдим их верхними индексами «3D» и «2D» соответственно. Плоская и пространственная модели должны быть одинаковой структуры, т.е. иметь одинаковое количество звеньев, расположение точек ветвления, распределение масс на звене. Формулы для перехода имеют следующий вид

λψij = 2 D hijϕ (cosψ i sin ψ j cos(ϕi − ϕ j ) − cosψ j sin ψ i ) ; 3D

cosψ j sin ψ i −   ; e = 2 D hijϕl j    − cosψ i sin ψ j cos(ϕi − ϕ j )

3D ψ ij

g ijψ = 2 D d ijϕsin ψ i sin ψ j ; 3D

a = a cosψ i cosψ j ;

b = a l cosψ i sin ψ j ;

ϕ ij

3D ϕ ij

ϕ ij

λ = λ cosψ i cosψ j ;

ϕ ij

l ij i ϕ ij

d = d cosψ i cosψ j ;

3D ϕ ij

e = 2 D d ijϕ cosψ i cosψ j ;

g ijϕ =− 2 D hijϕl j cosψ i sin ψ j ;

hijϕ = 2 D hijϕ cosψ i cosψ j ;

kijϕ =− 2 D λϕij cosψ i sin ψ j ;

piϕ = 2 D piϕ ⋅ 0 ;

µ iϕ = 2 D µ iϕ ;

aijψ =− 2 D aijl li cosψ j sin ψ i ;

sinψ i sinψ j +   ; b = 2 D aijϕ    + cosψ i cosψ j cos(ϕi − ϕ j )

3D ψ ij

hijψ = 2 D λϕij sin ψ i cosψ j ;

sin ψ i sin ψ j +   ; kijψ = 2 D hijϕ    + cosψ i cosψ j cos(ϕi − ϕ j )

piψ = 2 D piϕ cosψ i cosϕi ; 3D

µ iψ =

µ iϕ

ϕ→ψ

;

aijl = 2 D aijl cosψ i cosψ j ;

cosψ i sin ψ j −   ; b = 2 D d ijl    − cosψ j sin ψ i cos(ϕi − ϕ j ) cosψ i cosψ j +   3D l , λ ij = 2 D λlij    + sin ψ i sin ψ j cos(ϕi − ϕ j )

3D l ij

элементы несимметрической матрицы Dl (ϕ, ψ , l ) = −(H ϕ (ϕ, ψ , l )) ; T

e = 2 D d ijl (sin ψ i sin ψ j cos(ϕi − ϕ j ) + cosψ j cosψ i );

3D l ij

g ijl =− 3 D aijl cosψ i sin ψ j ;

hijl = 2 D hijl cosψ i cosψ j ;

kijl =− 2 D d ijl (cosψ i sin ψ j − cosψ j sin ψ i cos(ϕi − ϕ j )) li ; 3D

d ijψ = 2 D hijϕl j cosψ j sin ψ i ;

pil = 2 D pil sin ψ i sin ϕi ;

µ li = 2 D µ li ; (i , j = 1, , n ) .

(5)

Таким образом, поставленная задача решена. Впервые предложен метод записи дифференциальных уравнений движения для пространственного n-звенного стержневого механизма со звеньями переменной длины по соответсвующим уравнениям для плоского механизма. 3. Рекуррентный алгоритм составления дифференциальных уравнений движения Покажем построение матрицы для механической системы из n + 1 звеном по матрице

теоретические основы, расчеты и проектирование n-звенной механической системы рекуррентным методом. Матрица для n-звенной механической системы имеет вид n n       ζ1 + ∑ θ k l1l1C1 1   η j + ∑ θ k l1l j C1 j  k =2 k = j +1        n n     An =  η +   i ∑ θ k li l1Ci1   ζ i + ∑ θ k li l j Cij ,( i = j ) k = i +1  k = j +1         ηn ln l1Cn1  ηn ln l j C n j  Тогда, матрица для n + 1 -звенной механической системы строится так: An+1 = An + δAn , n     ζ1 + ∑ θ k l1l1C1 1  k =2    n   An =   ηi + ∑ θ k li l1Ci1 k = i +1      ηn ln l1Cn1   0 

(7)

  ηn l1ln C1n        ηn li ln Cin .      ζ n ln ln Cn n 

(6)

причем матрица An должна иметь размер (n + 1) × (n + 1) , поэтому она записывается с дополнительными (n + 1) -й нулевой строкой и (n + 1) -м нулевым столбцом, т.е. матрица An записывается в виде

n    η j + ∑ θ k l1l j C1 j k = j +1     n     ζ i + ∑ θ k li l j Cij ,( i = j ) k = j +1      ηn ln l j C n j  0



 ηn l1ln C1n 



 ηn li ln Cin    ζ n ln ln Cn n  0

 0    0 .   0  0 

(8)

Матрица δAn строится так:  θ n +1l1l1C1 1     θ llC n +1 i 1 i1 δAn =     θ l lC  n +1 n 1 n1 η l l C  n +1 n +1 1 n +1,1 где

 

θ n +1l1l j C1 j 

 

 θ n +1li l j Cij ,( i = j )       θ n +1ln l j Cn j 

ηn +1ln +1l j Cn +1, j

α −1

Cij = cos(ϕi − ϕ j ), θ n +1 = ∑ mn +1,β , β=0

α −1

β=0

2 ηn +1 = ∑ mn +1,β nn +1,β , ζ n +1 = ∑ mn +1,β nn +1,β .

Аналогично можно построить остальные матрицы, входящие в систему дифференциальных уравнений движения. Алгоритм построения матрицы трехмерной модели с n + 1 звеном по матрице двумерной модели с n звеньями с использованием формул (5) имеет следующую последовательность действий:

θ n +1l1ln C1n 

ηn +1l1ln +1C1,n +1     ηn +1li ln +1Ci ,n +1  ,    ηn +1ln ln +1Cn ,n +1  ζ n +1ln +1ln +1Cn +1,n +1 

(9)

An → 2 D An+1 → 3 D An+1 .

(10)

θ n +1li ln Cin 

θ n +1ln ln Cn n  ηn +1ln +1ln Cn +1,n 2D

В матрице 3 D An+1 каждый ее элемент умножается на cos ψ i cos ψ j (i , j = 1, , n ) . Аналогично для остальных матриц в соответствии с формулами (5). Таким образом, получен рекуррентный алгоритм составления уравнений движения двумерной стержневой механической системы с n + 1 звеном по известному уравнению для n-звенной механической системы со звеньями переменной длины и дальнейшего перехода к трехмерной мо51

Вопросы оборонной техники дели соответствующей структуры. Это позволяет автоматизировать составление системы дифференциальных уравнений движения стержневой механической системы со звеньями переменной длины, причем для модели с произвольным конечным количеством звеньев. Открывается возможность синтеза большого количества моделей с разным количеством звеньев учетом изменения длины звеньев. Описанный рекуррентный алгоритм легко программируется. Он был реализован в среде системы компьютерной математики Mathematica. При обычном способе составления уравнений Лагранжа второго рода было затрачено время в секундах для модели с одним подвижным звеном — 0,59, с двумя подвижными звеньями — 5,3, с тремя подвижными звеньями — 37. Рекуррентный алгоритм не позволяет составить дифференциальные уравнения движения для модели с одним подвижным звеном, а для модели с двумя и тремя подвижными затраченное время равно 0,59 и 0,86 секунды соответственно. Время, затраченное на составление дифференциальных уравнений движения с помощью уравнений Лагранжа второго рода для трехмерной модели экзоскелета с двумя подвижными звеньями, равно 113,69 секунды, а с помощью предложенного метода — 1,30 секунды. Анализируя полученные результаты, видно, что различия в скорости составления системы дифференциальных уравнений движения нарастают с увеличением количества звеньев и при переходе к трехмерной модели. Эффективность предложенного метода очевидна. 4. Результаты численного моделирования При эксплуатации экзоскелета солдатами во время реальных боевых действий, может возникнуть ситуация, когда экзоскелет должен самостоятельно управляться, например, при ранении солдата в экзоскелете и необходимости его вынести с поля боя или для тренировки мышц при восстановлении двигательных функций солдата после ранения, или для тренировок с помощью экзоскелета и его частей, необходимо, чтобы управление осуществлялось с помощью заданного алгоритма [5, 8]. Значения параметров для численных расчетов: массы звеньев m1 = m4 = 2,91 кг, m2 = m3 = 8,93 кг, 52

m5 = 28,93 кг, они распределялись в виде точечных масс — в шарнирах ¼ и на стержне ½ от массы звена. Множители, задающие положение сосредоточенной массы на стержне равны: n1 1 = n4 1 = 0,595, n2 1 = n3 1 = 0,545, n51 = 0,500. Воспользуемся способом управления экзо скелетом с помощью аналитически задаваемых кинематических характеристик движения, описанным в работах [7, 22], при этом модифицировав его на трехмерный случай. ψ1 (t ) = π 2 + j1sin [ f1 − (1 − cos[2πt T ]) π 2] ; ψ 2 (t ) = π 2 + j2 cos[ f 2 − (1 − cos[2πt T ]) π 2] ; ψ 3 (t ) = π 2 + j3cos[ f 3 − (1 + cos[2πt T ]) π 2] ; ψ 4 (t ) = π 2 + j4sin [ f 4 − (1 + cos[2πt T ]) π 2] ; ψ 5 (t ) = π 2 ; ϕ1 (t ) = j1sin [2πt T ] ; ϕ 2 (t ) = j2 cos[2πt T ] ; ϕ3 (t ) = j3cos[2πt T ] ; ϕ 4 (t ) = j4sin [2πt T ] ; ϕ5 (t ) = j5 cos[2πt T ] ; l1 (t ) = l1* + l1* lsin [2πt T ] ; l2 (t ) = l2* + l2* lsin [2πt T ] ; l3 (t ) = l3* − l3* lsin [2πt T ] ; l4 (t ) = l4* − l4* lsin [2πt T ] ; l5 (t ) = l5* + l5* lsin [2πt T ] ,

(11)

где T — период ходьбы, ji и f i — параметры ходьбы, li* — начальная длина недеформированного звена, l — коэффициент изменения длины звена. Аналитические выражения (11) и числовые значения параметров ходьбы к ним выбираются из условия синтеза антропоморфной периодической походки. Приведем полученные в результате решения алгебраической системы в виде (2) для модели, представленной на рис. 1, б, графики управляющих моментов рис. 2 и продольных сил рис. 3, получающихся при задании кинематики движения в виде (11). Таким образом, решена задача синтеза управляющих воздействий при заданном движении экзоскелета. Можно будет создать базу данных реальных движений солдат в экзоскелете в разных

теоретические основы, расчеты и проектирование M

1.0

20 5

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35 M5

0.5

0.05

M2 40

0.20

0.25

0.30

0.35

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

M 20

400

1000

200

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

10 0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.05

200

400

600

1000

2000

0.15

0.5

0.05

0.10

Рис. 2. Зависимости управляющих моментов в шарнирах-суставах экзоскелета от времени F 150

400

100

300

0.05

200 100 0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

100 F2

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

10 0.05

0.05 200

500

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

t 20

100 F1

0.35

Рис. 3. Зависимости продольных сил, действующих вдоль звеньев экзоскелета от времени

ситуациях и, определив по движениям управляющие воздействия, использовать подходящие из них для управления экзоскелетом в тех ситуациях, когда человек не может самостоятельно обеспечивать движение и управление экзоскелетом. Подобный подход для плоских моделей использовался в работах [3, 5–7, 9], здесь он обобщен на пространственный случай. Заключение Впервые разработан и предложен новый метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета в пространстве на основе дифференциальных уравнений движения экзоскелета на плоскости. Данный метод отличается от способа составления при помощи уравнений Лагранжа второго рода высокой скоростью, отсутствием взаимно уничтожающихся членов и подобных слагаемых. Уравнения он выдает в упрощенном и структурированном виде, т.е. непосредственно готовые к использованию.

Таким образом, у инженера появляется возможность быстро синтезировать большое количество моделей с заданным числом подвижных звеньев и выбирать из них оптимальную для решения конкретной задачи, выполнения заданного действия для человека в экзоскелете. Предложен алгоритм управления пространственной моделью экзоскелета и на модельной задаче для пространственного механизма с пятью подвижными звеньями переменной длины определены управляющие воздействия – крутящие моменты в шарнирах-суставах и продольные силы, обеспечивающие изменение длины звена. Разработана пространственная модель нового поколения экзоскелетов со звеньями переменной длины, которые являются комфортабельными при эксплуатации, на основе которой можно будет непосредственно создать реально работающий прототип экзоскелета. Результаты могут быть использованы в создании экзоскелета для усиления и расширения 53

Вопросы оборонной техники возможностей солдат, восстановления двигательных способностей в медицине, тренировочном процессе в спорте и армии. Кроме того, так как движения экзоскелета, антропоморфного робота и опорно-двигательного аппарата человека описываются одними и теми же уравнениями, описанные в данной статье модели и методы могут быть применены и к ним, что значительно расширяет класс механизмов, которые могут быть созданы на основе разработанных моделей. Литература 1. Погорелов Д.Ю. Современные алгоритмы компьютерного синтеза уравнений движения систем тел // Теория и системы управления. 2005. № 4. С. 5–15. 2. Борисов А.В. Автоматизация проектирования стержневых экзоскелетов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. № 10. С. 29–33. 3. Розенблат Г.М. и др. Матричный метод составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета и управление им // ПММ. 2017. Т. 81. № 5. С. 511–522. 4. Розенблат Г.М. и др. Новые алгоритмы составления дифференциальных уравнений движения экзоскелета с переменной длиной звеньев и управлением в шарнирах-суставах // Компьютерные исследования и моделирование. 2017. Т. 9. № 2. С. 201–210. 5. Борисов А В. Синтез экзоскелета со звеньями переменной длины для опорно-двигательного аппарата человека // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2017. Вып. 5–6 (107–108). С. 59–67. 6. Белецкий В.В. Двуногая ходьба: модельные задачи динамики и управления. — М.: Наука. 1984. 288 с. 7. Бербюк В.Е. Динамика и оптимизация робототехнических систем. — Киев: Наукова Думка. 1989. 192 с. 8. Вукобратович М. Шагающие антропоморфные механизмы. — М.: Мир. 1976. 541 с. 9. Формальский А.М. Перемещение антропоморфных механизмов. — М.: Наука. 1982. 368 с. 10. Лавровский Э.К. Об энергетике походок человека-оператора, осуществляемых при помощи аппарата «пассивный» экзоскелетон // Ломоносовские чтения: тезисы докладов науч. конф. (16–25 апреля 2012, Москва, МГУ им. 54

М.В. Ломоносова). — М.: Изд-тво Московского университета. 2012. С. 105. 11. Ларин В.Б. Управление статически неустойчивыми шагающими аппаратами // Прикладная математика. 2000. Т. 36 (№ 6). С. 37–66. 12. Алисейчик А.П., Орлов И.А., Павлов ский В.Е., Павловский В.В., Платонов А.К. Механика и управление экзоскелетами нижних конечностей для нейрореабилитации спинальных больных // ХI Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики: аннотации докладов (Казань, 20–24 августа 2015 г.). — Казань: Издательство Академии наук РТ. 2015. С. 319. 13. Борисов А.В. Автоматизация разработки трехмерных моделей экзоскелетов со звеньями переменной длины // Мехатроника, автоматизация, управление. 2015. Т. 16, № 12. С. 828–835. 14. Голубев Ю.Ф. Компьютерное моделирование шагающих роботов // Фундаментальная и прикладная математика. 1998. Т. 4. № 2. С. 525–534. 15. http://www.umlab.ru/ 16. Журавков М.А., Громыко О.В., Царева А.А. Использование пакетов ANSYS WORKBENCH, ADAMS, VISUAL NASTRAN и Pro/Engineer для исследования механики роботов // Информатиза ция образования — 2010. — Минск: БГУ. 2010. С. 209–214. 17. http://www.ansys.com/ 18. https://openmodelica.org/ 19. Величенко В.В. Матрично-геометричес кие методы в механике с приложениями к задачам робототехники. — М.: Наука. 1988. 280 с. 20. Ивович В. А. Переходные матрицы в динамике упругих систем. — М.: Машиностроение. 1981. 183 с. 21. Коренев Г.В. Введение в механику человека. — М.: Наука. 1977. 264 с. 22. Борисов А.В. Эмпирический и теоретический подходы к управлению движением экзоскелета // Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. Сер.: Физикоматематические и технические науки. 2017. № 3. С. 33–47. References 1. Pogorelov D.Yu. Modern algorithms for computer synthesis of equations of motion of systems of bodies // Journal of Computer and Sys tems Sciences International. 2005. №. 4. P. 5–15.

теоретические основы, расчеты и проектирование 2. Borisov A.V. Automation of design of rod exoskeletons // Mechatronics, Automation, Control. 2014. №. 10. P. 29–33. 3. Borisov A.V., Rozenblat G.M. A Matrix Method for Compiling Differential Equations of the Exoskeleton Motion and Controlling it // Journal of Applied Mathematics and Mechanics. 2017. T. 81. № 5. P. 511–522. 4. Borisov A.V., Rozenblat G.M. New algorithms for compiling differential equations of motion of an exoskeleton with variable length of links and control in joint joints // Computer Research and Modeling. 2017. T. 9. №. 2. P. 201–210. 5. Borisov A.V. Synthesis of an exoskeleton with links of variable length for the human musculoskeletal system // Military Enginery. Scientific and Technical Journal. Issue 16. 2017. Part. 5–6 (107–108). P. 59–67. 6. Beletsky V.V. Two-legged walking: model tasks of dynamics and management. — Moscow: Nauka. 1984. 288 p. 7. Berbyuk V.E. Dynamics and optimization of robotic systems. — Kiev: Naukova Dumka. 1989. 192 p. 8. Vukobratovich M. Walking Anthropomorphic Mechanisms. — Moscow: Mir. 1976. 541 p. 9. Formal’skii A.M. Movement of Anthropo morphic Mechanisms. — Moscow: Nauka. 1982. 368 p. 10. Lavrovsky E.K. On the energy of the adventures of the human operator, carried out with the aid of the apparatus «passive» exoskeleton. Lomonosov readings: abstracts of scientific papers. Conf. (16–25 April 2012, Moscow, Lomonosov Moscow State University). — Moscow: Publishing house Moscow University. 2012. P. 105. 11. Larin V.B. Control of statically unstable walkers // Applied Mathematics. 2000. T. 36 (№ 6). P. 37–66.

12. Aliseichik A.P., Orlov I.A., Pavlovsky V.E., Pavlovsky V.V., Platonov A.K. Mechanics and management of exoskeletons of the lower limbs for neurorehabilitation of spinal patients // XI AllRussian Congress on Fundamental Problems of Theoretical and applied mechanics: abstracts of papers. (Kazan, August 20–24, 2015). — Kazan: Publishing House of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan. 2015. P. 319. 13. Borisov A.V. Automation of development of three-dimensional models of exoskeletons with links of variable length // Mechatronics, Automation, Control. 2015. T. 16. № 12. P. 828-835. 14. Golubev Yu.F. Computer simulation of walking robots // Fundamental and Applied Mathematics. 1998. T. 4. №. 2. P. 525–534. 15. http://www.umlab.ru/ 16. Zhuravkov M.A., Gromyko O.V., Tsareva A.A. The use of packages ANSYS WORKBENCH, ADAMS, VISUAL NASTRAN and Pro / Engineer for the study of robotics mechanics // Informatization of education — 2010. — Minsk: BSU. 2010. P. 209–214. 17. http://www.ansys.com/ 18. https://openmodelica.org/ 19. Velichenko V.V. Matrix-geometric methods in mechanics with applications to the problems of robotics. — Moscow: Nauka. 1988. 280 p. 20. Ivovich V.A. Transitional matrices in the dynamics of elastic systems. — Moscow: Mechanical engineering. 1981. 183 p. 21. Korenev G.V. Introduction to human mecha nics. — Moscow: Nauka. 1977. 264 p. 22. Borisov A.V. Empirical and theoretical appro aches to controlling the movement of the exoskeleton // IKBFU’s Vestnik. Ser. Physics, Mathematics, And Technology. 2017. №. 3. P. 33–47.

Вопросы оборонной техники

УДК: 621.384.3

Оценка возможности противодействия ПТРК FGM-148 JAVELIN средствами оптико-электронного противодействия Evaluation of Opportunity for Portable Anti-tank Missile Launcher FGM-148 JAVELIN Countermeasures by Means of Optical-Electronic Counterwork Канд. техн. наук В.И. Евдокимов1, д-р техн. наук М.В. Сильников2, канд. техн. наук А.С. Алешин2 PhD V.I. Evdokimov, DPhil M.V. Silnikov, PhD A.S. Aleshin 1

ОАО «ВНИИТрансмаш», 2ЗАО «НПО СМ»

На основе обобщения имеющегося открытого литературного материала разработана описательная модель функционирования противотанкового комплекса типа FGM-148 JAVELIN и процесса атаки им объекта бронетанковой техники. Выделены технические особенности функционирования комплекса. Сформулированы признаки траекторий полета ракеты в режимах прямой атаки и атаки сверху. Рассмотрен процесс функционирования системы наведения ракеты в условиях постановки интенсивных тепловых помех. Дана оценка реализуемости защиты объекта бронетанковой техники от атаки ракетой FGM-148 средствами оптико-электронного противодействия. Предложены прототипы средств оптико-электронного противодействия. Ключевые слова: противотанковый комплекс, бронетехника, танки, ракета, головка самонаведения, тепловизионный, защита, фотоэлектронное, оптико-электронное противодействие, пиротехнический излучатель. The paper presents a descriptive model of anti-tank complex FGM-148 JAVELIN functioning. The model is developed on the basis of summarizing the existing literature. A process of attacking armored vehicles by this kind of missiles is reported. The signs of the flight trajectories of the rocket in the modes of direct attack and attack from above are formulated. The process of the rocket guidance system operation under conditions of intense thermal interference is considered. The estimation of the feasibility of armored vehicles protection against the attack by the FGM-148 with means of opto-electronic counteraction is given. Prototypes of opto-electronic countermeasures are proposed. Keywords: anti-tank complex, armored vehicles, tanks, missile, homing head, thermal imaging, protection, photoelectronic, countermeasures, pyrotechnic radiator.

Противотанковый комплекс (ПТРК) FGM-148 Javelin фирмы Javelin Joint Venture, образованной корпорациями Raytheon и Lockheed Mar tin, принят на вооружение армии США еще в 1996 году. Комплекс производится большой серией и кроме армии США поставляется в два десятка стран. Конгрессом США в конце 2017 года принято решение о его поставке на Украину. В 56

рекламных целях комплекс подается в прессе как универсальное и неотразимое противотанковое оружие. Чтобы реально оценить возможности противодействия ПТРК FGM-148 целесообразно обобщить известную информацию о нем, разработать описательную модель процесса атаки им объекта бронетехники и выделить техниче-

теоретические основы, расчеты и проектирование

Рис. 1. ПТРК FGM-148 Javelin

ские особенности этого процесса, которые могут стать основой для его нарушения средствами противодействия. В состав ПТРК входят командно-пусковой блок (КПБ) и комплект ракет в транспортно-пусковых контейнерах (рис. 1) [1–5]. КПБ М98А1 имеет в составе дневной визир, тепловизионный прицел, средства управления и индикации процесса запуска. Электропитание обеспечивает сменный одноразовый батарейный блок BA-5590/U, которого хватает на 4 часа непрерывной работы. Дневной визир имеет кратность 4Х и поле зрения 4,8° × 6,4°. Он служит для наблюдения за полем боя при выключенном питании блока. Тепловизионный прицел является основным средством управления. Он используется как для наблюдения за противником ночью и в условиях плохой видимости, так и для запуска ракеты. Работа прибора в спектральном диапазоне 8…12 мкм обеспечена охлаждаемым фотоприемником на основе соединения кадмий–ртуть–теллур. Система охлаждения включает сосуд Дьюара и двигатель Стирлинга. Время охлаждения фотоприемника до рабочей температуры после включения электропитания около 3,5 минут. Фотоприемное устройство обеспечивает разрешение 240× 480 элементов в пределах поля зрения. Прибор имеет два режима наблюдения: широкое поле зрения 4,58°× 6,11° с кратностью 4,2Х и узкое поле зрения 2,00°× 3,00° с кратностью 9,2 Х. Пересчет этих параметров показывает, что в режиме узкого поля зрения прицел позволяет ви-

деть в картинной плоскости на дальности 2000 м участок местности 14 × 20 м, в режиме широкого поля зрения соответственно 32 × 41 м. Выбор режима определяется характером поражаемой цели. При стрельбе по бронетехнике удобнее использовать узкое поле зрения для лучшего захвата ракетой образа танка, при стрельбе по вертолету, с учетом подвижности цели и слабого фона, предпочтительнее использовать широкое поле зрения. Ракета размещена в герметичном транспортно-пусковом контейнере, который устанавливается на КПБ с углом возвышения +18°. На нем размещен блок энергоснабжения ракеты, содержащий одноразовый элемент электропитания и баллон со сжиженным аргоном для разового охлаждения фотоприемника головки самонаведения (ГСН) ракеты. Фотоприемное устройство ГСН ракеты установлено в гиростабилизированном кардановом подвесе за обтекателем из сульфида цинка. Угол его прокачки относительно корпуса ракеты обеспечивает непрерывное слежение за целью в течение всего полета ракеты. ГСН оснащена матричным охлаждаемым фотоприемником на основе соединения кадмий-ртуть -теллур с разрешением 64 × 64 пикселя. Его охлаждение до рабочей температуры обеспечивается за счет адиабатического процесса, возникающего при поступлении аргона из баллона. Время охлаждения до рабочей температуры составляет 10 секунд. Время работы ГСН при подготовке выстрела после активации баллона должно составлять менее 4 минут. Секция управления позволяет ракете маневрировать во время полёта и обеспечивает потребную для этого электрическую энергию (рис. 2).

Рис. 2. Отсек управления ракеты

Вопросы оборонной техники Она имеет в составе блок обработки информации с ГСН, четыре закрылка с приводами, электромеханическую систему управления вектором тяги двигателя и термобатарею, обеспечивающую бортовое питание за счет нагрева отсека в полете маршевым двигателем. При подготовке и проведении атаки оператор переключает слежение на тепловизионный прибор, находит цель, совмещает ее с имеющейся в поле зрения рамкой, соответствующей полю зрения ракеты, дает команду на подготовку ракеты к пуску, получив сигнал о готовности ракеты, переключает поле зрения на фотоприемник ГСН ракеты, производит донаведение на цель, получает сигнал о захвате цели ГСН и производит пуск. Ракета стартует, причем стартовый двигатель успевает отработать при ее движении вдоль трубы пускового контейнера и не дает перед оператором вспышки демаскирующего пламени. На рассстоянии около 20 м от оператора включается маршевый двигатель. Пороховой маршевый двигатель, аналогичный используемым на ракетах BGM-71 TOW и AGM-114 Hellfire, за 4 секунды разгоняет ракету до скорости около 200 м/c и дальше она летит «на выбеге». В зависимости от траектории ракета достигает цели, удаленной на 2000 м, за 12…14 секунд. Скорость ракеты на финальном участке полета составляет 160…170 м/с [3]. Иструкция по эксплуатации комплекса FGM-148 особо предупреждает, что его использование нежелательно в условиях пожаров и других явлений мощного выделения тепловой энергии. Это позволяет сделать вывод о том, что в матрице фотоприемника ГСН, как и в других матричных оптико-электронных устройствах, фоновый порог чувствительности формируется интегрально по всему полю матрицы.

Сигналы от элементов детектора ГСН передаются на считывающую интегральную схему, оцифровываются и передаются на бортовой процессор. На всем протяжении полета заложенное в память ГСН изображение цели непрерывно, с частотой несколько десятков герц обновляется методом корреляционного анализа путем сравнения с предыдущим кадром, чем обеспечивается устойчивое сопровождение цели, первоначально заданной оператором. Из изложенного можно определить величину мгновенного поля зрения ГСН (примерно 0,4…0,5°) и сделать вывод о ее высокой защищенности от организованных тепловых помех, пространственно не совпадающих с направлением атаки. ГСН в полете видит практически только тепловой портрет танка, а при сближении с целью — его часть, и наводит ракету на него. Любое тепловое образование, лежащее за пределами поля зрения ГСН, не влияет на работу системы наведения. Программно задана возможность реализации двух режимов самонаведения ракеты после пуска. Основной режим атаки бронетехники ракетой комплекса — атака сверху. В нем ракета после начала работы маршевого двигателя за счет поворота вектора тяги набирает высоту под предельным углом, обеспечивающим сохранение ГСН режима непрерывного слежения за целью, затем по команде с ГСН, вырабатываемой при максимальном развороте фотоприемника в кардане, переходит в зависимости от дальности до цели либо в горизонтальный полет, либо в режим пикирования на цель под углом 45° (рис. 3). Высота набора и выбор режима полета определяется дальностью до цели. На предельной даль-

Рис. 3. Траектория ракеты в режиме атаки сверху

теоретические основы, расчеты и проектирование

Рис. 4. Траектория ракеты в режиме прямой атаки

ности атаки 2000 м она составляет 160 м, и за набором высоты следует участок горизонтального полета. На заключительном участке полета ракета всегда пикирует на цель под углом 45°. Отметим, что маршевый двигатель отрабатывает на первых 4-х секундах полета, дальше управление движением ракеты производится закрылками. Второй режим — прямая атака цели (рис. 4). Этот режим удобен, во-первых, для стрельбы по близким целям (минимальная дальность 65 м), во-вторых, по вертолетам. В нем отсутствует горизонтальный участок полета. Набрав высоту, ракета идет прямо на цель под углом атаки около 2°. Величина набора высоты определяется дальностью до цели и на 2000 м составляет 60 м. Анализ приведенной выше информации позволяет сосредоточить внимание на ряде особенностей работы рассматриваемого ПТРК. Существует два фиксированных угла атаки (2° и 45°), под которыми могут подлетать к цели ракеты комплекса FGM-148. Ракета оснащена охлаждаемым матричным тепловизионным фотоприемником спектрального диапазона 8…12 мкм, подверженным интенсивному тепловому помеховому воздействию. ГСН ракеты имеет предельно узкий угол зрения, причем захват цели происходит до старта и весь полет она самостоятельно отслеживает цель, непрерывно трансформируя ее образ. Траектория ракеты предусматривает после старта резкий набор высоты. Ракета оснащена кумулятивной боевой частью, имеющей мощную, но узкую зону поражения [3, 6].

На заключительном этапе полета ракета летит «на выбеге», маршевый двигатель интенсивно работает только первые 4 секунды. Использование в ракете BGM-148 кумулятивной боевой части позволяет ограничить защиту отведением атакующей ракеты за контур атакуемого объекта. Чтобы достичь этого необходимо: во-первых, своевременно обнаружить атаку, во-вторых, сорвать процесс наведения ракеты. Последовательно оценим возможности решения этих двух задач, опираясь на технические особенности ПТРК Javelin. Даже в сложных помеховых условиях на поле боя старт и полет ракеты BGM-148 выделяется рядом характерных признаков. Существующий уровень оптоэлектроники дает возможность регистрации оптико-электронным устройством на дальности более 2000 м излучения хорошо видимой при наборе высоты сбоку высокотемпературной газовой струи от интенсивной работы маршевого порохового двигателя. Выявлению факта атаки именно ПТРК BGM-148 Javelin способствует участок резкого набора высоты на первых секундах полета ракеты. Разворот ракеты после набора высоты приводит к скачкообразному ослаблению уровня регистрируемого излучения. Оптико-электронное устройство с матричным фотоприемником позволяет получить достаточную информацию для оценки степени угрозы и характера атаки [7–9]. Так, при применении оптико-электронного устройства с полем зрения по углу места 30° и матричным фотоприемником 256× 256 диапазона 1,4…1,8 мкм может быть достигнуто угловое разрешение 0,1°, а подъем источника излучения регистрируется как изменение его угла места в двух описанных режимах применения 59

Вопросы оборонной техники

Рис. 5. GALIX-6 в действии

ракеты на 4,6° и 1,7° соответственно. Регистрация длительности такого участка подъема содержит кроме выявления факта атаки информацию о дальности запуска. Кроме того, применение матричного фотоприемника дает возможность зарегистрировать боковое смещение ракеты при наборе высоты и тем самым решить летит ли она именно к данному объекту. Задача срыва процесса наведения решается встречным использованием интенсивных источников теплового излучения, установленных непосредственно на защищаемом объекте. ПТРК должен использоваться в различных природных условиях, на различных фонах, поэтому коэффициент усиления сигнала всегда формируется единым по всему полю зрения и автоматически выбирается такой, который в наилучшей степени обеспечивает перед стартом ракеты выделение характерных элементов цели, используемых в дальнейшем для корреляции изображения. Скачкообразное инициирование в поле зрения ГСН интенсивного пиротехнического источника излучения приводит к снижению коэффициента усиления тракта преобразования сигнала, а следовательно, исчезновению этих характерных элементов за порогом различения. Если такое явление происходит достаточно долго (более 1…2 с), в логике ракеты заложен переход в режим неуправляемого полета в точку предполагаемого нахождения цели по сигналам гироскопа, т.е. значительно менее точный режим, в котором вероятность попадания в движущуюся цель снижается с 0,95 до 0,1. В качестве примера может быть приведен пиротехнический излучатель GALIX-6 фирмы Etienne Lacroix (рис. 5), разработанный, правда, для иной цели [10, 11]. Опыт работы с тепловизионной техникой позволяет предполагать, что наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании 60

достаточно мощных искрящих пиротехнических излучателей типа «фонтан», когда вслед за первоначальной интенсивной вспышкой, длящейся 1…1,5 с, происходит на время атаки ПТРК непрерывный разлет вверх расходящимся потоком горящих осколков пиротехнического снаряжения, обеспечивая не только изменение коэффициента усиления тракта, но и динамизм смены картины от кадра к кадру. Последовательное решение задач обнаружения старта ракеты и воздействия на ее ГСН реализует цикл защиты, обеспечивающий резкое снижение эффективности применения ПТРК BGM-148 Javelin [12, 13]. Изложенное позволяет сделать вывод о том, что ПТРК BGM-148 недостаточно защищен от помехового воздействия средствами оптико-элек тронного противодействия. Литература 1. Евдокимов В.И., Гуменюк Г.А., Андрю щенко М.С. Неконтактная защита боевой техники. — СПб.: Реноме. 2009. 174 с. 2. Борисов Е.Г., Евдокимов В.И. Высокоточное оружие и борьба с ним. — СПб.: Лань. 2013. 476 с. 3. Степанов В.В., Андрющенко М.С., Евдо кимов В.И., Зайцев Е.Н., Куртц Д.В., Халитов В.Г. Современные противотанковые средства. — СПб.: Реноме. 2016. 195 с. 4. FGM-148 Javelin в деталях. Милитари Ревю. URL: http://militaryreview.su/288-fgm-148javelin-v-detalyah.html. 5. Army U.S. FM 3-22.37 «Javelin medium antiarmor weapon system». Headquarters Depar tment of the Army Washington, DC, 23 January 2003. 6. Сильников М.В., Лазоркин В.И., Михай лин А.И., Астафьев А.В., Карпович А.В. Оптикоэлектронная система определения координат движущихся объектов и целей, демаскирующих себя вспышкой выстрела и координат разрывов своих снарядов как составляющая разведывательно-огневой системы // Известия РАРАН. № 3 (78). 2013. С. 10–15. 7. Евставьев А.В., Лазоркин В.И., Сазы кин А.М. и др. Оценка целесообразности введения оптико-электронного пеленгатора атаки ПТУР в бортовой комплекс защиты объекта бронетанковой техники // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2013. Вып. 9–10. С. 78–84.

теоретические основы, расчеты и проектирование 8. Волков В.Г. Приборы ночного видения новых поколений. Техника для спецслужб. 2008. URL: http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=518&lvl=10.02. 9. Волков В.Г. Многоэлементные фотоприемные устройства для области спектра 0,8…2,6 мкм и их применение. Электронные компоненты. 2007. № 9. С. 18–24. 10. Артемов М.Л., Артюх С.Н., Гуменюк Г.А. и др. Аэрозольная защита бронетехники в локальных конфликтах // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2014. Вып. 3–4. С. 22–27. 11. Степанов В.В., Андрющенко М.С., Бори сов Е.Г., Гуменюк Г.А., Евдокимов В.И., Зайцев Е.Н., Куртц Д.В., Халитов В.Г. Методы и средства защиты бронетехники. — CПб.: Реноме. 2017. 311 с. 12. Сильников М.В., Лазоркин В.И., Михай лин А.И. Обоснование характеристик неуправляемого защитного боеприпаса с радикально-кольцевым полем поражающих элементов // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2014. Вып. 11–12 (77–78). С. 94–97. 13. Сильников М.В., Лазоркин В.И. Дина мическая защита мобильных небронированных объектов от переносных средств поражения кольцевыми зарядами // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2017. Вып. 3–4 (105–106). С. 91–97. References 1. Evdokimov V.I., Gumenyuk G.A., And ryushchenko M.S. Non-contact protection of military equipment. — St. Petersburg: Renome, 2009. 174 p. 2. Borisov E.G., Evdokimov V.I. High-precision weapons and the fight against it. — St. Petersburg: Lan. 2013. 476 p. 3. Stepanov V.V., Andryushchenko M.S., Evdokimov V.I., Zaitsev E.N., Kurtz D.V., Khalitov V.G. Modern anti-tank weapons. — St. Petersburg: Renome. 2016. 195 p. 4. FGM-148 Javelin in the details. Military Revue. URL: http://militaryreview.su/288-fgm-148javelin-v-detalyah.html.

5. Army U.S. FM 3-22.37 «Javelin medium antiarmor weapon system.» Headquarters Department of the Army Washington, DC, 23 January 2003. 6. Silnikov M.V., Lazorkin V.I., Mihailin A.I., Astafyev A.V., Karpovich A.V. The optical-electronic system of determination of coordinates of the moving objects and purposes unmasking themselves flash of a shot and coordinates of ruptures of the shells as a component of prospecting and fire system. News of the Russian Academy of Rocket and Artillery Sciences of the issue 3 (78). 2013. Page 10–15. 7. Evdokimov V.I., Evstav’ev A.V., Lazorkin V.I., Sazykin A.M. Assessment of the advisability of introducing an opto-electronic direction finder ATGS attack in the onboard complex of protection of the object of armored vehicles // Questions of defense technology. Series 16. 2013. Vol. 9–10. Р. 78–84. 8. Volkov V.G. Night Vision Devices of New Generations. Technology for special services. 2008. URL: http://www.bnti.ru/showart.asp?aid=518&lvl=10.02. 9. Volkov V.G. Multiple-element photodetector devices for the spectral range 0.8 ... 2.6 mkm and their application. Electronic components. 2007. № 9. With. 18–24. 10. Artemov M.L., Artyukh S.N., Gumenyuk G.A., Evdokimov V.I. Aerosol protection of armored vehicles in local conflicts // Questions of defense technology. Series 16. 2014. Vol. 3–4. Р. 22–27. 11. Stepanov V.V., Andryushchenko M.S., Bori sov E.G., Gumenyuk G.A., Evdokimov V.I., Zaitsev Е.N., Kurtz D.V., Khalitov V.G. Methods and means of protection of armored vehicles. — St. Petersburg: Renome. 2017. 311 p. 12. Silnikov M.V., Lazorkin V.I., Mihailin A.I. Justification of characteristics of uncontrollable protective ammunition with the radical ring field of the striking elements. Questions of defensive technique. Series 16. 2014. № 11–12 (77–78). P. 94–97. 13. Silnikov M.V., Lazorkin V.I. Dynamic protection of mobile unarmoured objects against figurative weapons of destruction ring charges. Questions of defensive technique. Series 16. 2017. № 3–4 (105–106). P. 91–97.

Вопросы оборонной техники

УДК: 623.4

К вопросу оценки степени поражения живой силы в средствах индивидуальной бронезащиты при взаимодействии с группой поражающих элементов TO THE QUESTION OF ASSESSING THE EXTENT OF INVOLVEMENT OF MANPOWER IN PERSONAL BODY ARMOR WHEN INTERACTING WITH A GROUP OF SUBMUNITIONS Канд. техн. наук А.Н. Денисенко, канд. техн. наук Е.А. Котелевский, канд. техн. наук Н.Н. Борисов PhD A.N. Denisenko, PhD E.A. Kotelevsky, PhD N.N. Borisov Филиал ВА МТО им. генерала армии А.В. Хрулева г. Пенза В статье авторы проводят анализ проблемы надежности оценок поражающего действия боеприпасов по живой силе в средствах индивидуальной бронезащиты, на основе которого предлагают и обосновывают актуальность исследования процессов взаимодействия группы поражающих элементов со средствами индивидуальной бронезащиты. Как в экспериментальном, так и в теоретическом плане проблемам удара группы поражающих элементов по живой силе в средствах индивидуальной бронезащиты и изучению особенностей их группового воздействия до сих пор уделялось крайне мало внимания. Такое положение объективно объясняется сложностью процесса множественного удара для моделирования и изучения. Ключевые слова: поражающее действие, живая сила, средства индивидуальной бронезащиты, взаимодействие поражающего элемента со средствами индивидуальной бронезащиты, группа поражающих элементов, групповое воздействие. In the article the authors analyze the problem of the reliability of the estimates of the damaging effect of ammunition manpower in personal body armor, based on which propose and justify the relevance of studying the processes of interaction between groups of submunitions with personal body armor. Both experimental and theoretical issues impact group manpower in personal body armor and the characteristics of their group the impact so far has been given very little attention. This situation objectively due to the complexity of the process of multiple impact for simulation and study. Keywords: lethality, manpower, personal armor, the interaction of striking elements with personal body armor, the group of submunitions, group effect.

Заметим, что современные взгляды на дальнейшее развитие средств поражения основываются на том, что наращивание огневой мощи должно проходить, прежде всего, не за счет количественного увеличения используемых сил и средств, а за счет максимально возможной информированности о противнике, комплексного применения эффективных систем управления, связи, разведки 62

и радиоэлектронной борьбы (РЭБ), сопряженных с высокоэффективными средствами подавления и поражения противника. Анализ военно-политической обстановки показывает, что в ближайшей перспективе внешняя угроза, которая могла бы привести к крупномасштабной войне, для России невелика. Россия все еще обладает мощными стратегическими

материалы, технологии и исследования ядерными силами, способными сдержать агрессора. Цели, задачи, формы и способы ведения боевых действий ракетными войсками и артиллерией (РВиА) ВС РФ необходимо рассматривать с учетом возможного участия России в наиболее вероятных региональных войнах (РВ). Оценка характера возможных конфликтов показывает, что им присущ широкий диапазон привлекаемых сил и средств, а также применяемых форм и способов боевых действий (от партизанских действий до общевойсковых операций). Анализ указанных особенностей современного боя позволяет выявить общие требования к средствам вооруженной борьбы и организационным формам их боевого применения, основной задачей которых является поражения живой силы (ЖС) и техники. В настоящее время актуальной представляется проблема надежности оценок поражающего действия боеприпасов по живой силе в средствах индивидуальной бронезащиты. Анализ существующих работ по данному направлению, а также официальных руководств и справочников убеждает, что полнота характеристик поражающих свойств обычного оружия (с точки зрения оперативно-тактических требований к ним) существенно зависит от учета таких факторов, как продолжительность огневых налетов, их количество и длительность интервалов времени между ними, плотность разрывов (комплекса условий группового действия боеприпасов), а также времени, прошедшего после нанесения поражения. Вследствие индивидуальной уязвимости живой силы, случайного разброса значений параметров поражающих факторов и случайной совокупности условий, сопровождающих стрельбу на поражение, результат воздействия одного или группы боеприпасов на живую силу также носит случайных характер и оценивается методами теории вероятности [1]. Широкомасштабные исследования процессов взаимодействия поражающих элементов со средствами индивидуальной бронезащиты с учетом экспериментального, аналитического численного характера в подавляющем большинстве ограничены изучением соударения одиночных поражающих элементов со средствами индивидуальной бронезащиты различных типов [6, 7]. Как в экспериментальном, так и в теоретическом

плане проблемам удара группы поражающих элементов по живой силе в средствах индивидуальной бронезащиты и изучению особенностей их коллективного воздействия до сих пор уделялось крайне мало внимания [2, 8]. Такое положение объективно объясняется слож ностью процесса множественного удара для моделирования и изучения. В экспериментах трудно реализовать управляемое метание группы тел (поражающих элементов) с требуемым распределением скоростей тел по величине и направлению, расстояний между ними по фронту и глубине группы, обеспечить регистрацию параметров тел при подлете к средствам индивидуальной бронезащиты и в ходе взаимодействия со средствами индивидуальной бронезащиты [3]. Следующей проблемой, которой необходимо заниматься сегодня, это групповое действие нескольких поражающих элементов, которое может инициировать детонацию взрывчатого вещества в условиях, когда одиночный поражающий элемент детонацию не вызывает. Приведенные примеры показывают существенное влияние коллективного фактора при ударе группы поражающих элементов и вместе с тем демонстрируют, что подобные процессы и явления мало изучены. Оценка поражения живой силы в средствах индивидуальной бронезащиты осуществляется с использованием математических моделей, в которых поражение и вывод из строя живой силы происходит при попадании только одного поражающего элемента [4], однако на практике поражение живой силы в средствах индивидуальной бронезащиты может происходить при попадании нескольких поражающих элементов. Данный факт говорит о том, что существует необходимость при оценке характеристик вновь разрабатываемых средств бронезащиты производить дополнительно исследования по поражению средств индивидуальной бронезащиты несколькими поражающими элементами. Кроме того, использование средств индивидуальной бронезащиты определяет особенности повреждающего действия поражающих элементов боеприпаса и пуль стрелкового оружия, которые нуждаются в тщательном изучении. К примеру, при не пробитии защитной композиции средств индивидуальной бронезащиты не63

Вопросы оборонной техники сколькими высокоскоростными поражающими элементами будет возникать заброневая локальная контузионная травма. Именно поэтому для корректной оценки эффективности применения артиллерийских боеприпасов необходимо учитывать особенности действия поражающих элементов боеприпасов по защищенной средствами индивидуальной бронезащитой живой силы [5]. Следовательно, критерии поражения живой силы необходимо рассматривать с учетом данных особенностей поражения. Все выше указанные проблемы можно объяснить наличием ряда нерешенных частных задач в раневой баллистике и в области оценки поражения живой силы осколочным фактором артиллерийских боеприпасов, в том числе: – отсутствие единого универсального критерия повреждения живой силы несколькими осколками (поражающими элементами); – отсутствие математических методик для исследования и прогнозирования разрушения преград (средств индивидуальной бронезащиты) с учетом взаимного влияния группы тел (поражающих элементов) при ударе. Литература 1. Исследование путей создания и совершенствования индивидуальных средств защиты от пуль и осколков. Отчет о НИР «Революция», в/ч 62241. 1984. С. 560. 2. Зелепугин С.А. Численное исследование деформирования и разрушения пластин при несимметричном нагружении // Механика деформируемого твердого тела. — Томск: Изд-во Томск. ун-та. 1992. С. 65–70. 3. Дерябин П.Н., Косарев А.А., Матвеев А.В. Оценка параметров взаимодействия ударника с защитными элементами из металлокерамики средства индивидуального бронирования // Вопросы оборонной техники. Серия 4. 1992. Вып. 1–2. C. 40–49. 4. Анастасиади Г.П. Работоспособность броневых материалов. Монография / Г.П. Анастасиади, М.В. Сильников. — СПб.: Изд. АСТЕРИОН. 2004. 621 с. 5. Сильников М.В. Поражающие факторы взрыва. Учебное пособие / М.В. Сильников, Б.Е. Гель 64

фанд. — СПб.: Изд.СПб Политехнического университета. 2005. 169 с. 6. Мамадалиев Н., Могинов Р.Г. О распространении и взаимодействии упруго-пластических волн при ударе о жесткую преграду // Современные проблемы механики многофазных сред и распространение волн в сплошной сфере: тр. конф. — Ташкент. 1999. С. 83–86. 7. Локтев А.А. Упругопластическая модель взаимодействия цилиндрического ударника и пластинки // Письма в журнал технической физики. 2007. Т. 33. В. 16. С. 72–77. 8. Нигматуллин Р.И. Динамика многофазных сред. Ч. 1. — М.: Наука. 1987. 464 с. References 1. A research of ways of creation and impro vement of individual means of protection from bullets and splinters. The report on research «Revo lution», military unit 62241. 1984. page 560. 2. Zelepugin S.A. A numerical research of deformation and destruction of plates at asymmetrical loading//Mechanics of a deformable solid body. —Tomsk: Tomsk publishing house. unthat. 1992. Рage 65–70. 3. Deryabin P.N., Kosarev A.A., Matveev of A.V. Otsenk of parameters of interaction of the drummer with protective elements from metal ceramics of means of individual booking. Questions of the defensive equipment, sulfurs.4, issue 1–2, 1992, page 40–49. 4. Anastasiadi G.P. Operability of armored materials. Monograph / G.P. Anastasiadi, M.V. Sil nikov. — SPb.: Prod. ASTERION. 2004. 621 pages. 5. Silnikov M.V. The striking explosion factors. Manual / M.V. Silnikov, B.E. Gelfand. — SPb.: Prod. SPb Polytechnical university. 2005. 169 pages. 6. Mamadaliyev N., Moginov R.G. About distribution and interaction elastic пластиче¬ских waves at blow about a rigid barrier//Modern problems of mechanics of multiphase environments and distribution of waves in the continuous sphere: тр. конф. — Tashkent. 1999. Page 8– 86. 7. Loktev A.A. Elasto-plastic model of interaction of the cylindrical drummer and a plate // Letters in the magazine of technical physics. 2007. T. 33. Century 16. Page 72–77. 8. Nigmatullin R.I. Dynamics of multiphase environments. Ch.1. — M.: Science. 1987. 464 pages.

материалы, технологии и исследования

УДК: 53.043

Применение электростатических и ультразвуковых воздействий для осаждения аэрозолей Electrostatic and ultrasonic impact application for aerosols precipitation Канд. техн. наук М.Ю. Степкина, канд. физ.-мат. наук А.А. Антонникова PhD M.Yu. Stepkina, PhD A.A. Antonnikova Институт проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения РАН Статья посвящена исследованию процесса осаждения аэрозольных сред за счет применения электростатических и ультразвуковых воздействий. Рассмотрены методы устранения промышленных мелкодисперсных частиц в диапазоне размеров от 10-6 до 100·10-6 м из воздушной среды в рабочем объеме. Проведено теоретическое исследование методов осаждения взвешенных частиц устройствами, работающими на основе ультразвуковых колебаний среды и возбуждения электрического поля. Приведены результаты модельных испытаний по определению характерных параметров эволюции аэрозольного облака при воздействии внешних полей. Ключевые слова: аэрозольная среда, мелкодисперсные частицы, электростатическое поле, ультразвуковые колебания, электроосаждающее устройство, ультразвуковой аппарат. Article is devoted to a research of sedimentation of aerosol environments due to application of electrostatic and ultrasonic influences. In article methods of elimination of industrial fine particles in the range of sizes from 10-6 to 100·10-6 meter from the air environment in working volume are considered. The theoretical research of methods of sedimentation of the suspended particle working at a basis of ultrasonic fluctuations of the environment and forcing electric field is given. Model tests by determination of characteristic parameters of evolution of an aerosol cloud at influence of influence of external fields are carried out. Keywords: aerosol media, fine particles, electrostatic field, ultrasonic fluctuations electrobesieging device, the ultrasonic device.

Мелкодисперсные порошки с размером частиц порядка 10-6 м являются весьма распространенным материалом, встречающимся в различных областях жизнедеятельности человека. Порошки микронного размера активно применяются в таких сферах, как фармацевтика, пищевая промышленность, электроника, сельское хозяйство, биотехнологическая наука и т.д. Однако чаще всего частицы таких размеров представляют собой побочный материал после проведения технологических работ в промышленности (табл. 1), природных катаклизмов, террористических актов. Аэрозольные частицы длительное

время остаются в воздушной среде и представляют серьезную угрозу для живых организмов [1–3]. Поэтому возникает задача устранения таких вредных образований из воздуха в короткие сроки. В последнее время актуальным вопросом является очистка воздуха не только от твердых частиц, но и от различных микроорганизмов, бактерий, плесени и других частиц сверхмелких размеров. Современные тенденции технологий очистки рабочих помещений от твердых взвешенных частиц состоят в попытке найти новые недорогие, компактные методы сбора частиц с улучшен65

Вопросы оборонной техники

Вредное действие пыли в различных отраслях промышленности Отрасль промышленности

Состав пыли

Таблица 1 Опасность для здоровья

Дисперсность

Оборудование

Масложировые предприятия

SiO2, Al2O3, Fe2O3, CaO, MgO, K2O, Na2O

(0,5–100)·10-6 м

Рукавные фильтры, циклоны различных типов

Заболевания органов дыхания, глаз, кожи, желудочно-кишечного тракта

Предприятия по хранению и переработке зерна, хлебозаводы

SiO2, содержание бактерий и грибов в составе пыли

(1–50)·10 м

Рукавные, тканевые фильтры, циклоны различных типов

Заболевания органов дыхания, кожи, глаз, пищеварительного тракта

Табачные фабрики

Никотин, аммиак, фенол, эфирные масла. Кремний, кальций, магний, медь, титан, железо, хром, натрий

Воздушные фильтры масляные ячейковые или самоочищающиеся, циклоны, рукавные фильтры всасывающего и нагнетательного типа

Заболевания сердечно-сосудистой системы, дыхательных путей, желудочно-кишечного тракта, нервной системы, зрения

Рукавные фильтры, мокрый вентилятор-пылеуловитель, циклоны с водяной пленкой, циклоны-промыватели

Хронические катары глотки

20·10-9–200·10-6 м

Электростатические осадители

Заболевания дыхательных путей

(1–100)·10 м

Циклоны, рукавные фильтры

Обструктивный бронхит, асбестовые бородавки, асбестоз, рак легкого

(5–100)·10-6 м

Тканевые и рукавные фильтры, мокрые пылеулавители

Хроническое отравление, заболевания органов дыхания, кожи, конъюктивит

(20–30)·10-6 м

Магнитный способ газоочистки, зернистые фильтры, инерционные установки

Вызывает силикоз, пневмокониоз

Зернистые фильтры, скрубберы

Вызывает ожоги, поражение верхних дыхательных путей, пневмокониозы, попадание в глаза вызывает помутнение роговицы

Чайные фабрики

Алкалоид кофеина от 0,4 до 1,2%

Угольные электростанции

Летучая зола, Al2O3, SiO2, Fe2O3

Производство асбеста

Асбестовая пыль

Деревообрабатывающая промышленность

Древесная пыль, формальдегид, полиэфирные и нитроцеллюлозные лаки

Производство стекла

Пыль кварца, кристобалита и тридимита

Производство строительных материалов

Пыль цементная, гипса, извести, кирпича, керамзита и облицовочных изделий

-6

(5–60)·10-6 м

(0,3–100)·10-6 м

-6

(5–20)·10-6 м

материалы, технологии и исследования ными характеристиками, позволяющие экономить электроэнергию и конструкционные материалы. На данный момент пылеулавливающие конструкции можно разделить на две большие группы: сухие и мокрые. К первой группе устройств относятся циклоны и различные виды фильтров (тканевые, керамические, электретные и т.д.). Вторая группа конструкций включает: скрубберы (Вентури, центробежные, инерционные), пенообразователи. Для механических устройств очистки (гравитационные и инерционные) характерен захват твердых частиц на твердом или жидком коллекторе. Фильтры предназначены для использования волокнистых и пористых сред для задержки вредных веществ [4]. В настоящее время для обеспыливания на предприятиях строительной, пищевой, химической и других отраслей промышленности используют инерционные пылеуловители со встречными закрученными потоками (ВЗП). Аппараты подобного типа позволяют увеличить эффективность улавливания до 98% за счет четкой организации крутки вторичного потока [5, 6]. За последнее время достигнут значительный прогресс в разработке электрических и ультразвуковых методов очистки воздушной среды с целью повышения эффективности осаждения в диапазоне малых размеров частиц (менее 20·10-6 м). Основная идея предлагаемого в работе способа очистки воздуха заключается в том, что частицы аэрозоля должны быть быстро укрупнены, чтобы впоследствии их уловить и осадить относительно простыми методами. Укрупнение происходит за счет коагуляции (слипания) частиц. Известно, что использование генератора звуковых (ультразвуковых) колебаний способствует ускорению коагуляции частиц аэрозоля. Такого же эффекта можно добиться, используя электростатическое поле, возникающее в результате коронного разряда. В природе в подавляющем большинстве случаев присутствуют полидисперсные аэрозоли. Поэтому частицы разных размеров, имеющие различные амплитуды колебаний, в акустическом поле будут соударяться друг об друга и укрупняться за счет слияния, то есть коагулировать. Эффективность акустической коагуляции зависит от давления звукового излучения и взаимодействия частиц под действием гидродинамических сил, также значительным параметром яв-

ляется исходная концентрация аэрозоля. Одним из механизмов акустической коагуляции является ортокинетическая коагуляция, то есть захват крупной частицей более мелких за счет их движения с разными скоростями. Учитывая сложность механизмов акустической коагуляции, выбор оптимального источника излучения существенно зависит от диаметра и формы частиц аэрозоля [7, 8]. Исследованием ультразвуковой коагуляции мелкодисперсных аэрозолей и разработкой оборудования ультразвуковых аппаратов в России в настоящее время активно занимается ООО «Центр ультразвуковых технологий». Выпускаемые источники ультразвука отличаются высокой эффективностью, надежностью, простотой в управлении и приемлемой ценой [9]. Исследуя процесс осаждения аэрозольных сред под действием акустических источников, в эксперименте использовался ультразвуковой дисковый излучатель с рабочей частотой 32·103 Гц, с уровнем звукового давления не менее 144 дБ [10]. В качестве модельной среды была выбрана мучная пыль (полученная ситовым методом) дисперсностью от 10·10-6 до 50·10-6 м как пример вредного, промышленного аэрозоля. Первая серия экспериментов проводилась без каких-либо внешних воздействий в герметичной камере объемом 1 м3, в которой распыленная мучная пыль (0,03 кг) осаждалась гравитационно. Вторая серия экспериментов проводилась аналогично первой, только после распыления в камере на вещество воздействовали ультразвуковым излучением в течение 15 минут. Результаты эксперимента представлены на рис. 1. Изменение дисперсных и концентрационных характеристик отслеживалось с помощью оптического метода малоуглового рассеяния [11]. Из анализа полученных результатов следует, что ультразвуковое воздействие способствует коагуляции частиц (рис. 1, а) (увеличение размера аэрозольных частиц в камере до 23·10-6 м), а также повышает скорость осаждения (снижение концентрации пыли в камере до значений, близких к нулю, за время 600 с) мучной пыли. Следующим перспективным способом очистки замкнутого пространства от мелкодисперсной пыли является электростатическое осаждение. Электро статические устройства используют для очистки газов от вредной мелкодисперсной аэровзвеси за счет 67

Вопросы оборонной техники

а б Рис. 1. Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра частиц D32 (а) и концентрации частиц C (б) распыленной муки от времени t без внешних воздействий (1) и с ультразвуковым воздействием (2)

электрических сил. Электрическая энергия необходима для зарядки мелкодисперсных порошков, коагуляции частиц, ионизации газа, агломерации или конденсации пара [2]. Электростатическое осаждение включает в себя следующие этапы процесса осаждения: – заряд взвешенных частиц в газе; – движение заряженных аэрозольных частиц и их осаждение на электродах; – удаление осажденных частиц с поверхности электродов. Очистка в электрофильтрах организована следующим образом. Между электродами с высоким постоянным напряжением проходит аэрозольный поток. Газ изначально не имеет проводимости и заряженных частиц, но под действием сильного электрического поля молекулы такого

газа начинают сталкиваться с потоком быстрых заряженных частиц, образуя за счет выбивания из нейтральных частиц пары внешних электронов — ионы, заряженные частицы. Вновь образованный поток заряженных частиц продолжает ионизировать нейтральные молекулы газа, приводя к ударной ионизации. Промышленные электроосаждающие устрой ства состоят из ряда заземленных поверхностей, распределенных параллельно относительно друг друга. Загрязненный воздушный поток проходит через эти пластины. Между заземленными областями находятся коронирующие электроды с напряжением 25000–100000 В. К факторам, влияющим на характеристики электроосаждающих устройств (табл. 2), можно

Таблица 2 Диапазон применения эксплуатационного режима работы электростатических осадителей Техническая характеристика

Диапазон применения

Температура газа

до 1200°F

Давление газа

до 1 034·103 Па

Скорость газа

от 0,9144 до 4,572 м/с

Падение давления

от 24,91 до 124,5 Па

Размер частиц

от 0,1·10-6 до 200·10-6 м

Композиции частиц

нет основных ограничений

Продолжительность обработки

от 1 до 10 с

Эффективность

от 80 до 99%

материалы, технологии и исследования

а б Рис. 2. Зависимость среднего объемно-поверхностного диаметра частиц D32 (а) и концентрации частиц C (б) распыленного псевдобемита от времени t без внешних воздействий (1) и с электростатическим воздействием (2)

отнести: давление; расстояние между электродами и их общую конфигурацию; состав газов; температуру; электропроводность исследуемого вещества; концентрацию и размер частиц; толщину осажденного слоя на электродах. На данное время явление обратного коронного разряда и удаления микронных частиц микронного размера стимулирует развитие исследовательской деятельности в области электростатического осаждения. Существует несколько решений борьбы с обратным коронным разрядом: использование импульсного или прерывистого включения, а также добавление кондиционирующих агентов или орошение сборного электрода. Для повышения эффективности сбора мелкодисперсных аэрозольных частиц дополнительно используют технические средства, такие как импульсная и прерывистая энергия, электрическое и газовое кондиционирование. Особый интерес вызывает применение химической и ультразвуковой агломерации частиц с целью увеличения эффективности сбора взвешенных частиц высокой дисперсности при электростатическом осаждении. Для определения эффективности использования электрического поля для осаждения аэрозоля проводилось две серии экспериментов: одна серия — в нормальных условиях, без внешних воздействий; вторая серия — с использованием электрофильтра с напряжением на электродах 5000–10000 В, площадью осаждения 1000 м2 [8]. В качестве модельной среды использовался твердофазный порошок псевдобемита (гидроксид алюминия). Частицы порошка представляют

собой наноструктурированные агломераты микронных размеров (примерно 30·10-6 м), имеющие многочисленные микро- и нанопоры в объеме частиц. В опытах с порошком псевдобемита использовалось 0,017 кг порошка, при этом электроосаждающее устройство было включено на 6 минут сразу после распыления (время распыления 30 с). Значения дисперсности и концентрации эволюции аэрозоля псевдобемита во времени представлены на рис. 2. Можно отметить, что воздействие электрофильтра на аэрозоль псевдобемита значительно увеличивает скорость осаждения порошка: осаждение с электрофильтром происходит за 10 с, в то время как в контрольном опыте — только за 80 с. Представленное в работе теоретическое и экспериментальное исследование позволяет раскрыть возможность использования эффективного воздействия электростатического и ультразвукового поля на мелкодисперсные частицы аэрозоля. Так, например, электростатическое устройство с напряжением на электродах порядка 10000 В увеличивает скорость осаждения твердофазного аэрозоля гидроксида алюминия в 8 раз по сравнению с экспериментом без внешних воздействий. Работа выполнена при использовании приборной базы Бийского регионального центра коллективного пользования СО РАН (ИПХЭТ СО РАН, г. Бийск). Исследование выполнено за счет гранта Рос сийского научного фонда (проект № 17-79-10209). 69

Вопросы оборонной техники Литература 1. Азаров В.Н., Есина Е.Ю. О дисперсном составе пыли в системах обеспыливающей вентиляции строительных производств // Вестник ВолгГАСУ. 2008. Вып. 11 (30). С. 119–122. 2. Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности. — М.: АСВ. 2001. 564 с. 3. Панасенко А.И. Технология очистки от аэрозолей. — Донецк: ДВНЗ «ДонНТУ». 2008. 119 с. 4. Новиков В.С. Совершенствование методов обеспечения экологической и производственной безопасности при производстве земляных работ в городском хозяйстве: дис. канд. тех. наук. — Волгоград. 2012. 137 с. 5. Сергина Н.М., Азаров Д.В. Системы инерционного пылеулавливания в промышленности строительных материалов // Строительные материалы. 2013. № 3. С. 86–88. 6. Пономарева Н.С. Совершенствование систем защиты от пыли с применением аппаратов ВЗП на строительных предприятиях по производству мела: дис. канд. тех. наук. — Волгоград. 2011. 186 с. 7. Анатоль Яворек, Анджей Крупа, Tadeusz Czech. Современные электростатические устройства и методы очистки выхлопных газов: краткий обзор // Журнал электростатики. 2007. Т. 65 (3). С. 133–155. 8. Степкина М.Ю. Создание аэрозоля мелкодисперсных электростатически заряженных частиц и его применение в технологических процессах: дис. канд. тех. наук. — Бийск. 2016. 163 с. 9. Хмелев В.Н., Шалунова К.В., Цыганок С.Н., Барсуков Р.В., Сливин А.Н., Шалунов А.В. Ультразвуковая коагуляция аэрозолей: монография. — Бийск: АлтГТУ. 2010. 228 с. 10. Антонникова А.А., Коровина Н.В., Кудря шова О.Б., Ахмадеев И.Р., Шалунова К.В., Хме лев В.Н. Экспериментальное исследование динамики дисперсных характеристик аэрозоля при ультразвуковом воздействии // Ползуновский вест ник. 2011. № 4-1. C. 176–180. 11. Kudryashova O.B., Pavlenko A.A., Vorozhtsov B.I., Titov S.S., Arkhipov V.A., Bon darchuk S.S., Maksimenko E.V., Akhmadeev I.R., Muravlev E.V. Remote optical diagnostics of

nonstationary aerosol media in a wide range of par ticle sizes: monograph. Photodetectors. Р. 341–364. ISBN 978-953-51-0358-5. References 1. Azarov V.N., Esina E.Yu. About disperse composition of dust in the removing dust ventilation systems of construction manufacturings // Vestnik VolgGASU. 2008. Issue 11 (30). P. 119–122. 2. Shtokman E.A. Ventilation, conditioning and purification of air at the enterprises of the food industry. — М.: АSV. 2001. 564 p. 3. Panasenko A.I. Elimination of aerosols tech nology. — Donetsk: ДВНЗ «DonNTU». 2008. 119 p. 4. Novikov V.S. Improvement of methods of ensuring ecological and production safety in production of earthwork in municipal economy: diss. cand. tech. deg. — Volgograd. 2012. 137 p. 5. Sergina N.M., Azarov D.V. The systems of an inertial dust removing in the industry of construction materials // Stroymaterialy. 2013. № 3. P. 86–88. 6. Ponomareva N.S. Improvement of systems for protection against dust with use of devices VZP at the construction enterprises for production of chalk: diss. cand. tech. deg. — Volgograd. 2011. 186 p. 7. Anatol Yavorek, Andrzej Krupa, Tadeusz Czech Modern electrostatic devices and methods of purification of exhaust gases: short review // Zhurnal electrostatiki. 2007. Vol. 65 (3). P. 133–155. 8. Stepkina M.Yu. Creation of an aerosol of fine electrostatic charged particles and its application in technological processes: diss. cand. tech. deg. — Biysk. 2016. 163 p. 9. Khmelev V.N., Shalunova K.V., Tsyganok S.N., Barsukov R.V., Slivin A.N., Shalunov А.V. Ultrasonic coagulation of aerosols: monograph. — Biysk: Pabl. Altai State Technical University. 2010. 241 p. 10. Antonnikova А.А., Korovina N.V., Kud ryashova O.B., Akhmadeev I.R., Shalunova K.V., Khmelev V.N. Experimental study of dynamics of disperse characteristics of an aerosol under ultrasound // Polzunovsky vestnik. 2011. № 4-1. P. 176–180. 11. Kudryashova O.B., Pavlenko A.A., Vorozh tsov B.I., Titov S.S., Arkhipov V.A., Bondarchuk S.S., Maksimenko E.V., Akhmadeev I.R., Muravlev E.V. Remote optical diagnostics of nonstationary aerosol media in a wide range of particle sizes: monograph. Photodetectors. Р. 341–364. ISBN 978-953-51-0358-5.

материалы, технологии и исследования

УДК: 631.354

Применение методики анализа оптических свойств моторного масла военной техники как параметра оценки его остаточного ресурса Application of the technique for analyzing the optical properties of engine oil for military equipment as a parameter for estimating its residual life М.А. Афонин M.A. Afonin Вольский военный институт материального обеспечения В данной статье приведены результаты исследования моторных масел автотранспортных средств Вооруженных Сил Российской Федерации, соответствующих определенным уровням загрязненности. Определены зависимости наработки моторного масла от изменения его оптических свойств, позволяющие разработать научно-обоснованную методику определения остаточного ресурса моторных масел для рационального осуществления сервиса по фактическому состоянию. Обосновывается принцип реализации обслуживания по фактическому состоянию, предполагающий установление технически обоснованных и экономически целесообразных сроков эксплуатации моторного масла и являющийся одним из важнейших направлений рационального использования ресурсов служб материально-технического обеспечения. Ключевые слова: жизненный цикл, автотранспортные средства, технический сервис, моторное масло, наработка двигателя, износ, оптические свойства, параметры. In this article the results of studies of motor oils motor vehicles of the Armed forces of the Russian Federation corresponding to certain levels of contamination. Ddefined according to the developments of motor oil from changing its optical properties, allowing to develop a scientific and reasonable method of determining of residual life of engine oils for rational implementation of the service according to actual condition. Explains the principle of the implementation of the service according to actual condition, establishing technically sound and cost-effective operating life of engine oil and is one of the most important areas of efficient use of rear services. Keywords: life-cycle, motor vehicle, technical service, engine oil, engine running time, wear, optical properties, parameters.

Система технического обслуживания как составляющая материально-технического обеспечения Вооруженных Сил Российской Федерации (ВС РФ) за последнее десятилетие подвергалось различного рода реорганизациям и преобразованиям. Оценке состояния ВС РФ посвящено достаточно много публикаций, однако несомненной остается прямая зависимость поддержания боевой готовности и боеспособности войск от уровня их технического обеспечения. Система технического

обслуживания и ремонта машин должна обладать высокой степенью эффективности и устойчивости к внешним воздействиям. Важнейшим условием механизма планирова ния и управления системой материально-технического обеспечения ВС РФ является совершенствование научно-методической базы, обоснования и формирования государственной программы вооружения в направлении учета возможностей современной системы технического обслуживания (ТО) [1, 2]. 71

Вопросы оборонной техники При этом особое значение имеет стадия эксплуатации техники, так как она в среднем составляет более двух третей продолжительности жизненного цикла и занимает до 70% расходов на реализацию всех мероприятий по поддержанию жизненного цикла изделий. Ведущую роль занимает деятельность, направленная на обеспечение назначенного ресурса двигателей автотранспортных средств, что достигается как обеспечением оптимальных условий эксплуатации, предусмотренных техническими требованиями заводов изготовителей, так и проведением своевременного качественного технического обслуживания и ремонта. Эксплуатация автотранспортных средств состоящих на вооружении МО РФ характеризуется значительным изменением свойств конструкционных и эксплуатационных материалов, ввиду этого особое значение приобретает соответствие качества применяемого моторного масла условиям эксплуатации. В процессе эксплуатации ресурс моторного масла уменьшается, так как оно подвергается множественным воздействиям, имеющим различный характер: температурные, попадание пыли, воды, топлива, отработанных газов, сопутствующих частиц окисления и продуктов износа трибосопряженных деталей. Процесс изменения качества моторного масла в процессе работы называется старением, а результатом его проявления является изменение основы масла и количественно-качественного состава присадок в нем (срабатывание присадок). Реализация обслуживания по фактическому состоянию предполагает установление технически обоснованных и экономически целесообразных сроков эксплуатации моторного масла и является одним из важнейших направлений рационального использования ресурсов службы материально-технического обеспечения. Преждевременная замена масла, запас качества которого еще позволяет нормально эксплуатировать двигатель, экономически нецелесообразна, так как приводит к увеличению расхода масла и к повышению затрат на техническое обслуживание. Наоборот, чрезмерная продолжительность работы масла может привести к выходу показателей качества за границы допуска и привести к повышенному загрязнению и износу деталей двигателя, что вызовет снижение их моторесурса или даже аварийный выход двигателя из строя. В этих случаях расходы на ремонт двигателя 72

могут значительно превысить полученную от увеличения сроков замены масла экономию [3, 4]. Одной из причин того, что вопрос определения рационального срока службы масла в двигателе еще не решен, является отсутствие однозначных критериев оценки состояния работающего масла и необходимости его замены. Вследствие сложного взаимного влияния ряда факторов вопрос об установлении рациональных сроков замены моторных масел является сложной научно-технической задачей. Периодичность замены зависит не только от изначально заложенного уровня свойств масла, хотя этот фактор и является весьма значительным, но и от ряда других факторов (конструктивные особенности двигателя, техническое состояние, опытность водителя, дорожные и климатические условия эксплуатации и др.). Принятые в настоящее время сроки замены масел зачастую лишь частично учитывают реальный опыт эксплуатации техники. Рекомендуемые заводами сроки замены моторного масла практически не учитывают такие важнейшие факторы, как изначальный уровень качества масла, техническое состояние двигателя, и лишь в некоторой степени учитывают особенности конструкции двигателя и условий эксплуатации [5]. Разработка и внедрение современных средств непрерывной диагностики машин позволяют значительно увеличивать эффективность работы сер висных служб, а с развитием микроэлектроники становится возможным уменьшение габаритных размеров датчиков и систем контроля параметров, что дает возможность использовать их в автотранспортных средствах. Оценка свойств рабочих моторных масел осуществляется исходя из значений различных показателей качества в зависимости от применяемого метода. Важнейшими информативными показателями наработки моторного масла являются его цвет и прозрачность, что во многом определяет перспективность диагностирования данных показателей [6, 7, 8]. Целью исследования является на основании выявленных зависимостей экспериментальных дан ных, полученных с использованием устройства определения оптической проницаемости среды, разработка научно-обоснованной методики определения остаточного ресурса моторных масел. Исследование проводилось с использованием прибора, определяющего состояние моторно-

материалы, технологии и исследования

Рис. 1. Внешний вид прибора

го масла по средствам анализа его оптических свойств. В устройстве, внешний вид которого изображен на рис. 1, применяется оптопара. Она состоит из ИК диода и фотоприемника, который имеет высокую чувствительность к изменению освещенности. ИК диод, создающий световой поток в инфракрасном спектре, располагается таким образом, чтобы создавалось прямое попадание его излучения на фотоприемник. При попадании светового потока на фотодиод происходит генерация свободных носителей, что ведет к возникновению разности потенциалов, и происходит срабатывание исполнительного реле, включающего цепь питания устройства, подающего сигнал на светодиод, который выполняет функции индикатора. Основной характеристикой фотодиода является вольт-амперная характеристика, т.е. зависимость светового тока от напряжения при постоянном световом потоке. Данные с измерениями параметров моторного масла с разным сроком эксплуатации (0 и 12500 км) занесены в табл. 1. По данным из табл. 1 строится график вольт- амперной характеристики (рис. 2), где Iф — фототок, то есть ток, созданный возбуждёнными светом носителями заряда; U — внешнее напряжение на переходе.

На рис. 2 показана вольт-амперная зависимость при различных световых потоках Ф. При отсутствии освещения (Iф = 0) вольт-амперная характеристика проходит через начало координат. Кривая, соответствующая световому потоку Ф1, смещается по оси ординат (оси токов) на отрезок, равный силе фототока — Iф. Световая характеристика фотодиода выражается зависимостью напряжения от срока эксплуатации моторного масла (рис. 3). В ходе обработки результатов исследования наблюдалась определенная вариабельность, что определяется неоднородностью испытуемых проб, а также частично обуславливается погрешностями измерений. Зависимость параметров, представленная в виде полиноминальной аппроксимации, имеет вид 2

y = −5 ⋅ 10−1 2x + 1 ⋅ 10−5 x + 2 ,4172. Достоверность аппроксимации R2 = 0,9968. Соотношение напряжения на фотоприемнике от освещенности моторного масла, соответствующей определенному сроку эксплуатации масла, выражается прямой зависимостью, показанной на рис. 3. Предметом исследования является универсальное всесезонное моторное масло на минеральной основе с вовлечением пакета присадок М-4з/14Д (табл. 2). Данное масло предназначено для смазывания высокофорсированных автомобильных бензиновых двигателей и дизелей [9, 10, 11]. Результаты исследования занесены в табл. 3, 4 и 5. Образец № 5 обладает высокой степенью светопропускания по сравнению с остальными пробами масла. Коэффициент светопропускания более 4,3×10-4. Таблица 1

Параметры образцов моторного масла № «эталонного» образца моторного масла

Срок эксплуатации моторного масла, км

Значение обратного напряжения на фотодиоде, В

Значение фототока, мкА

Значение напряжения на фотодиоде, В

Значение силы тока на фотодиоде, мкА

– 0,18

– 0,2

2,42

6,6

12500

2,55

6,9

Вопросы оборонной техники

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика фотодиода

Рис. 3. Зависимость напряжения на фотоприемнике от срока эксплуатации моторного масла Таблица 2

Физико-химические свойства моторного масла Наименование показателя Кинематическая вязкость (100°С), мм2/с (сСт) Индекс вязкости, не менее Вязкость динамическая, при – 25°С, МПс·с, не более

Значение 14,0 ± 1,0 130 7 000

Зольность сульфатная, %, не более

1,8

Температура вспышки в открытом тигле, °С, не ниже

190

Температура застывания, °С, не выше

– 45

Массовая доля мех/примесей, %, не более

0,015

Массовая доля фосфора, %, не более

0,12

Щелочное число, мгКОН/г, не менее

9,0

Стабильность по индукционному периоду осадкообразования Плотность при 20°С, г/см3, не более

Выдерживает 0,900

материалы, технологии и исследования Таблица 3 Результаты тестирования образцов моторного масла, эксплуатирующихся на КамАЗ 43114 № образца моторного масла

Место взятия пробы

Сила тока на фотоприемнике, мкА

Шасси КамАЗа

ГРЗ

Пробег, км

Напряжение на фотоприемнике, В

43114

8610

75360

2,47

6,8

43114

7413

14237

2,48

6,8

43114

8696

25294

2,55

6,9

43114

8539

10825

2,51

6,8

43114

9035

2976

2,45

6,7

43114

8769

5009

2,47

6,8

Таблица 4 Результаты тестирования образцов моторного масла, эксплуатирующихся на Урал 4320 Место взятия пробы Пробег, км

Напряжение на фотоприемнике, В

Сила тока на фотоприемнике, мкА

9553

10144

2,51

6,8

4320

9554

3405

2,46

6,7

4320

8846

26185

2,51

6,8

4320

8554

13546

2,52

6,8

№ образца моторного масла

Шасси Урала

ГРЗ

4320

Таблица 5 Результаты тестирования образцов моторного масла, эксплуатирующихся на Урал 5557 № образца моторного масла

Место взятия пробы

Сила тока на фотоприемнике, мкА

Шасси Урала

ГРЗ

Пробег, км

Напряжение на фотоприемнике, В

5557

2130

68255

2,47

6,8

5557

9023

58461

2,48

6,8

Образцы моторного масла (кроме № 5) обладают низким значением светопропускания. Коэффициент светопропускания (Т) — менее 10-4. Свет, прошедший через такую среду, был ослаблен более чем в 10000 раз. Значение — оптическая плотность среды (жидкости) больше 4. По полученным данным, используя рис. 4, определяется значение срока эксплуатации моторного масла. Результаты исследования соответствуют фактической наработке моторных масел в соответствии с паспортами-формулярами ВВСТ в границах достоверности и представлены в табл. 6.

Выводы Методика определения остаточного ресурса рабочих моторных масел автотранспортных средств с использованием устройства определения оптической проницаемости среды позволяет отслеживать их наработку. Внедрение устройства в систему смазки ДВС позволит в режиме реального времени оперативно контролировать и поддерживать эксплуатационные свойства применяемого моторного масла, позволяя наиболее рационально устанавливать сроки его замены в ходе технического обслуживания. 75

Вопросы оборонной техники

Рис. 4. Определение состояния моторного масла Таблица 6

Результаты проведенного исследования № образца моторного масла

Напряжение на фотодиоде, В

Приблизительный срок эксплуатации масла, км

2,47

4800

2,48

5700

2,55

12500

2,51

8500

2,45

2900

2,47

4800

2,51

8500

2,46

3800

2,51

8500

2,52

9600

2,47

4800

2,48

5700

Литература 1. Варнаков Д.В. Использование диагностичес ких параметров при оценке и прогнозировании параметрической надежности двигателей автотранспортных средств / Д.В. Варнаков // Монография. — Ульяновск: УлГУ. 2013. 124 с. ISBN 978-5-88866-486-5. 2. Варнаков Д.В. Применение методики прогнозирования надежности двигателей военной автомобильной техники в нормальном и специальном эксплуа76

тационных режимах / Д.В. Варнаков, М.А. Афонин, Д.В. Пикулин // Научный вестник Вольского военного института материального обеспечения: военно-научный журнал. 2017. № 2 (42). С. 85–90. 3. Афонин М.А. Контроль экономного расхода топлива, законности его списания начальником службы горючего соединения сухопутных войск / И.Р. Габ драшитов, А.Л. Чернов // Научный вестник Вольс кого военного института материального обеспечения: военно-научный журнал. 2016. № 4 (40) С. 79–83.

материалы, технологии и исследования 4. Варнаков Д.В. Устройство оперативного контроля остаточного ресурса моторного масла / М.А. Афонин, Д.А. Тюрин, А.В. Андреев // Сборник научных трудов по итогам международной научно-практической конференции № 2. — Пермь. 2017. С. 6–7. 5. Дидманидзе О.Н. Обеспечение надежности техники путем проведения комплексной оценки качества поставок запасных частей при организации технического сервиса / О.Н. Дидманидзе, Б.С. Дид манидзе, В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, Е.А. Вар накова, Л.Л. Хабиева // Международный технико- экономический журнал. — М.: ООО «Спектр». 2014. № 5. С. 31–40. 6. Варнаков Д.В. Способ и система оценки стабильности качества биотоплива для дизельных двигателей / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, А.В. Платонов // Международный научный журнал. 2013. № 3. С. 95–101. 7. Варнаков В.В. Построение математической модели технического сервиса / В.В. Варнаков, А.С. Карпов, М.Е. Дежаткин // Международный технико-экономический журнал. 2009. № 3. С. 73–75. 8. Варнаков Д.В. Влияние метода прогнозирования достаточной надежности по обобщенному параметру на динамическую характеристику автотранспортных средств / Д.В. Варнаков // Международный технико-экономический журнал. — М.: № 2. 2012. С. 113–119. 9. Дидманидзе О.Н. Повышение параметрической надежности автомобильных двигателей / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление, модернизация. — М.: № 5. 2007. С. 2–7. 10. Варнаков В.В. Оценка качества ремонта двигателей при сертификации по результатам обкаточных испытаний / В.В. Варнаков, А.В. По годин, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление, модернизация. — М.: № 8. 2005. С. 19–21. 11. Афонин М.А. Пути повышения эффективности технического сервиса военно-автомобильной техники // Национальные приоритеты России. Серия 1: Наука и военная безопасность. — Омск.: № 4 (11). 2017. С. 50–54. References 1. Varnakov D.V. The use of diagnostic parameters in the assessment and prediction of the parametric reliability of motor vehicles / D.V. Varnakov // The Monograph. — Ulyanovsk: UlSU/ 2013. 124 P. ISBN 978-5-88866-486-5.

2. Varnakov D.V. Application of the method for predicting the reliability of engines of military vehicles in normal and special operational modes / D.V. Varnakov, M.A. Afonin, D.V. Pikulin // Scientific Herald of the Volsky Military Institute of Material Support: a military scientific journal. 2017. № 2 (42). P. 85–90. 3. Afonin M.A. Control of economical consu mption of fuel, lawfulness of his write-off of the chief of the fuel service of ground troops / I.R. Gabdrashitov, A.L. Chernov // Scientific Herald Volsky military Institute of material security: the military-scientific journal. 2016. № 4 (40) P. 79–83. 4. Varnakov D.V. The device of operative control of residual resource of engine oil / М.А. Afonin, D.A. Tyurin, A.V. Andreev // Collected scientific works on the results of the international scientific-practical conference № 2. Perm. 2017. P. 6–7. 5. Didmanidze O.N. Ensuring the reliability of equipment by conducting a comprehensive assessment of the quality of supplies of spare parts in the organization of technical services / O.N. Didmanidze, B.S. Didmanidze, V.V. Varnakov, D.V. Varnakov, E.A. Varnakova, L.L. Khabieva // International Tech nical and Economic Journal. — Moscow: Spectrum Ltd. 2014. № 5. P. 31–40. 6. Varnakov D.V. Method and system for asses sing the stability of biofuel quality for diesel engines / V.V. Varnakov, D.V. Varnakov, A.V. Platonov // International Scientific Journal. 2013. № 3. P. 95–101. 7. Varnakov V.V. Construction of a mathematical model of technical service / V.V. Varnakov, A.S. Karpov, M.E. Dezhatkin // International Technical and Economic Journal. 2009. № 3. P. 73–75. 8. Varnakov D.V. Influence of a method of forecasting of sufficient reliability on the generalized parameter on the dynamic characteristic of vehicles / D.V. Varnakov // International Technical and Economic Journal. — Moscow: № 2. 2012. P. 113–119. 9. Didmanidze O.N. Increase of parametric reliability of automobile engines / О.N. Didmanidze, D.V. Varnakov // Repair, restoration, modernization. — Moscow: № 5. 2007. P. 2–7. 10. Varnakov V.V. Evaluation of the quality of engine repairs during certification based on the results of running tests / V.V. Varnakov, A.V. Pogodin, D.V. Varnakov // Repair, restoration, modernization. – Moscow: № 8. 2005. P. 19–21. 11. Afonin M. A. Ways of increase of efficiency of maintenance of military vehicles // National priorities of Russia. Series 1: the Science and military security. — Omsk: № 4 (11). 2017. P. 50–54. 77

Вопросы оборонной техники

УДК: 355/359

Планирование мероприятий по созданию новых материалов для ВВСТ на современном этапе Planning activities to create new materials for weapons at the present stage Канд. техн. наук А.Ю. Кравченко, канд. техн. наук Р.В. Реулов, канд. техн. наук С.В. Стукалин PhD A.Yu. Kravchenko, PhD R.V. Reulov, PhD S.V. Stukalin 46 ЦНИИ МО России Рассмотрена актуальность развития материалов для создания образцов ВВСТ, проведен анализ научно-технических программ, в рамках которых осуществляется создание материалов и нормативной правовой базы, регламентирующей приоритеты их развития, в том числе для нужд Минобороны России. Предложен научно-методический подход к определению объема ассигнований, необходимых для проведения программных мероприятий, связанных с созданием материалов и веществ для ВВСТ. Ключевые слова: материал, сырье, приоритет, вооружение, военная и специальная техника, система вооружения, государственная программа вооружения, научно-техническая программа, объем ассигнований. Examined the urgency of the development of materials for the creation of weapons, an analysis of scientific and technical programs has been carried out, within which materials are being created, and a regulatory legal framework regulating the development priorities for materials, including for the Russian Ministry of Defence. A scientific-methodical approach of appropriations necessary for carrying out activities related to the creation of materials and substances for weapons. Keywords: material, raw materials, priority, armament, military and special equipment, armament system, scientific and technical program, appropriation.

Текущая военно-политическая обстановка ха рактеризуется напряженностью по многим направлениям международных отношений практически во всех регионах мира. Несмотря на снижение вероятности развязывания против Российской Феде рации крупномасштабной войны с применением обычных средств поражения и ядерного оружия, на ряде направлений военные угрозы нашей стране усиливаются. Возникают зоны нестабильности и искусственно подогреваемого, управляемого хаоса, неурегулированными остаются многие региональные и локальные конфликты. Сохраняются тенденции к их силовому разрешению, в том числе в регионах, имеющих общую границу с Российской Федерацией и ее союзниками. Характер войн меняется, они становятся все более высокотехнологич78

ными, динамичными и скоротечными, требующими как принципиально новых подходов к их ведению, так и военно-техническому обеспечению сил и средств [1–4]. В современной войне побеждает та сторона, у которой более совершенное, более умное, более технологичное оружие. Этот принцип положен в основу реализуемой в США концепции глобального доминирования в военно-техноло гической сфере. Мероприятия, реализуемые США, по достижению глобального доминирования можно условно сгруппировать по трем направлениям: – первое — это реализация стратегии глобального окружения, а также достижения преимуществ в количестве и качестве вооружения;

теоретические и практические основы противодействия терроризму – второе — достижение максимально высокого уровня военного потенциала за счет внедрения в ВВСТ технологий шестого технологического уклада; – третье — это проведение исследований, направленных на получение в долгосрочной перспективе научно-технологических прорывов по критическим оборонным технологиям. Указанные направления рассматриваются военно-политическим руководством нашей страны в качестве угроз военно-технического характера, которые положены в основу разработки долгосрочных планов развития системы вооружения, которая должна включать системы и комплексы ВВСТ, обеспечивающие возможность адекватного ответа технологически превосходящему противнику, а также парирование всего спектра как существующих, так и потенциальных угроз военной безопасности государства [1, 2]. Перспективные планы развития системы вооружения в настоящее время непосредственно ориентированы на создание качественно новых видов оружия, которым присущи следующие основные тенденции: – внедрение элементов интеллектуализации в образцы вооружения; – развитие интегрированных систем разведки, целеуказания, связи, управления и радиоэлектронной борьбы; – создание малогабаритных и сверхмалых образцов вооружения; – снижение заметности вооружения, военных объектов и объектов инфраструктуры; – повышение мобильности войск; – освоение гиперзвуковых скоростей полета средств поражения; – повышение точности и избирательности действия оружия; – снижение расходов на эксплуатацию вооружения за счет создания систем и средств со встроенной диагностикой; – повышение энерговооруженности и освоение новых видов энергоносителей и форм энергии. Эти тенденции во многом определяются применением перспективных материалов, обеспечивающих улучшение таких характеристик вооружения, как надежность, живучесть, защищенность, долговечность, массогабаритные характеристики, ремонтопригодность и даже стоимость. Доля материалов в стоимости ВВСТ оценивается более

чем в 60–70%. В частности, в изготовлении самолета Су-25 используется более 2500 материалов (весом от 0,1 кг до 1000 кг), самолета Су-27 — более 4500 наименований, крупного надводного корабля — 18000–20000 наименований материалов и сырья. Разработка материалов представляет собой наукоемкое, высокотехнологическое направление, которое является основой при разработке всех базовых технологий и, следовательно, способно заложить фундамент для новых концепций развития перспективных высокотехнологичных образцов техники как военного, так и гражданского назначения [5]. В современных условиях потребности в новых материалах возрастают в связи с острой конкуренцией и ориентацией на быструю смену поколений высокотехнологичных образцов техники различного назначения, а также необходимостью ускорения развития производства и расширения рынков сбыта [6]. Уровень конкурентоспособности промышленной, в том числе оборонной, продукции в эпоху высоких технологий определяется и таким фактором, как объем используемых новых материалов со значительно улучшенными значениями характеристик (наноматериалы, композиционные, «интеллектуальные», керамические материалы и др.). Именно поэтому наиболее развитые в воен но-техническом и научно-техническом отношении страны мира уделяют значительное внимание развитию материалов и технологий их создания. Так, например, в прогнозном докладе «Глобальная технологическая революция: био- и наноматериалы и их синергетика с информационными технологиями», подготовленном по заказу ЦРУ корпорацией RAND, особое внимание уделяется именно вопросам перспективного материаловедения, предусматривающим использование в процессе создания ВВСТ новых материалов, в том числе «интеллектуальных» и наноматериалов. Важно отметить, что, по мнению специалистов RAND, наиболее заинтересованным в проведении работ по указанным направлениям ведомством является министерство обороны США. Кроме того, в зарубежных странах одним из критериев финансирования какого-либо проекта является необходимость применения не менее 30% новых материалов и веществ. В настоящее время в Российской Федерации важнейшим документом межведомственного уров ня, определяющим направления комплексного 79

Вопросы оборонной техники развития технологий в области материалов нового поколения и технологий глубокой переработки сырья, являются. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года (далее — стратегические направления), одобренные научно-техническим советом Военно-промышленной комиссии 02 декабря 2011 г. В документе в концентрированном виде содержатся исходные данные для планирования и проведения фундаментальных, поисковых и прикладных научно-исследовательских работ, направленных на формирование задела в области материаловедения в интересах создания нового поколения ВВСТ, а также перспективных изделий гражданского и двойного назначения. Указанные стратегические направления систематизированы по 18 комплексным проблемам, включая интеллектуальные и аморфные покрытия, «умные», гибридные, интерметаллидные и магнитные материалы, пеноматериалы, суперсплавы, композиты, методы моделирования, аддитивные технологии. Развитие материалов по перечисленным выше проблемам направлено на

решение инновационных задач, связанных с научно-технологическим развитием направлений создания перспективных вооружения и военной техники. Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки реализуются в рамках государственных программ Российской Федерации, государственной программы вооружения, федеральных целевых программ, программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук, программ деятельности Фонда перспективных исследований, государственных корпораций и научных фондов (рис. 1). Исследования и разработки в области создания и производства материалов, проводимые в рамках данных научно-технологических программ, преследуют единую цель — повышение качества оборонной продукции. Поэтому реализовывать их следует, объединив усилия всех заинтересованных министерств и ведомств. В этой связи важное значение приобретает межведомственная координация программных мероприятий материаловедческой направленности, осуществляемых в интересах различных

Рис. 1. Инструменты реализации стратегических направлений развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года

теоретические и практические основы противодействия терроризму государственных заказчиков [7, 8, 9]. Одним из основных элементов проведения межведомственной координации и взаимной увязки программных мероприятий по созданию материалов является функциональное разграничение зон ответственности Минобороны России и других федеральных органов исполнительной власти в указанных работах [10]. При этом следует руководствоваться двумя основополагающими принципами: 1. Министерство обороны не проводит специальных исследований по созданию дефицитных материалов, а осуществляет разработку экспериментальных образцов ВВСТ на основе материалов с принципиально новыми свойствами. 2. Минпромторг, Минобрнауки и другие государственные заказчики оборонно-промышленного и научно-технологического комплекса, признавая приоритет задач обороны и обеспечения безопасности государства, планируют в своих научно-технологических программах проведение работ по подготовке производственно-технологической ба зы для реализации ГПВ и по созданию материаловедческих технологий двойного назначения. С учетом этих принципов разделение функций в создании ресурсно-сырьевой базы для обеспечения реализации мероприятий ГПВ можно представить следующим образом: – в Программе развития базовых военных технологий должны планироваться и проводиться фундаментальные, прогнозные, поисковые и прикладные исследования в интересах создания принципиально новых материалов с уникальными свойствами, обеспечивающих создание принципиально нового вооружения (лазерное, радиочастотное, кинетическое, гиперзвуковое оружие, робототехнические комплексы и др.); – в ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России» и программах РАН исследования должны быть направлены на проведение проблемно-ориентированных фундаментальных и поисковых исследований в области получения и обработки конструкционных и функциональных наноматериалов, имеющих потенциал двойного применения; – в ГП РФ «Развитие оборонно-промышленного комплекса» должны быть сосредоточены проекты, направленные на развитие научно-техничес кого и производственно-технологического потен

циала материаловедческих организаций промыш ленности (организация производства материалов) в обеспечение разработки и производства перспективного вооружения; – в подпрограмме «Разработка и организация производства стратегических материалов для обеспечения производства вооружения, военной и специальной техники» ГП РФ «Развитие оборонно-промышленного комплекса» должны проводиться программные мероприятия по восстановлению и развитию научно-технического потенциала отечественной промышленности и гарантированному обеспечению дефицитными и импортозамещающими материалами военно-технических программ. В обобщенном виде предложения по функциональному разделению основных научно-технологических программ, так или иначе связанных с ресурсно-сырьевым обеспечением производства ВВСТ, представлены на рис. 2. Таким образом, проблема дефицита материалов для ВВСТ может быть в значительной мере решена путем проведения единой научно-технической политики по концентрации ресурсов (интеллектуальных, кадровых, финансовых) всех заинтересованных федеральных органов исполнительной власти на приоритетных направлениях развития отечественной материаловедческой базы. В целом на основе приоритетов научного, научно-технического и производственно-технологического развития проблема ресурсно-сырьевого обеспечения реализации мероприятий государственной программы вооружения решается федеральными органами исполнительной власти, Российской академией наук, научными фондами и госкорпорациями за счет проведения комплекса взаимоувязанных мероприятий, включающих: – создание материалов с принципиально новыми свойствами в рамках программы фундаментальных научных исследований государственных академий наук и раздела 10.А государственной программы вооружения; – организации и восстановления производства материаловедческой и сырьевой базы промышленности, способной обеспечить отечественными материалами создание ВВСТ в рамках подпрограммы «Разработка и организация производства стратегических материалов для обеспечения производства вооружения, во81

Рис. 2. Предложения по функциональному разделению научно-технологических программ в части создания и производства материалов и их компонентов

Вопросы оборонной техники

теоретические и практические основы противодействия терроризму енной и специальной техники» госпрограммы развития ОПК; – создание элементов конструкций, боевых частей, модулей и блоков перспективных образцов вооружения в рамках раздела 10.Б государственной программы вооружения. Формирование и реализация военно-технической и научно-технической политики Российской Федерации в целом и развитие технологий материалов, необходимых для выполнения программ и планов по созданию и производству образцов ВВСТ, в частности осуществляется на основе методов программно-целевого планирования, обеспечивающих возможность эффективного взаимодействия федеральных органов исполнительной власти, научных и научно-производственных организаций в процессе развития системы вооружения, создания систем (комплексов, образцов) вооружения, военной и специальной техники, совершенствования оборонно-промышленного комплекса. Основу методов программно-целевого планирования традиционно составляют подходы к определению рациональных объемов ассигнований, которые необходимы для реализации мероприятий плана, обеспечивающих достижение всех заявленных целей и выявленных приоритетов развития. Задача обоснования необходимых объемов финансирования программных мероприятий научно-технологических программ, связанных с созданием новых материалов, в общем виде может быть сформулирована следующим образом: для заданного множества потребностей в материалах и материаловедческих технологиях, требуемых для производства существующих и создания перспективных образцов ВВСТ, запланированных к созданию и производству в рамках ГПВ, определить требуемый суммарный объем ассигнований, необходимый для выполнения совокупности программных мероприятий по созданию новых материалов, проводимых в рамках различных научно-технологических программ. Для решения данной задачи может использоваться следующий подход. На основании имеющегося перечня потребностей в материалах (материаловедческих технологиях) РТ = {PTf}, f = 1...N (где PTf — f-ая материаловедческая технология, необходимая для создания, производства или модернизации образцов (комплексов, систем) ВВСТ, запланированных в рамках ГПВ, но отсутствующая на данный

момент, N — количество материаловедческих технологий, необходимых для создания, производства или модернизации образцов (комплексов, систем) ВВСТ, запланированных в рамках ГПВ, но отсутствующих на данный момент) определяется перечень НИОКР (NIOKRM), в рамках которых будут разработаны материаловедческие технологии из числа общей потребности PT. При этом материалы (материаловедческие тех нологии), на создание которых направлены указанные работы, целесообразно условно разделить на следующие группы. Группа 1. Материалы, необходимые для создания и производства образцов нетрадиционного вооружения (гиперзвуковое вооружение, робототехнические комплексы, беспилотные летательные аппараты, лазерное оружие, оружие на новых физических принципах и т.д.). Группа 2. Материалы, необходимые для создания перспективных и модернизируемых образцов ВВСТ. Группа 3. Материалы двойного применения (те, которые могут найти применение как в образцах ВВСТ, так и высокотехнологичных образцах техники народнохозяйственного назначения). В рамках государственной программы вооружения целесообразно проводить НИОКР, в которых предполагается разработка материалов первой группы. Остальные работы должны быть распределены между федеральными научно-технологическими программами оборонной направленности, к которым в первую очередь относится ГП «Развитие оборонно-промышленного комплекса». Таким образом, формируется совокупность НИОКР по созданию новых материалов для образцов (комплексов, систем) ВВСТ n

M NIOKR M =  NIOKRНТПl , l =1

(1)

где n — количество научно-технологических программ, в рамках которых проводятся исследования по созданию новых материалов для ВВСТ; M NIOKRНТПl — множество НИОКР по созданию новых материалов для образцов (систем, комплексов) ВВСТ в рамках l-ой научно-технической программы, причем ∀i ≠ j

M M NIOKR НТПi  NIOKR НТПj = Ø.

Вопросы оборонной техники Объемы финансирования СНТП программных мероприятий научно-технологических программ, связанных с созданием новых материалов, определяются методом прямой калькуляции объемов финансирования каждой из НТП ( C НТП j ) kj

z С НТП j = ∑ C НТП , j

(2)

z =1

где kj — количество НИОКР по созданию материалов для ВВСТ в составе j-ой научно-технологической программы; z — потребный объем ассигнований на C НТП j выполнение z-ой НИОКР в составе j-ой научно-технологической программы. Для определения потребного объема ассигнований на выполнение каждой НИОКР по созданию материалов для образцов (комплексов, систем) ВВСТ целесообразно использовать методику определения начальной (максимальной) цены государственного контракта на научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. В настоящее время для оценки ориентировочных объемов ассигнований на НИОКР, проводимых по заказу Минобороны России, используются «Методические рекомендации по формированию начальной цены государственного контракта при размещении государственного оборонного заказа путем проведения торгов», разработанные в соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 4 ноября 2006 г. № 656 и утвержденные 9.02.08 г. Начальником вооружения Вооруженных сил Российской Федерации — заместителем Ми нистра обороны Российской Федерации [6]. Методические рекомендации предназначены для использования заказывающими органами Минобороны России при формировании начальной цены государственного контракта в ходе размещения государственного оборонного заказа путем проведения торгов в отношении: а) поставок товаров (выполнения работ, услуг), связанных с проведением фундаментальных, прогнозных и прикладных исследований в интересах технического оснащения ВС РФ; б) поставок товаров (выполнения работ, услуг), связанных с созданием новых (модернизированных) образцов вооружения, военной и специальной техники, комплектующих изделий и материалов; в) поставок товаров (выполнения работ, услуг), связанных с серийным выпуском вооруже84

ния, военной и специальной техники, комплектующих изделий и материалов, вещевого и военного имущества, за исключением товаров (работ, услуг), для которых есть функционирующий рынок. В случае проведения прикладных исследований по созданию материалов определение начальной цены контракта осуществляется исходя из анализа расчетных цен, определенных с учетом результатов (технико-экономических обоснований) научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по созданию аналогов указанных материалов и с использованием индексов цен производителей на соответствующие товары [7]. Как было отмечено выше, все материалы, необходимые для создания перспективных и модернизации существующих образцов ВВСТ, условно подразделяются на три группы. С учетом того, что работы по созданию материалов второй и третьей группы предполагается проводить в рамках научно-технологических программ федерального уровня, для определения начальной (максимальной) цены контракта целесообразно использовать методики и подходы, принятые в каждом из министерств (ведомств), являющихся заказчиками-координаторами указанных программ. Анализ указанных подходов к определению начальной (максимальной) цены государственных контрактов показал, что они концептуально схожи, не противоречат друг другу и могут быть использованы в качестве составных частей методики обоснования необходимых объемов финансирования программных мероприятий научно-технологических программ, связанных с созданием новых материалов для вооружения, военной и специальной техники. Суммарные объемы финансирования программных мероприятий НТП, связанных с созданием новых материалов для вооружения, военной и специальной техники, определяются как сумма ассигнований, необходимых для выполнения каждой научно-технологической программы n

С НТП = ∑ C НТП j ,

(3)

j =1

где n — количество научно-технологических программ, в рамках которых проводятся исследования по созданию новых материалов для ВВСТ; C НТП j — потребный объем ассигнований на выполнение j-ой научно-технологической про-

теоретические и практические основы противодействия терроризму граммы, в рамках которой проводятся исследования по созданию новых материалов для вооружения, военной и специальной техники; СНТП — необходимый объем финансирования программных мероприятий научно-технологических программ, связанных с созданием новых материалов для вооружения, военной и специальной техники. Применение данного подхода к формированию потребных объемов финансирования мероприятий научно-технологических программ по созданию новых материалов для вооружения, военной и специальной техники позволит повысить эффективность планирования и использования бюджетных ассигнований, организовать эффективную систему контроля за их расходованием, а также создать необходимые условия для устранения дублирования научных исследований и разработок материаловедческой направленности, проводимых в рамках государственной программы вооружения и федеральных научно-технологических программ. Роль перспективных материалов и технологий материаловедения трудно переоценить с точки зрения возможностей обеспечения достижения тактико-технических требований, предъявляемых к современным образцам ВВТ. В частности, создание перспективных образцов гиперзвукового вооружения стало возможно благодаря таким достижениям материаловедения, как: – конструкционные материалы и покрытия для теплонагруженных деталей, больших поверхностей, обтекателей и элементов передних кромок, выдерживающих нагревы до 2500ºС; – теплоизолирующие материалы с термостойкостью до 2000ºС; – радиопрозрачная конструкционная керамика на рабочие температуры свыше 2000ºС. Создание перспективных образцов бронетанкового вооружения стало возможно на основе: – бронематериалов, обеспечивающих защиту от высокоскоростного кинетического оружия и перспек тивных противотанковых ракетных комплексов; – композиционных керамических материалов, обеспечивающих VI класс защиты от существующих средств поражения. В создании перспективных образцов авиационной техники важную роль играют такие достижения материаловедения, как: – многоцелевой поглощающий материал на основе наноструктурированных пленок;

– жаропрочные сплавы для изготовления элементов газотурбинных двигателей пятого поколения; – теплостойкие металлополимерные композиционные материалы. Таким образом, в статье рассмотрены актуальность и существующий в нашей стране порядок развития материалов, необходимых для производства существующих и создания перспективных, в том числе нетрадиционных, образцов ВВСТ. Разработаны предложения по совершенствованию организационных и научно-методических аспектов процесса программно-целевого планирования развитием оборонного материаловедения. Учитывая непрерывно ускоряющиеся темпы развития технологий материаловедения, а также длительность полного цикла создания новых материалов (от фундаментальных исследований до организации производства — около 10 лет), необходима консолидация усилий Минобороны, Минпромторга России, Российской академии наук, Фонда перспективных исследований и госкорпораций по формированию единой научно-технической политики в области материаловедения, основными приоритетами которой должны быть: – постоянный мониторинг ресурсно-сырьевой обеспеченности; – совершенствование нормативной правовой базы и механизмов межведомственной координации научно-технологических программ и планов в интересах обеспечения упреждающего развития технологий матери алов для создания перспективных образцов вооружения. Статья подготовлена в соответствии с грантом РФФИ 17-06-00522. Литература 1. Путин В.В. Быть сильными: гарантии национальной безопасности для России // Российская газета. Столичный выпуск № 5708 (35). 2012. 2. Рогозин Д.О. В битве технологий побеждает дальновидный // Российская газета. Спец выпуск № 7114 (246). 2016. 3. Борисов Ю.И. Особый задел // Военнопромышленный курьер. 2017. Выпуск № 9 (673). 4. Буренок В.М. Технологические и технические основы развития вооружения и военной техники. — М.: Граница. 2010. 216 с. 85

Вопросы оборонной техники 5. Корчак В.Ю., Реулов Р.В. Новые материа лы — основа повышения качества оборонной продукции // Компетентность. 2007. № 2. 6. Особенности программно-целевого планирования развития материалов для вооружения, военной и специальной техники / Коллектив авторов под ред. Буренка В.М. — М.: Издательский дом «Граница». 2012. 7. Корчак В.Ю., Ярмола А.П., Смирнов С.С., Реулов Р.В. Ресурсно-сырьевое обеспечение производства ВВСТ: проблемы и пути решения // Стратегическая стабильность. 2015. № 3 (72). 8. Ивлев А.А., Корчак В.Ю., Смирнов С.С, Юрин А.Д. Консолидация усилий и материальных ресурсов — в этом ключ к решению проблемных вопросов межведомственной координации работ в области развития критических технологий // Воздушно-космическая оборона. 2007. № 6 (37). 9. Корчак В.Ю., Реулов Р.В., Бочаров Л.Ю. и др. DARPA и наука Третьего рейха: оборонные исследования в США и Германии. — М.: Редак ционно-издательский центр «ТЕХНОСФЕРА». 2015. 10. Ивлев А.А., Корчак В.Ю., Смирнов С.С. Проблемы межведомственной координации работ в области развития базовых и критических военных технологий // Военная мысль. 2010. № 6. 11. Методические рекомендации по формированию начальной цены государственного контракта при размещении государственного оборонного заказа путем проведения торгов. — М., 2008. 12. Ивлев А.А., Подольский А.Г., Реулов Р.В. Методика определения начальной цены контракта в части НИР по созданию материалов (веществ) и элементов для их производства // Электронный научный журнал «Вооружение и экономика». 2009. № 1 (5). 13. Кравченко А.Ю., Реулов Р.В., Сту калин С.В. Методика обоснования необходимых объемов финансирования программных мероприятий научно-технологических программ, связанных с созданием новых материалов // Транспортное дело России. 2015. № 2 (117). References 1. V. Putin. To be Strong: National Security Guarantees for Russia // Russian newspaper. Capital Release. 2012. № 5708 (35). 86

2. D. Rogozin. In the Battle of Technology Wins Visionary // Russian newspaper. Special Issue. 2016. № 7114 (246). 3. Y. Borisov. Special Reserve // Military-In dustrial Courier. 2017. № 9 (673). 4. V. Burenok. Technological and Technical Basis for the Development of Weapons and Military Equip ment. — Moscow: Publisher «Border». 2010. 216 p. 5. V. Korchak, R. Reulov. New Materials — the Basis of Improving the Quality of Defense Products // Competence. 2007. № 2. 6. Features of Program-Target Planning of Development of Materials for Weapons, Military and Special Equipment / The Team of Authors Under the Editorship of V. Burenok. — Moscow: Publisher «Border». 2012. 271 p. 7. V. Korchak, A. Yarmola, S. Smirnov, R. Reulov. The Resource-Ensuring that Production of Weapons, Military and Special Equipment // Strategic Stability. 2015. № 3 (72). 8. A. Ivlev, V. Korchak, S. Smirnov, A. Yurin. Consolidation of Efforts and Material Resources — Is the Key to Solving the Problem of Interagency Coordination Works in the Field of Development of Critical Technologies // Aerospace and Defence. 2007. № 6 (37). 9. V. Korchak, R. Reulov, L. Bocharov etc. DARPA and the Science of the Third Reich: Defense Research in the USA and Germany. — Moscow: Publisher «Technosphere». 2015. 10. A. Ivlev, V. Korchak, S. Smirnov. Problems of Interagency Coordination in the Development of Basic and Critical Military Technologies // Military Thought. 2010. № 6. 11. Methodical Recommendations on the For mation of the Initial Price of the State Defensive Order by Tendering. — Moscow. 2008. 12. A. Ivlev, A. Podolsky, R. Reulov. The Method of Determining the Initial Price of the Contract Regarding Research on a New Generation of Materials (Substances) and Items for Their Production // Electronic Scientific Journal «Armament and Eco nomics». 2009. № 1 (5). 13. A. Kravchenko, R. Reulov, S. Stukalin. Method of Justification of Necessary Volume of Financing of Programm Activities of Scientific and Technological Programs Related to the Creation of New Materials // The Transport Business of Russia. 2015. № 2 (117).

теоретические и практические основы противодействия терроризму

УДК: 002:004.056

Модели процессов организации обработки оперативной информации современными вычислительными комплексами в условиях противодействий Process model of the organization of the processing of operational information, modern computer systems in terms of reactions Канд. техн. наук К.Е. Легков, д-р техн. наук А.Н. Буренин PhD K.E. Legkov, DPhil A.N. Burenin ВКА им. А.Ф. Можайского Рассмотрены вопросы содержательного и формализованного описания основных процессов, образующихся при организации обработки оперативной информации внутри центров управления автоматизированных систем управления (АСУ) средствами распределенного вычислительного комплекса. На основе вербального и содержательного описания функционирования типового центра управления АСУ рассмотрены основные потоки информации, направляемые на модули распределенного вычислительного комплекса. Рассмотрены типовые схемы организации обработки оперативной информации, характерные для центров управления автоматизированных систем управления любыми сложными объектами. Ключевые слова: вычислительная система, вычислительный комплекс, NUMA, параллельная программа, длительность информационного обмена. In accordance with the features of construction and conditions of functioning of the automated control systems of different complex objects, the issues of meaningful and formalized description of the main processes resulting from the processing of operational information inside the control centers automated control systems means of a distributed computing complex. Based on the verbal and meaningful description of the functioning of a typical control centers automated control systems, the basic flow of information is directed to the modules of the distributed computing complex. Article discussed the model of the organization scheme of the processing of operational information specific to control centers automated control systems any complex objects. Keywords: computer system; computer complex; NUM; parallel program; the duration of information exchange.

Для построения комплексной математической модели процессов обработки оперативной информации рассмотрим следующую укрупненную схему (рис. 1). На схеме условно изображен центр управления (ЦУ) автоматизированной системой управления (АСУ) со средствами автоматизации и автоматизированными рабочими местами (АРМ) должностных лиц (ДЛ) соответствующего органа управления

(ОУ), а также распределенный по пространству ЦУ вычислительный комплекс (ВК), модули которого объединены сетью внутреннего обмена. В вычислительный комплекс ЦУ АСУ пос тупает для обработки оперативная информация с различных средств автоматизации (КСА ЦУ и АРМ ДЛ ОУ), соответственно с параметрами, заданными величиной нагрузки 87

Вопросы оборонной техники

Рис. 1. Схема взаимодействия средств центра управления АСУ с распределенным вычислительным комплексом

λ obr = λ APM + λ KCA ,

(1)

— нагрузка на оперативную обработгде λ APM − ку, поступающая с АРМ ДЛ ОУ; λ KCA −— нагрузка на оперативную обработку, поступающая с комплексов средств автоматизации ЦУ (в том числе информационных систем ПУ АСУ). Внутри распределенного по пространству ЦУ АСУ вычислительного комплекса протекают процессы внутреннего обмена информацией между модулями ВК, процессы диспетчеризации, распараллеливания и агрегирования вычислительной информации. Модули ВК связаны между собой пространственно распределенной сетью обмена, которая может быть построена на различных технологиях, но чаще на технологиях IP/SDH, IP/ MPLS/SDH, IP/F или G-Ethernet/SDH [1–7]. В соответствии с рассмотренной схемой и ее описанием целесообразно представить модель 88

обработки оперативной информации ЦУ АСУ, состоящей из следующих элементов: – модель нагрузки поступающей с АРМов ДЛ органа управления комплексов средств автоматизации ЦУ (в том числе информационных систем ЦУ АСУ); – модель вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, включающая модель организации вычислительного процесса; – модель воздействий на компоненты комп лексов обработки оперативной информации; – модель информационного обмена между компонентами современных распределенных вычислительных комплексов. Потоки нагрузки, поступающей с КСА и информационных систем ЦУ АСУ, характерных для типового ЦУ, определяются, с одной стороны, потребностями органов управления и инфор-

теоретические и практические основы противодействия терроризму мационных систем ЦУ, а с другой — процессами функционирования самого ЦУ АСУ во времени. Важны основные свойства потоков нагрузки, поступающей с комплексов средств автоматизации и информационных систем ЦУ АСУ [7–9]. Вероятность поступления ровно r поступающих элементов нагрузки, поступающей с комплексов средств автоматизации и информационных систем ПУ АС, в интервале [0, Δτ] составит ∆τ Pk ( ∆t ) = Gkr    ∆t 

1 − ∆τ    ∆t  

k −r

(2)

Анализ приведенных типовых потоков позволяет сделать следующий вывод. Для ЦУ АСУ верхнего звена управления, в которых как число КСА ЦУ, так и число АРМов ДЛ органов управления достаточно велико, в качестве модели потока поступающих элементов нагрузки, поступающей с комплексов средств автоматизации и информационных систем ЦУ АСУ, следует выбрать модель примитивного потока, т.к. в соответствии с теоремой Хинчина [7, 9] сумма потоков при достаточно большом их числе дает поток Пуассона. Для ЦУ АСУ нижних звеньев управления, в которых как число КСА, так и число АРМов ДЛ органов управления невелико, в качестве модели потока поступающих элементов нагрузки, поступающей с комплексов средств автоматизации и информационных систем ЦУ АСУ, следует выбрать модель потока Бернулли. И в первом и во втором случае для одного цикла управления потоки с поступающими элементами нагрузки, поступающей с комплексов средств автоматизации и информационных систем ЦУ АСУ, считаются стационарными. В состав вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, входят различные элементы на разных уровнях, обеспечивающие непрерывный вычислительный процесс в соответствии с требуемыми задачами обработки оперативной информации. Взаимодействие элементов осуществляется в соответствии с принятыми способами, и для этого используются, как правило, только первые три уровня.

Каждый уровень выполняет определенное множество функций, причем функции различных уровней существенно отличаются, что и привело к целесообразности выделения их в иерархические функциональные уровни (ФУ). Группирование функций в такие уровни производится исходя из следующих основных принципов. Таким образом, логическая структура вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, включает в себя некоторые множества функциональных уровней, каждый из которых реализует определенные протоколы взаимодействия между двумя элементами сквозного тракта. Логическая структура ФОП определяется функциональными уровнями (рис. 2), каждый из которых включает некоторое множество алгоритмов данного уровня, т.е. ФОП = {АiОП }i =1 , 3

(3)

где АiОП — множество алгоритмов i‑го уровня, i = 1,3 . Элементы вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, можно задать тремя функциональными уровнями. Они взаимодействуют с двумя соседними элементами, поэтому логическая структура некоторого j‑го элемента ФМj может быть задана следующим образом ФМj = {АiМ ( j −1) , АiМ ( j +1) }i =1 , 3

(4)

где АiМ ( j −1) , АiМ ( j +1) — множества алгоритмов взаимодействия с соседними элементами на i‑м функциональном уровне, i = 1,3 ; j — порядковый номер элемента в траектории (рис. 2), j = 1,l . Исходя из этого, логическая структура вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, может быть представлена на рис. 2. В общем случае каждый функциональный уровень в элементах вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной 89

Вопросы оборонной техники информации, отображается некоторым множеством алгоритмов (база алгоритмов), из которых выбирается один определенный алгоритм, удовлетворяющий требованиям и характеристикам. Для логической структуры вычислительного процесса (ВП) множество алгоритмов АiОП = { aiОП γ i }, i = 1,3; γ i = 1, mi ,

тельного комплекса ЦУ АСУ, обеспечивающего обработку оперативной информации. Для упрощения будем рассматривать характеристики алгоритмов безотносительно к элементам вычислительных модулей и будем предполагать, что множество характеристик i‑го функциональ ного уровня Z i является общим для всех алгоритмов этого уровня, т.е.

(5)

Z i = {zi1 , ziδ , zik } ,

ОП где aiγ i — γ i -й алгоритм i-го уровня ВП; m — число алгоритмов i-го уровня ВП, находящихся в базе алгоритмов. Для логической структуры вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации маршрутизаторов, M ( j −1 j )

Аi

{

M ( j −1 j )

= a iξ i

},А

M ( j j −1) i

{

M ( j j −1)

= a iη i

k — общее число характеристик алгоритмов i‑го уровня. К характеристикам множества Z i относятся ВВХ, характеристики достоверности, сложности реализации и др. Поэтому может быть предложена математическая модель алгоритмов вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации, позволяющая оценивать ВВХ вычислительных алгоритмов каждого функционального уровня. При этом требуется обеспечить универсальность модели и удобство исследования. Вычислительный процесс связан с воздействием различных случайных факторов, например, ошибки, помехи, наводки, атаки противника, недостаточная производительность ВК в период наибольшей нагрузки (ПНН) и т.п. Процессы удобно представить простой однородной цепью Маркова в некотором пространстве состояний C = {c1 , c2 ,..., cs } с матрицей веро-

(6)

где i = 1,3; j = 1,l ; ξ i = 1,n ij −1 ; ηi = 1,n ij +1 ; n ij −1 — число алгоритмов i-го уровня по взаимодействию с предыдущим элементом в банке алгоритмов; n ij +1 — число алгоритмов i-го уровня по взаимодействию с последующим элементом в банке алгоритмов. Все алгоритмы в базе должны иметь некоторый стандартный набор характеристик, которые используются для анализа алгоритма и оценки его применимости в данном вычислительном модуле современного распределенного вычисли-

ВП

ВО

...

ВП

...

А7

А6

А5

А4 (0,1)

(1, 2 )

( j −1, j )

А3

А2(0,1)

А2(1, 2 )

А2( j −1, j ) А2( j , j +1)

А1(0,1)

А1(1, 2 )

А3

А1( j −1, j ) А1( j , j +1)

(l , 0 )

А3(l ,0 )

А2(l −1,l ) А2(l ,0 )

А2(l ,0 )

А1(l −1,l ) А1(l ,0 )

А1(l ,0 )

(l −1,l )

( j , j +1)

А3

...

А3 ...

А3

Рис. 2. Логическая структура вычислительных модулей современных распределенных вычислительных комплексов, обеспечивающих обработку оперативной информации

(7)

теоретические и практические основы противодействия терроризму ятностей переходов P = pij из состояния ci в состояние c j , i , j = 1, s . Переходы цепи из состояния в состояние отождествляются с последовательными экспериментами, а на множество C исходов накладываются ограничения: – исходом эксперимента на каждом шаге может быть только один исход ci ∈ C ; – задается исходное состояние ci ∈ C до начала первого эксперимента, т.е. вектор начальных вероятностей π(0 ) = {1,0 ,..., 0} ; – вводится поглощающее состояние сs ∈ С , являющееся последним в классификации состояний. В отдельных случаях могут быть рассмотрены подмножества исходных сu ∈ С и поглощающих Сп ∈ С состояний; – в каждом эксперименте вероятность исхода сi зависит от исхода только одного эксперимента, непосредственно предшествующего данному. Исходы соответствуют определенным событиям реального процесса. Экспериментам или испытаниям, приводящим к переходам цепи из состояния в состояние, соответствуют некоторые этапы процесса. Для каждой пары состояний ci и cj вводится параметр vij , равный математическому ожиданию потерь, которые имеют место при переходах сi → с j за один шаг. Под потерями при обработке информации понимаем потери времени tij , потери достоверности и др. Совокупность параметров vij образует s-размерную матрицу потерь V = vij , которая при решении конкретных задач должна заменяться на соответствующую матрицу потерь времени T = tij . Если B — множество всех возможных шагов многошагового дискретного процесса, отображающего функционирование алгоритма, а Bn — подмножество множества B, причем индекс n соответствует попаданию в поглощающее состояние cs и тем самым завершению процесса на n-м шаге n = 1, N , где N может быть конечным или бесконечным. Таким образом, подмножество Bn ⊂ B включает в себя bn подпроцессов, каждый из которых характеризуется потерями vb n , b = 1,bn , зависящими от последовательности переходов в пределах множества транзитивных состояний цепи с учетом значений элементов матриц P и V . В соответствии с этим введем в рассмотрение случайную величину ξ , которая принима-

ет значения условных математических ожиданий потерь vs (n ) при переходах цепи с1 → сs за n шагов. При этом случайный вектор состояния анализируемой модели после n-го шага будет следующим: π(n ) = π1 (n ),..., π i (n ),..., π s (n ) = π(0 )P n . (8) Здесь πi (n ) , i = 1, s — вероятность того, что цепь будет находиться в состоянии ci после n шагов, если известно ее состояние при n = 0 . Определив значения vs (n ) при n = 1, 2 ,..., N , получаем ряд распределения случайной величины ξ с матожиданием и дисперсией соответственно N

M (ξ ) = ∑ ps (n )vs (n ) , n =1

D(ξ ) = ∑ p s (n )vs2 (n ) − M 2 (ξ ) ,

(9) (10)

n =1

где ps (n ) = π s (n ) − π s (n − 1) . Весь спектр воздействий, которым нарушитель может подвергнуть комплексы обработки оперативной информации, целесообразно разделить на разрушительные, вызванные применением высокоточного оружия, помеховые и кибератаки. Разрушительные воздействия приводят практически к безвозвратной потери того или иного элемента или компонента. Его восстановление достаточно долгое. Поэтому математически разрушительные воздействия можно задать вероятностью того, что тот или иной k-й элемент или компонент комплекса обработки оперативной информации будет работоспособным с некоторой вероятностью Pk(Tz) для данного цикла управления Tz. Кибератаки могут проявляться по-разному и результаты их воздействия зависят от многих причин, принципов построения средств коммуникаций и их возможной связью со средствами сетей общего пользования. В основном кибератаки следует отнести к так называемым программно-аппаратным воздействиям (ПАВ). Под угрозой в статье понимается потенциально существующая возможность случайного или преднамеренного действия (бездействия), в результате которого могут быть нарушены основные свойства информации и систем ее обработки: доступность, целостность и конфиденциальность [7]. 91

Вопросы оборонной техники Программно-аппаратные воздействия (ПАВ) обычно классифицируют [10] по характеру и цели воздействия, по условию начала осуществления воздействия и наличию обратной связи с атакуемым объектом, по расположению объекта относительно атакуемого объекта и по уровню эталонной модели взаимодействия открытых систем ЭМВОС, на котором осуществляется воздействие. К классификационным признакам угроз безопасности в ЦУ АСУ можно отнести как способы несанкционированного доступа (НСД) к информации в защищаемых комплексах ЦУ, так и угрозы воздействия на сами средства НСД ЦУ. К группе угроз, позволяющих несанкционированно запустить исполняемый код, относятся угрозы, которые основываются на переполнении буфера для входных данных (переполнение стека) и последующей передачи управления на исполняемый код, занесенный при этом в стек. Для переполнения стека используется тот факт, что часто при выполнении функций работы со строками, переменными среды исполнения и т.д. разработчики ПО не заботятся о проверке размерности входных данных. А это приводит к выходу за границы массивов, выделенных для работы с этими данными. В последнее время появилось целое направление системных средств по борьбе с угрозами данной группы (Pax, StackGuard). Одним из методов предотвращения подобных ошибок является присвоение атрибута, исключающего исполнение кода страницам памяти, выделенным под стек. Тем не менее, существуют возможности обхода данного ограничения. Большая часть примеров, реализующих эту группу угроз, рассчитаны на ОС семейства UNIX. При этом переполнение буфера возможно в самых разнообразных приложениях и системных утилитах. Наиболее часто оно используется для удаленного запуска исполняемого кода, посредством обработчиков сетевых запросов и протоколов (ftp, telnet, рор З и др.). Переполнение буфера можно использовать и в локальном контексте для того, чтобы увеличить свои привилегии или получить доступ на уровне администратора системы (root). Примерами реализации этой группы угроз являются следующие программы: «Zgv_exploit.c», «Kmemthief.c» «Imapd_exploit.c» и др. Для ОС семейства UNIX эта группа включает в себя наибольшее количество опубликован92

ных примеров для несанкционированного дос тупа к системе (более 30%). Для ОС семейства Windows применение угроз данной группы также возможно, но в основном это приводит только к сбоям прикладного или системного уровня, которые отнесены к другой группе. Общее число угроз, использующих переполнения буфера для целей, отличных от вывода систем ЦУ АСУ из строя, не превышает 10%. Ко второй группе можно отнести угрозы, основывающиеся на неправильной интерпретации прикладными и системными программами входных параметров. В результате они дают доступ к объектам, не перечисленным в списках санкционированного доступа. Неправильная интерпретация входных параметров связана с некорректной программной реализацией их обработки. Это происходит потому, что программы, обрабатывающие данные запросы, являются либо системными утилитами, либо прикладными программами, запущенными в контексте безопасности системы. Поэтому они имеют непосредственный доступ к любым файловым (и другим) объектам и могут предоставить этот доступ пользователям, не обладающим достаточными правами для непосредственной работы с этими объектами. Наибольшее распространение получили реализации данных методов для ОС семейства MS Windows. В основном ошибки встречаются в стандартных включенных в состав операционных систем сетевых приложениях, которые включены в состав ОС, таких как IIS (Internet Information Server), почтовые клиенты (MS Mail, Exchange) и др. Достаточно большое количество ошибок данного рода можно встретить в системных утилитах, реализующих взаимодействие по сетевым протоколам прикладного уровня (NETBIOS и др.). Например, ошибка в IIS заключается в следующем. ITS, обрабатывая запросы в формате UNICODE, может неправильно интерпретировать символы ‘Y, ‘/’ и т.п. (%cO%af, %cl%9c и т.п.), что приводит в дальнейшем к генерации некорректных команд (недоступных в нормальной ситуации) и получению несанкционированного доступа к объектам. Большое количество ошибок встречается в реализации Java-апплетов, VB-скриптов и т.д., в

теоретические и практические основы противодействия терроризму браузерах фирм Microsoft и Netscape. Через них с помощью соответствующих апплетов можно получить несанкционированный доступ к файловым объекта. А поскольку обе фирмы выпускают свои браузеры не только для ОС семейства Windows, но и для ОС семейства UNIX, то ошибки в большинстве случаев дублируются в версиях ПО для разных платформ. Здесь же стоит отметить, что проблема апплетов относится собственно не к языку Java, а к его реализации, например, Microsoft Java VM. К третьей группе угроз можно отнести примеры, основывающиеся на недоработках (ошибках) в ядре и системных утилитах ОС, позволяющих программными методами обходить установленные разграничения доступа к объектам системы. Примеры ошибок, составляющих эту группу, немногочисленны, т.к. требуют детального анализа работы механизмов (функций API) ОС и соответствующей квалификации нарушителя. При этом нужно учитывать, что при рассмотрении коммерческих ОС (не имеющих общедоступных исходных текстов) данный анализ сильно затруднен, поскольку производители, по понятным причинам, крайне неохотно документируют внутреннюю архитектуру систем. В качестве примера для данной группы можно привести известную программу «GetAdmin», реализующую получение администраторских прав, используя некорректную работу функции NTAddAtom, позволяющую записывать значения в любую область адресного пространства. В системе Windows есть некий глобальный флаг NtGlobalFlag, имеющий адрес примерно OxSOlXXXXX. Изменением одного из битов этого флага существует возможность превратить Windows NT в Windows NT Checked Build. В результате право «SeDebugPrivilege» не будет необходимо для внедрения в системные процессы. Далее, внедряя свой исполняемый код (для чего нужна была привилегия «SeDebugPrivilege») в системные процессы, можно обойти любые ограничения, связанные с политикой безопасности (в данном случае создавался пользователь с администраторскими правами). К четвертой группе можно отнести угрозы, приводящие к отказу в обслуживании (системный сбой). Большую часть этой группы составляют примеры, основанные на недостаточной надежности реализации стека сетевых протоко-

лов ОС. Сбои в работе ОС достигаются посылкой групп пакетов с некорректными заголовками, параметрами и т.п. Примерами подобных программ служат: teardrop; jolt/jolt2; lornuke; winnuke; winfreez и др. Другую часть этой группы составляют угрозы, не использующие напрямую (или совсем не использующие) детали реализации стека сетевых протоколов конкретной ОС. Они провоцируют отказ в обслуживании путем чрезмерной загрузки канала. Простейшим примером может служить посылка большого количества пакетов из источника, обладающего более скоростным каналом, приемнику, обладающему менее скоростным каналом. Таким образом, полностью исчерпывается ресурс приемника, приводя к его полному или частичному отказу в обслуживания. Более сложным примером является так называемый флудер-множитель. При отправке на удаленный хост сообщения, состоящего из 20-и байт IP-заголовка, в поле Protocol которого содержится значение 00 (что соответствует IPPROTO_ RAW), удаленная система ЦУ АСУ (или ближайший к провоцируемой системе маршрутизатор сети), получив такое сообщение, ответит сообщением ICMP-Destination Unreachable-Protocol Unreachable длиной от 68 до 84 байт. Очевидно, что, заменяя Source Address на адрес атакуемого, провоцируется поток с коэффициентом умножения 4 (если рассчитывать динамическое сжатие, то много больше). Следует отметить, что программы, представляющие данную группу, не нарушают напрямую безопасность атакуемой системы ЦУ АСУ, а просто выводят ее из строя. Но можно представить себе пример более сложных атак, где угрозами, приводящими к отказу от обслуживания, можно устранять, например, реально действующие в системе узлы, а затем от их имени получать несанкционированный доступ к защищенным данным. К пятой группе можно отнести методы, использующие встроенные недокументированные возможности (закладки). К таким закладкам относятся: – встроенные инженерные пароли для входа в систему; – специальные возможности (последовательность действий) для недокументированных действий (например, в одном из хранителей экрана фирмы Microsoft присутствует сетевой код); 93

Вопросы оборонной техники – закладки в разнообразных прикладных при ложениях и т.п. Примером использования встроенного инженерного пароля может служить широко известный пароль фирмы Award «AWARD_SW», позволяющий получить весь спектр прав для работы с BIOS. К шестой группе можно отнести угрозы, использующие недостатки системы хранения или выбора (недостаточная длина) данных об аутентификации (пароли) и позволяющие путем реверсирования, подбора или полного перебора всех вариантов получить эти данные. Эти программы основываются на недостатках алгоритмов кодирования (хеширования) паролей на защищаемые ресурсы или на вход в ОС. Примером может служить реализация защиты разделяемых ресурсов в Windows 9X, где при разграничении доступа на уровне ресурса (по паролю) пароль для доступа хранится в реестре (HKLM \Software\ Microsoft\Windows\ CurrentVersion \ Network \ LanMan \<ИМЯ КАТАЛОГА>, в ключе ParmlEnc), зашифрованном с помощью алгоритма, который легко поддается расшифровке, поэтому легко получить исходный пароль. Также неудачен сам алгоритм аутентификации в Windows через NETBIOS. Если клиент посылает вместо полного пароля открытым текс том только его первый символ (байт), то при совпадении этого символа пароль считается правильным. Наиболее же простым способом осуществления НСД в такие ОС при возможности ло-

кального физического доступа является обнуление или изменение пароля для любой учетной записи. Эта возможность реализуется путем заг рузки специализированного ПО в обход ОС с отчуждаемых носителей: загрузочного CD- или Flash диска. Математически задать кибератаки можно в виде стохастического потока, который определенным образом меняет основные параметры потоков информации для обработки их комплексами обработки и параметры обслуживания. При распределенном в пространстве ЦУ АСУ вычислительном комплексе организуется внутренняя сеть ВК, которая, как правило, строится путем наложения защищенной IP-сети на транспортную основу с применением маршрутизаторов вычислительных модулей или маршрутизаторов, размещенных в помещении модулей [11]. При построении IP-сети поверх коммутируемой высокоскоростной цифровой сети (например, сети В-ISDN) между слоем коммутируемых цифровых каналов и слоем IP существует цифровая сеть. Это при соответствующей корректировке вероятностно-временных характеристик справедливо и при организации IP-сети поверх сети F-Eth, ATM, MPLS over SDH, over ATM и пр. Каждый порт маршрутизатора модуля ВК ЦУ АСУ должен поддерживать интерфейс соответствующего канала в качестве конечного узла. После того как каналы установлены, маршрутизаторы могут пользоваться ими как физическими, посылая данные порту соседнего (по отношению к виртуальному ка-

Рис. 3. Топология информационной сети обмена распределенного вычислительного комплекса ЦУ АСУ

теоретические и практические основы противодействия терроризму налу) маршрутизатора. Таким образом, образуется сеть выделенных каналов с собственной топологией, которая и является информационной сетью обмена распределенного ВК ЦУ АСУ (рис. 3). Таким образом, рассмотренные в статье типовые схемы организации обработки оперативной информации, характерные для центров управления автоматизированных систем управления любыми сложными объектами, позволили не только представить состав модели процессов обработки информации, но и построить математические модели ее основных компонентов. Литература 1. Мультипроцессорные системы и параллельные вычисления: пер с англ. / под ред. Энслоу. — М.: Мир. 1976. 384 с. 2. Модели объектов, методы и алгоритмы диагноза / под ред. П. Пархоменко. — М.: Энергия. 1976. 387 с. 3. Пешель М. Моделирование сигналов и систем: пер. с нем. — М.: Мирл. 1981. 300 с. 4. Бусленко Н.П., Калашников Н.Н., Кова ленко И.Н. Лекции по теории сложных систем. — М.: Советское радио. 1973. 441 с. 5. Липаев В.В. Распределение ресурсов в вычислительных системах. — М.: Статистика. 1979. 248 с. 6. Липаев В.В. Надежность программного обеспечения АСУ. — М.: Энергоиздат. 1981. 240 с. 7. Буренин А.Н., Легков К.Е. Современные инфокоммуникационные системы и сети специального назначения. Основы построения и управления. — М.: Медиа Паблишер. 2015. 348 с. 8. Буренин А.Н., Легков К.Е., Нестеренко О.Е. К вопросу моделирования процессов мониторинга при обеспечении оперативного контроля эксплуатации инфокоммуникационных сетей специального назначения // Труды Ростовского государственного университета путей сообщения. 2014. № 3 (28). С. 9–15. 9. Баруча-Рид А.Т. Элементы теории марковских процессов и их приложения пер. с англ. / под ред. А.Н. Ширяева. — М.: Наука. 1969. 512 с. 10. Буренин А.Н., Легков К.Е. Вопросы безопасности инфокоммуникационных систем и сетей специального назначения. Угрозы, способы и средства обеспечения комплексной безопасности // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2015. Т. 7. № 3. С. 46–61.

11. Буренин А.Н., Легков К.Е. К вопросу моделирования организации информационной управляющей сети для системы управления современными инфокоммуникационными сетями // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2011. Т. 3. № 1. С. 22–25. References 1. Enslow P.H. (Ed.). Multiprocessors and Parallel Processing. — New York. Wiley-Interscience. 1974. 2. Parkhomenko P. (Ed.). Object model, methods and algorithms of diagnosis. — Mos cow: Energiya. 1976. 387 p. 3. Peschel M. Modellbildung für Signale und Systeme. — Berlin: Verlag Technik. 1978. 184 p. 4. Buslenko N.P., Kalashnikov N.N., Ko valenko I.N. Lectures on the theory of complex systems. — Moscow: Sovetskoe radio. 1973. 440 p. 5. Lipaev V.V. The distribution of resources in computing systems. — Moscow. Statistika. 1979. 248 p. 6. Lipaev V.V. The Reliability of the software of ACS]. — Moscow: Energoizdat. 1981. 240 p. 7. Burenin A.N., Legkov K.E. Modern info communication systems and special purpose net works. Basics of creation and control. — Moscow: Media Publisher. 2015. 348 p. 8. Burenin A.N., Legkov K.E., Nesterenko O.E. Мodelling of processes monitoring under the operational control of operation of information and communication networks // Trudy Rostovskogo gosudarstvennogo universiteta putey soobshcheniya. 2014. № 3 (28). Pp. 9–15. 9. Barucha Reid A.T. Elements of the Theory of Markov Processes and their Applications, McGrawHill. — New York, Toronto, London, 1960. 157 p. 10. Burenin A.N., Legkov K.E. Security Issues of infocommunication systems and networks. Threats, ways and means of ensuring comprehensive security of science-Intensive technologies in space studies of the Earth. H&ES Research. 2015. Vol. 7. № 3. Pp. 46–61. 11. Burenin A.N., Legkov K.E. Мodeling the organization of information management network to the management system of modern infocommunication networks. H&ES Research. 2011. Vol. 3. № 1. Pp. 22–25. 95

Вопросы оборонной техники

УДК: 531.554

Использование таблиц Microsoft Excel и сред Matlab/Octave для автоматизации оценки вероятности попадания в стрелковые мишени Using software products Microsoft Excel, Matlab/Octave for hit probability assessment in a shooting-target Канд. техн. наук В.Л. Хайков1, канд. техн. наук Ю.М. Поповнин2 PhD V.L. Khaykov, PhD Yu.M. Popovnin ORCID ID: orcid.org/0000-0003-1433-3562, 2ЧВВМУ им. П.С. Нахимова

На основе использования функции ошибок erf(х) предложено автоматизировать процедуру оценки вероятности попадания в стрелковые мишени. Разработан алгоритм и программный код расчёта вероятности попадания с использованием таблиц Microsoft Excel и сред автоматизации инженерных расчётов Matlab/Octave. Особенностью расчёта вероятности является то, что мишень разбивается на совокупность прямоугольников. Исходными данными для программы являются: координаты прямоугольника, параметры эллипса рассеивания, координаты точки попадания. Приведен пример оценки вероятности попадания в стрелковые мишени № 5, № 6. Показано изменение вероятности попадания при изменении координат точки попадания. Дана оценка попадания в мишень при использовании тактики снайперского залпа. Ключевые слова: математическая модель, теория вероятностей, баллистическая траектория, вероятность попадания, стрелковая цель, Excel, Matlab, Octave. Using the error function erf(x), it was proposed to automatize the computational procedure for estimating a hit-probability in a shooting-target. Using Microsoft Excel and Matlab/ Octave software products an algorithm and program code for calculating a hit probability are developed. A feature of the hit-probability calculating is that the target is divided into a set of rectangles. The initial data for the program are: coordinates of the rectangle, parameters of the dispersion ellipse and coordinates of the point of impact (POI). The example of the hit-probability estimation for targets № 5, № 6 is given. It presents the transformation of the probability of hit when the coordinates of the POI change. An assessment of hit-probability during a shooter salvo attack is shown. Keywords: mathematical model, probability theory, ballistic trajectory, hit-probability, shooting-target, Excel, Matlab, Octave.

При анализе эффективности стрелкового ору жия, оружия ближнего боя часто прибегают к оцен ке величины вероятности попадания пули (снаряда) в вертикально расположенные цели различной конфигурации [1–3]. Мишень при таких расчётах, как правило, представляют в виде совокупности прямоугольников площадь которых равна площади фактической цели. В случае если координаты средней точки падения подчинены нормальному закону, а стороны 96

прямоугольника параллельны главным осям рассеивания, то оценки вероятности попадания могут быть выполнены с использованием приближенных [4] и точных методов [1, 2, 5]. Известно, что при реализации точного метода расчёта вероятность попадания одной пули (снаряда) в элементарную цель-прямоугольник, образованную пересечением бесконечных полос, выражается через в полуразмер высоты и ширины цели-прямоугольника и вычисляется с использованием

теоретические и практические основы противодействия терроризму приведённой функции Лапласа [6]. Неудобством использования функции Лапласа как одной из форм интегрального представления нормального распределения состоит в необходимости реализации операции численного интегрирования или использовании данных заранее подготовленных таблиц (значений функций Лапласа). Целью статьи является реализация автоматизированного расчёта вероятности попадания в цель прямоугольной формы или совокупности прямоугольников с использованием среды электронных таблиц Microsoft Excel и оболочек инженерных расчётов Matlab/Octave. В отличие от Microsoft Excel и Matlab программа Octave является свободным программным обеспечением и не требует приобретения лицензии. Во всех случаях достижение поставленной цели реализуется за счёт использования функции ошибок erf(х). Классической формулой, позволяющей оценить вероятность попадания пули (снаряда) в вертикально расположенную прямоугольную цель со сторонами, параллельными главным осям рассеивания, является зависимость [1, 2] Ph it =

1   MY + a   M − a  F̂   − F̂  Y  ×  4   BY   BY 

 M +b  M − b  ×  F̂  Z  − F̂  Z ,   BZ   BZ 

(1)

где Phit — вероятность попадания одной пули в прямоугольник-цель; а — полуразмер высоты прямоугольника– цели; b — полуразмер ширины прямоугольника– цели;

M Y , M Z — координаты средней точки по-

падания (СТП), т.е. геометрического центра эллипса рассеивания, от центра цели–прямоугольника по вертикали и в боковом направлении; ВY, ВZ — срединные отклонения рассеивания по вертикали и в боковом направлении; F̂ — интегральная форма нормального распределения вида F̂ ( x ) =

2ρ

exp(− ρ 2t 2 )dt . ∫ π 0

Графическая интерпретация выражения (1) представлена на рис. 1, а. Формула (1) предполагает, что на первом эта пе находится центр прямоугольника–цели. Найденный центр совмещается с началом отсчёта, относительно которого определяется положение СТП. Недостатком (1) является то, что при разбиении сложной цели на прямоугольники для каждого из них должен быть найден центр, который необходимо переместить в начало отсчёта и пересчитать координаты каждого прямоугольника в новых координатах. В случае если СТП совмещена с началом отсчёта, формула оценки вероятности попадания выражается [6, c. 153] 1   y max   y  Ф0   − Ф0  min  ×  4   σY   σY    z   z  × Ф0  max  − Ф0  min ,   σZ   σ Z 

Ph it =

(2)

а б в Рис. 1. Совокупность положений прямоугольника–цели, эллипса рассеяния относительно начала отсчёта и осей координат при оценках вероятности попадания

Вопросы оборонной техники где ymax, ymin, zmax, zmin — координаты точек пересечения соответствующих сторон прямоугольника (или их продолжений) с осями координат, причём ymax > ymin, zmax > zmin; Ф0 — интегральная форма нормального распределения вида Ф0 ( x ) =

1 2π

2 ∫ exp(− 0,5t )dt . 0

Графическая интерпретация выражения (2) представлена на (рис. 1, б). В случае отсутствия совмещения начала отсчёта с СТП и с центром прямоугольника-цели формула расчёта вероятности попадания выражается [7, c. 197] 1   Ymax − M Y   Y − M Y  Ф  − Ф min  ×  4  σY σY    (3)   Z max − M Z   Z min − M Z  × Ф  − Ф , σZ σZ     

Ph it =

где Z max , Z min — размеры прямоугольника–цели по высоте; Ymax , Ymin — размеры прямоугольника–цели по ширине; M Y , M Z — координаты средней точки попадания (СТП) от центра цели–прямоугольника по вертикали и горизонтали соответственно; σY , σ Z — среднеквадратическое отклонения рассеивания по вертикали и в боковом направлении; Ф — интегральная форма нормального распределения вида Ф( x ) =

2 ∫ exp(− 0,5t )dt .

2π − ∞

Графическая интерпретация выражения (3) представлена на рис. 1, в. Таким образом, все три формулы (1–3) предполагают использование численного интегрирования для получения функций F̂ , Ф0, Ф. Ввиду того, что функция ошибок erf(х) функционально связана с F̂ , Ф0, Ф и входит в базовый набор функций языков и сред программирования, то за счёт её использования можно избежать дополнительных затрат на организацию процедур 98

численного интегрирования и таким образом упростить процесс оценки вероятности попадания. На основе [6, с. 82–83] могут быть сформулированы следующие соотношения x  Ф0 ( x ) = 0 ,5erf  ;  2

(4)

x  Ф( x ) = 0 ,51 + erf   ;   2 

(5)

F̂ ( x ) = erf (ρx ) .

(6)

Формулы (4–6) позволяют вычислять Phit по (1–3) без процедур интегрирования. В электронных таблицах Microsoft Excel функция ошибок именуется как ФОШ, она же в среде Matlab/Octave вызывается командой erf(x). На основе формул (1–3) и (4–6) предлагается алгоритм оценки вероятности попадания Phit , представляющий собой линейную последовательность 6-ти действий: 1. Расположение (привязка) мишени в декартовых YZ координатах. Оси YZ должны быть параллельны осям рассеивания. 2. Разбиение мишени в декартовых YZ координатах на прямоугольники–составляющие. 2.1. Для каждого прямоугольника–составляющей найти: 2.1.1. Совокупность координат контура прямоугольника-составляющей. 3. Определение координаты СТП. 4. Определение величины рассеивания. 5. Оценка вероятности попадания в каждый прямоугольник-составляющую. 5.1. Для каждого прямоугольника–составляющей: 5.1.1. Оценить вероятность попадания в горизонтальную полосу (Z координата); 5.1.2. Оценить вероятность попадания в вертикальную полосу (Y координата); 5.1.3. Вычислить вероятность попадания в прямоугольник-составляющую Pi. 6. Оценка вероятности попадания в мишень как совокупность прямоугольников Phit. Базовым элементом приведённого выше алгоритма является определение вероятности попадания в прямоугольник. Реализация в Microsoft Excel. Выше приведённый алгоритм может быть реализован в элек-

теоретические и практические основы противодействия терроризму Ячейки, переменные и действия, реализующие алгоритм оценки вероятности попадания в цель-прямоугольник Ячейка

Переменная

Таблица

Действие

Вy

присвоение значения

Сигма_y

=B2/0,674

М_y

присвоение значения

Zmin

присвоение значения

Ymin

присвоение значения

Вz

присвоение значения

Сигма_z

=Е2/0,674

М_z

присвоение значения

Zmax

присвоение значения

Ymax

присвоение значения

=((1+ФОШ(1/КОРЕНЬ(2)*((B5-B4)/B3)))-(1+ФОШ(1/КОРЕНЬ(2)*((E5-B4)/ B3))))

B10

=((1+ФОШ(1/КОРЕНЬ(2)*((B6-E4)/E3)))-(1+ФОШ(1/КОРЕНЬ(2)*((E6-E4)/ E3))))

B11

Phit

=1/4*В9*В10*100

Рис. 2. Вид программы оценки вероятности попадания в таблицах Microsoft Excel

тронных таблицах Microsoft Excel. Реализация пунктов (1–5) алгоритма оценки вероятности попадания пули (снаряда) в мишень с использованием Microsoft Excel представлена в таблице. Для выполнения задействовано 13 ячеек электронной таблицы [8]. Внешний вид электронной таблицы, выполняющей действия таблицы, представлен на рис. 2. Приведённый фрагмент автоматизирует вычисления вероятности попадания в отдельно взятый прямоугольник как составляющую цели. При

оценке вероятности попадания по всем прямоугольникам-составляющим необходимо несколько раз воспроизвести определения для выполнения операций B9, B10 (таблица). Реализация в Matlab/Octave. Ввиду практической идентичности языков программирования сред Matlab и Octave может быть составлен один код для использования в двух системах. Оценка вероятности попадания пули (снаряда) в мишень прямоугольник с использованием сред Matlab/ Octave представлена ниже [9]: 99

Вопросы оборонной техники 1.1 mY=0; mZ=0; 1.2 V_Y=42; V_Z=4.6; 1.3 sigmaY=V_Y/0.674; sigmaZ=V_Z/0.674; 1.4 y1=-20; y2=20; 1.5 z1=-20; z2=20; 1.6 pY=((1+erf(1/sqrt(2)*((y1-mY)/sigmaY)))(1+erf(1/sqrt(2)*((y2-mY)/sigmaY)))) 1.7 pZ=((1+erf(1/sqrt(2)*((z1-mZ)/sigmaZ)))(1+erf(1/sqrt(2)*((z2-mZ)/sigmaZ)))) 1.8 Phit=100*(1/4)*pY*pZ Выше приведённая Matlab/Octave программа реализует формулы (3, 5) и графическую интерпретацию рис. 1, в. Программа состоит из 8-ми строк (1.1–1.8). В строках 1–4 (1.1–1.4) производится определение необходимых переменных. В строках 6, 7 (1.6, 1.7) определяются вероятности попадания в вертикальную и горизонтальную линии заранее заданных размеров. Вероятность попадания в прямоугольник вычисляется в строке 8 (1.8).

Для реализации выше приведённой программы в онлайн приложении Octave программный код следует ввести в окно команд (рис. 3). Внешний вид реакции среды Octave при выполнении программы представлен на рис. 3 (выполнение программы осуществляется в Интернет онлайн ресурсе https://octave-online.net). Приведённый фрагмент оценивает вероятность попадания в один прямоугольник. При оценке вероятности попадания по всем прямоугольникам-составляющим необходимо несколько раз воспроизвести определения pY, pZ с учётом координат прямоугольников. Результаты вычислений, выполненных в Microsoft Excel и в Matlab/Octave (рис. 2, рис. 3), идентичны. С целью адаптации приведённых программных фрагментов для решения задач оценки стрельбы рассчитаем вероятность попадания в стрелковую мишень № 5 (головная мишень). Вычислительный эксперимент предполагает выполнение условного «выстрела» из 7,62-мм снайперской винтовки

Рис. 3. Результаты выполнения программы оценки вероятности попадания в онлайн приложении Octave

а б Рис. 4. Размеры мишени № 5 (а) и её разбиение на два прямоугольника (б)

100

теоретические и практические основы противодействия терроризму Драгунова (СВД) с дистанции 300 м. Атмосферные условия, сопровождающие выстрел считаем стандартными. Начальная скорость пули соответствует таблицам стрельбы [10]. Оценка вероятности попадания в мишень № 5 одной пулей базируетcя на данных таблиц стрельбы [10] и математической модели внешней баллистики [11]. Приводимый пример расчёта будем рассматривать как совершенствование методики [5]. Размеры мишени № 5 и её разбиение на два составляющих её прямоугольника приведены на рис. 4. Начало декартовой системы координат совмес тим с левой нижней вершиной мишени. Расчёт ко ординат вершин верхнего прямоугольника (рис. 4, б) привёл к следующим результатам: (13,5;12); (13,5;30); (36,5;30); (36,5;12). Координаты нижнего прямоугольника: (0;0); (0;12); (50;12); (50;0). Для определения координат СТП для СВД установим дистанцию приведения СВД к нормальному бою. Допустим, что пристрелка совершена на дистанции 300 м, а точка прицеливания соответствует координатам (0,25; 0,15). Для данной дистанции учтём деривацию, которая составит 0,01 м, что приведет к сдвигу положения СТП на 1 см вправо. В итоге искомые координаты СТП будут равны (0,26; 0,15). Характеристики рассеивания выстрелов по высоте и в боковом направле нии на расстоянии 300 м, выраженные в единицах срединных отклонений, в метрах равны (Ey = 0,057; Ez = 0,063) [10]. На основании выполненных оценок и присвоенных значений переменным модифицируем ранее разработанный про-

граммный Matlab/Octave код. Оценка вероятностей попадания в мишень № 5 выполним следующим образом: 2.1 mY=0.15; mZ=0.26; 2.2 V_Y=0.057; V_Z=0.063; 2.3 sigmaY=V_Y/0.674; sigmaZ=V_Z/0.674; 2.4.1 y1=0; y2=0.12; 2.4.2 y1=0.12; y2=0.3; 2.5.1 z1=0; z2=0.50; 2.5.2 z1=0.135; z2=0.365; Содержание строк 1.6–1.8 Matlab/Octave кода не изменится. Произведя расчёт, получим, что вероятность попадания в верхний прямоугольник (на рис. 4, б обозначен № 1) равна 46,928%, в нижний прямоугольник (№ 2) — 32,092%. Вероятность попадания в мишень № 5 с дистанции 300 м при табличных условиях с учётом только технического рассеивания винтовки СВД равна величине Рhit = 79,020%. Автоматизация расчётов вероятности попадания в зависимости от характеристик рассеивания и положения СТП представлена на рис. 5. На рис. 5, а изображена стрелковая мишень № 6 (грудная мишень), совмещенная с положением СТП (обозначено точкой, расположенной в центре мишени). Вертикальная и горизонтальная оси (OY и OZ) измеряются в сантиметрах. Рассеивание выстрелов представлено в виде эллипса, главные оси которого характеризуют величины срединного рассеивания по высоте и в боковом направлении.

Рис. 5. Размеры стрелковой мишени № 6, совмещённые с эллипсом рассеивания (а) и график вероятности попадания в мишень одним выстрелом (б)

101

Вопросы оборонной техники Для эллипса 1 рассеивание по высоте цели 15 см, в боковом направлении 10 см, для эллипса 2 эти величины соответствуют 6,3 и 5,7 см. На рис. 5, б изображено совмещение цели № 6 с вероятностью попадания в цель одним выстрелом (характеристики рассеивания эллипс 1 рис. 5, а) при изменении местоположения СТП. Размеры рис. 5, б — метры. Вертикальная ось OY совмещена с осью phiti , которая пронумерована в процентах. Ордината СТП находится на высоте 25 см (0,25 м), однако перемещается по горизонтали ± 60 см (0,6 м). Крайние положения ординаты СТП показаны А и С (рис. 5, б). Среднее положение ординаты — точка В (рис. 5, б). Изменение вероятности попадания в мишень характеризуются кривой phiti . Кривая симметрична относительно оси симметрии мишени по оси абсцисс. Максимальное значение вероятности попадания соответствует нахождению СТП в центре мишени № 6. По мере удаления от вертикальной оси симметрии цели вероятность phiti уменьшается. При выходе СТП за габариты цели вероятность попадания не равняется нулю, а имеет тенденцию плавного уменьшения своего значения. С целью визуализации истинной формы изменения значения phiti размеры мишени на рис. 5, б видоизменены и подверглись деформации. Дальнейшая автоматизация расчётов связана с оценкой характеристик тактики снайперского залпа. При использовании снайперского залпа, т.е. одновременного открытия огня, например, по цели № 5 n стрелками снайперской группы (каждый выполняет 1 выстрел) после получения ими команды на поражение и при учёте независимых выстрелов между собой вероятность попадания равна [2] n

Psa lvo = 1 − ∏ (1 − ph iti ), i =1

где phiti — вероятность поражения цели i-м выстрелом. При равных phiti каждым из n выстрелов [2] Psalvo оценивается формулой Psa lvo = 1 − (1 − ph iti ) . n

Если снайперы расположены на одинаковом расстоянии от цели и площадь проекции цели для каждого из снайперов одинакова, и если вероятность при одном выстреле равна величине Рhit = 79,020%, то при залпе двух снай102

перов Psalvo = 0,95598 (95,6%), для трех снайперов Psalvo = 0,99077 (99,1%). Выводы На основе анализа формул оценки вероятности попадания в мишени (1–3) сделан вывод о целесообразности использования формулы (3) в интересах автоматизации расчётов по попаданию в неё. На основе использования функции ошибок erf(х) решена задача исключения процедуры численного интегрирования, необходимая с целью вычисления функций F̂ , Ф0, Ф. Разработан программный код расчёта вероятности попадания с использование таблиц Microsoft Excel и сред автоматизации инженерных расчётов Matlab/Octave. На примере стрелковой мишени № 6 автоматизированы процедуры визуализации мишеней, отображения положения СТП, характеристик и положения эллипса рассеивания относительно цели. При изменении положения СТП при постоянных характеристиках рассеивания возможна визуализация графика вероятности попадания одной пулей. Приведен пример оценки вероятности попадания в мишень № 5 из винтовки СВД, на основании которой дана оценка попадания в мишень при производстве снайперского залпа. Литература 1. Шерешевский М.С. Эффективность стрельбы из автоматического оружия / М.С. Шерешевский, А.Н. Гонтарев, Ю.В. Минаев. Под общ. ред. М.С. Шерешевского. — М.: ЦНИИ информации. 1979. 328 с. 2. Фендриков Н.М. Методы расчётов боевой эффективности вооружения / Н.М. Фендриков, В.И. Яковлев. — М.: Военное издательство МО СССР. 1971. 224 с. 3. Rodney S. RPG Encounter Modeling. // SURVIAC Bulletin. 2012. Vol. 27. Issue 1. P. 1–5. 4. Наставление по стрелковому делу. Основы стрельбы из стрелкового оружия. 2-е изд., доп. испр. — М.: Военное Издательство МО СССР. 1970. 176 с. 5. Сватеев В.А. Точный способ расчёта вероятности попадания в фигурную цель // Вестник Академии Военных Наук. 2014. T. 49. № 4. C. 61–66. 6. Абезгауз Г.Г. Справочник по вероятностным расчётам / Г.Г. Абезгауз, А.П. Тронь, Ю.Н. Ко

теоретические и практические основы противодействия терроризму пенкин, И.А. Коровина. 2-е изд., доп. испр. — М.: Военное издательство МО СССР. 1970. 536 с. 7. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. — М.: Наука. 1969. 576 с. 8. Серогородский В.В. Excel 2003. Эффек тивный самоучитель. — СПб.: Наука и техника. 2005. 400 с. 9. Алексеев Е.P. Введение в Octave для инженеров и математиков / Е.P. Алексеев, О.В. Чеснокова. — М.: ALT Linux. 2012. 368 с. 10. Таблицы стрельбы по наземным целям из стрелкового оружия калибров 5,45 и 7,62 мм. ТС ГРАУ № 61. 2-е изд., доп. — М.: Военное издательство МО СССР/ 1977. 265 с. 11. Хайков В.Л. Математическая модель внешней баллистики снайперской винтовки Драгунова на основе оценки баллистических коэффициентов по данным таблиц стрельбы // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2017. Вып. 11–12 (113–114). C. 16–23. References 1. Shereshevsky M.S., Gontarev A.N., Minaev Yu.V. The effectiveness of shooting from automatic wea pons // Under the editorship of M.S. Shereshevsky. — Moscow: Central Research Institute of Information. 1979. 328 p. 2. Fendrikov N.M., Yakovlev V.I. Methods for calculating the combat effectiveness of weapons. — Moscow: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. 1971. 224 p. 3. Rodney S. RPG Encounter Modeling // SURVIAC Bulletin. 2012. Vol. 27. Issue 1. P. 1–5. 4. Manual of Musketry Instruction. Basics of shooting from small arms. 2nd edition. — Moscow: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. 1970. 176 p.

5. Svateev V.A. Accurate way calculate the probability falling into curly objective // Bulletin of the Academy of Military Sciences. 2014. Vol. 49. Issue 4. P. 61–66. 6. Abezgauz G.G., Tron A.P., Kopenkin Yu.N., Korovin I.A. Handbook of probabilistic calculations. 2nd edition. — Moscow: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. 1970. 536 p. 7. Ventzel E.S. Probability theory. — Moscow: Nauka. 1969. 576 p. 8. Serogorodsky V.V. Excel 2003. An effective self-instruction manual. — SPb.: Science and Technology. 2005. 400 p. 9. Alekseev E.P., Chesnokova O.V. Introduction to Octave for engineers and mathematicians. — Moskow: ALT Linux. 2012. 368 p. 10. Tabular firing tables for ground targets by shooting from small arms with calibers 5.45 and 7.62 mm. TS GRAU №61. 2nd edition. — Moskow: Military Publishing House of the Ministry of Defense of the USSR. 1977. 265 p. 11. Khaikov V.L. Ballistical mathematical model of the Dragunov sniper rifle based on a ballistic coefficients estimation using tabular firing table data // Military Enginery. Counter-terrorism technical devices. Issue 16. 2017. Issue 11–12 (113–114). P. 16–23. 12. Khaikov V.L. Estimate of projectile initial velocity as a solution of a two-point boundary value problem // Vojnotehnički Glasnik / Military Technical Courier. 2018. Vol. 66. Issue 1. P. 9–27. doi:10.5937/ vojtehg66-15097. 13. Khaikov V.L. Mathematical modeling and computer simulation of a basic problem of tube artillery external ballistics by means of the Mathcad software // Vojnotehnički Glasnik / Military Technical Courier. 2018. Vol. 66. Issue 2. P. 281–303. doi:10.5937/ vojtehg66-15328.

103

Вопросы оборонной техники

УДК: 658.7

Об отдельных вопросах материально-технического обеспечения Коллективных сил оперативного реагирования Организации Договора о коллективной безопасности при подготовке и в ходе совместных операций About single questions of logistics support of the Collective forces of operational response of Organization of collective security Treaty during the preparation for and in the process of joint operations Канд. воен. наук А.В. Бычков, Е.А. Рудаков PhD A.V. Bychkov, E.A. Rudakov ВА МТО им. генерала армии А.В. Хрулева В статье рассматриваются основные перспективные направления совершенствования и развития системы материально-технического обеспечения (МТО) Коллективных сил оперативного реагирования (КСОР) Организации Договора о коллективной безопасности (ОДКБ), ее адаптации к различным регионам коллективной безопасности. Также раскрывается комплекс вопросов, необходимых к совместной проработке, реализация которых позволит достичь целей развития системы МТО коллективной безопасности, изложенных в Стратегии коллективной безопасности ОДКБ на период до 2025 года. Кроме того, затрагиваются вопросы по организации системы повышения квалификации должностных лиц, назначаемых на квотные должности в состав органов военного управления МТО войск (Коалиционных сил) ОДКБ, на площадке базовой учебно-методической организации ОДКБ — Военной академии МТО. Ключевые слова: материально-техническое обеспечение, Коллективные силы оперативного реагирования, Организация Договора о коллективной безопасности. The article presents the basic perspective directions of improvement and development of the logistic system of the Collective rapid response forces of the collective security Treaty Organization, its adaptation to different regions of collective security. The article also reveals a set of issues necessary for the joint company, the implementation of which will allow achieving the objectives of the development of the collective security system set out in the CSTO collective security Strategy for the period up to 2025. In addition, issues on organization of system of improvement of qualification of officers appointed to the post the quote in the composition of bodies of military management, logistics troops (coalition forces) collective security Treaty organization, on-site basic training-methodical organization of CSTO — the Military Academy of logistics. Keywords: logistics support (MTO), Collective rapid response forces (CRRF), Collective security Treaty Organization (CSTO).

Стремление найти простой, универсальный инструмент, открывающий замки дверей такой сложнейшей системы, как система МТО сил коллективной безопасности ОДКБ, не демонстрирует требуемой результативности и эффективности. 104

Просматривается тенденция, при которой сложившиеся национальные подходы стран-членов к организации тылового и технического обеспечения, после незначительной адаптации перекладываются на систему МТО сил коллек-

теоретические и практические основы противодействия терроризму тивной безопасности ОДКБ, имеющую значительные отличия. При этом система МТО формируется силами и средствами шести стран, может функционировать в трех регионах коллективной безопасности и предназначена для обеспечения действий пяти элементов системы коллективной безопасности [1]. В данной статье предприняты попытки сформулировать основные перспективные направления ее совершенствования [2], которые необходимо обсуждать на всех уровнях управления и на всех экспертных площадках, а наиболее продуктивные решения целесообразно реализовывать. На МТО коалиционных группировок существенное влияние будут оказывать следующие факторы: – малознакомый театр военных действий; – оперативное оборудование территории возможного района вооруженного конфликта не в полной мере будет отвечать требованиям и замыслу предстоящей совместной операции, предполагаемой оперативной плотности войск на направлениях; – полная или частичная несовместимость и несопрягаемость ряда национальных систем военного назначения, в том числе комплексов управления и вооружения; – различающиеся национальные подходы подготовки и ведения совместных военных действий, недостаточный уровень оперативной, боевой и специальной слаженности воинских коллективов; – сложности в выстраивании логистики оперативных и снабженческих перевозок [3]; – переменный, гибкий состав коалиционных группировок; – значительные показатели операции: размах, продолжительность; – недостаточно развитая сеть объектов транспортной инфраструктуры на отдельных направлениях, а отсюда затруднения оперативного развертывания войск и, естественно, развертывания системы МТО; – прогнозируемое увеличение сроков оперативного свертывания войск в период постконфликтного урегулирования и после него. В целях обоснования направлений максимальной адаптации существующей системы МТО Войск (Коллективных сил) ОДКБ к таким условиям, представители военно-научного комплекса

МТО Вооруженных Сил Российской Федерации систематически проводят исследования в ходе мероприятий совместной оперативной и боевой подготовки войск (Коллективных сил) ОДКБ [4]. По результатам этой работы сформулирован ряд предложений, некоторые из которых, касающиеся совершенствования системы МТО КСОР ОДКБ, рассматриваются в данной статье, тезисы которой озвучены на конференции о проблемах управления многонациональными контингентами Войск (Коллективных сил) ОДКБ в городе Астана Республики Казахстан, проведенной в ноябре 2017 года. Одним из основных документов в нормативной правовой базе ОДКБ, определяющим порядок тылового и технического (материально-технического) обеспечения Войск (Коллективных сил) ОДКБ является «Положение о запасах» [5], в котором определены способы восполнения запасов. В соответствии с этим документом выстраиваются подходы к осуществлению МТО сил коллективной безопасности, в том числе и КСОР ОДКБ. Однако очевидно, что материально-техническое обеспечение войск не исчерпывается только лишь восполнением запасов, а подразумевает гораздо более широкий перечень мероприятий [6]. Содержание этих мероприятий и порядок их реализации в каких-либо других документах также по существу не раскрыты. Не определено и само понятие «МТО». Во всех нормативных документах говорится о тыловом и техническом обеспечении, а это далеко не одно и то же. При этом в разных документах применяются различающиеся формулировки. Очевидно, что это вносит некоторую неопределенность в работу должностных лиц органов управления МТО при подготовке и в ходе совместных операциях. В связи с этим представляется целесообразным разработать основополагающий нормативно-правовой акт, регламентирующий основы МТО (например, «Соглашение о МТО»), в котором определить единые понятийный аппарат и терминологию, классификацию видов МТО в системе ОДКБ, их предназначение, задачи, формы и способы МТО, порядок и последовательность работы коалиционных органов управления МТО при подготовке и в ходе различных форм приме105

Вопросы оборонной техники нения сил коллективной безопасности, порядок применения сил и средств МТО, перечень, сроки и формы отрабатываемых документов [7]. Необходимо заметить, что в этом направлении, по итогам консультаций экспертов, проведенных в сентябре 2017 года в Секретариате ОДКБ, в рамках согласования проекта Плана реализации Стратегии коллективной безопасности ОДКБ на период до 2025 года [8] уже предложен ряд мероприятий с определением сроков их реализации и предусматривающих: – выработку единых норм содержания и эшелонирования запасов материальных средств для формирований Войск (Коллективных сил) ОДКБ; – разработку планов по созданию запасов материальных средств для формирований Войск (Коллективных сил) ОДКБ; – разработку и утверждению пакета проектов документов, регламентирующих упрощенный порядок передачи материальных средств (предоставление услуг) между национальными воинскими контингентами формирований Войск (Коллективных сил) ОДКБ; – созданию в государствах — членах ОДКБ запасов материальных средств для формирований Войск (Коллективных сил) ОДКБ; – построению единой системы технического прикрытия и восстановления железных дорог государств — членов ОДКБ; – проработку вопроса о создании нормативной правовой базы, регламентирующей транзитные перевозки через территорию государств, не входящих в ОДКБ. Другим важным направлением совершенствования системы МТО КСОР ОДКБ являются различия системы специальной подготовки специалистов в области МТО коалиционных группировок. Так, например, должностные лица формируемых органов МТО не обладают достаточным уровнем знаний обширной нормативной базы, затрагивающей вопросы МТО коалиционных группировок вообще и ОДКБ в частности. Недостаточно глубоко изучается опыт тылового и технического обеспечения таких военных союзов, как «Организация Варшавского договора» [9, 10], «Организация Североатлантического договора (НАТО)», сравнительно нового Североевро пейского оборонительного союза. В результате этого решения на МТО КСОР ОДКБ, принимаемые по учебной обстановке, а 106

также предложения по развитию системы МТО формулируются, как правило, исходя из привычных и понятных национальных нормативных документов и подходов, зачастую стереотипно, шаблонно, применительно к классическим общевойсковым операциям, что в значительной степени не отвечает специфике совместных операций коалиционных группировок войск. Целесообразно проработать вопрос об организации системы повышения квалификации должностных лиц, назначаемых на квотные должности в состав органов военного управления МТО войск (Коалиционных сил) ОДКБ, на площадке базовой учебно-методической организации ОДКБ — Военной академии МТО. Также требует тщательного исследования и дальнейшего совершенствования вопрос МТО командного пункта управления КСОР ОДКБ. Известно, что численность формируемого Командования ОДКБ может составить более 100 человек. Однако выделение сил и средств для обеспечения полноценной жизнедеятельности пункта управления не предусматривается. Исходя из этого, целесообразно провести тщательное обоснование потребности в силах и средствах для МТО функционирования пункта управления КСОР, а затем рассмотреть возможность формирования соответствующего подразделения за счет национальных контингентов. В рамках одного из этапов специального учения МТО, проведенного в августе 2017 года в учебном центре Военной академии МТО, руководству Министерства обороны Российской Федерации, Республики Беларусь и участникам учения были представлены перспективные образцы технических средств жизнеобеспечения военнослужащих вне пунктов постоянной дислокации и санитарно-гигиенические модули различной вместимости. Военно-научное сопровождение разработки этих образцов технических средств осуществляется Научно-исследовательским институтом (военно-системных исследований МТО Вооруженных Сил Российской Федерации). В связи с этим представляется целесообразным рассмотреть возможность оборудования мест размещения, санитарно-гигиенического обеспечения личного состава воинских контингентов КСОР с возможным использованием подобных перспективных технических средств, а также рассмотреть вопрос о закупках, в рамках военно-технического

теоретические и практические основы противодействия терроризму сотрудничества, и эшелонировании запасов имущества квартирно-эксплуатационной службы, а именно энергосберегающих печей, в том числе и работающих на жидком топливе. Учитывая слабо развитую сеть водоисточников в Кавказском и Центрально-Азиатском регионах, коллективной безопасности необходимо учитывать возможный дефицит воды для питьевых и санитарно-бытовых нужд личного состава группировки. Также необходимо учитывать тот факт, что велика вероятность возложения на подразделения МТО задач по доставке воды в создаваемые лагеря перемещенных гражданских лиц, например, отселяемых от приграничных районов. Исходя из этого, предлагается включать в состав группировки КСОР ОДКБ (в случае развертывания в Кавказском и Центрально-Азиатском регионах коллективной безопасности) подразделения подвоза воды, из которых формировать сводное, применение которого целесообразно осуществлять только централизованно, по решению заместителя командующего по МТО. Учитывая размах возможной зоны ответственности всей группировки КСОР ОДКБ при двух возможных вариантах её развертывания, возможности войскового автомобильного транспорта по суточному пробегу будут значительно превышены. Поэтому необходимо исследовать вопрос об организации подвоза материальных средств с использованием возможностей гражданского перевозчика страны пребывания. Оплату аренды транспорта осуществлять установленным порядком на основании межправительственных соглашений. При этом в целях сокращения сроков начала перевозок целесообразно наделить командующего группировкой КСОР полномочиями самостоятельно заключать контракт на перевозку с представителями страны пребывания или напрямую с перевозчиками с последующим отчетом перед уставными органами ОДКБ. Подобный механизм целесообразно использовать и при организации закупок отдельных номенклатур материальных средств непосредственно в стране пребывания. Это могут быть: питьевая бутилированная вода, хлеб, отдельные виды топлива (при соответствующем его качестве). Такой подход целесообразно использовать и при предоставлении ряда услуг по: банно-пра-

чечному обеспечению с использованием объектов местной инфраструктуры (например, водонапорных башен, водопроводов, канализационных сетей, электрических подстанций); подвозу воды; оборудованию районов размещения контингентов (передачи в пользование зданий сооружений, блок-контейнеров, жилых модулей и т.д.); сбору и вывозу твердых бытовых отходов. Реализация данного механизма позволит уйти от постоянного наращивания сил и средств МТО, увеличения численности обеспечивающих частей и подразделений. Безусловно, это — инновация, и она требует детальной проработки и обсуждения. Помимо вопросов обеспечения оперативного развертывания КСОР, не теряют своей актуальности вопросы МТО свертывания группировки КСОР, вывода национальных контингентов из назначенных районов размещения, из страны пребывания и возращения их в пункты постоянной дислокации. Как правило, в ходе совместных мероприятий оперативной и боевой подготовки войск (Коалиционных сил) ОДКБ, планированию и отработки этих мероприятий уделялось недостаточное внимание. Требуют решения и регламентации следующие вопросы: порядок передачи стационарных объектов инфраструктуры, а также временных жилых помещений (модулей, блок-комнат) в случае, если размещение контингентов осуществлялась в полевых лагерях; вывоз, утилизация или передача невосстанавливаемых ВВТ; дальнейшее использование накопленных и неиспользованных значительных объемов запасов материальных средств; вывоз, утилизация отстрелянных артиллерийских гильз и укупорки; использованной бочкотары; ликвидация экологических последствий действий войск, в том числе и последствий жизнедеятельности личного состава, мусоросборников и другие. Это подтверждает необходимость тщательного планирования этих вопросов в ходе мероприятий совместной оперативной подготовки, наработки вариантов реализации комплекса мероприятий МТО вывода войск и вынесения их для обсуждения и принятия оптимальных решений уставными органами ОДКБ. Таким образом, в статье рассмотрены лишь некоторые направления совершенствования и развития системы МТО ОДКБ, реализация которых позволит достичь целей развития систе107

Вопросы оборонной техники мы коллективной безопасности, изложенных в Стратегии коллективной безопасности ОДКБ на период до 2025 года. Литература 1. Устав Организации Договора о коллективной безопасности. 2002. 2. Целыковских А.А., Курбанов А.Х., Быч ков А.В. Направления совершенствования МТО Коллективных сил безопасности ОДКБ // Военная мысль. 2016. № 11. С. 21–28. 3. Булгаков Д.В., Ивановский В.С., Целы ковских А.А., Коновалов В.Б. Методология военно-системных исследований проблем строительства, развития, подготовки и применения системы МТО Вооруженных Сил Российской Федерации. — СПб.: ВА МТО. 2014. 4. Коновалов В.Б. Отчет по итогам исследований по вопросам МТО в ходе совместного учения «Взаимодействие-2015». — СПб.: ВА МТО. 2015. 5. Решение Совета министров обороны ОДКБ о «Положении о запасах материальных средств для обеспечения формирований сил и средств системы коллективной безопасности». 2009. 6. Военная экономика и тыловое обеспечение войск. Словарь. — М.: Штаб Тыла Вооруженных Сил Российской Федерации. 7. Топоров А.В., Бабенков В.И. Методоло гические основы военно-экономической эффек тивности интегрированной системы материально- технического обеспечения // Известия РАРАН. 2017. № 4 (99). С. 13–22. 8. Стратегия коллективной безопасности ОДКБ на период до 2025 года. 2016. 9. Грибков А.И. Судьба Варшавского договора // Русская книга. 1998. 10. Ковалев С.Н. О мерах по обеспечению военной безопасности России после распада организации Варшавского договора // Национальная

108

безопасность и стратегическое планирование. 2015. № 2 (14). References 1. Charter of the Collective Security Treaty Organization. 2002. 2. Tselikovskikh A.A., Kurbanov A.Kh., Bych kov A.V. Areas of Improvement of the Collective Security Forces Collective Security Treaty Orga nization. Military Thought. 2016. № 11. Р. 21–28. 3. Bulgakov D.V., Ivanovsky V.S., Tselikov skikh A.A., Konovalov V.B. Methodology of mili tary-system studies of problems of construction, development, preparation and application of the lo gistics system of the Armed Forces of the Russian Federation. — St. Petersburg: VA MTO. 2014. 4. Konovalov V.B. Report on the results of research on the MTO during the joint exercise «In teraction-2015». — St. Petersburg: VA MTO. 2015. 5. Decision of the Council of Ministers of Defense of the CSTO on «Regulations on the Stock of Material Means for Ensuring the Formation of Forces and Means of the Collective Security System». 2009. 6. Military economy and logistics of troops. Dictionary. — M: Shtab Tyla Vooruzhennyh Sil Ros sijskoj Federacii. 7. Toporov A.V., Babenkov V.I. Methodological foundations of military-economic efficiency of the integrated system of material and technical support. In: Izvestiya Rossijskoj akademii raketnyh i artillerijskih nauk. 2017. № 4 (99). Р. 13–22. 8. CSTO Collective Security Strategy for the period up to 2025. 2016. 9. Gribkov A.I. The fate of the Warsaw Treaty. In: The Russian Book. 1998. 10. Kovalev S.N. On measures to ensure Russia’s military security after the collapse of the Warsaw Pact organization. In: National Security and Strategic Planning. 2015. № 2 (14).

теоретические и практические основы противодействия терроризму

УДК: 614.894.2; 004.087

Перспективы развития идентификации средств химической защиты с целью выявления контрафактной продукции Prospects for development of identification of chemical protection means for the identification of counterfeit products П.Л. Шишкин, канд. техн. наук А.О. Осипчук, канд. биол. наук А.В. Вишняков P.L. Shishkin, PhD A.O. Osipchuk, PhD A.V. Vishnyakov Уральский институт ГПС МЧС России Сложный характер угроз безопасности России, одной из составляющей которого является наличие у террористических организаций химического оружия и опыта по его применению, определяют актуальность использования средств химической защиты в системе антитеррористических мер на государственном уровне. В настоящей статье авторами даётся оценка возможности применения электронных идентификационных знаков для маркировки фильтрующих противогазов в комплексе со специальной компьютерной программой, что позволит значительно расширить возможности по выявлению контрафактных средств химической защиты. Ключевые слова: мобильное средство индивидуальной защиты органов дыхания, контрафактная продукция, противодействие терроризму, фильтрующий противогаз, химическое оружие, чип, электронный идентификационный знак. The diverse nature of threats to Russia's security, one of the components of which is the availability of chemical weapons from terrorist organizations and experience in its use, determine the relevance of using chemical protection in the system of anti-terrorist measures at the state level. In this article, the authors evaluate the possibility of using electronic identification marks for marking filtering gas masks in combination with a special computer program, which will greatly enhance the ability to identify counterfeit chemical protection products. Keywords: mobile means of individual protection of respiratory organs, counterfeit products, counteraction to terrorism, filtering gas mask, chemical weapons, chip, electronic identification mark.

К одной из важных проблем, стоящих перед мировым сообществом на современном историческом этапе, следует отнести террористическую угрозу во всех её формах и проявлениях. Следствием терактов всегда являются гибель населения, заражения обширных территорий, разрушение материальных ценностей и культурного наследия. При этом чрезвычайную озабоченность вызывает то положение, что целый ряд организаций террористической направленности обладает отравляющими веществами (ОВ) либо иными

опасными химическими веществами, а также техническими возможностями и опытом их применения [1–3]. Наличие на территории Российской Феде рации террористических групп и их тесных связей с подобными организациями за рубежом, включая одиозное запрещённое в нашей стране Исламское государство, определяет достаточно высокую вероятность появления у террористов замыслов по применению ОВ против населения, что, принимая во внимание высокую эффективность химического оружия, определяет значимость исполь109

Вопросы оборонной техники зования в комплексе защитных мероприятий средств индивидуальной защиты органов дыхания (СИЗОД), в частности гражданских фильтрующих противогазов [4, 5]. Обсуждая, с целью последующего их решения, проблемные вопросы безопасности населения, также следует учитывать то обстоятельство, что в настоящее время, несмотря на принимаемые на всех уровнях государственной власти усилия по мнению ряда ведущих специалистов МЧС России, уровень химической защиты населения Российской Федерации не достигает состояния, при котором отсутствуют недопустимые риски причинения вреда в результате воздействия опасных факторов, которые могут возникнуть при чрезвычайных ситуациях (ЧС) [6]. Это положение определяет значимость использования в комплексе защитных мероприятий химического, а также радиационного и биологического характера таких изделий, как фильтрующие противогазы, являющиеся универсальным средством, обеспечивающим надёжную защиту от опасных химических веществ, биологических средств, а также от целого ряда радионуклидов в аэрозольном состоянии, в том числе и от радиоактивного йода [7]. Одновременно при решении вопросов по обеспечению населения и личного состава формирований СИЗОД необходимо учитывать важность такой проблемы, как распространение указанных изделий контрафактного характера. Вызывают серьёзную озабоченность дерзость и масштабы деятельности поставщиков поддельных средств защиты, одновременно реализующих тысячи единиц противогазов. География распространения контрафакта представлена практически всеми субъектами Российской Федерации [8, 9]. В настоящее время на территории Российской Федерации функционирует целый ряд изготовителей СИЗОД, объединённых в различные группы и союзы, такие как, например, успешно функционирующая Ассоциация разработчиков, изготовителей и поставщиков средств радиационной, химической и биологической защиты войск и населения. Производственные мощности предприятий, входящих в указанную ассоциацию, позволяют в полном объёме удовлетворить потребность в изделиях, обеспечивающих высокие защитные показатели [10]. Чётко представляя, что фальсифицированные фильтрующие проти110

вогазы по своим техническим показателям не соответствуют действующим требованиям и их использование в ЧС наиболее вероятно приведёт к летальному исходу, представители легального производства ведут постоянную борьбу с контрафактом. В настоящее время эта борьба приобрела комплексный характер, имеющий правовую, организационную, информационно-обучающую и техническую составляющие. Рассматривая фильтрующие противогазы как технически сложные средства, следует отметить, что в последнее время наиболее часто фальсифицируется такой элемент указанных изделий, как фильтрующие поглощающие коробки (ФПК). Различные манипуляции с лицевыми частями из-за особенностей их материала изготовления практически всегда позволяют сразу выявить подделку, руководствуясь документами производителей СИЗОД, описывающими признаки подлинности продукции [4, 8, 9]. В представленной работе авторами рассматривается техническая сторона борьбы с контрафактными СИЗОД, заключающаяся в применении антиконтрафактной маркировки, анализируются перспективы её использования, а также обосновывается новый подход к её совершенствованию. В данный момент добросовестные производители СИЗОД, опираясь на технические возможности имеющегося технологического оборудования, постоянно вносят изменения в отдельные элементы корпусов ФПК, усложняя их конструктивные особенности, при этом выдавливаются рёбра жесткости в виде зигов и радиальных лучей, также применяются штампы сложной конфигурации для нанесения буквенно-цифровой маркировки изделий, где одни цифры и буквы имеют выпуклое, а другие — вогнутое исполнение и т.д. [8]. Такие усложнения, называемые антиконтрафактной маркировкой, являются признаками подлинности продукции, т.е. выступают в качестве степени защиты продукции подлинных противогазов. Однако применяемая в настоящее время антиконтрафактная маркировка, основывающаяся на использовании различных механических приспособлений, стала терять свою эффективность. Преступные сообщества, распространяющие контрафактные СИЗОД, в последнее время стали находить возможности с высокой точностью воспроизводить элементы данной маркировки. Имея

теоретические и практические основы противодействия терроризму достаточно высокую прибыль от реализации подделок, они теми или иными путями стали получать в своё распоряжение специальное маркировочное оборудование, аналогичное тому, которые находит применение при легальном производстве. Таким образом, в настоящее время риск приобретения контрафактных противогазов становится значительно выше, что определяет актуальность мероприятий по противодействию распространения контрафактных СИЗОД, в частности совершенствования антиконтрафактной маркировки. В ближайшее время добросовестным производителям средств защиты следует применить какие-либо новые способы маркировки противогазов в дополнение к уже имеющимся, позволяющие распознать подлинность изделия. Изучив все составляющие, связанные с имеющимся опытом использования антиконтрафактной маркировки в различных областях деятельности, следует отметить что для определения подлинности СИЗОД в дополнение к уже имеющим применение визуально воспринимаемым средствам наиболее перспективным может считаться использование специальных чипов, также называемых радиометками или электронными идентификационными знаками (ЭИЗ). Идеи по внедрению чипирования с целью защиты продукции от подделок и по ряду иных направлений находят практическую реализацию в таких сферах , как промышленность, транспорт, здравоохранение, сельское хозяйство, библиотечное дело и т.д. Чип содержит значительный объём специфической информации, считав которую с помощью специального устройства возможно узнать на каком предприятии и когда было выпущено конкретное изделие, номер его серии и партии, т.е. чётко идентифицировать конкретный экземпляр. Всё это технически исполнимо, и успех реализации мер по данному направлению не вызывает сомнений. Однако использование чипов предполагает и такой важный момент, как применение специальных считывающих устройств (ридеров), позволяющих выполнить процедуру проверки подлинности (аутентификацию RFID-меток). Эти приборы могут быть постоянно включены в учётную систему или работать автономно. Считыватели могут быть как стационарные, так и переносные, имеющие портативное исполнение. В своей работе ридеры для подключения их к информационной системе используют различ-

ные протоколы связи (UART, RS-232, SPI, WG26, WG32, USB и т.п.), позволяющие быстро и точно выполнять аутентификацию RFID-меток, а также защищать информацию, хранящуюся в электронных идентификационных знаках. Последнее будет иметь особую актуальность в то время, когда, как уверены авторы, использование RFID-меток ФПК найдёт широкое применение и распространители контрафактных средств защиты будут предпринимать попытки взлома меток СИЗОД с окончившимся гарантийным сроком, т.е. делать то, что они делают сейчас при помощи механических приспособлений [8]. Рассматривая перспективы внедрения электронных идентификационных знаков на предприятиях, выпускающих фильтрующие противогазы, следует отметить, что всё это требует детальной проработки и не только по техническим вопросам, связанным с использованием собственно RFID-меток, но и с применением считывающих устройств. Изучая современное состояние базы ридеров, перспективы их широкого внедрения и технического совершенствования, следует указать и на имеющую место проблемную составляющую. Так как RFID-метки, предполагаемые к использованию в качестве антиконтрафактной маркировки СИЗОД, относятся к специальным особо защищаемым изделиям, устройства, считывающие с них информацию, являются высокотехнологичными приборами, что определяет их достаточно высокую стоимость, выражающуюся десятками, а иногда и сотнями тысяч рублей. Стоимость фильтрующих противогазов в настоящее время колеблется от двух до четырёх тысяч рублей, закупаются они редко, один раз в период, соответствующий гарантийному заводскому сроку, т.е. от 10 до 12 лет. Всё это предполагает, что далеко не каждая организация или территориальное образование, приобретая СИЗОД для персонала либо для населения, предварительно закупит считывающее устройство для аутентификации средств защиты [9]. Таким образом, сохраняется высокая вероятность приобретения СИЗОД контрафактного характера, т.е. использование RFID-меток в качестве антиконтрафактной маркировки окажется неэффективным. Учитывая приведённые обстоятельства, представляется целесообразным предложить новый подход к решению указанной проблемы. В рам111

Вопросы оборонной техники ках этого в настоящее время на кафедре управления в кризисных ситуациях Уральского института государственной противопожарной службы МЧС России реализуется научно-исследовательская работа, имеющая цель выработку обоснованных предложений по совершенствованию противодействия распространения контрафактных СИЗОД, включая их чипирование. При этом был учтён такой инновационный элемент нашей жизни, как активное внедрение смартфонов и иных мобильных устройств, использующих различные мобильные приложения. В ходе решения одной из целевых задач исследований бала разработана компьютерная программа «Гражданские противогазы», в том числе реализуемая как мобильное приложение (Mobile app), которое позволяет считывать информацию с ЭИЗ, делать заключение о контрафактном или подлинном характере изделия, а также предоставлять различную информацию обучающего и справочного характера. При апробации разработки была подтверждена работоспособность системы записи и считывания с помощью мобильного устройства с NFC-модулем информации с меток, размещаемых на ФПК (рисунок). Мобильное приложение «Гражданские противогазы» распространяется безвозмездно и позволяет осуществлять проверку подлинности продукции с помощью мобильного телефона либо иного устройства, оснащенного NFC-модулем, считывающим информацию с меток. Помимо этого, данное приложение носит обучающий характер. В

Рис. Считывание информации с чипа с помощью мобильного устройства с NFC-модулем

112

нём представлены методические рекомендации по выбору и применению гражданских противогазов, модуль помощи в подборе размера лицевой части противогаза, рекомендации по эксплуатации средств защиты, модуль, позволяющий осуществлять тренировку, а также основные нормативные правовые акты и нормативные документы, устанавливающие порядок выбора, накопления и использования СИЗОД. Общедоступность приложения определяется путями его распространения — посредством специальных буклетов, имеющих штрих код (QR-код), через Интернет и т.д. Так, информация о данном мобильном приложении в настоящее время доступна на сайте магазина приложений «Google Play Market», на официальных сайтах Уральского института ГПС МЧС России и Главного управления МЧС России по Свердловской области, а также при обращении к различным популярным социальным сетям, которые представляют собой огромные аудитории зарегистрированных пользователей [11–13]. Значительная часть пользователей регулярно обращается к указанным ресурсам, в большинстве случаев ежедневно, причем многие из них практически не работают с поисковыми системами, а работают исключительно с теми сервисами и услугами, которые представляют социальные сети. Немаловажно отметить, что указанные каналы распространения информации можно считать одними из самых оперативных и наиболее оптимальных для коммуникации с аудиторией, среди них следует выделить такие массовые ресурсы как «ВКонтакте» (VK), Твиттер (Twitter), Фейсбук (Facebook) и многие другие. Обращение к названным источникам позволяет заинтересованному лицу установить данную программу и использовать ее по назначению. Указанные обстоятельства определяют возможность широкого внедрения мобильного приложения. Успешная апробация и последующее широкое внедрение компьютерной программы «Граж данские противогазы» позволяют перейти к вы полнению следующих этапов научно-исследовательской работы и уверенно заявить о предстоящем успешном решении проблемы, связанной с распространением контрафактных СИЗОД. В заключение представляется возможным сделать следующие выводы: 1. Сохраняющаяся в настоящее время вероятность приобретения несоответствующей заяв-

теоретические и практические основы противодействия терроризму ленным показателям контрафактной и устаревшей продукции из номенклатуры средств индивидуальной защиты органов дыхания является актуальной проблемой безопасности населения Российской Федерации. 2. Использование в качестве средств антиконтрафактной маркировки электронных идентификационных знаков и специальных компьютерных программ, реализуемых в форме мобильных приложений, представляется возможным рассматривать как наиболее перспективное направление в решении вопросов противодействия распространению контрафактных средств защиты. Литература 1. Первый канал. Официальный Вашингтон впервые признал, что террористы в Сирии применяли химическое оружие. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.1tv.ru/news/2017-10- 20/334804-ofitsialnyy_vashington_vpervye_priznal_ chto_terroristy_v_sirii_primenyali_himicheskoe_oru zhie (дата обращения: 16.02.2018). 2. В Сирии применялось химическое оружие. Российская газета. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.rg.ru/2013/12/13/ himorujie-site.html (дата обращения: 16.02.2018). 3. Татаринов В.В., Пашинин В.А., Косы рев П.Н. и др. Совершенствование подходов к ликвидации последствий химических террористических актов // Технологии гражданской безопасности. — М.: ВНИИ ГОЧС (ФЦ) МЧС России. 2017. № 2. С. 46–51. 4. Осипчук А.О., Порхачёв М.Ю., Субачев С.В. и др. Оценка возможности использования электронных идентификационных знаков при производстве гражданских фильтрующих противогазов с целью противодействия распространению контрафактной продукции // Вопросы оборонной техники. Серия 16. — СПб.: НТЦ «Информтехника», ЗАО «НПО СМ». 2016. № 9–10 (99–100). С. 134–138. 5. Вишняков А.В. Гражданские противогазы: проблемы в определении номенклатуры // Техносферная безопасность: Научный журнал. — Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России. 2013. № 1. С. 6–20. 6. Батырев В.В., Живулин Г.А., Сосунов И.В. и др. Оценка эффективности и качества фильтрующих средств индивидуальной защиты органов дыхания населения в чрезвычайных ситуациях.

— М.: МЧС России. ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ). 2017. 424 с. 7. Олонцев В.Ф., Олонцев В.В. Научные основы создания фильтрующих противогазов // РАЕН. Урал. отд-ние, ГУ Пермь. центр науч.-техн. информации. 2005. 176 с. 8. Вишняков А.В., Шмановский В.А. Проти водействие распространению контрафактных средств индивидуальной защиты органов дыхания // Технологии гражданской безопасности. — М.: ВНИИ ГОЧС (ФЦ) МЧС России. 2015. № 1. С. 86–89. 9. Вишняков А.В., Шишкин П.Л., Осипчук А.О. и др. Возможность и отдельные составляющие использования электронных идентификационных знаков при производстве гражданских фильтрующих противогазов // Вопросы оборонной техники. Серия 16. — СПб.: НТЦ «Информтехника», ЗАО «НПО СМ». 2017. № 1–2 (103–104). С. 111–114. 10. Ассоциация разработчиков, изготовителей и поставщиков средств радиационной, химической и биологической защиты войск и населения. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// асрхбз.рф/registry (дата обращения: 18.02.2018). 11. Play market. Мобильное приложение «Гражданские противогазы». «CivilGasMasksSigned». [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://drive.google.com/file//0B6MWvwIeOtc2c3VR SnZ4RnVGTmc/view. (дата обращения: 18.10.2017). 12. Уральский институт Государственной противопожарной службы МЧС России. Мобильное приложение «ГРАЖДАНСКИЕ ПРОТИВОГА ЗЫ». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http:// uigps.ru/content/mobilnoe-prilozhenie-grazhdanskieprotivogazy (дата обращения: 18.02.2018). 13. ГУ МЧС России по Свердловской области. Изучаем средства индивидуальной защиты органов дыхания с мобильным приложением «Гражданские противогазы». [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://66.mchs.gov.ru/pressroom/news/item/6054695 (дата обращения: 18.10.2017). References 1. The first channel. Official Washington recognized at first that terrorists in Syria used chemical weapons. [Electronic resource]. Access mode: https://www.1tv.ru/news/2017-10-20/334804 ofitsialnyy_vashington_vpervye_priznal_chto_ terroristy_v_sirii_primenyali_himicheskoe_oruzhie (date of circulation: 16.02.2018). 113

Вопросы оборонной техники 2. Syria used chemical weapons. Russian newspaper. [Electronic resource]. Access mode: http://www.rg.ru/2013/12/13/himorujie-site.html (date of circulation: 16.02.2018). 3. Tatarinov V.V., Pashinin V.A., Kosyrev P.N. Improvement of approaches to chemical terrorist acts elimination and consequences / Civil safety technologies. — M.: VNII GOCHS (FTS) of the Ministry of Emergency Situations of Russia. 2017. № 2. P. 46–51. 4. Osipchuk A.O., Porkhachev M.Yu., Suba chev S.V. Evaluation of the possibility of electronic identification marks usage in the civil filtering gas masks production in order to counteract the counterfeit products distribution // Questions of defense technology. Series 16. — Spb.: Scientific and Technical Center «Informtekhnika», «NGO of Special Materials». 2016. № 9–10 (99–100). Pp. 134–138. 5. Vishnyakov A.V. Civil gas masks: problems in nomenclature determining // Technosphere security: Scientific journal. — Ekaterinburg: Ural Institute of State Fire Service of the Ministry of Emercom of Russia. 2013. № 1. Р. 6–20. 6. Batyrev V.V., Zhivulin G.A., Sosunov I.V. Evaluation of the effectiveness and quality of filtering means for protective breathing apparatus for the population in emergency situations. — Moscow: EMERCOM of Russia. FGBU VNII GOChS (FC). 2017. 424 p. 7. Olontsev V.F., Olontsev V.V. Scientific foundations for the filter masks creation. Ros. acad. natural sciences, the Urals Department of Perm State administrative center of scientific-techn. information. 2005. 176 p.

114

8. Vishnyakov A.V., Shmanovsky V.A. Counte racting the spread of counterfeit protective breathing apparatus / Civil safety technology. — M.: VNII GOCHS (FTS) EMERCOM of Russia. 2015. № 1. P. 86–89. 9. Vishnyakov A.V., Shishkin P.L., Osipchuk A.O. The possibility and separate components of the electronic identification marks use in the civil filtering gas masks production // Questions of defense technology. Series 16. — Spb.: STC «Informtekh nika», «NGO of Special Materials». 2017. № 1–2 (103–104). P. 111–114. 10. TheAssociation of Developers, Manufacturers and Suppliers of Radiation, Chemical and Biological Protection of Troops and the Population. [Electronic resource]. Access mode: http: //asrkhbz.rf/registry (reference date: 18.02.2018). 11. Play market. Mobile application «CIVIL FILTERINGGASMASKS».«CivilGasMasks-Signed». [Electronic resource]. Access mode: https://drive.google. com/file/d/0B6MWvwIeOtc2c3VRSnZ4RnVGTmc/ view. (date of circulation: 18.10.2017). 12. Ural Institute of the State Fire Service of the Ministry of Emergency Situations of Russia. Mobile application «CIVIL ANTI-GASES». [Electronic resource]. Access mode: http://uigps.ru/content/ mobilnoe-prilozhenie-grazhdanskie-protivogazy (date of circulation: 18.02.2018). 13. State Institution EMERCOM of Russia in the Sverdlovsk region. We study personal respiratory protection with the mobile application «Civil gas masks». [Electronic resource]. Access mode: http://66.mchs.gov.ru/pressroom/news/item/6054695 (date of circulation: 18.10.2017).

перспективы, прогнозы

УДК: 355/359.07

О проблемах системы «инновационное развитие – наука – экономика – оборонно-промышленный комплекс – подготовка кадров – военная безопасность» About problems of system «innovative development – science – Economics – military – industrial complex – personnel training – military security» Д-р техн. наук, канд. экон. наук С.А. Писарев, канд. техн. наук Д.В. Чирков DPhil, PhD S.A. Pisarev, PhD D.V. Chirckov Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова Обоснована специфика инновационного развития общества, построения инновационной экономики с учетом обеспечения национальной безопасности страны в период радикальных реформ в 90-х годах прошлого столетия, и показана взаимосвязь прежних проблем с проблемами сегодняшнего дня в области подготовки кадров, «оружейной» науки, разработки оружия, обеспечения военной безопасности страны. Показано, что низкий уровень системности, который сопровождал широкомасштабное реформирование общества в 90 годах, так и сохранился в наше время при решении ряда политических, экономических, производственных, социальных задач, что подтверждает комплекс существующих общеизвестных проблем. Отметим, что наличие разнообразных проблем характеризуют низкий уровень системности преобразований, а отсутствие их указывает на системное решение задач. Ключевые слова: инновационное развитие, системность, образование, наука, оружие, военная безопасность. The specifics of the innovative development of the society, the construction of an innovative economy, taking into account the national security of the country during the period of radical reforms in the 90s of the last century, are grounded, and the interrelation of the former problems with the problems of today in the field of training, «weapons» science, development of weapons, taking into account the provision of military security of the country, is shown. It is shown that the low level of consistency, which was accompanied by large-scale reform of society in the 90's, and survived in our time when the solution of a number of political, economic, industrial, social tasks, which confirms the range of existing well-known problems. It should be noted that the presence of a variety of problems characterize the low level of systemic changes, and their absence indicates the system solution of problems. Keywords: innovative development, systematicity, education, science, weapons, military security

В 1996 году была издана книга «Стратегия инновационного развития общества. Системный подход», которая была посвящена анализу и решению комплекса проблем, связанных с реформированием экономики, промышленности, социальной сферы, а

также анализу конверсии и подходам к обеспечению национальной безопасности страны [1]. Особый акцент был сделан на специфике инновационного развития всех сфер общественного развития, а не только на инновациях, связанных с производством. 115

Вопросы оборонной техники Впервые в нашей стране было дано обоснование необходимости построения инновационной экономики [1, 2, 3], формирования инновационного стиля развития общества, при которых политические, управленческие, экономические, технологические, производственные, финансовые, научные, образовательные, социальные и другие инновационно-объективные действия должны быть эффективными, оправданными, гуманными и согласованными между собой, а потому понятными населению и направленными на улучшение жизни всего общества. Отечественные экономисты достаточно долго никак не реагировали на это новое определение, а пытались ввести в оборот определения типа: криминальная экономика, шоковая экономика. Отметим, что инновационные процессы связаны с рисками и только в идеале носят вероятностный характер, а в реальной жизни из-за влияния труднопредсказуемых факторов реализация инноваций часто приобретает неопределенный характер и вместо положительного эффекта даёт отрицательный результат. Жизненная практика подтверждает этот вывод на все сто процентов. Все судьбоносные программы страны, например конверсии, приватизации, структурной перестройки экономики, реформирования образования, пенсионной системы и т.д., являются по своей сути инновационными. Непонимание их инновационной специфики, отсутствие системности в принятии решений приводило к отрицательным результатам. Таким образом, инновационное развитие и системный подход неразделимы. Поэтому в работах [1, 2, 3] был сделан акцент на том, что для обеспечения эффективности инновационных процессов необходима действенная система позитивных ограничений, подчеркивающих системообразующую роль государства. Эти ограничения высшего государственного уровня должны формироваться с учетом общенациональных потребностей и приоритетов в виде доктрины национальной безопасности и соответствующего закона. Отметим, что национальную безопасность, составной частью которой является военная безопасность, формируют не только политические и силовые структуры, но и экономика в целом, промышленность, финансовая система, наука, технологическая база, образование, культура, здоровье людей, их духовный и нравственный уровень, стабильность функционирования и развития всех эко116

номических и социальных систем жизнеобеспечения населения. При этом инновационная база законодательных инициатив (высший инновационный уровень) должна ставить заслон проявлению отрицательных факторов и способствовать конкурентоспособному развитию страны. Поэтому существующая в стране коррупция, а также проблемы в сфере экономики, финансов, образования, науки, здравоохранения и в других сферах общественного развития наносят вред национальной и военной безопасности страны. То есть функциональная структура инновационной экономики, инновационного развития во многом совпадают с функциональной структурой ограничений, формируемых из необходимости обеспечения национальной безопасности страны. Таким образом, неудачи с построением инновационной экономики также носили многофакторный характер. Кроме того, не учитывалось, что инновационная политика государства может быть эффективна только в том случае, если она становится неотъемлемой составной частью стратегии опережающего развития страны. Но обеспечить взаимосвязь основных государственных стратегий в области экономики, промышленности, социальной сферы со стратегией инновационного развития страны до сих пор не удается по разным причинам. Например, инновационные успехи тормозились и тормозятся из-за непонимания места науки в инновационном процессе. Научные исследования в первую очередь фундаментального характера являются стратегическим ресурсом для инновационной деятельности, а инновационные идеи, инновационные потребности рождаются не в научной сфере, а определяются общественными потребностями, которые зарождаются на рынке или формируются государством, например, исходя из потребностей государства по обеспечению военной и национальной безопасности. Поэтому наука не является первым звеном инновационного процесса, но она должна обладать потенциалом адекватным потребностям развития. При этом инновационный процесс неразрывно связан с инвестиционным процессом, что поясняется уравнением du/dt = f (ф, u), где ф — инвестиции в инновации; u — инновации.

перспективы, прогнозы В развитых странах эта функция является возрастающей и зависит от восприимчивости, например, экономики, промышленности, военной организации к инновациям при достаточно высоком уровне инвестиционных накоплений в стране. Поэтому при ограниченных инвестициях и низком качестве производственно-технологического оборудования инновационный процесс малоэффективен, а оснащение производства «умными» станками или армии «умным» оружием требует подготовленных кадров. Таким образом, учебные заведения должны быть оснащены соответствующим «умным» оборудованием, например, оружейные кафедры иметь право использовать в учебном процессе все современные виды стрелкового оружия, а не муляжи. Сегодня об инновационной экономике по разным причинам стали забывать, так же как об основном средстве её построения в виде национальной инновационной системы. Задача её построения оказалась не по силам в первую очередь управленцам различных уровней. Забыли и об «экономике знаний», о который широко говорили в 2000-х годах, хотя этот термин, как будет показано ниже, не является верным. Учебный процесс в вузах страны трансформировался в не лучшую сторону, а реформа школьного образования ничего хорошего не принесла в части изучения школьниками математики и физики. Все это отрицательно сказывается на подготовке инженеров в интересах ОПК, а соответственно и на военной безопасности. В этой связи напомним, что, когда наша страна запустила первый искусственный спутник земли, в США был шок. Была создана правительственная комиссия во главе с вице-президентом, которая сделала главный вывод, что система образования в СССР лучше американской. Почему? Для того чтобы запустить спутник, необходима ракета, специальные топлива, системы управления, новые материалы. Необходимы теоретики, умеющие рассчитывать траектории движения ракеты и многое другое, например, наземный стартовый комплекс. То есть страна смогла подготовить тысячи разнообразных специалистов и создать целые отрасли промышленности. Отметим, что ракета могла являться стратегическим носителем и для ядерного оружия. То есть образование и военная безопасность были связаны неразрывно.

Поэтому американцы после мало приятного для них вывода приняли программу по развитию университетов, чтобы их система образования стала лучшей в мире. Мировые образовательные рейтинги подтверждают, что с этой задачей они справились, а мы за последние годы растеряли свои преимущества. Таким образом, подготовка первоклассных специалистов, а не бакалавров, в вузах страны во второй половине ХХ века оказала решающую роль в обеспечении военной безопасности. Великий ученый нашей страны, теоретик космических полетов, академик Б.В. Раушенбах ещё в 1999 году отмечал: «уровень образования у нас и, условно говоря, в Германии, но я могу назвать и Америку, и другие страны, несмотря ни на что, сильно отличается в нашу пользу. Больше всего на свете боюсь, что какой-либо функционер решит провести реформу, чтобы было у нас так же, как в Германии, в Англии или Америке. Хуже ничего не придумаешь» [4, с. 125]. Каждый год ИжГТУ им. М.Т. Калашникова проводит всероссийскую конференцию по подготовке кадров для оборонно-промышленного комплекса, в которой участвуют многие ведущие оборонные вузы страны. И каждый год на ней отмечается крайне низкий уровень подготовки школьников и студентов в области математики и физики. Да, есть сильные студенты, но в целом уровень технического образования в стране падает, что отрицательно сказывается на инновационном развитии предприятий. Даже амбициозный проект «Сколково» на это не повлиял, так как процент инновационных предприятий в стране, например, в 2011 году составлял 10,4%, а в 2016 году — 8,5%. Поэтому надо «выводить» на уровень руководства страны проблемы: «Военная безопасность и образование», «Военная безопасность и подготовка кадров для ОПК», «Военная безопасность и научное обеспечение потребностей ОПК». Обычные конференции ощутимой пользы уже не приносят. Необходимо устранять межведомственные нестыковки, которые усугубляют проблемы, например, касающиеся оружейных кафедр, не позволяют им быть полноправными исполнителями гособоронзаказа на проведение научных исследований и разработку технической документации. На наш взгляд, сегодня интересно посмотреть в контексте вышеуказанной книги [5] на 117

Вопросы оборонной техники то, что изменилось в стране за два десятилетия в лучшую сторону, а что по прежнему мешает её созидательному развитию. Сразу можно отметить, что низкий уровень системности, который сопровождал широкомасштабное реформирование общества в 90 годах, так и сохранился в наше время при решении политических, экономических, производственных, социальных задач, что подтверждает комплекс существующих общеизвестных проблем, в частности, касающихся обеспечения Военной безопасности. Отметим, что наличие разнообразных проблем характеризуют низкий уровень системности преобразований, а отсутствие их указывает на системное решение задач. Например, вспомним о бессистемной конверсии. Опыт большинства развитых стран показывал, что уменьшение военных расходов не должно превышать 3–5% в год, а у нас в 1994 году глубина конверсии достигла 78,6% к уровню 1991 года. Если экспорт вооружений и военной техники в 1989 году составлял 21,8 млрд долларов, то к 1994 году эта цифра уже равнялась 1,7 млрд долларов [6]. Все это отрицательно сказывалось на жизни многих слоев населения и на обеспечении Военной безопасности. Следует отметить, что в это время происходила приватизация государственной собственности, которая затронула и ВПК. Когда мы теряли рынки оружия, то США наращивала свои экспортные объемы. В настоящее время оборонно-промышленный комплекс стабильно развивается, несмотря на ряд сопутствующих проблем, а экспорт продукции военного назначения составляет примерно 15 млрд долларов в год. Напомним, что США с развитой демократией на протяжении многих лет контролировали мировой рынок оружия на 50–60%, а европейский рынок на 70–80%. Комментарии, как говорят, излишни. В процессе конверсии выяснилось, что без огромных финансовых трат «перевести тяжелый бронепоезд конверсии на мирные рельсы не удастся никакому стрелочнику», то есть конверсия не освобождала ресурсы, а наоборот требовала значительных дополнительных расходов. В итоге неэффективными оказались все конверсионные программы, а гражданская продукция, выпускаемая на оборонных предприятиях, была неконкурентоспособной из-за высоких издержек. 118

Сегодня оборонно-промышленный комплекс страны обеспечивает потребности Вооруженных сил страны в качественном оружии, что положительно сказывается на обеспечении её военной и национальной безопасности, но успокаиваться на достигнутом нельзя. В мире существует только четыре страны, которые могут обеспечить всеми видами необходимого оружия потребности своих Вооруженных сил: Россия, США, Франция, Англия [6]. А потому торговля оружием имеет для нашей страны важное геополитическое и экономическое значение, что предполагает развитие наукоемкого оружия различных видов, повышение значимости фундаментальной и прикладной науки, социального статуса ученых и преподавателей, обеспечения условий для полноценной работы оборонных кафедр. И здесь имеются проблемы, о которых речь пойдет ниже. Согласно Военной доктрине РФ, оборонно-промышленный комплекс страны является составной частью её военной организации. К задачам развития ОПК, например, относится: совершенствование системы межгосударственной кооперации в области разработки, производства, ремонта вооружения и военной техники; создание перспективных систем и образцов вооружения и военной техники; активизация инновационно-инвестиционной деятельности; совершенствование кадрового состава и наращивание интеллектуального потенциала ОПК и другие задачи. То есть, вышеуказанные проблемы образовательного, научного, инновационного характера, которыми занимается кафедра «Стрелкового оружия» ИжГТУ им. М.Т. Калашникова, неразрывно связаны с развитием ОПК. Например, на рис. 1 представлен внешний вид модульного автомата нового поколения со сменными стволами, позволяющего использовать различные типы патронов и создать систему модульного оружия в конфигурации автомата, винтовки, ручного пулемета. В настоящее время впервые в нашей стране кафедрой разработаны конструкции модульного автомата (рис. 1) и модульной снайперской винтовки (рис. 2). Это стало возможным благодаря тому, что кафедра сформировала новые массивы научных знаний, позволивших обосновать функционально-конструктивные возможности (в том числе и предельные) автоматов с различными схемами автоматики, определить облик «автома-

перспективы, прогнозы

Рис. 1. Внешний вид модульного автомата под патроны 5,45 × 39 и 7,62 × 39: 1 — автоматный ствол; 2 — укороченный автоматный ствол; 3 — ствол повышенной кучности стрельбы; 4 — ствол ручного пулемета

Рис. 2. Внешний вид самозарядный снайперской винтовки

та будущего» для перспективной боевой экипировки в комплексе с «патроном будущего» для кардинального повышения кучности стрельбы штатных и перспективных автоматов [7]. Поэтому вполне правомочен следующий вопрос: является ли оружейная кафедра, которая опередила многих создателей оружия в области научных и конструкторских разработок, частью оборонно-промышленного комплекса страны или нет? В сложившейся ситуации формальный ответ может быть только отрицательным. Или другой вопрос: являются ли оборонные кафедры участниками государственной политики по развитию оборонно-промышленного комплекса страны? Да, являются, так как они участвуют в решении задач этого комплекса. Поэтому в работах [8, 9] доказано, что оружейная кафедра полноценный член системы создания боевого стрелкового оружия РФ, а на верхнем уровне этой системы находятся Министерство обороны РФ, Министерство промышленности и торговли РФ, Министерство образования и науки РФ, силовые структуры — потребители оружия. Сегодня на уровне страны необходимо конкретизировать устройство оборонно-промышленного комплекса и описать его с системных позиций, что принципиально важно в рыноч-

ных условиях. Если говорится о комплексе, то не совсем ясно, что под этим понимается, так как многие оборонные предприятия являются частными, а объем продукции оборонного назначения варьируется в широких пределах. При этом кооперационные связи предприятий далеки от совершенства. Если ввести в оборот термин «Оборонно-промышленная система», то это сразу требует конкретизации всех её элементов, подсистем, связей, а также применения апробированных временем системных алгоритмов управления. В этом случае оборонная кафедра по своему функциональному предназначению будет частью этой системы, а, соответственно, полноправным субъектом выполнения гособоронзаказа на выполнение научных исследований, связанных с разработкой оружия новых поколений. В настоящее время Министерство образования и науки РФ с участием Министерства промышленности и торговли РФ формируют государственный заказ на подготовку оружейников, согласно которому кафедра должна быть оснащена всеми видами необходимых ресурсов, в первую очередь образцами боевого и спортивно-охотничьего оружия, испытательной лабораторией и испытательным оборудованием. Но 119

Вопросы оборонной техники по закону «Об оружии» кафедра не имеет права содержать боевое оружие, а всё имеющееся учебное оружие, в соответствии с этим законом, отнесено к боевому. Поэтому для функционирования оружейной кафедры необходимо наличие, кроме лицензии на образовательную деятельность, двух лицензий Министерства промышленности и торговли РФ: на разработку гражданского и служебного оружия и на разработку (испытание) боевого стрелкового оружия. Но и при наличии всех лицензий проведение учебной и научной деятельности на оружейных кафедрах крайне затруднено, т.к. государственный заказ на подготовку специалистов-оружейников не дает права на приобретение новых образцов боевого оружия и патронов. Поэтому учебный процесс «лихорадит». Про тиворечие налицо, и оно подтверждает, что системная методология управленцами различных уровней, связанных с развитием оружейной системы, на практике не применяется. Поэтому решение проблемы оружейных кафедр (а их в стране всего три) в интересах обеспечения военной безопасности должно решать Правительство РФ, чтобы устранить межведомственные противоречия. И в заключении. Сегодня руководство страны провозгласило задачу построения информационной экономики, не конкретизировав причины, которые мешали построению инновационной экономики. Поэтому отметим, что информационная экономика, которая связана с цифровой трансформацией не только экономики, промышленности, но и всего общества, может обеспечивать информационными технологиями и ресурсами нового поколения многие экономические и другие процессы, повышать их эффективность. На наш взгляд, информационная экономика является лишь составной частью инновационной экономики. Нельзя называть экономику по виду используемых ресурсов, например, экономикой знаний. Между экономикой знаний и экономикой или инновационной экономикой такая же разница, как между наукой и инновациями. Поскольку цифровая трансформация экономики связана с массовым внедрением роботизированных технологий, безлюдных производств, цифровым проектированием и моделированием технологических процессов, объектов, обязательным оцифрованием технической документации и переходом на электронный документооборот, созданием прин120

ципиально новых компьютеров (волновых, оптических) и т.д., то это подтверждает наш вывод о том, что цифровая экономика является частью экономики инновационной. Не случайно в работе [10, с. 25], наряду с известными аспектами системного подхода, были введены информационный, инновационный аспекты и подчеркивалось, что мы движемся в направлении информационного общества. Следует отметить, что инновационной сферы как предметной области не существует, так как любая деятельность и в любой сфере, как ранее указывалось, может быть инновационной, если в неё внедряются новые знания ради получения востребованного эффективного результата. То есть инновация направлена на получение нового результата с положительным эффектом, в первую очередь экономически выгодного. Но выгода от инноваций может быть также связана с обеспечением военной безопасности или социальной сферой или другими сферами общественного развития. Поэтому проблемы связаны не только с получением новых научных знаний, но и с процессами превращения новых знаний в конкретный продукт, например в эффективное оружие. Здесь, как правило, и возникают трудности, так как многое зависит от управления, системы производственных отношений и системы принятия решений. В статье [11, с. 21] Президент Академии Военных Наук, генерал армии М.А. Гареев отмечает: «Можно иметь самые большие научные достижения и открытия, но если руководитель не стоит на вершине современных научных знаний, он не в состоянии воспринять и тем более проводить их в жизнь». Литература 1. Абрамов И.В., Писарев С.А. Стратегия инновационного развития общества. Системный подход. (Монография). — Ижевск: Изд.-во ИжГТУ. 1996. 397 с. 2. Писарев С.А. Системный подход к инновационной экономике. (Монография). — Ижевск: Изд.-во ИжГТУ. 1996. 312 с. 3. Абрамов И.В., Писарев С.А. Инновационное развитие и национальная безопасность Удмуртской Республики. Депутату Госсовета Удмуртской республики. — Ижевск: Изд.-во ИжГТУ. 1996. 10 с.

перспективы, прогнозы 4. Раушенбах Б.В. Постскриптум: (воспоминания). — М.: Рос. гос. б-ка: Пашков дом. 1999. 216 с. 5. Абрамов И.В. и др. Стратегия инновационного развития общества. Системный подход. (Монография). — Ижевск: Изд.-во ИжГТУ. 1996. 397 с. 6 Кузык Б., Новичков Н., Шварев В., Кенже таев М., Симаков А. Россия на мировом рынке оружия. — М.: «Военный парад». 2001. 792 с. 7. Якимович Б.А., Филиппов П.Г. и др. Сис темный алгоритм, описывающий подход к разработке концепции автомата нового поколения // Вестник Академии Военных наук. 2016. № 4. С. 111–118. 8. Якимович Б.А., Филиппов П.Г. и др. О государственной политике РФ по развитию системы создания боевого стрелкового оружия // Вестник Академии Военных Наук. 2014. № 4. С. 153–157. 9. Брызгалов Ю.Б., Чирков Д.В., Фархетдино ва Ю.С. и др. Система создания боевого стрелкового оружия и подготовка оружейников: проблемы и противоречия // Материалы II Международной научно-практической конференции научного отделения № 10 РАРАН. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2017. С. 252–259. 10. Абрамов И.В. и др. Стратегия инновационного развития общества. Системный подход (Монография). — Ижевск: Изд.-во ИжГТУ. 1996. 397 с. 11. Гареев М.А. Итоги деятельности Академии Военных Наук за 2016 год и задачи Академии на 2017 год // Вестник Академии Военных Наук. 2017. № 2. С. 14–26. References 1. Abramov I.V., Pisarev S.A. Strategy of innovative development of society. Systems approach. (Monograph). — Izhevsk: Publishing house of IzhSTU. 1996. 397 p.

2. Pisarev S.A. System approach to innovative economy. (Monograph). — Izhevsk: Publishing house of IzhSTU. 1996. 312 p. 3. Abramov I.V., Pisarev S.A. Innovative deve lopment and national security of the Udmurt Re public. Member of the State Council of the Udmurt Republic. — Izhevsk: Publishing house of IzhSTU. 1996. 10 с. 4. Rauschenbach B.V. Postscript: (memories). — Moscow: Russian State Library: Pashkov House. 1999. 216 p. 5. Abramov I.V. et al. Strategy of innovative development of society. Systems approach. (Mono graph). — Izhevsk: Publishing house of IzhSTU. 1996. 397 p. 6. Kuzyk B., Novichkov N., Shvarev V., Ken zhetaev M., Simakov A. Russia in the world arms market. — Moscow: «Military Parade». 2001. 792 p. 7. Yakimovich B.A., Filippov P.G. et al. A system algorithm describing an approach to the concept’s development of a new-generation assault rifle // Herald of the Academy of Military Sciences. 2016. № 4. Р. 111–118. 8. Yakimovich B.A., Filippov P.G. et al. On the state policy of the Russian Federation on the development of the system of creating combat small arms // Herald of the Academy of Military Sciences. 2014. № 4. Р. 153–157. 9. Bryzgalov Yu.B., Chirkov D.V., Farkhetdino va Yu.S. et al. The system of creating combat small arms and training of armourers: problems and contradictions. Materials of the 2nd International Scientific and Practical Conference of the Scientific Department № 10 of the RARAN. — M.: Publishing house of MSTU im. NE. Bauman. 2017. Р. 252–259. 10. Abramov I.V. et al. Strategy of innovative development of society. Systems approach. (Monograph). — Izhevsk: Publishing house of IzhSTU. 1996. 397 p. 11. Gareev M.A. Results of the activities of the Academy of Military Sciences for 2016 and the objectives of the Academy for 2017 // Herald of the Academy of Military Sciences. 2017. № 2. Р. 14–26.

121

Вопросы оборонной техники

УДК: 623.4

Формирование программ технического обслуживания командно-штабных машин управления Programs formation of command and staff vehicles management maintenance Д-р техн. наук В.Г. Староселец1, канд. техн. наук С.О. Бондаренко1, канд. техн. наук А.М. Сазыкин2 DPhil V.G. Staroselets, PhD S.O. Bondarenko, PhD A.M. Sazykin МВАртА, 2ЗАО «НПО СМ»

Использование известных методов по обоснованию и определению оптимальных сроков, объемов и видов технических обслуживаний сложных технических систем не всегда применимо для командно-штабных (наблюдательных) машин (КШМ, КНМ) управления ввиду их особенностей. В статье предложены методики, позволяющие обосновывать программы технических обслуживаний для КШМ (КНМ) с учетом их многокомпонентной структуры, особенностей функционирования в чередующихся режимах (хранения, транспортировки, функционирования на пунктах управления) и ограниченных возможностей прогнозирования изменения параметров, характеризующих состояния подсистем. Ключевые слова: контроль работоспособности, выявление и устранение неисправностей, предупредительные замены элементов, показатели технического обслуживания, программа технического обслуживания. The use of well-known methods for justifying and determining the optimal timing, quantities and types complex technical systems maintenance is not always applicable to command and control staff (observation) vehicles due to their characteristics. In the article the techniques allowing to justify programs of technical maintenance for command-staff vehicles taking into consideration their multicomponent structure, features of operating in alternating modes (storage, transportation, operating on control posts), and limited capabilities of the parameters change forecasting, characterizing the subsystems state are suggested. Keywords: performance monitoring, identifying and fault recovery preventive replacement of the elements, performance maintenance, maintenance program.

Научное обоснование и определение оптимальных сроков, объемов и видов технического обслуживания (ТО) командно-штабных машин (КШМ) управления представляет собой сложную задачу. Это объясняется тем, что использование известных методов [1–4], связанных с параметрами технического обслуживания сложных систем, не всегда приемлемо для КШМ по ряду причин: 1) специфика структуры КШМ, задач и условий ее функционирования; 122

2) отсутствие конкретизации объемов выполняемых работ при оптимизации сроков ТО; 3) привязка обоснований к какому-либо одному режиму эксплуатации (чаще всего, к режиму непрерывной работы объекта); 4) отсутствие попыток обоснования номерных видов ТО (ТО-1, ТО-2 и др.); 5) отсутствие научных обоснований всего комплекса мероприятий в форме программ технического обслуживания.

перспективы, прогнозы Основная цель технических обслуживаний КШМ — предупреждение отказов, что должно обеспечивать требуемую готовность к работе и успешное функционирование на пунктах управления. Для предупреждения отказов, в общем, проводятся мероприятия трех групп: – контроль работоспособности КШМ; – выявление и устранение неисправностей; – предупредительные замены элементов (еще работоспособных, но имеющих повышенную интенсивность отказов или значительную наработку, опасные для дальнейшей эксплуатации КШМ). Определение показателей ТО представляет собой сложную и важную задачу, решаемую в первую очередь, на стадии проектирования КШМ. Эта задача является составной частью более общей задачи обоснования системы ТО новых образцов КШМ. При решении этих задач необходимо использовать методы обоснования программ ТО. Программа ТО — это совокупность нормативных показателей (сроков проведения, объема и последовательности выполнения операций) в соответствии с целями предупреждения отказов. Отдельный нормативный показатель — силы и средства, привлекаемые для проведения ТО. На содержание программ ТО влияют различные факторы. Один из существенных факторов, влияющих на содержание ТО — многокомпонентность КШМ, структура которой представляет собой совокупность взаимосвязанных подсистем: автоматизации, связи, жизнеобеспечения и электроснабжения, а также автомобильной части. По срокам и объемам работ технического обслуживания автомобилей, электрических машин, большинства функциональных элементов из подсистемы жизнеобеспечения накоплен большой опыт. Поэтому для научного обоснования программ ТО КШМ следует положить в основу подсистемы автоматизации и связи (с учетом уже известных параметров ТО других подсистем). При разработке программы ТО КШМ важно учитывать ее функционирование в чередующихся режимах «отдыха», приведения в готовность к работе, совершения маршей в районы пунктов управления и работы по управлению соответствующими воинскими формированиями. Для определения видов выполняемых работ при ТО необходимо анализировать характер отказов функциональных элементов КШМ. Если про-

исходит постепенное, сравнительно медленное перерастание неисправности в отказ, то выполняют регулировки и замены элементов. Таким образом, возникновение постепенных отказов в КШМ можно предотвратить путем регулировок, настроек или замен элементов. Если процессы развития отказа скоротечны, то предотвратить возникновение таких внезапных отказов можно лишь путем замены элементов по выработанному ресурсу или календарному времени с учетом всех нагрузок на элементы КШМ в течение рассматриваемого времени. Анализ общей структуры КШМ позволяет сделать вывод о том, что для большинства подсистем характерны различные типы отказов. Но выявить множество неисправностей, которые могут перерасти в отказы, затруднительно, так как в большинстве случаев требуется разборка функциональных элементов и внешние средства измерений и контроля. В условиях воинской части выполнение этих работ силами операторов и ремонтных подразделений ограничено. Тем не менее часть неисправностей обнаруживается внешним осмотром и устраняется. Ввиду ограниченных возможностей прогнозирования изменения параметров, характеризующих состояния КШМ, программы ТО для нее, как правило, должны быть жесткими. Это означает нормативное назначение сроков и объемов выполняемых работ по техническому обслуживанию. Как известно, жесткой программе соответствуют периодические ТО и непериодические, диктуемые применением технической системы. В отличие от этого для перспективных КШМ могут быть для отдельных подсистем программы гибкие, то есть такие, в которых объемы и сроки выполнения ТО определяются в соответствии с техническим состоянием КШМ. Как уже отмечалось, жестким программам ТО соответствуют периодические и непериодические ТО. Непериодические ТО КШМ не требуют обоснования сроков их проведения, так как они проводятся перед использованием КШМ по назначению и после ее применения. Обычно для многих технических объектов эти виды непериодических ТО называются контрольными осмотрами (КО) и ежедневными техническими обслуживаниями (ЕТО). Для КШМ эти наименования не вполне соответствуют содержанию выполняемых работ. Так, перед применением КШМ ее необходимо привести в готовность к работе. Для 123

Вопросы оборонной техники этого, кроме внешнего контрольного осмотра, проводятся довольно сложные операции приведения подсистем КШМ в состояние, при котором они могут выполнять свои функции. Эту работу (соединения, включения, настройки и др.) необходимо выполнять и при абсолютно работоспособной КШМ. Одновременно при выполнении технологических операций подготовки КШМ к работе осуществляется контроль ее работоспособности путем определения выполнения подсистемами своих функций, получения информации от средств контроля и измерений. После применения КШМ выявляют и устраняют неисправности. Сроки выполнения таких работ определяются сроками окончания использования КШМ по прямому назначению, что не обязательно относится к ЕТО. Не требуют обоснования сроков такие периодические ТО КШМ, как сезонные обслуживания (СО), поскольку их сроки и объемы выполняемых работ диктуются целями перевода КШМ на осенне-зимний и весенне-летний периоды эксплуатации. Периодичность некоторых работ в других видах ТО также не требуют количественного обоснования. Она определяется многолетним опытом эксплуатации образцов-аналогов. Работами этого вида (чистка, смазка, крепежные работы, замены масел и др.) назовем детерминированными (определенными, характеризуемыми известными, уже установленными по опыту периодами их выполнения). Наибольшее количество детерминированных работ можно отнести к ТО автомобильной части КШМ, подсистем электроснабжения и жизнеобеспечения. Основным видом работ, требующих обоснование сроков их проведения, является контроль работоспособности КШМ. Этот вид работ может осуществляться не только в объеме ТО, но и как самостоятельное планово-предупредительное мероприятие. Полезность его заключается в возможности своевременного выявления отказа КШМ и успешного восстановления ее работоспособности к моменту применения. Отрицательная сторона периодического контроля — повышение вероятности отказа подсистем КШМ в течение времени контроля (из-за более тяжелого режима, а именно режима работы вместо режима «отдыха») и увеличение расхода ресурса из-за проведения контролей. Поэтому существует оптимальная периодичность контроля 124

работоспособности КШМ, определяемая соотношением [5] θ , Топт ≈ 1 θ *   +t  τа  где θ — заданный интервал времени эксплуатации КШМ; τ — продолжительность проверки КШМ путем включения подсистем в режим работы; t* — продолжительность работы КШМ на интервале времени θ ; а — коэффициент, учитывающий уменьшение параметра потока отказов в режиме «отдыха» по сравнению с режимом работы, а ≈ 103 . Наиболее продолжительный календарный ин тервал времени эксплуатации КШМ — участок нормальной эксплуатации характеризуется постоянством потока отказов ( ω ≈ const ). Для основных подсистем КШМ (автоматизации и связи) он составляет 7–10 средних наработок на отказ [6]. Основу периодических ТО на этом участке составляют контроль работоспособности и выявление и устранение неисправностей. Это обеспечивает своевременное обнаружение отказов (за счет контроля) и обеспечивает поддержание допустимого среднего уровня параметра ω (за счет выявления и устранения неисправностей, которые могут перерасти в отказы). Отрицательное влияние ТО определяется: а) вероятностью отказа КШМ из-за включения ее подсистем в работу при проведении ТО; б) вероятностью запроса на использование КШМ во время проведения ТО. Поэтому существует оптимальная периодичность ТО, определяемая соотношением [6] Тτ ≈

θ − tц N ц nτ + 1

, nτо п т =

B ; A

ω θ 1 + t N 1 −   B δ  a ц ц  а  , = A 1 − ω t  t τ  τ  δ  θ − tц N ц где Т τ — интервал времени между двумя ТО (период ТО); θ — заданный интервал времени эксплуатации КШМ;

перспективы, прогнозы tц — средняя продолжительность цикла работы КШМ; N ц — число циклов работы КШМ на интервале времени θ ; nτ — число технических обслуживаний КШМ на интервале времени θ ; nτо п т — оптимальное значение nτ ; t τ — средняя продолжительность выполнения ТО; δ — коэффициент, учитывающий снижение (невозрастание) ω после одного ТО, δ > 1 ; а — коэффициент, учитывающий уменьшение параметра потока отказов объекта при хранении по сравнению с режимом работы, а ≈ 103 . Следует отметить, что для определения величины коэффициента δ требуются значительные статистические данные о неисправностях и отказах КШМ. Поэтому вначале целесообразно задаться значением δ = 1 ÷ 1,01 , что позволяет определить Т τ с учетом всех основных факторов, кроме выявления и устранения неисправностей. Расчеты показывают, что показатель Т τ мало чувствителен к коэффициенту δ . По мере накопления статистических данных можно определить оптимальную периодичность выявления и устранения неисправностей как самостоятельного мероприятия. В [7] показано, что оптимальный период Т в .н технического обслуживания (по выявлению и устранению неисправностей) определяется расчетным соотношением Т в .н

lnωн − lnω ϕ(ρ ) или Т в .н = , = ωн − ω ω

где ωн = 1 / Т1 — параметр потока неисправностей; Т1 — среднее время или наработка до возникновения неисправности; ω = 1 / Т 2 — параметр потока отказов, явившихся следствием предшествующих неисправностей; Т 2 — среднее время или наработка от момента возникновения неисправности до перерастания ее в отказ; ϕ(ρ ) =

ω lnρ ; ρ= н . ω ρ −1

Интервал времени или наработки Т1 и Т2 можно определить по результатам наблюдений за реальной эксплуатацией КШМ. Особенность организации сбора данных о неисправностях и отказах

заключается в том, что при эксплуатации КШМ не удается зафиксировать момент (наработку) возникновения неисправности. Известны только интервалы времени (между смежными техническими обслуживаниями или между моментами возникновения отказа и последнего технического обслуживания), когда неисправности появляются, и моменты возникновения отказов. Методика определения параметров ωн и ω на основе статистических данных включает следующие этапы. 1. На обследуемом множестве {1, N } КШМ N

фиксируется их суммарная наработка Т N = ∑ Ti . i =1

2. За время суммарной наработки фиксируются: суммарное количество n1(1) неисправностей, обнаруженных при проведении технических обслуживаний и текущих ремонтов; количество отказов n, которым предшествовали неисправности. Общее количество неисправностей, проявившихся во всех обследуемых КШМ за рассматриваемый срок эксплуатации, в течение которого зафиксирована наработка TN: n1 = n1(1) + n . 3. Определяют среднюю наработку до неисT T правности Т1 = N = ( 1 ) N и наработку на отn1 n1 + n каз Т о =

TN . Средняя наработка на второй стадии n

развития отказа Т 2 = Т о − Т1 = n1( 1 )TN [n(n1( 1 ) + n )] . 4. Вычисляют статистические оценки пара1 (n1( 1 ) + n ) = метра потока неисправностей ω*н = Т1 TN и параметра потока отказов ω* =

1 n(n1( 1 ) + n ) . = Т2 n1( 1 )TN

На стадии проектирования нового образца КШМ эти данные берутся на основании опыта эксплуатации КШМ-аналогов. Пример. Для определения периодичности выявления и устранения неисправностей разрабатываемой КШМ используют статистические данные по эксплуатации КШМ-аналогов. Известно, что в обследуемой группе КШМ в течение двух лет обнаружены 12 неисправностей и 6 отказов, суммарная наработка этих КШМ составляет 1120 ч. В соответствии с условием задачи Т N = 1120 ч , (1 ) n1 = 12 , n = 6 . Последовательно составляют: 125

Вопросы оборонной техники n1 = n1( 1 ) + n = 12 + 6 = 18 ; Т1 =

TN 1120 = = 62,6 ч ; n1 18

T 1120 То = N = = 186,67 ч ; n 6 Т 2 = Т о − Т1 = 186,67 − 62,2 = 124,47 ч . Теперь ω*н =

1 1 = = 1,6 ⋅ 10− 2 1 / ч , Т1 62,2

1 1 ω = = = 0 ,8 ⋅ 10− 2 1 / ч Т 2 124,47 *

иρ=

* н *

ρ = 2 из табл. 6.6 в [7]). Согласно формуле для Т в .н имеем ϕ(ρ ) 0 ,693 = = 86,625 ч = 87 ч , ω 0 ,8 ⋅ 10− 2

т.е. периодичность выявления и устранения неисправностей составляет 87 часов наработки КШМ. Показатель периодичности выявления и устранения неисправностей КШМ можно выразить и в календарном времени. Для этого учтем следующее. КШМ, как уже отмечалось, эксплуатируется в чередующихся режимах: ожидание применения («отдых»), включение для проверки работоспособности и проверка работы всех подсистем, транспортирование аппаратуры и оборудования в кузове-фургоне автомобиля (при этом автомобиль находится в режиме работы), развертывание КШМ в районе пункта управления, работа аппаратуры и оборудования в цикле управления, смена пунктов управления, совершение марша в пункт постоянной дислокации, ожидание применения. Поэтому для такого в целом «смешанного» режима эксплуатации КШМ целесообразно вводить такой показатель, как средневзвешенное значение параметра потока отказов КШМ [8] ω р t θ + ω хр t хр + ωтрt тр

, θ где ω р , ω хр , ωтр — параметры потоков отказов КШМ при работе, хранении (ожидании применения), транспортирования; ω=

126

θ = t θ + t хр + t тр . Как показано в [5], показатели ω хр и ωтр можно считать равными: ω хр ≈ 10−3 ω р , ωтр ≈ 10−2 ω р . А показатели tθ и t тр с учетом условий применения КШМ по аналогии с подходом, описанным в [5], определять с помощью выражений θ θ θ t θ = n y n ц tц + t ЕТО + tТО + tСО ,

t тр = 2n y (t с + t р п у + t м n м ) ,

−2

ω 1,6 ⋅ 10 = = 2 , ϕ(ρ ) = 0,693 (по значению ω 0 ,8 ⋅ 10− 2

Т в .н =

tθ , t хр , t тр — суммарное время наработки КШМ в течение времени эксплуатации θ , хранения, транспортирования соответственно;

где n y — среднее количество учений с участием КШМ в течение года; n ц — среднее число циклов управления, в которых участвует КШМ на одном учении; tц — продолжительность цикла управления; θ θ θ t ЕТО , tТО , tСО — суммарное (в течение года, θ = 1 год = 8760 ч ) время работы аппаратуры КШМ при проведении технических обслуживаний: типа ежедневных (ЕТО), номерных (ТО) и сезонных (СО); t с — среднее время перемещения КШМ из пункта постоянной дислокации в район сосредоточения; t р п у — среднее время перемещения КШМ из района сосредоточения в район развертывания пункта управления; t м — средняя продолжительность одного перемещения КШМ при смене районов развертывания пунктов управления; n м — среднее число перемещений КШМ при смене пунктов управления. Значение t хр определяется по найденным величинам tθ и t тр при заданном θ : t хр = θ − (t θ + t тр ) . На основании приведенных соотношений для типовых показателей эксплуатации КШМ легко определяется ω . Так, при θ = 1 год = 8760 ч θ n y = 5 , n ц = 4 , tц = 6 ч , t ЕТО = 312 ч ,

перспективы, прогнозы θ θ tТО = 72 ч , tСО = 12 ч , t с ≈ t р п у ≈ t м = 0,5 ч ,

n м = 3 , ω р = ω* = 0 ,8 ⋅ 10−2 1 / ч (из рассмотренного выше примера) получается t θ = 5 ⋅ 4 ⋅ 6 + 312 + 72 + 12 = 516 ч , t тр = 2 ⋅ 5(0 ,5 + 0 ,5 + 0 ,5 ⋅ 3) = 25 ч , t хр = 8670 − (516 + 25) = 8219 ч , ω=

0 ,8 ⋅ 10−2 ⋅ 516 + 0 ,8 ⋅ 10−2 ⋅ 10−3 ⋅ 8219 + 0 ,8 ⋅ 10−2 ⋅ 10−2 ⋅ 25 ≅ 8760 ≅ 0 ,48 ⋅ 10−3 1 / ч.

На основании показателя ω для «смешанного» режима эксплуатации можно найти соответствие между наработкой КШМ и календарным временем ее эксплуатации. Если t к — календарное время эксплуатации КШМ в «смешанном» режиме, то вероятность безотказной ее работы в течение этого времени составит Р1 = е − ωtк . Такое же значение вероятности Р2 = Р1 должно получаться при соответствующей наработке tp в режиме работы с параметром потока отказов ω р : Р2 = е − ω р t р . Так как Р2 = Р1 , то отсюда следует, что ωt к = ω р t р , откуда tк =

ωр ω

tр .

Зная значения ω р и ω , можно по известной наработке tp определить соответствующие ей календарное время tк. Так, для рассматриваемого примера получим tк =

0 ,8 ⋅ 10−2 t р = 16,7t р . 0 ,48 ⋅ 10−3

Тогда периодичности выявления и устранения неисправностей Т в .н = 87 ч наработки соответствует период в виде календарного времени (с учетом того, что t р = Т в .н ) t к = 16,7 ⋅ 87 ≈ 1453 ч ≅ 2 ,02 ≈ 2 мес .

Таким образом, рассмотрены сроки проведения основных мероприятий по ТО на участке эксплуатации КШМ с примерно постоянным значением параметра ω ≈ const . По истечении времени θ 0 = (7 ÷ 10)Т (где Т — среднее время между отказами) с начала эксплуатации КШМ параметр потока отказов начнет возрастать (см., например, [6]). Так, для рассмотренного выше примера при ω = 0 ,48 ⋅ 10−3 1 / ч условие ω ≈ const сохраняется до момента θ 0 = 10Т = 10 ⋅

1 1 = 10 = 20830 ч ≈ 2 ,4 года ω 0 ,48 ⋅ 10−3

(для удобства организации ТО можно считать θ 0 = 2 ,5 года ). При достижении времени эксплуатации КШМ, равного θ0 , как показано в [7], целесообразно проводить предупредительные замены любого рассматриваемого i-го элемента через некоторое время t зi . По аналогии с соотношениями, представленными в [7], для определения t зi можно воспользоваться следующими соотношениями t зi = Т

(

∆С = 1 − е

− ωсрiT

С зi , ∆С

)(С

рi

+ С уi0 ) −

− (1 − e −ω0 iT )(С р i + С уi ),

где Т — межпроверочный интервал времени; С зi = Ci − C0i + C р .зi ; Ci — стоимость нового i-го элемента; C0i — стоимость заменяемого i-го элемента; C р .зi — стоимость работ по замене i-го элемента; ω0i — параметр потока отказов на интервален времени θ0i , где ω0i ≈ const ; ωср i ≅ (ωo i + ω1i ) / 2 , ω1i соответствует моменту времени θ 0i + t зi , ω1i = f (t ) ; можно рассматривать ωср i ≈ const на интервале времени t зi ; С р i — средняя стоимость ремонта КШМ при отказе i-го элемента;

(

С уi = u (1 − e − ω0 iT ) , С уi0 = u 1 − e

− ωср .iT

), 127

Вопросы оборонной техники u=

Cкшм ; N

Cкшм — стоимость КШМ, N — группа КШМ, для которой назначается одна резервная КШМ. Определение t зi осуществляется путем подбора значения ω1i по графику ωi (t ) таким образом, чтобы значение t зi , соответствующее значению ω1i на графике, было равно рассчитанному по приведенной выше формуле. Окончательно сроки планово-предупредительных замен элементов КШМ, как и периодичность других работ по техническому обслуживанию, устанавливают на завершающем этапе анализа КШМ. На этом этапе решается следующая основная задача: по результатам анализа трех групп работ («детерминированных», выявления и устранения неисправностей, планово-предупредительных замен), относящихся к различным подсистемам КШМ, построить программу ТО в целом. При этом необходимо обоснованно совместить близкие по срокам (хотя и различные по видам) работы в едином объеме и таким образом получить виды ТО (с одновременно найденными объемами работ и периодичностью их проведения). Решение этой задачи достигается путем последовательной систематизации данных по видам работ, а затем совмещения их объемов. Систематизация данных состоит в последовательном выполнении операций группирования и ранжирования работ по техническому обслуживанию. Рассмотрим эти операции. Для работ каждого вида собирают данные о сроках их проведения. Показатели периодичности работ определяют заранее методами, описанными выше (для «детерминированных» работ — на основе опытных данных). В результате группирования получают группы элементов КШМ, требующие выполнения работ одинакового вида и разной периодичности. При этом один и тот же элемент может относиться ко всем группам работ. Завершающая операция группирования — определение элементов (в каждой группе работ и во всех группах в целом), для которых сроки выполнения работ одинаковые. Это удобно сделать графически. В дальнейшем работы, проводимые в одинаковые сроки, рассматривают как одну комплексную работу. 128

После группирования работы нумеруют в последовательности, соответствующей возрастанию продолжительности периодов (ранжирование). При этом учитывают не только комплексные работы, но и те, периодичность которых не имеет себе равных. Эту процедуру, так же как и группирование, целесообразно выполнять графически. Наиболее сложной является процедура совмещения объемов работ (при разной исходной периодичности). Большое количество работ с различными сроками их проведения для организации технических обслуживаний иметь нецелесообразно, так как большое число видов ТО с различными объемами и сроками их проведения затрудняет управление эксплуатацией КШМ и КСАУ в целом. Кроме того, это влечет за собой излишние затраты, так как периодичность различных работ обосновывалась с помощью различных критериев, которые не учитывали экономических факторов в комплексе. Обоснование возможности совмещений работ рассмотрим на примере работ 1 и 2 (согласно нумерации работ при ранжировании). Количественная оценка целесообразности совмещения работы 2 с (1 ) работы 1) осработой 1 (в сроках проведения Т ТО нована на учете следующих факторов. Уменьшение периода выполнения работы 2 с (2 ) (1 ) Т ТО до Т ТО приводит к увеличению частоты про( 2) (1) до θ / Т ТО ведения работы 2 с величины θ / Т ТО (где θ — заданная продолжительность эксплуатации КШМ). Это, в свою очередь, при стоимости (2 ) проведения работы 2 приводит к повышению СТО суммарной стоимости проведения работы 2 с вели(2 ) (2 ) ) до СТО(2 ) ⋅ (θ / Т ТО(1 ) ) . Суммарная ⋅ (θ / Т ТО чины СТО стоимость совместного выполнения работ 1 и 2 с (1 ) (1 ,2 ) (1 ) ). ⋅ (θ / Т ТО составит СТО периодом Т ТО Однако уменьшение периода выполнения ра(2 ) (1 ) , т.е. более боты 2 на величину ∆t1,2 = Т ТО − Т ТО частое проведение ТО, приводит к сокращению суммарного ущерба из-за отказов КШМ на вели(2 ) чину С у (∆t1,2 ) ⋅ (θ / Т ТО ). В соответствии с этим условие целесообразности совмещения работы 2 с работой 1 (перио(1 ) ) принимает вид дом Т ТО (1 ,2 ) СТО ⋅

θ  (1 ) θ θ  θ (2 ) −  СТО ⋅ (1 ) + СТО ⋅ (2 )  < С у (∆t1,2 ) ⋅ (2 ) . (1 ) Т ТО  Т ТО Т ТО  Т ТО

перспективы, прогнозы Это неравенство означает, что описанное совмещение работы 2 с работой 1 целесообразно, если при этом увеличение затрат на проведение ТО будет меньше, чем уменьшение ущерба из-за отказов КШМ. После преобразований неравенство приводится к более простому виду (1 ,2 ) ТО

(1 ) ТО

−С

(1 ) Т ТО

(2 ) СТО + С у (∆t1,2 ) (2 ) Т ТО

(1)

(1 ,2 ) (1 ) (2 ) ≈ СТО + СТО , поэМожно считать, что СТО тому выражение (1) можно представить в более простом виде (2 ) (2 ) СТО + С у (∆t1,2 ) СТО . < (1 ) (2 ) Т ТО Т ТО

(2)

При совмещении работы 1 с работой 2 в сро(2 ) суммарная стоимость ТО уменьшается (так ки Т ТО (2 ,1 ) (1 ) > Т ТО ), но возрастает суммарный ущерб как Т ТО из-за отказов КШМ (поскольку количество отказов увеличивается). Тогда условие целесообразности (2 ) засовмещения работы 1 с работой 2 в сроки Т ТО пишется так (1 ) θ (2 ) θ + СТО − СТО (1 ) (2 ) Т ТО Т ТО (2 ,1 ) − СТО

θ > С у (∆t 2 ,1 ), (2 ) Т ТО

(2 ) (1 ) − Т ТО где ∆t 2 ,1 = ∆t1,2 = Т ТО . Левая часть этого неравенства представляет собой разность суммарной стоимости ТО без совмещения и суммарной стоимости ТО с совмещением, т.е. суммарное уменьшение стоимости ТО, а правая часть неравенства — суммарное увеличение ущерба из-за отказов КШМ. После преобразований окончательно получим (1 ) (2 ,1 ) (2 ) СТО − С у (∆t 2 ,1 ) СТО − СТО . < (2 ) (1 ) Т ТО Т ТО

(3)

(2 ,1 ) (2 ) > СТО , то данное неравенство Так как СТО может быть удовлетворено только при выполнении условия (1 ) СТО > С у (∆t 2 ,1 ) .

(4)

Стоимости вида СТО рассчитывают с учетом характера работ на основании известных экономических оценок. Показатель С у (∆t ) вычисляется аналогично подобному показателю при определении сроков планово-предупредительных замен элементов С у (∆t1,2 ) = u (1 − e

− ω2 ∆t1 ,2

С у (∆t 2 ,1 ) = u (1 − e

− ω1∆t 2 ,1

(5)

где ω1 — параметр потока отказов элементов КШМ, соответствующих работе 1; ω2 — параметр потока отказов элементов КШМ, соответствующих работе 2; C u = кшм (как в формулах для определения N С уi , С уi0 ). Таким образом, оценка целесообразности совмещений двух работ (второй и первой, первой и второй) с помощью рассмотренных соотношений и специальных экономических расчетов позволяет последовательно решить задачу совмещения работ в отдельные объемы. При этом удобно пользоваться алгоритмом, основные положения которого сводятся к следующему. 1. Описанные условия целесообразности совмещений проверяют для каждой из работ в порядке их нумерации попарно. 2. Исключают из рассмотрения пары работ, для которых значения Т ТО различаются более чем в два раза. 3. При попарном рассмотрении определяют возможность совмещения работ сначала в сторону большего значения Т ТО , затем — в сторону меньшего значения Т ТО , так как вначале целесообразно выполнять расчеты для наиболее простого условия (4). 4. Две несовмещаемые между собой работы проверяют на совмещение с другими работами, удовлетворяющими указанным выше условиям. 5. Две совмещенные работы рассматривают как одну комплексную работу, характеризуемую (i , j ) (i ) показателями СТО , TТО . В результате совмещений получают ограниченное количество групп совмещенных работ, при этом группы работ между собой уже не совмещаются. Количество таких групп соответствует числу видов ТО. 129

Вопросы оборонной техники Кроме формирования видов ТО, удобству в организации проведения технических обслуживаний КШМ и экономичности работ в целом способствует кратность видов ТО. Вначале выделяют (путем перебора) абсолютно кратные виды ТО: для них соблюдается условие Т ТОj / Т ТОi = k (целое число). При нецелом k следует дать количественную оценку целесообразности введения кратных видов ТО путем изменения Т ТОi , Т ТОj . В этом случае возможны следующие варианты: изменить Т ТОi ; изменить Т ТОj ; изменить Т ТОi , Т ТОj (рис. 1); изменения Т ТО для обеспечения кратности видов ТО нецелесообразны. Таким образом, в наиболее общем случае при обеспечении кратности видов ТО могут быть введены вместо Т ТОi и Т ТОj показатели Т *ТОi = Т ТОi + ∆Т ТОi , Т *ТОj = Т ТОj + ∆Т ТОj , при которых Т ТОj / Т ТОi = k целое число (рис. 2). Естественно, что такие изменения периодичности видов ТО целесообразны, если приводят к уменьшению суммарной обобщенной стоимости ТО, т.е. к выполнению условия * С∑ ТОi, j > С∑ ТОi , j ,

(6)

где С ТОi, j — суммарная обобщенная стоимость ∑ выполнения работ по ТО-i и ТО-j при периодах Т ТОi , Т ТОj ; * — аналогичный показатель при периоС∑ ТОi , j * * . дах Т ТОi , Т ТОj Если рассматриваемое время эксплуатации θ , то количество обслуживаний вида ТО-i за это θ + 1 , обслуживаний вида ТО-j время равно Т ТОi θ + 1. Т ТОj

* , то общее количество М0 обслуживавалов Т ТОj ний вида ТО-i, несовмещенных с ТО-j, составит

М0 =

* θ  Т ТОj  *  Т * − 1 . Т ТОj  ТОi 

Тогда с учетом изложенного, а также ущерба вследствие изменения периода ТО на ∆Т ТОj и ∆Т ТОi можно представить С * ТОi, j в виде ∑

*  θ  θ  Т ТОj  *   С∑ С С 1 = + + − 1 ± ТОi , j  * ТОi * ТОi , j  Т ТОj  Т *ТОi  Т ТОj   (8) θ θ ± С у (∆Т ТОj ) * ± С у (∆Т ТОi ) * . Т ТОj Т ТОi

Здесь знаки перед последними двумя членами зависят от того, увеличиваются или уменьшаются исходные периоды, Т ТОj , Т ТОi . Используя выражения (7) и (8), можно получить развернутое представление условия (6) целесообразности корректировки периодов ТО для обеспечения их кратности:  1 1 1 1 1  1 СТОi  − * + * +  + СТОj  + >  Т ТОi θ   Т ТОi Т ТОi Т ТОj θ   1 1  С у (∆Т ТОj ) С у (∆Т ТОi ) > СТОi, j  * +  ± ± . * * Т ТОj Т ТОi  Т ТОj θ  Описанные методики количественных обоснований периодов и объемов ТО целесообраз-

Тогда  θ   θ  С∑ ТОi, j = СТОi  + 1 + СТОj  + 1 . (7)  Т ТОi   Т ТОj  * * и Т ТОj виды ТО кратВ случае периодов Т ТОi ны, поэтому в сроки проведения ТО-j будут проводиться и ТО-i. Количество таких обслуживаθ * ний * + 1 . В каждом интервале времени Т ТОj Т ТОi Т* будут проведены ТОj − 1 обслуживаний вида Т *ТОi

ТО-i, несовмещенных с ТО-j. Поскольку в обθ щем интервале θ может уложиться * интерТ ТОj 130

Рис. 1. Изменение периодичности ТО двух видов для обеспечения кратности

перспективы, прогнозы

Рис. 2. Временные диаграммы ТО-i и ТО-j: а — некратных; б — кратных

но использовать при создании новых КШМ. При их последующей модернизации, наличии КШМаналогов достаточно лишь откорректировать обоснованную количественно и апробированную на практике систему технического обслуживания. Литература 1. Барзилович Е.Ю., Каштанов В.А. Некоторые математические вопросы теории обслуживания сложных систем. — М.: Сов. радио. 1971. 272 с. 2. Степанов С.В. Профилактические работы и сроки их проведения. — М.: Сов. радио. 1972. 3. Дедков В.К., Северцев Н.А. Основные вопросы эксплуатации сложных систем. — М.: Высш. шк. 1976. 406 с. 4. Надежность сложных систем. А.А. Чер воный, В.И. Лукьященко, Л.В. Котин. — М.: «Маши ностроение». 1972. 304 с. 5. Староселец В.Г., Бондаренко С.О. Оптими зация периодичности контроля работоспособности командно-штабных машин управления // Тру ды XVIII Всероссийской научно-практической конференции РАРАН. — М., 2015. С. 92–97. 6. Староселец В.Г., Бондаренко С.О. Опти мизация периодичности технического обслуживания командно-штабных машин управления // Известия РАРАН. 2015. № 4 (89). С. 88–92. 7. Староселец В.Г. Техническое обслуживание машин и механизмов. В справочнике «Надежность в машиностроении» / Под общ. ред. В.В. Шашкина, Г.П. Карзов. — СПб.: Политехника. 1992. 719 с. 8. Староселец В.Г., Бондаренко С.О. Анализ подсистемы текущего ремонта командно-штаб-

ных машин управления. — М.: Известия РАРАН. 2015. № 2 (87). С. 30–35. References 1. Barzilovich E.Yu., Kashtanov V.A., Some mathematical problems in the theory of complex service systems. — M.: Soviet radio. 1971. 272 p. 2. Stepanov S.V. Preventive works and terms of their carrying out. — Moscow: Soviet radio. 1972. 3. Dedkov V.K., Severtsev N.Ah. The main issues are the operation of complex systems. — M.: Higher school. 1976. 406 p. 4. The reliability of complex systems. A.A. Cher vonny, V.I. Lukyaschenko, L.V. Kotin. — M.: «Me chanical Engineering». 1972. 304 p. 5. Staroselets V.G., Bondarenko S.O. Optimiza tion of periodicity of control of operability of com mand-staff control vehicle. Works of the XVIII Rus sian scientific-practical conference of the Russian Academy of Sciences. 6. Staroselets V.G., Bondarenko S.O. Optimizing the maintenance frequency of command and staff vehicles control. News of the Russian Academy of rocket and artillery Sciences. 7. Staroselets V.G. Maintenance of vehicles and mechanisms. In the reference book «Reliability in mechanical engineering» / Under the General editorship of V.V. Shashkin, G.P. Karzov. Poly technic. 1992. 719 p. 8. Staroselets V.G., Bondarenko S.O. The analysis of the subsystem of the command staff vehicle current repair. — Moscow: Izvestiya of the Russian Academy of rocket and artillery Sciences. 2015, issue 2 (87). Р. 30–35. 131

Вопросы оборонной техники

УДК: 778.17

Современный страховой фонд технической документации: каким он должен быть MODERN INSURANCE FUND OF THE TECHNICAL DOCUMENTATION: HOW IT SHOULD BE О.Н. Рязанцев1, д-р техн. наук В.Д. Киселев2 O.N. Ryazantsev, DPhil V.D. Kiselev Минпромторг России, 2ФГУП «НИИСУ»

Статья посвящена оценке перспектив модернизации страхового фонда документации на вооружение и военную технику в направлении внедрения новых подходов и современных информационных технологий. Исторически создание страхового фонда базировалось на способе оптического микрофильмирования бумажных оригиналов. Однако микрографическая технология создания страхового фонда не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к современным системам долговременного хранения информационных ресурсов, что предполагает ее поэтапную замену на электронно-микрографические и цифровые технологии. Рост количества технической документации, изначально создаваемой в электронном виде, влечет за собой необходимость ее закладки в страховой фонд на электронных носителях. Переход системы страхового фонда на современную организационно-технологическую цифровую базу обеспечит многократное повышение оперативности работы системы и повышение качества создания страховых информационных ресурсов. Ключевые слова: мобилизационная подготовка, страховой фонд документации, защита информации от риска физической утраты, электронные документы, цифровые технологии. The article is devoted to the assessment of the prospects of modernization of the insurance Fund documentation for weapons and military equipment in the direction of the introduction of new approaches and modern information technologies. Historically, the creation of the insurance Fund was based on the method of optical microfilming of paper originals. However, the micrographic technology of creation of the insurance Fund does not fully meet the requirements for modern systems of long-term storage of information resources, which involves its gradual replacement with electron-micrographic and digital technologies. The increase in the number of technical documentation, initially created in electronic form, entails the need to bookmark it in the insurance Fund on electronic media. The transition of the insurance Fund system to the modern organizational and technological digital base will provide a multiple increase in the efficiency of the system and improve the quality of the creation of insurance information. Keywords: mobilization training, insurance fund of the documentation, information protection against risk of physical loss, electronic documents, digital technology.

Мероприятия по созданию и сохранению страхового фонда документации (СФД) на техническую документацию занимают прочное место 132

в системе антикризисного управления государством, являясь одним из необходимых звеньев в обеспечении готовности страны к отраже-

перспективы, прогнозы нию агрессии вероятного противника и к минимизации последствий различных чрезвычайных ситуаций. Федеральный закон «О мобилизационной подготовке и мобилизации в Российской Федерации» прямо включает создание и сохранение СФД на вооружение и военную технику, важнейшую гражданскую продукцию, объекты повышенного риска, системы жизнеобеспечения населения и объекты, являющиеся национальным достоянием в содержание мобилизационной подготовки государства (статья 2, п. 3, абзац 15 [1]). Согласно Положению об СФД, утвержденному Постановлением Правительства Рос сийской Федерации от 26.12.1995 г. № 1253-68, на Минпромторг России возложены обязанности по организации создания и сохранения важнейшей и наиболее ответственной части российского СФД – СФД на вооружение, военную и специальную технику, производство которых входит в мобилизационные планы и (или) государственные программы вооружения [2]. Таким образом, СФД Минпромторга России выступает в качестве стратегического государственного информационного резерва, повышающего устойчивость оборонно-промышленного комплекса Российской Федерации и его готовность к выполнению возложенных задач в условиях военного времени. В настоящее время СФД Минпромторга Рос сии представляет собой находящуюся в государственной собственности постоянно пополняемую совокупность упорядоченных и надёжно хранимых массивов страховых копий документации, зафиксированной на микрофильмах и других компактных носителях информации, необхо димой для обеспечения выполнения заданий мо билизационного плана экономики, устанавливаемых Правительством Российской Федерации Минпромторгу России. СФД размещается в помещениях, обеспечивающих его долговременное хранение и защиту от внешних разрушающих воздействий, и содержит копии комплектов технической документации на вооружение и военную технику, а также важнейшую гражданскую продукцию. За более чем 50-ти летний период становления и развития СФД Минпромторга были выработаны и закреплены на практике общие нормативно-правовые, научно-методические, технические и организационно-технологические основы функционирования данного направления как системы взаимодействия органов государственной власти,

предприятий и специализированных объектов. В результате на сегодняшний момент создан и хранится на микрофильмах страховой фонд объемом сотни миллионов листов технической документации на десятки тысяч изделий, видов продукции, их составных частей и специальных комплектующих. Масштабы проводимых работ и их государственная важность позволяют говорить о наличии в стране отдельного специализированного производственного направления, тесно увязанного с вопросами мобилизационной подготовки экономики, целью и задачей которого является заблаговременное изготовление страховых копий технической документации, организация их надежного хранения и обеспечение гарантированной выдачи пользователям в случае необходимости. Сохранение (восстановление) мощностей и сохранение (восполнение) документации на продукцию, изготавливаемую на этих мощностях, связаны между собой единой целью — восстановление производства продукции в случае его уничтожения, поддержка устойчивой работы ОПК по обеспечению потребностей Вооруженных Сил в продукции оборонного назначения как в мирное, так и в военное время. С точки зрения национальной безопасности страны необходимость страховой защиты важнейшей технической документации от риска ее физической утраты обусловлена следующими основными факторами: – кризисный фактор (документальное обеспечение работ по восстановлению производства промышленной продукции в случае разрушения предприятий и уничтожения технической документации в результате военных действий, террористических и диверсионных актов, а также катастроф природного и техногенного характера); – экономический фактор (техническая документация — это дорогостоящий интеллектуальный продукт, потеря которого несопоставима с потерей материального продукта, связанного с документацией, например, отдельного образца изделия); – правовой фактор (необходимость подтверждения юридической силы страховых копий технической документации, утраченных или недоступных оригиналов документов). В мирное время условием потери доступности технической документации могут быть 133

Вопросы оборонной техники не только аварии и природные или техногенные катастрофы, но и обстоятельства геополитического характера. Например, распад Советского Союза привел к тому, что производство целого ряда комплектующих изделий оборонного назначения оказалось на «зарубежной» территории бывших союзных республик и рабочая документация на них стала недоступной. Однако российские предприятия, которым поручается производство подобной продукции, обращаются в страховой фонд за необходимой технической документацией и получают ее в виде пользовательских копий СФД. Кроме этого, в мирное время сохранность важнейшей технической документации также является основополагающим фактором успешной и стабильной работы на рынке промышленных предприятий любой формы собственности. Утрата или недоступность ключевых инженерно-конструкторских и технологических документов зачастую становится причиной невозможности дальнейшего ведения бизнеса, то есть, приостановления работы на неопределенный срок. Последствия в данном случае могут быть самыми худшими, вплоть до крупных финансовых потерь, подрыва деловой репутации и лишения доверия клиентов. Поэтому создание СФД является одним из главных условий стабильной и устойчивой деятельности предприятия в любых экстремальных ситуациях, надежной гарантией его быстрого восстановления и последующего запуска. В этой связи можно также сказать, что заблаговременно созданный на техническую документацию изделий оборонной промышленности страховой фонд играет роль надежного компенсационного механизма, позволяющего предотвратить прекращение производства необходимых образцов оборонной продукции в условиях недоступности технической документации из-за искусственного ограничения экономических связей (санкции), реорганизации предприятий, сбоев в системе научно-производственной кооперации и других негативных обстоятельств. Современный образец промышленного изделия — это, как правило, сложный технический комплекс, являющийся результатом выполнения трудоемких и дорогостоящих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ (НИОКР), на выходе которых получаются два законченных продукта — техническая документация (конструкторская, технологическая, 134

нормативная) и изготовленный по ней образец. Затраченные на НИОКР средства аккумулируются в стоимости этих двух законченных продуктов. Если техническая документация утеряна и при этом не была заблаговременно застрахована, то восстановить ее не представляется возможным. Потерять техническую документацию в этом случае означает полностью обесценить затраченные на нее средства. Изделие же в случае его уничтожения является вещью возобновляемой и тиражируемой, но при одном условии: техническая документация на его производство должна быть гарантированно сохранена, а гарантией такой сохранности является ее заблаговременное информационное страхование. Таким образом, застрахованная техническая документация — это, по сути, застрахованные инвестиции плюс застрахованное производство продукции. Это существенно меньшие риски снижения обороноспособности страны, возможного при отсутствии страхового документального обеспечения, необходимого для восстановления производства продукции в случае разрушения предприятия и уничтожения технической документации. Если не принимать в расчет фактор времени, и рассматривать только экономический фактор, то по современным оценкам стоимость создания СФД приблизительно в 40–50 раз меньше стоимости повторной разработки технической документации на промышленную продукцию и составляет менее 2-х процентов от первичной стоимости разработки технической документации. В настоящее время руководством государства в качестве одного из стратегических приоритетов национального развития определено формирование цифровой экономики. Это отражено в Стратегии развития информационного общества в Российской Федерации, утвержденной Указом Президента от 09 мая 2017 г. № 203, а также в выступлении Президента России В.В. Путина на Петербургском международном экономическом форуме. Внедрение цифровых технологий во все сферы жизни общества становиться первоочередной задачей органов государственной власти различных уровней. На многих предприятиях оборонно-промышленного комплекса России уже сегодня осуществляется переход на технологии безбумажного проектирования, расширяется использование трехмерных моделей изделий и интерактивных

перспективы, прогнозы электронных документов, внедряется система управления полным жизненным циклом вооружения, военной и специальной техники. Данная ситуация предполагает коренную модернизацию подхода к созданию, сохранению и использованию СФД Минпромторга России на вооружение и военную технику, производство которых входит в мобилизационные планы экономики, как в части используемых подходов к информационному страхованию документации, так и в части внедрения современных механизмов управления и регулирования в данной сфере. Так, на сегодняшний день создание СФД основывается на морально устаревшей технологии оптической съёмки с бумажных оригиналов документации на галогенидосеребряные микрофильмы, что не позволяет закладывать на страховое хранение электронные документы, выполненные в системах автоматизированного проектирования и на электронных носителях. Выдача документов из СФД сейчас также сопряжена со значительными трудностями по причине консервативных технологических процессов, влекущих за собой высокую трудоемкость и большие затраты времени на поиск, подготовку и доставку страховых копий. Более того, из-за прекращения производства электрографических аппаратов и расходных материалов к ним, выдача пользователям увеличенных бумажных копий документации вскоре станет практически невыполнимой задачей, что может свести на нет весь смысл существования СФД как неотъемлемой части мобилизационной подготовки промышленности. Опыт эксплуатации микрофильмов в современных условиях выявил ряд существенных недостатков микрографической формы сохранения информации. Так, в связи с интенсивным развитием новых электронно-цифровых техноло-

гий создания, хранения, обработки и передачи данных, классический микрофильм предстает как технологически устаревшее и чрезвычайно «медленное» средство работы с информацией в плане оперативности доступа к ней. При этом микрографические носители относительно дороги, сложны для использования в автоматизированных поисковых системах, неизбежно ухудшают качество изображения при контактном копировании, а также не позволяют быстро передавать информацию при большой географической удалённости потребителя от источника [4]. Таким образом, типовая микрографическая технология не отвечает требованиям, предъявляемым к современным системам долговременного хранения информационных ресурсов, особенно в плане оперативности поиска, удобства организации баз данных и возможностей телекоммуникационного доступа и передачи по каналам связи. В связи с этим возникает необходимость применения в такого рода системах перспективных технологий, получивших широкое распространение в сегодняшнем обществе. В технологически развитых зарубежных странах также наблюдается отчетливая тенденция к сокращению объема хранения страховых копий документов на микрофильмах. Так на примере информации по США (рис. 1) видно, что уменьшение доли микрофильмирования в этой стране в период с 2000 по 2015 гг. составило около 15% [7]. С развитием информационных технологий и телекоммуникационной инфраструктуры открываются новые возможности по созданию, сохранению и выдаче из СФД страховых копий документов в электронном виде. Современные технологии создания, обработки, хранения и передачи данных основываются на

Рис. 1. Тенденция по использованию микрофильмов государственными организациями США для сохранения важнейшей информации

135

Вопросы оборонной техники электронно-цифровой форме представления информации с помощью средств вычислительной техники. В настоящее время все больше традиционных документов переводится в электронный вид путем оцифровки и интегрируется в системы современного документооборота, электронные базы и банки данных и электронные архивы. Кроме этого, растет число документов, изначально создаваемых в электронном виде средствами компьютерной графики, системами автоматизированного проектирования и др. Постоянно совершенствуются криптографические средства защиты электронных документов и подтверждения их подлинности и аутентичности (электронная подпись), активно разрабатываются и предлагаются новые виды электронных носителей информации повышенной устойчивости. При этом показательным является и тот факт, что с 2006 года электронные документы, благодаря изменениям в государственных стандартах системы ЕСКД, получили одинаковый статус с традиционной (бумажной) формой документов [3]. В пользу применения заблаговременного страхования технической документации в электронной форме можно привести и еще ряд аргументов. Так, данный метод дает возможность сохранять цифровые изображения технической документации с корректировкой качества, что в определенной мере может подменить реставрацию, решить проблему усиления слабоконтрастных и угасающих текстов, обеспечить возможность многократной оперативной выдачи информации и многократного ее копирования без обращения к подлинникам. Кроме этого цифровой способ создания СФД позволит напрямую

закладывать на страховое хранение электронные копии полноцветных документов, что невозможно при использовании в качестве носителя традиционных черно-белых микрофильмов. Еще одним немаловажным фактором, обуславливающим выдвижение цифровых носителей в качестве замены микрофильму, является неуклонное удорожание микропленок (рис. 2 и 3), а также других используемых в традиционном техпроцессе расходных материалов, которые производятся за рубежом, и которые отечественная промышленность импортозаместить не в состоянии. Что касается более низкой долговечности и устойчивости электронных носителей информации по сравнению с микрофильмами, то данные характеристики не должны абсолютизироваться и их следует рассматривать только применительно к целевому назначению конкретного страхового фонда. Если СФД на уникальную документацию, представляющую собой национальное культурное наследие, должен храниться как можно дольше, то по поводу технической документации на современные изделия промышленности с относительно небольшим жизненным циклом (20–30 лет) можно сказать, что характеристики существующих на сегодняшний день электронных носителей при условии их своевременной перезаписи и соблюдения условий хранения (не отличающихся от условий хранения микрофильмов) оказываются вполне достаточными для выполнения возложенных на СФД Минпромторга задач [5]. Сразу следует отметить, что сегодня никакие носители и системы хранения данных не являются идеальными и никакая технология не может считаться совершенной. Устаревание

Рис. 2. Рост стоимости рулонной микропленки зарубежных производителей с 2006 г. (руб. за 1 рулон)

136

перспективы, прогнозы

Рис. 3. Рост стоимости форматной микропленки зарубежного производства с 2006 г. (руб. за 1 упаковку)

форматов и технологий, как моральное, так и физическое, носит объективный характер. Это обусловливает необходимость периодического и своевременного переноса данных на новые, возникающие в процессе развития научно-технического прогресса носители и технологии хранения цифровых данных. Перевод СФД технической документации на современные цифровые способы его создания, сохранения и использования предполагает ввод в действие многоуровневой территориально распределенной информационно-аналитической системы СФД (ИАС СФД), охватывающей деятельность департамента ОПК Минпромторга России, технических лабораторий и головной службы СФД во взаимодействии с системой мобилизационной подготовки экономики и включающей базовый спектр задач управления страховым фондом документации. Внедрение ИАС СФД Минпромторга России позволит создать современную информационно-технологическую инфраструктуру управления страховым фондом документации Минпромторга России за счет применения автоматизированных проектно-технических решений и даст возможность привести все объекты СФД к требуемому уровню автоматизации, создать единый для системы СФД фонд справочников, реализовать базовый корпус многоуровневых сопряженных функциональных задач, привлечь современные средства автоматизации для информационного взаимодействия с системой мобилизационного планирования, для оперативного информационного и аналитического обеспечения пользователей ИАС СФД. ИАС СФД Минпромторга России должна являться инструментом объединения источников ин-

формации (объектов СФД), компьютерных программ и способов коммуникации, составляющих рабочее пространство, в котором можно решать проблемы (задачи) в рамках процессов управления и функционирования СФД Минпромторга России. Переход системы СФД Минпромторга на сов ременную организационно-технологическую циф ровую базу обеспечит многократное повышение оперативности работы системы СФД Минпромторга, повышение качества создания страховых информационных ресурсов при закладке различных видов страховой документации, а также значительную экономию государственных средств как за счет отказа от закупки устаревающих пленочных носителей и оборудования для их записи за рубежом, так и за счет сокращения бумажного документооборота при поставках на страховое копирование различных видов документации. В заключение необходимо отметить, что мобилизационный потенциал и устойчивость экономики определяется не только параметрами текущего состояния и прогнозами развития, но и ее способностью реализовать свои возможности в особый период в условиях разрушения или повреждения объектов промышленности, энергетики, транспорта, связи, потерь технической документации и запасов материально-технических ресурсов [6]. В данном аспекте основанная на современных цифровых технологиях система создания и сохранения СФД на техническую документацию изделий и объектов промышленного производства поможет еще более надежно и эффективно защитить научно-технологический потенциал государства, а также повысить безопасность страны в оборонной, экономической, информационной и других сферах деятельности. 137

Вопросы оборонной техники Литература 1. Федеральный закон от 26 февраля 1997 года № 31-ФЗ «О мобилизационной подготовке и мобилизации в Российской Федерации». 2. Постановление Правительства Российской Федерации от 26.12.1995 г. № 1253-68 «Об обеспечении создания единого российского страхового фонда документации». 3. ГОСТ 2.051-2006 Единая система кон структорской документации. Электронные документы. Общие положения. — М.: ИПК Издатель ство стандартов. 2006 г. 4. Завалишин П.Е., Чечуга О.В. Современные подходы к обеспечению гарантированной безопасности важнейших видов государственных информационных ресурсов // Известия ТулГУ. Технические науки. 2014. Вып. 3. С. 189–197. 5. Завалишин П.Е., Борзенкова С.Ю., Яков лев Б.С. Страховое документационное обеспечение важнейших видов государственной деятельности. Основные принципы и требования // Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 4. С. 45–57. 6. Хуторцев С.В. Государственный запас прочности // Федеральный справочник. Обороннопромышленный комплекс России. Том 11. Электронный ресурс: URL: http://federalbook.ru/ files/OPK/Soderianie/OPK-11/III/Hutorcev.pdf (Дата обращения: 17.08.2017). 7. 2015 Microfilm Survey Results. Электрон ный ресурс: URL: https://tameran.com/2015-micro

138

film-survey-results-infographic/ (Дата обращения: 17.08.2017). References 1. Federal Law 31-FZ, dated 26 Feb. 2015. «About mobilization preparation and mobilization in the Russian Federation». 2. Decree № 1253-68 dated 26 Dec. 1995 «About ensuring creation of the uniform Russian insurance Fund of documentation». 3. State Standard 2.051–2006. Unified system of design documentation. Electronic document. Generalities. — Moscow: Standartinform Publ., 2006. 4. Zavalishin P.E., Chechuga O.V. Modern approaches to ensure the safety of critical state information resources // Izvestiya TulGU. Technical science. 2014, Vol. 3. P. 189–197. 5. Zavalishin P.E., Borzenkova S.Y., Yakov lev B.S. Insurance documentary support of the most important types of state activity. Basic principles and requirements // Izvestiya TulGU. Technical science. 2016. Vol. 4. P. 45–57. 6. Khutortsev S.V. State margin // Federal Handbook. The military-industrial complex of Russia. Volume 11. Electronic resource: URL: http://federalbook.ru/files/OPK/Soderianie/OPK11/III/Hutorcev.pdf (date accessed: 17.08.2017). 7. 2015 Microfilm Survey Results. Electronic resource: URL: https://tameran.com/2015-microfilmsurvey-results-infographic/ (accessed: 17.08.2017).

сообщения

УДК: 625.098

Источники высокоинтенсивного шума и инфразвука в Вооруженных Силах Российской Федерации (Часть первая) Sources of high-intensity noise and infrasound in the armed forces of the Russian Federation (part one) Д-р техн. наук О.А. Балык, канд. мед. наук П.М. Шешегов, канд. техн. наук В.В. Харитонов, д-р мед. наук И.М. Ахметзянов, д-р мед. наук В.Н. Зинкин DPhil O.A. Balyk, PhD P.M. Sheshegov, PhD V.V. Kharitonov, DPhil I.M. Akhmetzyanov, DPhil V.N. Zinkin Государственный летно-испытательный центр им. В.П. Чкалова, г. Ахтубинск Шум занимает одно из ведущих мест среди вредных физических факторов в Вооруженных Силах РФ. Особенностями шума, образующегося при эксплуатации объектов вооружения и военной техники, являются его высокая интенсивность, непостоянный характер, наличие в спектре инфразвуковых частот, многочасовая длительность. Военнослужащие в процессе выполнения своих профессиональных обязанностей, в ходе учебно-боевой подготовки подвергаются ненормированному воздействию шума и инфразвука, что способствует увеличению общей заболеваемости и создает высокие риски развития профессиональных заболеваний. Неблагоприятная акустическая обстановка на рабочих местах военнослужащих требует проведения профилактических мероприятий. Шум, образующийся при эксплуатации военной техники, создает дискомфорт для населения и угрозу окружающей среде. Ключевые слова: шум, инфразвук, источник, объекты вооружения и военной техники, экологическая безопасность. Abstract. Noise is one of the leading places among the harmful physical factors in the Armed Forces of the Russian Federation. Features noise resulting from the operation of weapons and military equipment is its high intensity, intermittent nature, the presence in the spectrum of infrasonic frequencies, long duration. The soldiers in the exercise of his professional duties in the process of training of action are subjected to irregular exposure to noise and infrasound, which increases the overall morbidity and creates high risks of development of occupational diseases. The adverse acoustic environment at workplaces soldiers require preventive measures. The noise resulting from the operation of military equipment, often creates discomfort for the population and a threat to the environment. Keywords: noise, infrasound source objects of weapons and military equipment, and environmental safety.

Шум занимает ведущее место среди неблагоприятных факторов в Вооруженных Силах РФ (ВС), его воздействие приводит к снижению военно-профессиональной работоспособности и уве-

личению заболеваемости военнослужащих. Этому способствуют высокая механизация и энерговооруженность объектов вооружения и военной техники, отсутствие или недостаточное количество 139

Вопросы оборонной техники табельных средств защиты от шума, которые в большинстве случаев обладают низкой защитной акустической эффективностью [1, 2, 3]. В последние годы отмечается увеличение количества и мощности антропогенных источников шума и инфразвука (ИЗ). К ним относят наземный, воздушный и водный транспорт, шахтные вентиляторы, газо- и нефтепроводы. Акустическому загрязнению окружающей среды способствует и учебно-боевая деятельность ВС. В статье проводится анализ акустических источников в различных видах и родах войск ВС, выявляются особенности акустической обстановки на объектах вооружения и военной техники и определяется экологическая и социальная значимость акустического загрязнения окружающей среды при эксплуатации военной техники. 1. Объекты вооружения и военной техники как источники высокоинтенсивного шума и инфразвука в Вооруженных Силах РФ Значение шума как фактора военного труда возрастает с каждым годом, чему способствуют увеличение энергонасыщенности войск, появление новых видов и образцов вооружений и военной техники (ОВВТ), таких как авианесущие крейсеры, корабли на воздушной подушке (КВП), танки с авиационными двигателями, самоходные артиллерийские орудия, реактивные системы залпового огня, воздушные суда (самолеты, вертолеты), межконтинентальные ракеты и др. Известно, что увеличение размеров, скорости перемещения, мощности двигателей ОВВТ, оснащение их современными дизельными двигателями и газотурбинными установками приводит не только к увеличению уровней шума, но и к возрастанию удельного веса в частотном спектре инфра- и низкочастотных составляющих. Необходимо отметить также, что ИЗ и низкочастотный шум в силу своих физических особенностей (большая длина волны, слабое поглощение звуковой энергии в воздухе и других средах) распространяются на большие расстояния от источника их образования. К тому же малая эффективность технических средств защиты от низкочастотного шума и ИЗ позволяют рассматривать их как наиболее неблагоприятные с эколого-гигиенической точки зрения акустические 140

факторы. Данные литературы и результатов собственных исследований акустической обстановки на ряде ОВВТ различных видов и родов войск Вооруженных Сил представлены ниже [1, 2, 4–8]. Бронетанковые войска Основными источниками шума в бронетехнике на стоянке являются работающий двигатель, а при движении — двигатель, трансмиссия и ходовая часть (гусеничная или колесная). Наиболее высокие уровни шума регистрируются в ОВВТ на гусеничном шасси (самоходные артиллерийские орудия, танки, бронетранспортеры). Так, в обитаемых отделениях танка и САО при работе двигателя на стоянке эквивалентный уровень звука (Lэкв.) соответствует 84–90 дБА. Шум широкополосный с максимумом спектра в области низких звуковых частот (31,5–250 Гц) достигает уровня звукового давления (УЗД) 106 дБ. В среднечастотном (500–1000 Гц) и высокочастотном (2000–8000 Гц) звуковом диапазоне УЗД находятся в диапазоне от 58 до 98 дБ, а в области ИЗ — от 70 до 92 дБ (см. табл. 1). На марше бронетехники уровень звука возрастает до 106 дБА, Lэкв. увеличивается до 90–98 дБА. Максимум спектра смещается в область низких частот и ИЗ. На рабочих местах членов экипажа танка УЗД в диапазоне частот 2–16 Гц достигают 115–129 дБ, на частотах 31,5–250 Гц — 103–120 дБ, а в области частот 2–8 кГц — 73–83 дБ. Обследование ОВВТ на колесном шасси (БТР) показало, что Lэкв. колеблется в диапазоне 82–87 дБА с максимумом УЗД в низкочастотном и инфразвуковом диапазонах (92–118 дБ). Таким образом, шум на рабочих местах экипажей бронетехники можно характеризовать как постоянный, интенсивный, широкополосный с максимумом спектра в низкочастотной области и наличием высокоинтенсивной инфразвуковой составляющей. Автомобильные войска Основным источником шума в автомобилях является двигатель внутреннего сгорания, при работе которого образуется аэродинамический и структурный шум. Аэродинамический шум возникает в результате газообмена двигателя с окру-

сообщения Таблица 1 Характеристика источников шума и инфразвука в бронетанковых и автомобильных войсках Параметры шума и инфразвука Наименование ООВТ

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот, Гц

Категория специалистов 2–16

31,5–250

500–1000

2000–8000

t (ч)*

Lэкв., дБА*

Lобщ.УЗД., дБ Лин*

Бронетехника при работе двигателей на стоянке

Члены экипажа

70–92

52–106

58–98

60–98

0,5–1

87-100

101–108

Бронетехника на марше

Члены экипажа

115–129

102–120

92–100

72–83

2–5

96-106

114–122

Автомобили с бензиновым двигателем

Водители

68–103

76–95

60–71

50–62

6–8

75-88

97–107

Автомобили с дизельным двигателем

Водители

99–114

80–111

77–82

72–78

6–8

82–87

92–118

Примечание: t — время действия за сутки (ч); Lэкв., дБА — эквивалентный уровень звука; Lобщ.УЗД., дБ Лин — общий уровень звукового давления.

жающей средой при впуске и выпуске, а также при взаимодействии лопастей вентилятора с воздухом. Структурный шум излучается наружными поверхностями деталей двигателя при механических колебаниях его структуры. Обследование автомобилей различного предназначения (ГАЗ-66, ПАЗ-672, МАЗ-500, Урал-4320, Урал-375, боевая машина РСЗО «Смерч») показало, что в кабине автомобилей с бензиновыми двигателями Lэкв. во время движения достигает 68–71 дБА. Шум широкополосный с максимумом спектра в области низких звуковых частот и ИЗ, где УЗД колеблются от 76 до 95 дБ и от 68 до 103 дБ соответственно. В среднечастотном и высокочастотном звуковом диапазоне УЗД находятся в диапазоне 50–71 дБ. У автомобилей с дизельным двигателем уровни звука и УЗД на рабочих местах водителей выше на 2–13 дБА и 4–31 дБ (см. табл. 1). Таким образом, шум на рабочих местах водителей автотранспорта можно характеризовать как постоянный, интенсивный, широкополосный с максимумом спектра в низкочастотной об-

ласти и наличием интенсивной инфразвуковой составляющей. Военно-Морской Флот Надводные корабли и суда. Шум, создаваемый при работе судового оборудования, представляет собой акустические колебания в широком частотном спектре (в том числе и в инфразвуковом диапазоне). Шум от источников распространяется в основном двумя путями: по воздуху (воздушный шум) и в виде звуковой вибрации по корпусным конструкциям судна (структурный шум). Воздушный шум является определяющим в основном для судовых помещений, где размещены его источники. В жилые и служебные помещения он может проникать непосредственно через переборки, палубы, подволоки, по вентиляционным каналам, люкам, иллюминаторам. Структурный шум распространяется от механизмов и устройств через фундаменты или всевозможные опорные связи (трубопроводы, тяги крепления и др.) корпус141

Вопросы оборонной техники ных конструкций судна. Таким путем структурный шум достигает ограждающих конструкций судовых помещений. В табл. 2 представлена характеристика источников шума и инфразвука в ВоенноМорском Флоте (ВМФ). Шум от турбин, дизелей, генераторов и другого оборудования электромеханической боевой части (БЧ-5) довольно значителен и в некоторых случаях достигает 110–120 дБА. Характерным для шума большинства помещений БЧ-5 является широкополосный спектр с высокочастотными составляющими (УЗД 50–94 дБ), средне- (УЗД 66–98 дБ) и низкочастотными (УЗД 71–97 дБ) во вспомогательных помещениях. Определяется четкая тенденция сдвига спектральных составляющих в сторону низкочастотного диапазона и увеличение доли инфразвука (УЗД 85–89 дБ). На рабочих мест БЧ-5 Lэкв. находится в диапазоне 97–101 дБА (табл. 2). В других служебных помещениях корабля (главный командный пункт, ходовая и штурманская рубки, боевой информационный центр и прочие), а также в жилых помещениях зарегистрированы меньшие значения

УЗД (34–78 дБ), но шум приобретает выраженный низкочастотный характер, а уровни ИЗ (до 91 дБ) вполне сопоставимы по значениям с инфразвуком в машинных отделениях. Lэкв. находится в диапазоне 60–65 дБА (табл. 2). Lэкв. в жилых и общественных помещениях в большинстве случаев не превышает 50 дБА, но при работе системы вентиляции и кондиционирования воздуха находится в диапазоне 60–70 дБА. Спектры большинства помещений содержат низкочастотные (УЗД 41–72 дБ) и инфразвуковые (УЗД 80–92 дБ) составляющие (табл. 2). Использование на кораблях дополнительных мощных источников шума, таких как самолеты и вертолеты, выдвигает шум на первый план среди прочих факторов обитаемости. Так, установлено, что на отечественном авианесущем крейсере УЗД в машинном отделении достигает 108 дБ, гидроакустическом отсеке — 97 дБ. Величина уровня звука на полетной палубе зависит от расстояния до самолета и колеблется от 123 дБА (на удалении 25 м) до 138 дБА (9 м). Спектр шума равномерный — на частоте 31,5 Гц уровни колеблются от 112 до 120 дБА, на 63 Гц — 118–125 дБА. В помещениях Таблица 2

Характеристика источников шума и инфразвука в ВМФ Параметры шума и инфразвука Наименование ООВТ

Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот, Гц

Категория специалистов

t (ч)*

Lэкв., дБА*

Lобщ.УЗД., дБ Лин*

2–16

31,5–250

500–1000

2000–8000

Специалисты БЧ-5

85–89

71–97

66–98

50–94

54–110

76–115

Специалисты других боевых частей и служб

81–91

50–78

47–70

34–65

43–78

76–85

Жилые помещения

80–92

41–72

36–55

27–41

43–58

66–86

Корабли и суда с динамическими принципами поддержания

Члены экипажа

80–115

81–120

84–130

86–121

83–132

97–134

Подводные лодки

Члены экипажа

67–87

60–80

46–72

35–72

59-95

69–97

Надводные корабли и суда

Примечание: * — см. табл. 1.

142

сообщения полетной палубы уровни звука при полетах достигают 85–122 дБА, в столовой — 105 дБА, в помещении дежурного экипажа — 97 дБА. Корабли с динамическими принципами поддержания Одним из перспективных видов скоростных кораблей ВМФ являются корабли на воздушной подушке (КВП), которые используются в качестве десантных, патрульных кораблей и др. Особенностью этих кораблей является то, что наряду с традиционными источниками шума мощными источниками ИЗ на них являются газотурбинные установки и вентиляторы, создающие воздушную подушку. Так, в необитаемых помещениях главного двигателя и нагнетателей отмечается шум с уровнем до 127–133 дБА, в десантных кубриках и боевых постах — 103 дБА. В низкочастотном диапазоне (31,5–63 Гц) УЗД колеблются от 81 до 120 дБ. На посту у главного двигателя КВП «Джейран» УЗД в октавных полосах частот 2–16 Гц достигают 98–115 дБ, в помещениях главного двигателя — до 120 дБ, вспомогательных механизмов — 104–118 дБ, нагнетателя — 100–108 дБ. В помещениях десанта, других обитаемых помещениях уровни ИЗ не превышают 105 дБ (табл. 2). Подводные лодки Основными источниками шума на подводных лодках являются силовые установки и системы вентиляции и кондиционирования воздуха. Исследование шума на современных подводных лодках позволило установить, что для жилых помещений характерным является широкополосный шум с уровнем звука не более 77 дБА и с преобладанием инфразвуковых составляющих (до 80 дБ). В служебных помещениях также регистрируется шум относительно низких уровней (66–73 дБА), однако отмечаются более высокие значения УЗД в области ИЗ (до 87 дБ) (табл. 2). Уровень шума на подводных лодках значительно ниже, что обеспечивает скрытность их перемещения и снижает вероятность обнаружения. Особенностями шума, действующего на плавсостав ВМФ, являются продолжительное воздействие (круглосуточное и многодневное) и высокоинтенсивный низкочастотный характер шума с инфразвуковой составляющей.

Военно-воздушные силы (ВВС) Образование шума в кабинах и салонах самолетов обусловлено внутренними источниками шума, в первую очередь — силовыми установками, и внешними — за счет формирования аэродинамических воздушных потоков вокруг планера во время полета. Аэродинамический шум обусловлен работой силовой установки и компрессора (вентилятора) для реактивных самолетов и винта — для винтовых самолетов, а структурный шум образуется за счет вибрации корпусных конструкций планера. Кроме того, источником шума во время полета является система кондиционирования, то есть она сама по себе является источником шума и передает шум по своим каналам от других источников, а также пограничный слой воздуха, образующийся вокруг планера во время полета. Шум в кабине самолетов изменяется в процессе полета в достаточно широких пределах. При взлете и наборе высоты основной вклад в акустическую обстановку в кабине вносит силовая установка. Резкое снижение шума наблюдается сразу после отрыва вследствие уменьшения отражения от земли и после уборки взлетно-посадочной механизации (шасси, закрылки) за счет снижения шума обтекания и звукоизолирующей способности в районе ниш шасси при закрытии створок. При наборе высоты происходит перераспределение вклада в общую шумовую обстановку между шумом, создаваемым силовой установкой, и шумом обтекания в пользу последнего. На режимах крейсерского полета определяющим становится шум пограничного воздушного слоя. Наиболее неблагоприятной акустической нагрузке среди авиационных специалистов подвергается инженерно-авиационный состав (ИАС). Источником шума на их рабочих местах являются работающие авиационные двигатели, а также дополнительное наземное техническое оборудование (аэродромный подвижной агрегат, установка для проверки гидросистем, аэродромный кондиционер и др.). Кроме того, при подготовке к вылету некоторых воздушных судов перед запуском двигателей используется бортовое оборудование: вспомогательная силовая установка, топливно-насосная установка, также являющиеся источниками высокоинтенсивного шума. В табл. 3 представлена характеристика источников шума и ИЗ в ВВС. 143

Вопросы оборонной техники Таблица 3

Характеристика источников шума и инфразвука в ВВС

Наименование ООВТ

Категория специалистов

Параметры шума и инфразвука Уровни звукового давления, дБ, в октавных полосах частот, Гц 2–16

31,5–250

500–1000

2000–8000

t (ч)*

Lэкв., дБА*

Lобщ.УЗД., дБ Лин*

ВС дальней авиации

ЛПС*

86–99

85–88

81–91

77–80

12–16

94–97

92–101

ИАС*

93–97

102–108

106–108

109–113

1–4

96–117

98–101

ВС истребительнобомбардировочной авиации

ЛПС*

84-96

86–88

89–98

94–98

5–6

99–102

92–100

ИАС*

93–107

98–118

106–123

108–122

0,4–2

94–118

101–111

ВС военнотранспортной авиации

ЛПС*

60–105

78–110

77–96

72–91

6–10

101–104

87–105

ИАС*

95–104

96–106

102–117

101–123

0,4–2

105–116

99–105

Армейская авиация (вертолеты)

ЛПС*

90–103

88–112

84–91

66–80

5–6

99–101

96–105

ИАС*

93–105

96–109

101–117

101–123

0,3–1

102–115

95–105

Примечание: * — см. табл. 1; ЛПС — летно-подъемный состав; ИАС — инженерно-авиационный состав.

На рабочих местах летно-подъемного состава (ЛПС) во время полетов УЗД в звуковом диапазоне изменяются от 72 до 112 дБ. Наименьшие УЗД выявлены в самолетах военно-транспортной авиации (77–91 дБ), а наибольшие — у самолетов армейской авиации (вертолеты) (66–112 дБ) и военно-транспортной авиации (72–110 дБ). Величины УЗД на рабочих местах экипажей истребительной авиации (86–98 дБ) были ниже, чем в самолетах армейской авиации. Шум представлен во всех октавах звукового диапазона, то есть широкополосный. Максимум частотного спектра шума во время полетов у самолетов истребительной авиации приходится на высокие частоты (1000–8000 Гц при УЗД 94–98 дБ), самолетов военно-транспортной и армейской — на низкие частоты (31,5–250 Гц при УЗД 78–112 дБ) и самолетов дальней авиации — на средние частоты (500–1000 Гц при УЗД 81–91 дБ). Lэкв. в кабинах и салонах самолетов во время полетов находился в диапазоне от 94 до 104 дБА. В области ИЗ УЗД колебались от 60 до 114 дБ, достигая максимальных значений в самолетах (вертолетах) военно-транспортной и армейской авиации (табл. 3). При подготовке самолетов к полету источником шума являются основные и вспомогательные силовые установки и наземное оборудование для обеспечения полетов, используемое на этапе пред144

полетной подготовки. Шум по своей природе аэродинамический за счет выброса из сопла двигателя газовых потоков, имеющих высокие температуры и скорость. На рабочих местах ИАС при подготовке самолетов к вылету УЗД в звуковом диапазоне изменяются от 96 до 123 дБ. Шум широкополосный, максимум частотного спектра приходится на средне- и высокочастотный диапазоны. Lэкв. на рабочих местах ИАС находится в диапазоне от 94 до 118 дБА. В области ИЗ УЗД колебались от 93 до 107 дБ, достигая максимальных значений в истребительной и армейской авиации (табл. 3). Таким образом, шум на рабочих местах авиационных специалистов ВВС можно охарактеризовать как непостоянный, высокоинтенсивный, широкополосный с наличием инфразвуковой составляющей. Максимум частотного спектра зависит от типа самолетов. ЛПС подвергается воздействию постоянного шума, но меньшей интенсивности по сравнению с ИАС. В наиболее неблагоприятных акустических условиях находится ИАС и ЛПС дальней и военно-транспортной авиации. Ракетные войска и артиллерия При артиллерийской стрельбе источником импульсного шума (ИШ) является дульная удар-

сообщения ная волна, возникающая в результате выброса с большой скоростью из канала ствола пороховых газов и их расширения. Кроме этого, дополнительным источником импульсного шума может быть взрыв пороховых газов при их соединении с кислородом воздуха (так называемые «пламенные» выстрелы). Увеличение мощи современных образцов артиллерийского вооружения, применение дульных тормозов-компенсаторов ведет к увеличению уровней давлений ИШ. В табл. 4 приведены характеристики источников ИШ в ВС. Акустические импульсы при пусках реактивных снарядов (РС) из реактивных систем залпового огня характеризуются большой продолжительностью импульса (50–200 мс). Уровни максимального звукового давления (Lmax) составляют от 151 до 169 дБАI. В кабинах боевых машин РСЗО регистрируются импульсы с меньшими значения Lmax однако более длительные, чем на открытой местности. Максимум акустической энергии при пусках ракет приходится на диапазон 16–250 Гц (табл. 4). Продолжительность акустических импульсов при артиллерийской стрельбе (пушки, гаубицы) в зависимости от условий стрельбы, вида заряда и места измерения достигает 1,3–6,0 мс, а при стрельбе из миномета — 0,4–2,4 мс. Lmax составляет от 166 до 191 дБАI. Увеличение калибра образцов приводит к повышению значений пикового давления. На рабочих местах членов экипа-

жей (расчетов) подвижных ОВВТ (САО, БТР, танки) при стрельбе Lmax достигают 150–185 дБАI, при этом продолжительность импульсов может колебаться в широких пределах — от 1 до 40 мс и больше. Спектральный анализ акустических импульсов показывает, что максимум акустической энергии при выстрелах из пушек и гаубиц приходится на 8–31,5 или 31,5–250 Гц в зависимости от типа орудия (табл. 4). Таким образом, при проведении артиллерийских стрельб и ракетных пусков личный состав подвергается воздействию интенсивных акустических импульсов, имеющих выраженные низкочастотную и инфразвуковую компоненты. При использовании оружия крупного калибра, при регистрации импульсов в замкнутых помещениях (кабины, отсеки боевых машин, фортификационные сооружения) отмечается смещение максимальной спектральной плотности в низкочастотную область, что позволяет классифицировать названные акустические импульсы как импульсные низкочастотные акустические колебания. Стрелковое оружие и средства ближнего боя Огнестрельное оружие широко используют во время учебно-боевой подготовки военнослужащих и проведении антитеррористических операций. В войсках и спецподразделениях получили наибольшее распространение стрелковое оружие

Характеристика источников импульсного шума в Вооруженных Силах Вид, род войск

Ракетные войска и артиллерия

Сухопутные войска, ВДВ, спецвойска, спецподразделения ВМФ

Наименование источника ИШ

Категория специалистов

РСЗО

Параметры импульса

Таблица 4

Количество импульсов

Длительность, мс

Пиковый УЗД, дБАI

Максимум спектральной энергии, Гц

Члены боевого расчета

50–200

151–169

16–250

24–72

Артиллерия

Члены боевого расчета

1,3–6,0

166– 191

8–250

5–20

Стрелковое оружие

Стрелки

1–2

160–170

250–1000

244

Средства ближнего боя

Стрелки Экипажи

1–30

170–190

8–250

145

Вопросы оборонной техники (пистолеты, винтовки, автоматы, пулеметы) и средства ближнего боя (минометы, гранатометы, реактивные штурмовые гранаты). При стрельбе действию ИШ подвергаются не только стрелки и экипажи, но и личный состав, находящийся с ними рядом. Амплитудно-временные и спектральные характеристики импульсов определяются видом, калибром оружия и условиями его применения (свободное или замкнутое пространство). Акустические импульсы из стрелкового оружия имеют длительность в условиях свободного поля 1–2 мс и существенно увеличивается в условиях реверберации. Lmax одиночного импульса не превышает 160–170 дБАI. Акустические импульсы средств ближнего боя имеют длительности от 1 до 30 мс и Lmax достигает 170–190 дБАI. Спектральный анализ одиночных импульсов показал, что максимум акустической энергии при выстрелах из стрелкового оружия приходится на октавные полосы 250–1000 Гц, из гранатометов — на 8–250 Гц (табл. 4). С увеличением калибра объекта вооружения возрастает доля низких частот и происходит смещение спектра в низкие частоты. При реверберации наблюдается повышение в два–три раза энергии акустического процесса за счет низкочастотных составляющих ИШ. 2. Экологическая и социальная значимость источников шума и инфразвука, генерируемых военной техникой Экологические аспекты воздействия акустических колебаний на окружающую природную среду исследовались в связи с учебно-боевой деятельностью войск в местах постоянной дислокации и на полигонах, расположенных вблизи населенных пунктов. Известно, что шум и ИЗ необходимы для коммуникации животных, а многие представители океанической биоты используют звуки при ориентации и поиске пищи. Поэтому интенсивные акустические колебания, образующиеся при эксплуатации военной техники, могут оказывать отрицательное влияние на фауну, привести к нарушению экологического баланса в биосфере, изменению путей миграции, что чревато экономическим ущербом. Между тем снижение уровней шума и ИЗ, возникающих при эксплуатации 146

крупных и протяженных технологических объектов, до природных (фоновых) значений следует рассматривать как одно из важных направлений природоохранной деятельности военных экологов [9, 10]. Доля обращений граждан на действие шума в ряде субъектов РФ превышает 70% от общего количества жалоб на воздействие физических факторов. Влиянию шума в нашей стране подвергаются несколько миллионов человек. Источниками шума, влияющего на население, являются промышленные и военные объекты, автомобильный, железнодорожный и особенно авиационный транспорт. Проблема социальной безопасности является особенно актуальной для ВВС. Известно, что при равных уровнях авиационный шум вызывает чувство раздражения у гораздо большего числа обследуемых по сравнению с шумом от автомобильного и железнодорожного транспорта. Объяснением этому является наличие в его спектре как высоких частот звукового диапазона, действие которых сопровождается неприятными субъективными ощущениями, так и низких частот и ИЗ, которые также оказывают негативное действие на психику человека. Авиационный шум является на сегодня одной из наиболее актуальных проблем населенных пунктов, так как количество жалоб населения на шум от пролетающих самолетов гражданской и военной авиации неуклонно растет, вызывая социальное напряжение среди населения, проживающего вблизи крупных авиационных ОВВТ (аэродромы, заводы, полигоны и др.). Заключение Представленные данные показывают многообразие в ВС источников шума и ИЗ достаточно высоких уровней. Широкая распространенность акустических источников в войсках и на флоте как вредного профессионального фактора способствует тому, что большое количество военнослужащих подвергается высокой акустической нагрузке. К характерным особенностям шума, генерируемого ОВВТ, относятся его высокая интенсивность и превалирование в спектре частот низкочастотного шума и ИЗ. Неблагоприятная акустическая обстановка на рабочих местах военнослужащих создает высокий риск заболеваемости и требует проведения комплекса профилактических мероприятий, обе-

сообщения спечивающих акустическую безопасность личного состава. Проблема шумового и инфразвукового загрязнения окружающей среды входит в число приоритетных экологических проблем, стоящих перед ВС.

10. Зинкин В.Н., Ахметзянов И.М. Экологичес кие, производственные и медицинские аспекты инфразвука // Защита от повышенного шума и вибрации / Cб. докл. IV Всерос. науч.-практ. конф. 2013. С. 177–198.

Литература

References

1. Гребеньков С.В., Ломов О.П. и др. Шум и инфразвук. Гигиенические аспекты. — СПб.: Бип, 2002. 100 с. 2. Ахметзянов И.М., Зинкин В.Н., Логат кин С.М. и др. Импульсный шум при стрельбе из стрелкового оружия и средств ближнего боя как вредный фактор военного труда // Воен.-мед. журн. 2012. Т. 333. № 6. С. 52–57. 3. Ахметзянов И.М., Логаткин С.М. и др. Обоснование использования средств защиты от вредного действия импульсного шума при стрельбе из стрелкового оружия и средств ближнего боя как вредный фактор военного труда // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2012. Вып. 3–4. С. 64–71. 4. Богомолов А.В., Кукушкин Ю.А. и др. Ме дико-социальные аспекты экологической безопасности населения, подвергающегося кумулятивному действию авиационного шума // Экология про мышленного производства. 2011. № 2. С. 9–14. 5. Драган С.П., Григорьев О.А., Ерофеев Г.Г. и др. Обоснование предельно допустимых уровней звукового давления импульсного акустического воздействия для обеспечения условий безопасности обслуживающего персонала при испытании специальных средств // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2014. Вып. 11–12 (77–78). С. 98–103. 6. Щербаков С.А., Кирий С.В., Кукушкин Ю.А. и др. Результаты исследований акустической обстановки на рабочих местах инженерно-технического состава авиации // Проблемы безопасности полетов. 2007. № 3. С. 27–32. 7. Инженерная акустика. Теория и практика борьбы с шумом / Под ред. Н.И. Иванова. — М.: Логос. 2010. 424 с. 8. Авиационная медицина (руководство) / Под. ред. Н.М. Рудного, П.В. Васильева, В.С. Го зулова. — М.: Медицина. 1986. 580 с. 9. Зинкин В.Н., Орихан М.М. и др. Инфразвук как вредный производственный фактор // Безо пасность жизнедеятельности. 2013. № 9. С. 2–9.

1. Greben’kov S.V., Lomov O.P. et al. Noise and infrasound. Hygienic aspects. — SPb.: Beep. 2002. 100 p. 2. Ahmetzyanov I.M., Zinkin V.N., Logatkin S.M. et el. Impulse noise in the firing of small arms and melee weapons as a harmful factor of military labor // Voen.-med. zhurn. 2012. Vol. 333. № 6. Р. 52–57. 3. Ahmetzyanov I.M., Logatkin S.M. et el. Justification of use of means of protection against harmful action of pulse noise at firing from small arms and close fight means as the harmful factor of military work) // Voprosy oboronnoj tekhniki. Seriya 16. 2012. № 3–4. Р. 64–71. 4. Bogomolov A.V., Kukushkin Yu.A. et el. Health and social aspects of environmental security of the population, are impacted by the cumulative effect of aircraft noise // EHkologiya promyshlennogo proizvodstva. 2011. № 2. Р. 9–14. 5. Dragan S.P., Grigor’ev O.A., Erofeev G.G. et el. Substantiation of maximum permissible levels of sound pressure impulse acoustic impacts to ensure the safety of personnel when testing special tools // Voprosy oboronnoj tekhniki. Seriya 16. 2014. № 11–12. Р. 98–103. 6. Shcherbakov S.A., Kirij S.V., Kukushkin Yu.A. et el. The research results of acoustic environment on work places technical staff of the aviation // Problemy bezopasnosti poletov. 2007. № 3. Р. 27–32. 7. Engineering acoustics. Theory and practice of noise control] / Pod red. N.I. Ivanova.. M.: Logos. 2010. 424 p. 8. Aviation medicine (manual) / Pod. red. N.M. Rudnogo, P.V. Vasil’eva, V.S. Gozulova. — M.: Medicine. 1986. 580 p. 9. Zinkin V.N., Orihan M.M. et el. Infrasound as a harmful production factor // Bezopasnost’ zhiznedeyatel’nosti. 2013. № 9. Р. 2–9. 10. Zinkin V.N., Ahmetzyanov I.M. Environmental, industrial and medical aspects of infrasound // Zashch ita ot povyshennogo shuma i vibracii. In: Cb. dokl. IV Vseros. nauch.-prakt. konf. 2013. Р. 177–198. 147

Вопросы оборонной техники

УДК: 004.4

Алгоритмы проектирования механосборочного производства предприятий Индустрии 3.0 и Индустрии 4.0 Mechanical assembly production designing algorithm for the companies of Industry 3.0 and Industry 4.0 production standards Канд. техн. наук А.В. Шукалов, канд. техн. наук Д.А. Заколдаев, д-р техн. наук И.О. Жаринов PhD A.V. Shukalov, PhD D.A. Zakoldaev, DPhil I.O. Zharinov Университет ИТМО Рассмотрена постановка задачи и предложены алгоритмы проектирования механосборочного производства изделий приборостроения для предприятий, функционирующих в рамках концепций Индустрии 3.0 и Индустрии 4.0. Алгоритмы представлены блок-схемами. Определены критерии проектирования механосборочных производств Индустрии 3.0 и Индустрии 4.0. Представлен обзор публикаций по существующим методам проектирования производственных участков. Показано, что существующие методы проектирования производства оказываются неприемлемы для проектирования цифровых высокотехнологичных производств Индустрии 4.0 и требуется разработка новых методов проектирования производственных участков. Ключевые слова: проектирование, алгоритм, механосборочное производство, Индус трия 3.0, Индустрия 4.0. The task is given and several mechanical assembly production designing algorithm of the item designing components companies are proposed when those companies apply Industry 3.0 and Industry 4.0 production standards. The algorithms are given with schemes of blocks. The designing criteria for mechanical assembly production are defined for the companies which apply Industry 3.0 and Industry 4.0 production standard. A range of publications which describes the existing methods of the production sections designing is given. It is clear that the existing methods of the production designing are unacceptable when it is necessary to design a digital high-tech production of Industry 4.0 standard and it is necessary to find some new designing methods for production sections. Keywords: designing, algorithm, mechanical assembly production, Industry 3.0, Industry 4.0.

Введение При создании новых сложных технических систем, когда объектом проектирования является производственный участок, цех или приборостроительных завод в целом, разработчику одновременно приходится решать оптимизационную проектную задачу, частными показателями качества которой являются организационные, технологические и экономические составляющие. Постановка задачи проектирования механосборочного производства имеет следующий 148

вид: необходимо разработать комплект документации (КД — конструкторской, ПД — программной и ТД — технологической) на производственный участок (цех, завод), предназначенный для изготовления необходимого объема изделий приборостроения заданной номенклатуры и требуемого уровня качества. Организационная составляющая задачи проектирования механосборочного производства включает набор частных показателей качества проекта, характеризующих: систему управления производственным комплексом, систему контроля качества

сообщения изготавливаемых изделий, порядок работы персонала на производстве и пр. Технологическая составляющая задачи проектирования механосборочного производства вклю чает набор частных показателей качества проекта, характеризующих: принципы распределения технологического оборудования по производственным участкам, число и специализацию производственных участков, расчет общей производственной площади, трудоемкость (станкоемкость) технологических операций, коэффициент загрузки оборудования, технологичность изделий приборостроения, нормы расходов сырья и пр. Экономическая составляющая задачи проектирования механосборочного производства включает набор частных показателей качества проекта, характеризующих: объемы и источник финансирования проектных и производственных работ, себестоимость производства изделий приборостроения, рентабельность производства, затраты на ремонт и техническое обслуживание технологического оборудования, размер заработной платы персонала на производстве и пр. Таким образом, задача проектирования механосборочного производства является многопараметрической, для решения которой необходимо использовать математический аппарат многокритериальной оптимизации, основанный, в частности, на аддитивных и мультипликативных критериях. 1. Обзор методов проектирования механосборочных производств Обзор литературы [1–9] по методам и алгоритмам проектирования механосборочных производств показывает, что существует ряд устоявшихся подходов (научных школ) к выбору этапов и критериев качества формируемых в этой предметной области проектных решений ― документации на производственные подразделения, в которых производственные позиции объединены транспортной и складской инфраструктурой, средствами технического, инструментального и контрольно-измерительного (метрологического) обеспечения, средствами управления и средствами охраны труда и на которых реализуется технологический процесс изготовления изделий приборостроения. Наибольшее распространение получил метод проектирования механосборочных произ-

водств, рассмотренный в работе Вороненко Г.Н. и Мельникова В.П. [1], которую по праву можно считать классической. Метод основан на поэтапной итерационной процедуре, в результате которой уточняются промежуточные проектные решения и формируется оптимальный по заданному критерию проект. Критерием оптимальности предложен мультипликативный критерий, включающий технико-экономические и организационные составляющие объекта проектирования. Работы [2, 3] по праву можно считать развитием и детализацией идей, предложенных Вороненко Г.Н. и Мельниковым В.П. Представляет определенный научный интерес подход Чарнко Д.В. и Хабарова Н.Н. к созданию объекта проектирования ― механосборочного производства, рассмотренный в работе [4]. Основу алгоритма проектирования механосборочного производства составляет точная годовая программа впуска изделий заданной номенклатуры. Программа выпуска составляется как для каждой отдельно изготавливаемой детали, так и для изделия в целом. Алгоритм проектирования производства ориентирован на поточный (тактируемый) способ изготовления изделий с привязкой технологического процесса к этапам сборки, комплектования предприятия производственной кооперацией в соответствии с требованиями КД, ПД, ТД. Современное развитие данного подхода на основе сети Петри, в которую введено время в качестве моделируемого в процессе автоматизированного проектирования производства параметра тактирования, рассмотрено в работе [5]. Третьей классической работой по методам проектирования механосборочного производства можно считать монографию Мамаева В.С. и Осипова Е.С., в которой акцент процесса проектирования механосборочного производства смещен в область расчета производственной программы выпуска как базы метода, а критерием качества проектирования выбраны цель и трудоемкости изготовления деталей механическим способом обработки. Данный подход, очевидно, имеет преимущества для проектирования машиностроительных производств и может быть применен для приборостроительного производства лишь частично. Пожалуй, наиболее универсальным можно считать применяемый сегодня на практике подход Якимовича Б.А. [6], основанный на общих 149

Вопросы оборонной техники идеях Вороненко Г.Н. и Мельникова В.П. и заключающийся в поэтапном проектировании механосборочного производства с итерационным процессом уточнения качества проектных решений, зависящим от технологической сложности изготавливаемого изделия. Работы [7–9] и опубликованные в них результаты развивают сегодня этот подход. Представленный обзор опубликованных методов и алгоритмов проектирования механосборочного производства актуален для разработки различных производственных площадок, технологические процессы автоматизированного изготовления, на которых реализуются по принципам Индустрии 3.0. Очевидно, что для проектирования новых инновационных цифровых производств Индустрии 4.0, развиваемых [10–12] в нашей стране под эгидой реализации дорожной карты Национальной технологической инициативы «Технет», необходимо разрабатывать новые методы и алгоритмы проектирования, ориентированные на интеллектуальные производственные технологии. Такими технологиями являются в первую очередь [12–16]: аддитивные технологии; технологии интернета вещей; технологии BigData для сбора и обработки больших массивов данных, получаемых от компьютеризированного технологического оборудования; облачные технологии; технологии визуализации «дополненной реальности», используемые в управлении производственным циклом; технологии безопасности киберфизических систем и пр. 2. Алгоритм проектирования механосборочного производства предприятия Индустрии 3.0 Обобщая результаты работ [1–9], можно показать, что основные этапы синтеза механосборочного производства должны включать: расчет основной части производства и расчет вспомогательной части производства, выполняемые на основании исходных данных. Исходными данными для начала проектирования механосборочного производства выступают: – комплекты конструкторской, программной и технологической документации на изделия приборостроения, подлежащие изготовлению на механосборочном производстве; – технологические процессы, необходимые для изготовления изделий приборостроения. 150

Основная часть проектируемого механосборочного производства предполагает получение разработчиком проектных решений в части оценки: – состава и количества основного технологического оборудования, задействованного в процессе изготовления изделий приборостроения; – принципов и структуры построения основных производственных процессов, реализуемых при изготовлении изделий приборостроения; – определения численности и квалификации персонала, занятого на производстве изделия приборостроения; – принципов организации компоновочных и планировочных решений при создании производственных участков (цехов, производства в целом) и пр. Вспомогательная часть проектируемого механосборочного производства предполагает получение разработчиком проектных решений в части оценки: – принципов организации заготовительной и складской системы на производстве изделий приборостроения; – принципов организации системы инструментального обеспечения и транспортного обеспечения; – принципов организации процессов ремонта и технического обслуживания технологического оборудования, задействованного в процессе изготовления изделий приборостроения; – принципов организации контроля качества изготавливаемых на механосборочном производстве изделий приборостроения; – принципов организации процессов охраны труда персонала на механосборочном приборостроительном производстве; – принципов построения системы управления производственных комплексом приборостроительного предприятия; – принципов организации систем энергетического, санитарного и экологического обеспечения производства, основ проектирования зданий производственного комплекса и т.д. Итерационный алгоритм проектирования механосборочного производства на предприятиях Индустрии 3.0 представлен на рис. 1. Критерием качества алгоритма проектирования механосборочного производства может выступать [1], например, показатель приведенных затрат при годовом производстве изделий

сообщения Исходные данные проектирования

Проектирование вспомогательной части производства

Проектирование основной части производства

Начало Договор, техпроцесс Разработка программы выпуска изделий КД, ПД, ТД Оценка габаритных размеров, массы и материалов изделий

Оценка трудоемкости и станкоемкости технологических операций

Оценка числа требуемого технологического оборудования

Разработка требований к условиям работы оборудования

Оценка числа и состава производственных участков

Разработка алгоритмов работы оборудования на участках

Распределение и компоновка оборудования по участкам Оценка требуемой производственной площади

Разработка задания на нестандартное оборудование Оценка требуемого персонала

Проектирование складской (заготовки, готовые изделия) системы Проектирование транспортной системы Проектирование системы инструментообеспечения Проектирование системы ремонта и обслуживания оборудования

Проектирование системы обеспечения качества производства Проектирование системы охраны труда персонала Проектирование системы управления производством

Критерий оптимальности достигнут?

Нет

Да Конец

Рис. 1. Алгоритм проектирования механосборочного производства предприятия Индустрии 3.0

приборостроения. Значение показателя подлежит минимизации при изначально заданной программе выпуска изделий на предприятии и определяется по формуле [3] Эп р = N М ( E + α )Fi  M    = ∑  N j (δ + β )S ст ∑  Tij + H ∑ Aij ai  → min, FЭ j =1  i =1   i =1 

где j — порядковый номер изготавливаемого на предприятии изделия; N — число изделий, входящих в номенклатуру изготавливаемой на предприятии продукции; Nj — число выпускаемых на предприятии за год изделий j-го типа; δ — коэффициент, зависящий от заработной платы работников предприятия; β — величина накладных расходов, в которую также включены затраты на текущий ремонт и техническое обслуживание технологического оборудования предприятия; Sст — величина заработной платы персонала, работающего на производстве предприятия; i — порядковый номер одной из M технологических операций, реализуемых при изготовлении j-го изделия; Tij = Tijст k т — трудоемкость выполнения i-ой технологической операции при изготовлении j-го изделия; Tijст — станкоемкость i-ой технологической операции, т.е. время изготовления j-го изделия, выраженное в станко-часах работы этого оборудования

на предприятии; km — коэффициент обслуживания, определяющий среднее число станков, на которых работает один рабочий; Eн — коэффициент эффективности, характеризующий капитальные вложения на предприятии; α — коэффициент, характеризующий амортизационные отчисления на предприятии; Fi — временной интервал, необходимый для выполнения технологической операции; FЭ — годовой фонд производственного времени на предприятии; Aij — стоимость единицы технологического оборудования, задействованного на i-ой технологической операции при изготовлении j-го изделия; ai — число единиц оборудования, задействованного на i-ой технологической операции. Алгоритм проектирования механосборочного производства предприятия Индустрии 3.0 предполагает последовательное изменение каждого формируемого проектного решения с целью достижения оптимального значения показателя качества результирующего проекта. 3. Алгоритм проектирования механосборочного производства предприятия Индустрии 4.0 Отличительными особенностями алгоритма проектирования механосборочного производства изделий приборостроения, представленного на рис. 2, являются: 151

Вопросы оборонной техники Исходные данные проектирования Начало Договор, техпроцесс Кластеризация деталей и расчет программы выпуска изделий

Проектирование основной части производства

Оценка числа требуемого роботизированно го оборудования

КД, ПД, ТД

Оценка числа и состава производственных участков

Оценка габаритных размеров, массы и материалов изделий

Распределение и компоновка оборудования по участкам

Оценка принтоемкости аддитивных технологий

Оценка требуемой производственной площади

Разработка алгоритмов работы промышленных роботов на участках Выбор топологии вычислительной сети соединения роботов на участках Разработка алгоритма самоорганизации сети на основе IoT Разработка алгоритма обработки цеховых данных на основе BigData Проектирование складской (заготовки, инструмент, готовые изделия) системы Проектирование транспортной системы на участках

Проектирование вспомогательной части производства Оценка требуемого персонала Проектирование системы ремонта и обслуживания оборудования Проектирование системы обеспечения качества производства Проектирование системы охраны труда персонала Проектирование системы управления производством (дополненная реальность) Критерий оптимальности достигнут?

Нет

Да Конец

Рис. 2. Алгоритм проектирования механосборочного производства предприятия Индустрии 4.0

– перераспределение (по отношению к предприятиям Индустрии 3.0) компонентов производственной структуры предприятия между основной и вспомогательной частями производства (включая роль персонала на производстве); – появление новых цифровых информационных и производственных технологий, нового технологического оборудования в процессе изготовления изделий приборостроения. Критерием качества алгоритма проектирования механосборочного производства для предприятий Индустрии 4.0, основанной на принципах цифрового проектирования и производства, может выступать [1, 3] критерий f (W1 , W2 ) → ext , основанный на частных показателях, где W1 — грузопоток (транспортируемая в определенном направлении масса изделий между рабочими позициями производственного участка в единицу времени) производственной линии, W2 — приведенная эффективность выпуска изделий приборостроения: W = N M g l a b → min;  1 ∑∑ j i j =1 i =1  W = N V → max ,  2 где N — годовое число перемещаемых на производственной линии изделий; M — чис152

ло технологических операций, выполняемых роботами при изготовлении j-го изделия; gj — суммарная масса изделий, перемещаемых на производственной линии в годовом исчислении; liab — расстояние между рабочими точками a и b производственной территории участка (цеха), на которое осуществляется транспортирование деталей, полученных в результате выполнения i-ой технологической операции; V — объем помещения производственной территории участка (цеха). Критерий f (W1 , W2 ) , являющийся, по существу, интегральным, используется на практике в качестве показателя качества компоновки технологического оборудования на начальном этапе проектирования механосборочного производства, когда осуществляется поиск проектных решений на уровне исследования возможности применения различных, в том числе и инновационных, технологических методов производства изделий приборостроения. Заключение Внедрение новых цифровых информационных технологий в процессы изготовления изделий приборостроения напрямую влияет на методы проектирования механосборочных про-

сообщения изводств. Сложившиеся десятилетиями методики оказываются сегодня неприемлемыми для создания проектов производственных участков, т.к. токарное, фрезерное и пр. «вычитающее» технологическое оборудование заменяется 3D-принтерами, поддерживающими аддитивные технологии, когда деталь создается методом последовательной объемной печати. Такое оборудование уже сегодня успешно работает как с полимерными материалами, так и с металлами, что открывает перспективы создания роботизированных производств в области изготовления изделий приборостроения. Для создания таких производств требуются новые методы и алгоритмы проектирования, основанные на математической формализации различных этапов изготовления изделий с использованием прогрессивных технологий. Литература 1. Мельников В.П., Вороненко Г.Н. Проек тирование механосборочных цехов: учебник для студентов машиностроительных специальностей вузов / Под ред. А.М. Дальского. — М.: Машиностроение. 1990. 352 с. 2. Шабашов А.А. Проектирование машиностроительного производства: учебное пособие. — Екатеринбург: Издательство Урал. ун-та. 2016. 76 с. 3. Хватов Б.Н. Проектирование машинострои тельного производства: учебное пособие / Б.Н. Хва тов, А.А. Родина. — Тамбов: Издат ельство ФГБОУВПО «ТГТУ». 2013. 144 с. 4. Чарнко Д.В., Хабаров Н.Н. Основы проектирования механосборочных цехов. — М.: Машиностроение. 1975. 352 с. 5. Мартынов В.Г., Масягин В.Б. Применение сетей Петри при моделировании управления технологическим процессом сборочного производства // Омский научный вестник. 2014. № 1 (127). С. 134–137. 6. Мамаев В.С., Осипов Е.Г. Основы проектирования машиностроительных заводов. — М.: машиностроение. 1974. 290 с. 7. Якимович Б.А., Коршунов А.И., Кузне цов А.П. Теоретические основы конструктивно- технологической сложности изделий и структур -стратегий производственных систем машиностроения: монография. — Ижевск: Издательство ИжГТУ. 2007. 280 с.

8. Замятин К.И., Кузнецов А.П. Комбина торный алгоритм синтеза вариантов структур-стратегий производственных систем машиностроения // Вестник ИжГТУ. 2012. № 4. С. 171–173. 9. Дородов А.А., Замятин К.И., Кузнецов А.П. Методы проектирования производственных систем // Вестник ИжГТУ. 2014. № 4 (64). С. 46–50. 10. Андиева Е.Ю., Фильчакова В.Д. Цифровая экономика будущего. Индустрия 4.0 // Приклад ная математика и фундаментальная информатика. 2016. № 3. С. 214–218. 11. Толкачев С.А. Индустрия 4.0 и ее влияние на технологические основы экономической безопасности России // Гуманитарные науки. Вест ник финансового университета. 2017. Т. 7. № 1 (25). С. 86–91. 12. Нежметдинов Р.А., Никишечкин П.А., Ко валев И.А., Червоннова Н.Ю. Подход к построению систем логического управления технологическим оборудованием для реализации концепции «Индустрия 4.0» // Автоматизация в промышленности. 2017. № 5. С. 5–9. 13. Лопухов И. Коммуникационные технологии умного предприятия в рамках концепции Индустрия 4.0 и Интернета вещей // Современные технологии автоматизации. 2015. № 2. С. 36–44. 14. Барвинок В.А., Смелов В.Г., Кокарева В.В., Малыхин А.Н. Построение «умного» производства на базе аддитивных технологий // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2014. № 4. С. 142–149. 15. Назаренко А.П., Сарьян В.К. Технология интернета вещей — мощный катализатор функционирования единого цифрового пространства // Труды научно-исследовательского института Ра дио. 2016. № 4. С. 16–20. 16. Шиков С.А. Проблемы информационной безопасности: интернет вещей // Вестник Мордов ского университета. 2017. Т. 27. № 1. С. 27–40. References 1. Melnikov V.P. Voronenko, G.N. The design of the mechanical assembly shop: a textbook for students of engineering specialties universities / Ed. by A.M. Dali. — M.: Mashinostroenie. 1990. 352 p. 2. Shabashov A.A. Design of machine-building production: textbook. — Ekaterinburg: Publishing house of Ural University. 2016. 76 p. 3. Khvatov B.N. Design of machine-building production: textbook / Ed. by B.N. Khvatov, A.A. Ro 153

Вопросы оборонной техники dina. — Tambov: Publishing house of Tambov state technical University. 2013. 144 p. 4. Charnko D.V., Khabarov N.N. Principles of design of the mechanical assembly shop. — Moscow: Mashinostroenie. 1975. 352 p. 5. Martynov V.G., Masyagin V.B. The use of Petri nets in modeling the control of the technological process of assembly production // Omsk scientific bulletin. 2014. № 1(127). Р. 134–137. 6. Mamaev V.S., Osipov E.G. Fundamentals of designing machine-building plants. — Moscow: Mashinostroenie. 1974. 290 p. 7. Yakimovich B.A., Korshunov A.I., Kuznet sov A.P. Theoretical bases of design and technological complexity of products and structures-strategies of industrial systems of mechanical engineering: monograph. — Izhevsk: Izhevsk state technical University Publishing house. 2007. 280 p. 8. Zamyatin K.I., Kuznetsov A.P. Combinatorial synthesis algorithm variants structure-strategies of production systems engineering // Bulletin of Izhevsk state technical University. 2012. № 4. Р. 171–173. 9. Dorogov A.A. Zamyatin, K.I., Kuznetsov A.P. Methods of design of production systems // Bulletin of Izhevsk state technical University. 2014. № 4 (64). Р. 46–50. 10. Andieva E.Yu., Filchakova V.D. The digital economy of the future. Industry 4.0 // Applied

154

mathematics and fundamental Informatics. 2016. № 3. Р. 214–218. 11. Tolkachev S.A. Industry 4.0 and its impact on the technological bases of economic security of Russia // Humanities. The Bulletin of the financial University. 2017. Vol. 7. № 1 (25), pp.86-91. 12. Nezhmetdinov R.A., Nikesoccer P.A., Kova lev I.A., Cervanova N.Yu. The approach to the con struction of systems of logical control of technological equipment for implementation of the concept «Industry 4.0» // Automation in industry. 2017. № 5. Р. 5–9. 13. Lopukhov I. Communication technologies of smart enterprise within the framework of the conference Industry 4.0 and the Internet of Things // Modern technologies of automation. 2015. № 2. Р. 36–44. 14. Barvinok V.A., Smelov V.G., Kokareva V.V., Malykhin A.N. The construction of «smart» produc tion based on additive technologies // Problems of mechanical engineering and automation. 2014. V. 4. Р. 142–149. 15. Nazarenko A.P., Saryan V.K. Technology of the Internet of Things-a powerful catalyst for the functioning of the single digital space // Proceedings of the Radio research Institute. 2016. № 4. Р. 16–20. 16. Shikov S.A., Problems of information secu rity: the Internet of things // Bulletin of Mordovia University. 2017. Vol. 27. № 1. Р. 27–40.

сообщения

УДК: 614.83; 620.20; 343.326

Обзор существующих современных локализаторов взрыва The review of the explosion localizers existing the modern В.Н. Гунькин V.N. Gunkin ЗАО «НПО СМ» В статье проводится обзор современных локализаторов взрыва Российского и иностранного производства. Приводятся сравнительные характеристики различных локализаторов взрыва. Проводится небольшой анализ различия в конструкции различных локализаторов. Рассматриваются основные достоинства и недостатки различных конструкций. Наиболее подробно автор останавливается на переносных локализаторах взрыва отечественной серии устройств «Фонтан», разработанных в ЗАО «НПО СМ», и их основных конструктивных особенностях. Ключевые слова: локализатор взрыва, взрывное устройство, детонация, осколки, тепловая энергия, ударная волна, поражающие элементы. The review of the modern localizers of explosion of the Russian and foreign production is carried out to articles. It is provided comparative characteristics of various localizers of explosion. The small analysis of difference in a design of various localizers is carried out. The main merits and demerits of various designs are considered. Most explicitly the author stops on figurative localizers of explosion, a domestic series of the Fountain devices developed in Scientific and Production Enterprise «Special Materials Corp.», and their main features. Keywords: the explosion localizer, the explosive device, detonation, chips, thermal energy, shockwave striking elements.

Из года в год мир потрясают целые серии терактов, унося все новые и новые жизни: 3 апреля 2017 г. в петербуржском метро, 23 мая на Манчестерском стадионе, 7 июня на Тегеранской улице. В первую очередь организаторы добиваются медийного эффекта, а потому объектами террористических атак становятся места массового скопления людей: автобусы и торговые центры, самолеты и кинотеатры. Естественно, что одним из наиболее эффектных и эффективных видов теракта остается подрыв самодельного взрывного устройства (ВУ). При детонации происходит мгновенное выделение большого количества тепловой энергии (температура внутри огненного шара достигает 3000°С) и образование ударной волны [1], с чем и связаны основные человеческие жертвы. Решение проблемы должно носить ком-

плексный характер, но что делать, если ВУ уже лежит посреди оживленной улицы? Единственно верным решением остается применение локализатора взрыва, который сможет изолировать устройство и воспрепятствовать разрушающему эффекту. Интернациональная проблема и национальные решения: на рынке присутствуют устройства едва ли не из каждой страны. И хотя проанализировать каждое не получится, рассмотреть наиболее типичные и, наоборот, оригинальные стоит попробовать. Взрывобезопасные контейнеры (стационарные и на колесной базе) Взрывобезопасные контейнеры (ВК) представляют собой камеры из броневых материалов, 155

Вопросы оборонной техники а потому некоторые из них позиционируются как многоразовые. Мощность поглощаемого взрыва ограничивается массой устройства. Существуют ВК закрытого и полуоткрытого типа. В последних взрывная волна направляется вверх и может повлечь дополнительные разрушения [2]. Нередко в ВК интегрируются дополнительные системы, расширяющие функционал. Чаще всего это колесная база для облегчения транспортировки — многие приспособления имеют внушительный вес и размеры. Помимо массы бесспорным недостатком остается необходимость переноса опасного устройства в контейнер [2], а также возможность образования вторичных осколков при сверхрасчетных нагрузках. Последнее особенно важно, когда локализатор необходимо использовать в спешке, сразу же после обнаружения бомбы. Как часто есть возможность измерить массу взрывного вещества и вычислить, что перед нами — тротил или, к примеру, более мощный гексоген? В данной категории примечательна шведская фирма «DynaSafe», предлагающая широкий ассор тимент локализаторов разных размеров, рис. 1. С одной стороны — мобильные устройства вроде «DynaSEARL P3», локализирующие символические 150 г ТНТ. С другой — тяжелые (до 4,6 т), дорогие и высокотехнологичные системы на колесной раме («DynaSEARL E12-WFR», «DynaSEARL X12-HTR» и др., табл. 1), с встроенной системой нагрева (до 350°С), с интегрированными манипуляторами и системой дистанционного управления [3]. Подобную стратегию пытаются реализовывать в серии отечественных взрывозащитных ка-

мер ЭТЦ, рис. 2. Хотя здесь не устанавливаются роботизированные и прочие высокотехнологичные системы, заявленная масса нейтрализуемого ВВ сопоставима, а принцип действия аналогичен. Присутствуют переносные модели, на низкопрофильной транспортной тележке, на колесной базе, табл. 2. Контейнеры сохраняют герметичность, снабжены клапаном для сброса давления, приспособлены для ремонта. Недостатки — дороговизна и ограниченная зона применения. Необычное решение представляет компания «Belfortex Ltd.», поставившая на трейлер металлический контейнер с корзиной из композита, «рассыпающегося в песок» при сверхрасчетных нагрузках [4], рис. 3. Впрочем, внешние элементы корпуса все равно представляют опасность. Гораздо чаще на рынке встречается конструкция вроде Isolation Unit британской «SDMS» — стальной контейнер c губкообразным материалом внутри [5], рис. 4. Стенки из металла и массивные замки — идеальные поражающие элементы. Конечно же, это не значит, что абсолютно все ВК опасны как источник осколков. Существует ряд безопасных устройств из серии «Golan» производства «Mistral Security», однако их надежность приходится обеспечивать таким коэффициентом запаса, что локализаторы превращаются в стационарные [6], рис. 5. На российском рынке ВК представлены уходящим в историю «ПЛУТОН-1» (оснащен демпфирующим устройством из композитов) и сравнительно новым ВЗК-01 [7], рис. 6. Оба выполнены в виде урн. В последнем опасность раз-

Рис. 1. Серия локализаторов взрыва «DynaSEARL». Слева направо: X10-LTS, X12-HTS, E12-WFR, P3 Таблица 1

Линейка устройств «DynaSEARL» Устройство/ Характеристика Масса ТНТ, кг Масса устройства, кг

156

E4-WFT

E12-WFR

X12-LTS

X12-HTR

0,15

0,25

170

4600

3200

3800

сообщения

Рис. 2. Серия отечественных взрывозащитных камер ЭТЦ. Слева направо:ЭТЦ-2, ЭТЦ-3, ЭТЦ-3М, ЭТЦ-4 Таблица 2

Линейка устройств ЭТЦ Устройство/ Характеристика

ЭТЦ-1

ЭТЦ-2

ЭТЦ-3

ЭТЦ-3М

ЭТЦ-4

Масса ТНТ, кг

0,01

0,4

0,85

1,5

Масса устройства, кг

2,2

170

320

700

Рис. 3. Belfortex Trailer 1001BF

Рис. 4. SDMS Isolation Unit

рыва камеры при избыточном давлении устраняется крышкой, установленной на металлические резьбовые соединения, при срыве которой взрыв делается направленным. При этом велик риск дополнительных разрушений. Тем более, что над «урной» уже нет никаких препятствий для распространения потока раскаленных газов и огня во все стороны. Если же контейнер лежит на боку, он рискует превратиться в полноценный снаряд. Сравнительная характеристика различных взрывобезопасных контейнеров представлена в табл. 3. Противоосколочные одеяла и эластичные контейнеры Устройства, именуемые «противоосколочными одеялами» в первую очередь предназначены

Рис. 5. ВК серии Golan

для поглощения осколков. Конструкция проста: защитный пакет из высокомодульных тканей и баллистического нейлона [8]. С пакетом скреплены чехлы — внутренний влагостойкий и внешний. Эффективность одеяла зависит от множества факторов: качества и количества слоев баллистической ткани, способа сшивания, дополнительных противоосколочных элементов и пр. [2]. На российском рынке одеяла представлены такими моделями, как «Уют» и «ЛОКОС-2», рис. 7, 8. Если последнее позиционируется как многофункциональное и обещает защитить объект от стрелкового оружия [10], то одеяло «Уют», фиксируется вокруг ВУ с помощью утяжелителей и вдвое уменьшает осколочный поток от гранаты типа РГО на расстоянии 2 м [11]. Из зарубежных решений особый интерес представляет линейка французских локализато157

Вопросы оборонной техники

Рис. 6. ВЗК-01

Рис. 7. Противоосколочное одеяло «ЛОКОС-2» Таблица 3

Характеристика различных ВК Устройство/ Характеристика Масса ТНТ, кг Масса устройства, кг

Belfortex Trailer 101 BF

SDMS Isolation Unit

Golan 15

Golan 25

ПЛУТОН-1

ВЗК-01

0,6

0,4

1910

100

более 2000

более 3000

45,3

ров Bomb Killer с отдельными моделями для применения в общественных местах, на воздушных судах, в почтовых отделениях и пр. Благодаря мобильности и простоте в использовании Bomb Killer, рис. 9, добились успехов на европейском рынке, хотя устройства рассчитаны на подавление осколочной струи, а не ударной волны [12]. В эластичных контейнерах (ЭК) для локализации взрыва применяется техника жидкостного подавления взрыва, рис. 10. ЭК заполняется невоспламеняемой жидкостью или полужидкой средой (значительную долю нередко составляет вода или водный раствор гликоля). Взрывное устройство накрывается контейнером и ограждается от внешнего мира.

Существуют однокамерные и многокамерные ЭК, но обычно модели похожи. В качестве типовых отметим британский LBA (уже вытесненный более эффективными конкурентами) [13] и его российский аналог «Ингибитор 1М», рис. 11. Сравнительная характеристика различных про тивоосколочных одеял и локализаторов взрыва с эластичными контейнерами представлена в табл. 4. Переносные локализаторы взрыва Из всех видов противовзрывных устройств переносные локализаторы взрыва (ПЛВ) остаются наиболее сбалансированным решением. Здесь нет ни первой крайности (дороговизны и

Рис. 8. Применение противоосколочного одеяла «УЮТ»

158

сообщения

Рис. 9. Французский локализатор Ground Bomb Killer

Рис. 10. Французский локализатор Sky Marshall Bag с эластичными контейнерами

неповоротливости), ни второй (низкого защитного эффекта и малой массы нейтрализуемого ВВ). ПЛВ представляют собой контейнеры (из огнеупорного или специального материала, гасящего взрыв), изолирующие ВУ (бомба накрывается или кладется в локализатор), и в случае взрыва разрушающиеся элементы локализатора минимизируют при этом ударный и осколочный эффекты. На рынке присутствуют модели вроде Scanna Blast Container — в качестве внешней оболочки используется стеклопластиковая трубка, покрытая композитом гелькоутом, а в качестве внутренней — огнеупорный пластик, рис. 12. Несмотря на значительную для данного типа массу, устройство рекомендуется использовать вместе с противоосколочным одеялом [14]. Другой пример — QuinetiQ Frag Bag, легкое портативное устройство для нейтрализации небольших ВУ, обнаруженных, в частности, в почтовых посылках [15], рис. 13. Но одним из самых качественных представителей ПЛВ уже не первый год остается линейка отечественных устройств «Фонтан», разрабо-

Рис. 11. Локализатор с эластичными контейнерами «Ингибитор 1М»

танная в ЗАО «НПО Специальных материалов», рис. 14. В их основе лежит запатентованная технология, базирующаяся на эффекте ГельфандаСильникова: затухании, размытии и выполаживании фронта ударной волны за счет диссипации энергии взрыва многофазной газожидкостной релаксационной средой [15]. Именно эта технология позволяет сделать «Фонтан» не просто эффективным, но оптимальным решением со следующими особенностями: – крайне эффективным погашением фугасного, термического и термобарического действия взрыва [16]; – значительным уменьшением осколочного потока (около 80% осколков) [17]; – полным отсутствием поражающих элементов в конструкции; – возможностью использования для изоляции усиленных ВУ (устройства «Фонтан-1 05К» и «Фонтан 05У», рассчитанные на локализацию 0,5 кг ТНТ, на испытаниях успешно нейтрализовали термическое воздействие взрыва даже 1,5 кг ТНТ [18]);

Характеристика различных противоосколочных одеял и локализаторов взрыва с эластичными контейнерами

Таблица 4

Ground Bomb Killer

Sky Marshall Bomb Killer

LBA Inhibitor

Ингибитор-1М

ЛОКОС-2

Уют

Letter Bomb Killer

Масса ТНТ, кг

0,2

0,3

0,5

от 0,3 до 2,5

0,4

Масса устройства, кг

53,2

от 13 до 70

Устройство/ Характеристика

159

Вопросы оборонной техники

Рис. 12. Переносной локализатор взрыва Scanna Blast Container

Рис. 13. Переносной локализатор взрыва QuinetiQ Frag Bag

Рис. 14. Серия локализаторов «Фонтан-2». Слева направо: 20У, 3М2, 10У, 05У

Рис. 15. Серия устройств «Фонтан-1». По возрастанию ТНТ: 05К, 10К, 20К

Рис. 16. «Фонтан-3 МК-2000»

Рис. 17. «Фонтан-4 МК-500

160

сообщения Характеристика переносных локализаторов взрыва иностранного производства Устройство/ Характеристика

Таблица 5

Scanna Blast Container

QuinetiQ Frag Bag

Масса ТНТ, кг

0,5

0,56

Масса устройствава, кг

Характеристика переносных локализаторов взрыва серии «Фонтан» Устройство/ Характеристика

Таблица 6

Фонтан-1 05К

Фонтан-1 50К

Фонтан-2 05У

Фонтан-2 50М

Фонтан-3 МК-2000

Фонтан-4 МК-500

Масса ТНТ, кг

0,5

Масса устройства, кг

200

220

– наличием широкого ассортимента (унитарного и контейнерного типа, с крышкой, различной формы и размера, модели для разной массы ВВ), рис. 15; – возможностью применения в местах массового скопления людей, в тесных помещениях, в наземном транспорте (разрабатывается устройство для эксплуатации под водой); – возможность применения на воздушных судах (модели МК-500, МК-2000) [19], рис. 16; – мобильностью и простотой при транспортировке, рис. 17; – совместимостью с рентгеновскими установками [20] и роботизированными системами; – возможностью эксплуатации людьми без специальных навыков; – сравнительно простым и быстрым производством; – возможностью использования в широком температурном диапазоне (от – 30°С до + 45°С); – большим сроком хранения (гарантийный срок: 5 лет) [21]. Характеристики различных переносных локализаторов взрыва иностранного производства, а также характеристики переносных локализаторов взрыва серии «Фонтан» представлены в табл. 5 и 6. Литература 1. Сильников М.В., Гельфанд Б.Е. Фугасное действие взрыва. Астерион. — СПб., 2007. 136 с.

2. Козлов А.В., Титов А.М., Петров А.В. «Фон тан» погасит взрыв // Защита и безопасность. № 1 (4). 1998. С.22– 23. 3. URL: www.dynasafe.com/protection-systems/ state-art-eod (дата обращения: 12.02.18). 4. URL: www.en.belfortex.com/page/show/76 (да та обращения: 12.02.18). 5. URL: www.sdms.co.uk/products/explosiveisolation-unit (дата обращения: 12.02.18). 6. URL:www.mistralsecurityinc.com/our-products/ blast-management-systems (дата обращения: 13.02.18). 7. URL:pk-atlant.ru/catalog/item/vzryvozashit naya-kamera-vzk-01?category _id=40 (дата обращения: 13.02.18). 8. Орлов А.В. Бомба в «Фонтане» и под одеялом. Защита и безопасность. № 4 (11). 1999. С. 46–47. 9. URL: http://www.bnti.ru/des.asp?itm=4877&tbl= 02.01.02.01 (дата обращения: 13.02.18). 10. URL:www.npo-sm.ru/sredstva_zashity_ot_ vzryva/protivooscochnoeodeya-lo_uyut (дата обращения: 13.02.18). 11. URL: www.semaworld.com/en/anti-bombe (дата обращения: 13.02.18) 12. URL: www.lbainternational.com/bomb_inhi bitor.htm (дата обращения: 13.02.18). 13. URL: www.scanna-msc.com/uk/shop/blastcontainer (дата обращения: 13.02.18). 14. URL: www.qinetiq-na.com/products/militaryp rotection/frag-bag (дата обращения: 13.02.18). 15. Гельфанд Б.Е., Сильников М.В. Фугасные эффекты взрывов. Издательство «Полигон». — СПб., 2002. 272 с. 161

Вопросы оборонной техники 16. Васильев Н.Н., Данилов Н.А., Дмитри ев В.Я., Спивак А.И., Шишкин В.Н. К вопросу исследования закономерностей снижения уровня избыточного давления на фронте воздушной ударной волны устройством для защиты от взрыва «Фонтан» // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2014. Вып. 9–10. – С. 61–64. 17. Шишкин В.Н. Влияние параметров ус тройств для защиты от взрыва «Фонтан» на осколочный поток при взрыве самодельных взрывных устройств // Актуальные проблемы защиты и безопасности. Труды XX Всероссийской научно-практической конференции. Т. 2. Издательство НПО СМ. — СПб. 2017. С. 254–258. 18. Cильников М. В., Васильев Н.Н., Дани лов Н.А., Дмитриев В.Я., Спивак А.И., Шишкин В.Н. Экспериментальное исследование снижения фугасного действия взрыва устройствами для защиты от взрыва «Фонтан» при срабатывании усиленных зарядов // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2013. Вып. 11–12. С. 28–36. 19. Новожилов Г.В., Сильников М.В., Терен тьев В.И. «Фонтан» в стратосфере // Защита и безопасность. № 4 (34). 2005. С. 23–25. 20. Шишкин В.Н., Данилов Н.А. К вопросу возможности совместного использования рентгеновской досмотровой техники и устройства для защиты от взрыва «Фонтан» // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2012. Вып. 11–12. С. 7–15. 21. Устройство для защиты от взрыва «Фон тан-2». Технические условия. ТУ 0989-04731041642-05. References 1. Silnikov M., Gelfand B. Propellant effect of explosion. Asterion. — St.-Petersburg. 2007. 136 p. 2. Kozlov A., Titov A., Petrov A. «Fontan» will turn off an explosion. Protection and security. Issue № 1 (4). 1998. P. 22– 23. 3. URL: www.dynasafe.com/protection-systems/ state-art-eod (reference date: 12.02.18). 4. URL: www.en.belfortex.com/page/show/76 (reference date: 12.02.18). 5. URL: www.sdms.co.uk/products/explosiveisolation-unit (reference date: 12.02.18). 6. URL:www.mistralsecurityinc.com/our-products/ blast-management-systems (reference date: 13.02.18).

162

7. URL:pk-atlant.ru/catalog/item/ryvozashitnayakamera-vzk-01?category_id=40 (reference date: 13.02.18). 8. Orlov A., Bomb in the «Fontan» and under blanket. Protection and security. № 4 (11). 1999. P. 46–47. 9. URL: http://www.bnti.ru/des.asp?itm=4877&tbl= 02.01.02.01 (reference date: 13.02.18). 10. URL:www.npo-sm.ru/sredstva_zashity_ot_ vzryva/protivooscochnoeodeya-lo_uyut (reference date: 13.02.18). 11. URL: www.semaworld.com/en/anti-bombe (reference date: 13.02.18) 12. URL: www.lbainternational.com/bomb_ inhibitor.htm (reference date: 13.02.18). 13. URL: www.scanna-msc.com/uk/shop/blastcontainer (reference date: 13.02.18). 14. URL: www.qinetiq-na.com/products/militaryp rotection/frag-bag (дата обращения: 13.02.18). 15. Gelfand B., Silnikov M., Blast effects of explosions. «Poligon». — St.-Petersburg. 2002. 272 p. 16. Vasilyev N., Danilov N., Dmitriyev V., Spivak A., Shishkin V. Question of study of the laws of reducing the excess pressure level at the front of the air shock wave by the explosion protection device «Fontan». Military enginery. Series 16. 2014. Issue № 9–10. P. 61–64. 17. Shishkin V. Influence of explosion protection devices «Fontan» parameters on a fragmentary stream at explosion of improvised explosive devices. Actual problems of protection and security. Proceedings of the XX all-Russian scientific-practical conference. B. 2. NPO SM. — St.-Petersburg. 2017. P. 254–258. 18. Silnikov M., Vasilyev N., Danilov N., Dmitriyev V., Spivak A., Shishkin V. Experimental study of reducing the propellant effect of explosion by explosion protection devices «Fontan» within the deployment of the amplified charges. Military enginery. Series 16. 2013. № 11–12. P. 28–36. 19. Novozhilov G., Silnikov M., Terentyev V., «Fontan» in the upper atmosphere. Protection and security. № 4 (34). 2005. P. 23–25. 20. Shishkin V., Danilov V. Question of the possible joint use of x-ray inspection equipment and explosion protection device «Fontan». Military enginery. Series 16. № 11–12. NPO SM. — St.Petersburg. 2012. P. 7–15. 21. Explosion protection device «Fontan-2». Technical regulations. TR 0989-047-31041642-05.

сообщения

УДК: 504.064.2

Оценка внутреннего облучения населения Санкт-Петербурга и Ленинградской области EVALUATION OF INTERIOR IRRADIATION OF POPULATION OF SAINT-PETERSBURG AND LENINGRAD REGION А.М. Петрова1, И.К. Панчук2, д-р техн. наук В.В. Яковлев3 A.M. Petrova, I.K. Panchuk, V.V. Yakovlev ООО «ЭКОПЛЮС», 2ЗАО «НПО СМ», 3СПб ПУ Петра Великого

Благодаря открытию явления радиоактивности совершены прорывы во многих сферах человеческой деятельности — в области медицины, различных отраслях промышленности, особенно в энергетике. Однако чем интенсивнее использовалось это явление в продуктах человеческого труда, тем серьезнее становилась опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды. Основной экологической проблемой Санкт-Петербурга и Ленинградской области, требующей решения в настоящее время, является снижение уровня техногенного загрязнения с учетом международных обязательств России. Решить эту проблему невозможно только с помощью природоохранных мероприятий, так как значительная часть предприятий региона использует устаревшие оборудование и технологию. В данной статье авторы проводят оценку внутреннего облучения населения на примере поступления радионуклидов в организм человека с воздухом и продуктами питания. Ключевые слова: радиоактивность, анализ территорий Санкт-Петербурга и Ленинград ской области, мощность дозы, радионуклиды, источники облучения, внутреннее облучение, эффективная доза, эквивалентная доза. Thanks to the discovery of radioactivity phenomenon, there were made breakthroughs in many spheres of human activity, such as the field of medicine, various industries, especially in the energy sector. However, the more intensively this phenomenon was used in the products of human labor, the more serious was the danger of radioactive contamination of the environment. The main environmental problem in St. Petersburg and the Leningrad region, which needs to be solved now, is to reduce the level of man-made pollution, taking into account Russia's international obligations. To solve this problem is impossible only with the help of environmental measures as a significant part of the region's enterprises use obsolete equipment and technology. In this article, the authors assess the internal exposure of the population on the example of radionuclides in the human body with air and food. Keywords: radioactivity, analysis of the territories of St. Petersburg and the Leningrad region, dose rate, radionuclide’s, irradiation sources, internal radiation, effective dose, equivalent dose.

Радиационная обстановка на территории г. Санкт-Петербурга и субъектов РФ складывается в результате анализа воздействия радиационно-опасных объектов, расположенных на данной территории, и требует принятия определенных

мер защиты, способствующих уменьшению радиационных потерь среди населения. Для анализа радиационной обстановки в РФ созданы специальные учреждения, такие как: 163

Вопросы оборонной техники – лаборатория радиационной коммунальной гигиены — обеспечение радиационной безопасности населения, проживающего в районе расположения радиационно-опасных предприятий; – отдел промышленной радиационной гигиены федерального государственного бюджетного учреждения (ФГБУ) ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бур назяна ФМБА России — научное обеспечение радиационной безопасности и защиты персонала организаций атомной промышленности и энергетики, других радиационно-опасных объектов и населения, проживающего в районах их расположения, в условиях нормальной деятельности и аварийных ситуаций [1]; – радиологический отдел ФГБУ «Центральная научно-производственная ветеринарная радиологическая лаборатория». Каждое из этих предприятий имеет статус государственного учреждения, аккредитацию на выполнение широкого спектра услуг. Все виды их деятельности подтверждаются разрешительными документами, а штат лабораторий состоит из высококвалифицированного персонала. Как известно, среди радиоактивных элементов наиболее токсичны для человека и всей экосферы: стронций-90, цезий-137, йод-131. Главную радиационную опасность представляют радиоактивные осадки, которые образовались от более чем 400 ядерных взрывов, произошедших в мире с 1945 по 1996 г., аварий и утечек в ядерно-топливном цикле, а также запасы ядерного оружия и радиоактивные отходы [2]. Проблема радиационной безопасности в Санкт-Петербурге и Ленинградской области обусловлена естественными и техногенными источниками ионизирующего излучения [12]. Для Санкт-Петербурга значимым фактором является несанкционированный транзит и захоронение радиоактивных веществ, а для Ленинградской области — последствие катастрофы на Чернобыльской АЭС в 1986 году, а также наличие грунта, породы которого содержат уран и радон. Природный радиационный фон в Ленинград ской области составляет 13–20 мкР/ч, при преобладающем значении 15 мкР/ч. На территории г. Слан цы зафиксированы 23 участка «радиоактивного загрязнения» (УРЗ), для которых мощность дозы гамма-излучения составляет от 60 до 210 мкР/ч. Это участки, где можно встретить большое количество валунов и глыб гранита, концентрация естествен164

ных радионуклидов (урана, тория, калия) в котором повышена. В связи с тем, что Санкт-Петербург — город, где зарождалась отечественная радиохимия и в разные годы велись интенсивные исследования природных и искусственных радионуклидов, существовали производства радионуклидов и их продукция широко использовалась, причем, вплоть до начала 60 годов, бесконтрольно. К началу планомерных гамма-съемок территория города оказалась интенсивно загрязнена радиоактивными веществами и другими источниками ионизирующего излучения. Многочисленность предприятий и организаций, использующих источники ионизирующего излучения, отсутствие в прошлом должного контроля за их утилизацией и привело к поступлению большого числа источников ионизирующего излучения на полигоны твердых бытовых отходов (ТБО) и несанкционированные свалки. На территории Санкт-Петербурга и Ленин градской области находится 9 радиационно-опасных объектов: 1. Ленинградская АЭС — крупнейший производитель электрической энергии на СевероЗападе России [11]. Станция обеспечивает более 50% энергопотребления Санкт-Петербурга и Ленинградской области. В топливно-энергетическом балансе всего Северо-Западного региона на долю Ленинградской АЭС приходится около 28% [3]. 2. Ленспецкомбинат «Радон» — природоохранное предприятие, обеспечивающее сбор, транспортировку, переработку, кондиционирование и долговременное хранение радиоактивных отходов [4]. 3. Научно-исследовательский технологический институт им. А.П. Александрова (НИТИ) — единственный в России научно-технологический центр комплексных испытаний корабельных ядерных энергетических установок (ЯЭУ), доведения их на стендах-прототипах до требуемого уровня надежности и безопасности. Особенность института заключается во всеобъемлющем охвате концевых технологий создания корабельных ЯЭУ, концентрирующих в себе результаты работы многих научных и конструкторских коллективов. 4. Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (ПИЯФ) — является одним из четырех ядерно-физических центров,

сообщения входящих в состав Национального исследовательского центра «Курчатовский институт». Это многопрофильный научный центр, ведущий фундаментальные и прикладные исследования в области физики элементарных частиц и высоких энергий, ядерной физики, физики конденсированного состояния, молекулярной и радиационной биофизики [5]. 5. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе — является одним из крупнейших научных центров России, в котором ведутся как фундаментальные, так и прикладные исследования в важнейших областях современной физики и технологии. Институт является учреждением Российской академии наук и входит в состав Отделения физических наук [6]. 6. ОАО «Радиевый институт им. В.Г. Хло пина» — старейшая организация, входящая в Госкорпорацию «Росатом», первая в СССР специализированная организация, занявшаяся изучением свойств радиоактивных веществ, разработкой способов их получения и применения. В настоящее время институт проводит исследования ядерно-физического, радиохимического, геохимического и экологического профилей, связанные в основном с проблемами атомной энергетики, радиоэкологии и получения изотопов [7]. 7. Центральный научный исследовательский институт им. академика А.Н. Крылова — является головной и ведущей научно-исследовательской организацией судостроительной отрасли страны и обеспечивает концептуальное обоснование развития торгового и военного флотов, проектирование и строительство кораблей, судов и морских сооружений, их эксплуатацию и утилизацию [8]. 8. Балтийский завод — основан в 1856 году. В течение полутора веков предприятие является одной из ведущих верфей России. За 156 лет было построено более 600 судов и кораблей, среди которых атомные ледоколы и атомные ракетные крейсеры, суда космической связи и специального назначения [9]. 9. Могильник радиоактивных отходов на 21 км Приморского шоссе Ленинградской области — место захоронения отработавших элементов подводных лодок. Существенное значение для региона имеет радоновая проблема. Всего по региону площади с наиболее высокой вероятностью радоно-

опасности занимают 7500 м², с высокой степенью — более 13000 м². На указанных площадях проживает около 80% населения региона, хотя в группу риска попадают лишь жители первых этажей жилых зданий. У населения прослеживается четкая зависимость уровня болезней органов дыхания, сердечнососудистых и онкологических заболеваний, а также общей продолжительности жизни людей от состояния окружающей среды. Болезни органов дыхания занимают первое место среди основных заболеваний и незначительно превышают среднероссийские показатели. Остается высоким уровень заболеваемости взрослого населения по классу расстройств систем пищеварения и обмена веществ. Основные пути поступления радионуклидов в организм человека — это ингаляционный и пищевые цепочки. Наиболее важным и потенциально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов. Этому содействует большая дыхательная поверхность альвеол, площадь которой достигает 100 м² и более. Радиоактивность воздуха обусловлена содержанием в нем радиоактивных газов или аэрозолей в виде пыли, тумана, дыма. Доля радионуклидов, которые задерживаются в дыхательной системе, зависит от размера частиц, минутного объема легких и частоты дыхания. Обмен радиоактивных элементов при поступлении их в легкие с выдыхаемым воздухом определяют три параметра: 1. Размер вдыхаемых частиц (аэрозолей). 2. Склонность радионуклидов к гидролизу и комплексообразованию, от которых зависит путь и скорость их выведения из легких. 3. Период полураспада радионуклида. При вдыхании воздуха радиоактивные вещества, содержащиеся в нем (частицы радиоактивной пыли), задерживаются на всем протяжении дыхательного тракта от преддверия носа, носоглотки, полости рта до глубоких альвеолярных отделов легких. При этом между размером частицы и глубиной ее проникновения имеется зависимость. Чем меньший диаметр частиц, тем относительно меньше их задерживается в верхних дыхательных путях, бронхах и тем больше их проникает в альвеолярные отделы легких, т.е. в те области, где отсутствуют механизмы, кото165

Вопросы оборонной техники рые способны выводить попавшие частицы наружу. Вещества, хорошо растворяющиеся, в основном быстро (за несколько десятков минут) всасываются в кровеносное русло, — этому содействует широкое развитие сети капилляров, через которые и происходит обмен газов в легких. Затем эти вещества в процессе обмена веществ откладываются в определенных органах и системах или выводятся из организма. Вещества, слабо растворяющиеся или не растворяющиеся, оседают в верхних дыхательных путях и выделяются вместе со слизью, после чего с большой вероятностью попадают в желудочно-кишечный тракт (ЖКТ), где всасываются кишечной стенкой. При оценке опасности ингаляционного поступления радиоактивных веществ учитывают лучевую нагрузку на легкие, эпителий бронхов, регионарные лимфатические узлы, на стенку ЖКТ. Второй по значимости путь поступления ра дионуклидов в организм человека — пища и вода. Питательные вещества вместе с фоновыми концентрациями естественных радиоактивных веществ могут быть загрязнены искусственными радионуклидами, которые из внешней среды по биологическим пищевым цепочкам попадают в растения, организмы животных и, наконец, в продукты питания. Дальнейшая судьба радиоактивных веществ зависит от их растворимости в кислой среде желудка. Многие растворимые соединения, в частности соединения плутония, при щелочной среде кишечного сока превращаются в нерастворимые соединения. Возможно и обратное, когда плохо растворимые в воде вещества в жидкой среде ЖКТ превращаются в растворимые компоненты, которые хорошо всасываются в кровь через эпителий кишечника. В организм поступает только некоторая часть радионуклидов, попавших в кишечник, большая часть их проходит «транзитом» и удаляется из кишечника. Радиоактивные вещества, которые в ЖКТ всасываются в количестве менее 1% (коэффициент всасывания менее 0,01) очень быстро удаляются из организма. Так как продолжительность контакта таких веществ с организмом небольшая и осуществляется только в период транзита, то сколько-нибудь значительные дозы излучения не успевают образоваться. Кроме этого, пробег альфа- и бета-частиц в биологических тканях небольшой (для альфа-частиц — десятки 166

микрометров, для бета-частиц — несколько миллиметров). Таким образом, в случае поступления радионуклидов в организм с продуктами питания и водой, когда отдельные участки кишечника поглощают значительную часть энергии излучаемых частиц, ЖКТ становится критическим органом. Однако для того, чтобы оценить воздействие внутреннего облучения человека специалисту необходимо не только использовать приборы, но и знать специально разработанные для этого методики оценки доз облучения населения и уметь применять их на практике. В ходе исследования, которое проводилось авторами статьи самостоятельно, были проведены измерения, обработка и анализ внутреннего облучения населения разных возрастных категорий. Изучались представители взрослого населения, школьники 7–12 лет и дошкольники младшей возрастной группы 1–2 года. При исследовании внутреннего облучения рассматривались изотопы йода и теллура. В ходе изучения данного вопроса были произведены расчеты эффективной дозы и эквивалентной дозы воздействия на щитовидную железу за счет ингаляции радионуклидов и при потреблении продуктов питания. Оценка эффективной дозы внутреннего облучения на щитовидную железу за счет ингаляции радионуклидов проводилась с помощью следующего выражения: Ei = 10−6 ⋅ ∑ Ck ⋅ hk ⋅ Vi ⋅ T , k

(1)

где Ei — ожидаемая эффективная доза у представителей i-ой группы населения от ингаляции, мЗв; Ck — средняя концентрация k-го радионуклида в приземном слое воздуха за время прохождения радиоактивного облака, кБк/м3; hk — взвешивающий коэффициент k-го радионуклида, Зв/Бк; Vi — интенсивность дыхания представителей i-ой группы населения, м3/ч; Т — продолжительность облучения, ч [5]. Средняя интенсивность дыхания для лиц из населения разного возраста при легкой физической нагрузке представлена в табл. 1. Следует иметь в виду, что при тяжелой работе интенсивность дыхания увеличивается в среднем в два раза, а при очень тяжелой до четырех–пяти раз.

сообщения Интенсивность дыхания у лиц разного возраста при легкой физической нагрузке, м3/ч Возраст

Старше 17 лет

10 лет

1 год

1,4

1,1

0,35

Скорость дыхания

Значения взвешивающих коэффициентов при поступлении радионуклидов в организм с воздухом приведены в приложении П-2 к «НРБ2009» для наиболее облучаемых критических возрастных групп [10]. Значение ожидаемой эквивалентной дозы на щитовидную железу у представителей i-ой группы населения от ингаляции Hi,k рассчитывают с помощью выражения H i ,k = ∑ Ck ⋅ hi ,k ⋅ Vi ⋅ T , k

Таблица 1

(2)

где Hi,k — ожидаемая эквивалентная доза облучения щитовидной железы, мЗв; Ck — средняя концентрация k-го радионуклида в приземном слое воздуха за время прохождения радиоактивного облака, кБк/м3; hi,k — дозовый коэффициент для i-ой группы населения и k-го радионуклида (теллур или йод), учитывающий радиологическую чувствительность органа мЗв/кБк; T — продолжительность облучения, ч. Оценка эффективной и эквивалентной доз внутреннего облучения населения за счет потребления продуктов питания была рассчитана и проанализирована на примере концентрации изотопа йода в молоке. Эффективная доза внутреннего облучения населения, обусловленная поступлением с пищей в организм k-го радионуклида, рассчитывается с использованием результатов измерений его удельной активности в потребляемых продуктах. Отбор проб и измерения проводились в моменты времени t1 и t2 — время (в сутках), прошедшее с момента t0 начала потребления радиоактивно загрязненного пищевого продукта (предполагается, что этот момент совпадает с моментом окончания радиоактивных выпадений; t2 должно быть больше t1 на 7–10 сут.). По результатам двух серий измерений определяется эффективный период Тэфф,p,k полуочищения p-го пищевого продукта за счет экологических процессов и радиоактивного распада от k-гo радионуклида

Tэфф, p ,k =

ln 2 ⋅ (t 2 − t1 ) ,  Ck , p (t1 )  ln    Ck , p (t 2 ) 

(3)

где Ck,p(t1) и Ck,p(t2) — средняя удельная активность k-го радионуклида в р-ом пищевом продукте в моменты времени t1 и t2, соответственно, кБк/кг. Далее рассчитывается удельная активность k-го радионуклида в р-ом пищевом продукте на момент окончания выпадений Ck,p(t0) Ck , p (t 0 ) = Ck , p (t1 ) ×

× (exp[ln 2 ⋅ (t1 − t 2 ) / Tэфф, p ,k ]).

(4)

Ожидаемая эффективная доза Еi,k внутреннего облучения представителей i-й группы населения, обусловленная поступлением k-го радионуклида в организм с пищей, рассчитывается по следующим формулам: – за первый месяц после выпадений радиоактивных осадков  Tэфф, p ,k  Ei ,k = d i ,k ∑ Ck , p (t 0 ) ⋅  × p  ln 2    − ln 2 ⋅ 30   ⋅ V p ⋅ K k , p , мЗв ; × 1 − exp    Tэфф, p ,k 

(5)

– за первый год после выпадений  Tэфф, p ,k  Ei ,k = d i ,k ∑ Ck , p (t 0 ) ⋅  × p  ln 2    − ln 2 ⋅ 365   ⋅ V p ⋅ K k , p , мЗв , × 1 − exp   Tэфф, p ,k  

(6)

где Сk,p(t0) — средняя удельная активность k-гo радионуклида в р-ом пищевом продукте на момент окончания радиоактивных выпадений, кБк/кг; Vp — среднее суточное потребление р-го пищевого продукта, кг/сут.; 167

Вопросы оборонной техники di,k — дозовый коэффициент поступления k-го радионуклида в организм жителей с пищей (табл. 2 для трех возрастных групп), мЗв/кБк; Кк,р — значение коэффициента снижения содержания k-го радионуклида в готовом р-ом пищевом продукте по сравнению с исходным, вследствие его кулинарной обработки, отн. ед. приведено в табл. 3; 30 — количество дней в календарном месяце; 365 — количество дней в календарном году. В табл. 3 приведены средние значения суточного потребления пищевых продуктов для взрослого населения средней полосы России. Суточное потребление других продуктов необходимо оценить на основании местных данных. С учетом местных условий этот рацион может корректироваться как по составу, так и по величине потребления.

Следует обратить внимание, что по пищевым цепочкам мигрируют и поступают в организм человека лишь ограниченное число радионуклидов. Это радионуклиды йода, цезия, стронция. Они быстро всасываются в кровь при прохождении через желудочно-кишечный тракт. Большинство остальных радионуклидов, поступающих с поверхностно загрязненными продуктами, проходят транзитом через желудочно-кишечный тракт, облучая лишь стенки желудка и кишечника. Поэтому расчеты необходимо производить в первую очередь по этим трем радионуклидам как основным потенциально опасным. Чтобы оценить полную эффективную дозу, необходимо просуммировать результаты расчетов по всем радионуклидам. В ходе проведения исследования была рассчитана эффективная доза внутреннего облучеТаблица 2

Дозовый коэффициент поступления радионуклидов с пищей, мЗв/кБк Радионуклид

Возраст 1–2 года

Возраст 7–12 лет

Возраст > 17лет

Н-3

1,20.10-4

5,70.10-5

4,20.10-5

Sr-90

7,30.10-2

6,00.10-2

2,80.10-2

Cs-137

1,20.10-2

1,00.10-2

1,30.10-2

I-131

1,80.10-1

5,20.10-2

2,20.10-2

Te-131

6,60.10-4

1,90.10-4

8,70.10-5

Таблица 3 Структура рациона питания взрослого населения в средней полосе России и значения коэффициента снижения содержания радионуклида Cs-137 в готовом пищевом продукте вследствие его кулинарной обработки (К) V, кг/сут.

К, отн. ед.

Хлеб пшеничный, включая муку, макаронные изделия

0,27

1,0

Хлеб ржаной

0,12

1,0

Молоко и молокопродукты в пересчете на молоко

0,60

1,0

Мясо и мясопродукты

0,18

1,0

Рыба и рыбопродукты

0,04

1,0

Картофель

0,30

0,8

Овощи и бахчевые

0,26

0,8

Фрукты и ягоды

0,10

1,0

Грибы сырые

0,02

0,5

Продукт

168

сообщения ния за счет поступления I-131 в организм человека с молочными продуктами. Время t1 и t2 были приняты 3 и 12 суток соответственно. Для этих значений средняя удельная активность I-131 в молоке соответствовала значениям Сk,p(t1) = 4,5 кБк/кг, Сk,p(t2) = 1,5 кБк/кг. Значения коэффициентов при поступлении I-131 в организм человека с молочными продуктами имели значения: Vp = 0,6 кг/сут.; di,k = 0,18 (дети 1–2 года), 0,052 (школьники 7–12 лет), 0,022 (взрослые > 17 лет) мЗв/кБк; Кк,р = 1,0 отн. ед. В результате расчетов (табл. 4) было выявлено, что за первый месяц после выпадения осадков образуется меньше, чем через год после выпадения. Следовательно, разные представители населения, проживая на загрязненной территории, за год получают большую дозу облучения, чем в течение первого месяца после выпадения радиоактивных осадков. Средняя ожидаемая у жителей i-ой группы населения эквивалентная доза облучения щитовидной железы Hi за счет поступления I-131 в организм человека с пищевыми продуктами оценивается на основе результатов измерения концентрации изотопа йода в молоке. Так как значения ожидаемой Hi за счет поступления I-131 в организм человека за месяц и за год отличаются незначительно, оценивается одно его значение. Предварительная оценка ожидаемой эквивалентной дозы облучения щитовидной железы

выполняется на основе измерения концентрации I-131 в молоке, выполненных в момент времени t1 (3–5 сут. после окончания радиоактивных выпадений). Расчет значения Hi выполняются по формуле H i = 12 ⋅ hi ⋅ Vi ⋅ C (t1 ).

(7)

Здесь C(t1) — средняя концентрация I-131 в пробах молока, измеренная в течение 3–5 дней после окончания радиоактивных выпадений, кБк/л; Vi — среднее суточное потребление молока представителями i-ой группы населения, л/сут. (табл. 5); hi — дозовый коэффициент для представителей i-ой группы населения, равный: hi = 3,6 мЗв/кБк для детей возраста 1–2 года; hi = 1,0 мЗв/кБк для подростков 7–12 лет; hi = 0,43 мЗв/кБк для взрослых. Окончательная оценка ожидаемой эквивалентной дозы облучения щитовидной железы Hi выполняется на основе не менее 3 дополнительных измерений концентрации йода в молоке С(t2), С(t3), С(t4), выполненных в течение 10–20 дней после окончания радиоактивных выпадений с интервалом 3–5 дней. По результатам измерений в моменты времени t2, t3 и t4 определяется значение эффективного периода полуочищения молока за счет экологических процессов и радиоактивного распада Т1,

Таблица 4 Результаты расчета эффективной дозы внутреннего облучения за счет поступления I-131 в организм человека с молочными продуктами Время поле выпадения осадков I-131

Представители населения Дети 1–2 года

Школьники 7–12 лет

Взрослые (старше 17 лет)

Через месяц

1,293

0,374

0,158

Через год

1,327

0,383

0,162

Среднее суточное потребление молока в зависимости от возраста, л/сут.

Таблица 5

Возраст, лет

Сельское население

Городское население

1–2

0,60

0,40

8–12

0,45

0,30

более 17

0,60

0,30

169

Вопросы оборонной техники где t2, t3 и t4 — время, прошедшее с момента окончания радиоактивных выпадений, сут. (t2 < t3 < t4). На основании измерений концентрации I-131 в молоке (С(t2), С(t3), С(t4) вычисляются три значения Hi согласно выражению H i = 1,6 ⋅ hi ⋅ Vi ×

C (t k ) ⋅ (T 1 − T 2 ) × , tk  tk    exp − 0 ,693⋅  − exp − 0 ,693⋅  T1  T2  

(8)

где tk принимает значения, соответствующие значениям t2, t3 и t4, сут.; T2 = 1,5 сут. — период полуочищения. Окончательное значение Hi рассчитывается как среднее арифметическое из трех значений, полученных по формуле (8) на основе трех измеренных значений концентрации изотопа I-131 в пробах молока. В ходе исследования было определено предварительное и окончательное значение эквивалентной дозы в щитовидной железе у взрослых жителей сельского населенного пункта при заданной концентрации I-131 в пробах молока через 3, 12, 15 и 20 сут. после окончания радиоактивных выпадений: С(3) = 4,5 кБк/л; С(12) =1,5 кБк/л; С(15) = 0,6 кБк/л и С(20) = 0,45кБк/л. Tэфф (12 → 15) =

ln 2 ⋅ (15 − 12) = 2 ,3 дня; 1,5 ln    0 ,6 

Тэфф(12→20) = 4,6 дня; Тэфф(15→20) = 12 дней; 1 Т эфф = 6,3 дня.

H i (1) = 1,6 ⋅ 0 ,43 ⋅ 0 ,6 ×

1,5 ⋅ (6 ,3 − 1,5) = exp(− 0 ,693⋅ 12 ÷ 6 ,3) − exp(− 0 ,693⋅ 12 ÷ 1,5) = 11,3 мЗв ; H i (2 ) = 1,6 ⋅ 0 ,43 ⋅ 0 ,6 ×

170

0 ,6 ⋅ (6 ,3 − 1,5) = exp(− 0 ,693⋅ 15 ÷ 6 ,3) − exp(− 0 ,693⋅ 15 ÷ 1,5) = 6 ,2 мЗв ;

H i (3) = 1,6 ⋅ 0 ,43 ⋅ 0 ,6 ×

0 ,45 ⋅ (6 ,3 − 1,5) = exp(− 0 ,693⋅ 20 ÷ 6 ,3) − exp(− 0 ,693⋅ 20 ÷ 1,5) = 8,1 мЗв.

Окончательное значение эквивалентной дозы в щитовидной железе у взрослых жителей сельского населенного пункта по результатам измерений концентрации I-131 в пробах молока Hi =

(11,3 + 6,2 + 8,1) 3

= 8,6 мЗв.

После анализа результатов расчетов были сделаны выводы о малой концентрации радионуклидов в организме человека за счет ингаляции и потребления продуктов питания. Полученные данные не превышают установленных в соответствующих нормативных документах показателей. Литература 1. Клиника ФГБУ ГНЦ ФМБЦ им. А.И. Бур назяна ФМБА России [Электронный ресурс] Электрон. дан. Режим доступа: http://www. fmbcfmba.ru/about/structure/multidisciplinaryclinic/clinical-units/, свободный.- загл. С экрана. 2. Справочник по экологии [Электронный ре сурс] Электрон. дан. Режим доступа: http://ruecology.info/term/77018/, свободный. загл. С экрана. 3. РосЭнергоАтом. Ленинградская АЭС. Общая информации [Электронный ресурс] Электрон. дан. Режим доступа: http://lennpp. rosenergoatom.ru/, свободный. загл. С экрана. 4. ФГПУ ЛЕНСПЕЦКОМБИНАТ «РАДОН». Общие сведения о предприятии [Электронный ресурс] Электрон. дан. Режим доступа: http:// radon-lenspetskombinat-fgpu-spb.rosfirm.ru/, свободный. загл. С экрана. 5. Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт» Федеральное государственное бюджетное учреждение Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова. Общая информация. [Электронный ресурс] Элек трон. дан. Режим доступа: http://www.pnpi.spb.ru/, свободный. загл. С экрана. 6. Физико-технический институт им. А.Ф. Иоф фе. Общая информация. [Электронный ресурс]

сообщения Электрон. дан. Режим доступа: http://www.ioffe. ru/, свободный. загл. С экрана. 7. Свободная энциклопедия Википедия. ОАО «Радиевый институт имени В.Г. Хлопина» [Элек тронный ресурс] Электрон. дан. Справочноинформационный портал «Википедия.орг» Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Радиевый_институт_ имени_В._Г._Хлопина, свободный. загл. С экрана. 8. ФГУП «Крыловский государственный научный центр». Общая информация. [Электронный ресурс] Электрон. дан. Режим доступа: http:// krylov-center.ru/rus/, свободный. загл. С экрана. 9. Балтийский завод. Общая информация. [Электронный ресурс] Электрон. дан. Режим доступа: http://www.bz.ru/ru/about.html, свободный. загл. С экрана. 10. Резвая Г.Л. Радиация вокруг нас. Опасно ли это? — Мн.: Наш город. 1998. 128 с. 11. Михайлин А.И., Сильников М.В. Средс тва физической защиты АЭС // Вопросы оборонной техники. Серия 16. 2014. № 1–2. С. 3. 12. Захматов В.Д., Гуменюк В.И., Черны шов М.В. Путь повышения степени защиты атомных электростанций в россии путем быстрого внедрения качественно новых систем безопасности // Сборник научных трудов VIII Всероссийской научно-практической конференции. Санкт-Петербургский политехнический уни верситет Петра Великого. 2016. С. 6–11. References 1. Clinic of FGBU SSC A.I. Burnazyan FMBA of Russia [Electronic resource] – Electronic data Access mode: http://www.fmbcfmba.ru/about/ structure/multidisciplinary-clinic/clinical-units/, free. from the screen. 2. Reference book on ecology [Electronic resource] Electronic data. Access mode: http://ruecology.info/term/77018/, free. from the screen. 3. Rosеnergoаtom. Leningrad NPP. [Electronic resource] Electronic data. Access mode: http:// lennpp.rosenergoatom.ru/, free. from the screen.

4. FGPU LENSPETSKOMBINAT «RADON». General information about the company [Electronic resource] Electronic datа. Access mode: http:// radon-lenspetskombinat-fgpu-spb.rosfirm.ru/, free. from the screen. 5. National Research Center «Kurchatov Insti tute» Federal State Budgetary Institution Petersburg Nuclear Physics Institute. B.P. Konstantinova. General information. Electronic resource] Electronic data. Access mode: http://www.pnpi.spb.ru/, free. rom the screen. 6. Physico-Technical Institute named AF Ioffe. General information. [Electronic resource] Electronic data. Access mode: http://www.ioffe.ru/, free. from the screen. 7. Wikipedia, the free encyclopedia. Open joint-stock company «Radium Institute named VG Khlopin» [Electronic resource] Electronic data. Information portal «Wikipedia.org». Access mode: http://ru.wikipedia.org/wiki/Радиевый_институт_ имени_В._Г._Хлопина, free. from the screen. 8. FSUE «Krylov State Research Center». General information. [Electronic resource] Electronic data. Access mode: http://krylov-center.ru/rus/, free. from the screen. 9. The Baltic factory. General information. [Electronic resource] Electronic data. Access mode: http://www.bz.ru/ru/about.html, free. from the screen. 10. Rezvaya G.L. Radiation around us. Is it dangerous? — MN.: Nash Gorod. 1998. 128 p. 11. Mikhaylin A.I., Silnikov M.V. Means of physical protection of nuclear power plants. Questions of defense technology. Series 16. 2014. № 1–2. P. 3. 12. Zakhmatov V.D., Gumenyuk V.I., Cherny shov M.V. The way to increase the degree of protection of nuclear power plants in Russia through the rapid introduction of qualitatively new security systems // Collection of proceedings of the VIII All-Russian Scientific and Practical Conference. St. Petersburg Polytechnic University of Peter the Great. 2016. Р. 6–11.

171