zunia.vn

Tuyển sinh 2024 dành cho Gen-Z

zunia.vn

» Kỹ Thuật - Công Nghệ

» Tự động hoá

Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser

Chia sẻ: ViDoha2711 ViDoha2711 | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Báo xấu

30
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết trình bày giải pháp tối ưu tham số cho hệ quang ngòi nổ laser gắn trên tên lửa. Dựa vào cấu trúc của hệ quang và điều kiện phù hợp giữa vùng quan sát quang và vùng sát thương đã đưa ra điều kiện góc nghiêng chùm tia laser phát, phụ thuộc các tham số của hệ quang.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser

Nghiên cứu khoa học công nghệ TỐI ƯU HÓA THAM SỐ CHO HỆ QUANG NGÒI NỔ LASER Nguyễn Đức Thi1*, Nguyễn Trường Sơn2, Trần Hoài Linh3, Trần Xuân Tình4 Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp tối ưu tham số cho hệ quang ngòi nổ laser gắn trên tên lửa. Dựa vào cấu trúc của hệ quang và điều kiện phù hợp giữa vùng quan sát quang và vùng sát thương đã đưa ra điều kiện góc nghiêng chùm tia laser phát, phụ thuộc các tham số của hệ quang. Bằng thủ thuật giảm biến và tối thiểu hóa sai số, các giá trị tham số quang học tối ưu đã được xác định bằng các biểu thức tường minh, phụ thuộc vào điều kiện ban đầu ứng với tham số kỹ chiến thuật của tên lửa mang đầu nổ laser. Quá trình xác định giá trị tối ưu đã được phần mềm hóa áp dụng cho một số loại tên lửa phòng không có góc nghiêng chùm tia laser khác nhau. Kết quả nhận được có thể áp dụng trong tính toán và thiết kế ngòi nổ laser phù hợp với các tên lửa phòng không khác nhau. Từ khóa: Ngòi nổ laser; Hệ quang; Tên lửa phòng không. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngòi nổ laser là ngòi nổ lắp trên bom, tên lửa được điều khiển và kích nổ bằng chùm tia laser. Hiện nay, kỹ thuật ngòi nổ laser đã đạt được nhiều thành tựu đáng chú ý như khả năng chống nhiễu, độ chính xác cao [1, 2, 3]... Ngòi nổ laser ngày càng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống vũ khí tiên tiến, hiện đại. Chính vì thế, việc nghiên cứu phát triển ngòi nổ cho vũ khí phòng không là một yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực đảm bảo an ninh quốc phòng. Trong ngòi nổ laser, hệ thống quang học thu phát laser đóng vai trò quyết định đến khả năng làm việc của hệ thống. Trong quá trình điều khiển ngòi nổ laser, việc xác định vị trí, thời điểm nổ nhằm nâng cao độ sát thương rất quan trọng, điều này thể hiện hiệu quả tác chiến của vũ khí. Một số công trình trước đây đã trình bày về công nghệ ngòi nổ laser và ứng dụng của nó, nhưng bí mật hoàn toàn về phương pháp điều khiển và những tính toán tối ưu các tham số quang cho cho ngòi nổ laser gắn vào các tên lửa khác nhau [3, 4]. Trong tài liệu [6], ảnh hưởng của các tham số quang lên góc nghiêng, vùng quan sát của đầu nổ đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, việc lựa chọn bộ tham số quang tối ưu sao cho vùng quan sát phù hợp với vùng sát thương của mỗi loại tên lửa khác nhau là bài toán cần giải quyết khi thiết kế đầu nổ laser, đây là cơ sở cho tính toán thiết kế trong thực tế. Bài báo này sẽ trình bày nguyên lý điều khiển nổ cơ bản, nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ điều khiển laser, trên cơ sở đó, đi sâu vào việc tính toán tham số tối ưu cho hệ quang học của ngòi nổ laser. Trong mục 2, trình bày điều kiện mảnh phần chiến đấu sau khi nổ gặp mục tiêu, tính toán tìm giá trị tối ưu cho tham số quang. Đây là kết quả nghiên cứu mang tính cơ sở, hữu ích cho các nghiên cứu trong công tác cải tiến, thiết kế ngòi nổ laser. 2. TÍNH TOÁN THAM SỐ TỐI ƯU CHO HỆ QUANG HỌC Một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngòi nổ laser là phải chọn thời điểm kích nổ thích hợp sao cho xác suất tiêu diệt mục tiêu lớn nhất. Để làm được điều đó, hệ quang học phải được thiết kế sao cho tạo được góc nghiêng kt ph phù hợp để vùng quan sát trùng với vùng sát thương (hình 1). Góc nghiêng này là nghiệm của bài toán gặp của mảnh phần chiến đấu và mục tiêu [4, 5]. Như vậy, vấn đề đặt ra là phải tối ưu hóa các tham số trực tiếp tạo ra góc nghiêng  kt ph sao cho sự chồng lấn của vùng hoạt động của ngòi nổ laser với vùng sát thương của đầu đạn là lớn nhất. Xét bộ phận quang học ngòi nổ laser có cấu trúc căn bản như mô tả trong hình 2 [5]. Các trục quang của hai bộ phát - thu laser đối diện trong ngòi nổ được bố trí cùng nằm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 89
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử trong một mặt phẳng kinh tuyến (mặt phẳng ngang của tên lửa phòng không). Để thuận tiện cho việc thể hiện nguyên lý làm việc của một cặp phát – thu laser trong mặt phẳng kinh tuyến trên cùng một hình vẽ, các thông số về chiều rộng trong mặt phẳng kinh tuyến tương ứng của các thành phần diện tích bề mặt mục tiêu được biểu diễn theo tỷ lệ giảm nhỏ tương ứng. phát thu Vùng quan sát  ktph rmin kt pt rmax Vùng sát Vùng quan thương ypt sát mục tiêu Hình 1. Hình dạng vùng sát thương và vùng quan sát của ngòi nổ laser. * lktpt Bộ phận phát Bộ phận thu lkt ph1 lkt th1 S ph  Fph1 Sth  Fth1 f ph1 f th1 f ph 2 fth 2 Fph 2 Fth 2 ymc ph ymc th lkt ph 2 lkt th 2 xmc ph , lkt mc ph A xmc th , lkt mc th  kt ph1  kt th1  kt ph  kt th B C D E G H  kt ph 2  kt th 2 y ph yth K Hình 2. Cấu trúc và tham số của ngòi nổ Laser trong mặt phẳng kinh tuyến. Ý nghĩa của các tham số trong hình 2 là: - Các chỉ số “xđ” và “kt” tương ứng cho mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến; “ph” và “th” biểu diễn chỉ số tương ứng với bộ phận phát (BPP) và bộ phận thu (BPT) laser; “mc”, “pt” là màn chắn và pháp tuyến. Sau đây, chỉ nêu các tham số của mặt phẳng kinh tuyến và BPP, các tham số mặt phẳng xích đạo (mặt phẳng đứng), BPT tương tự. - lkt mc ph, lkt mc th[mm]: Độ rộng khe hở (trong mặt phẳng kinh tuyến) của màn chắn phát 90 N. Đ. Thi, …, T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ và của màn chắn thu; - xmc ph[mm]: Khoảng cách từ tâm của màn chắn phát (từ trục quang) đến mép dưới của khe hở (tọa độ x khe hở trên màn chắn phát); - ymc ph[mm]: Khoảng cách từ tiêu điểm sau của hệ thấu kính phát và tâm của màn chắn phát (tính theo trục Oy); -  kt ph1, kt ph2, kt ph[độ]: Các góc nghiêng trong mặt phẳng kinh tuyến của biên gần, biên xa và trung bình của chùm laser ló ra từ BPP laser; - lkt ph1, lkt ph2[mm]: Kích thước của nguồn phát và kích thước nguồn ảnh phát laser. Từ hình 1 và 2, chúng ta có thể rút ra các góc nghiêng kt ph và  kt th của vùng quan sát. Việc tính góc nghiêng kt th được tính tương tự như kt ph nên sau đây bài báo chỉ trình bày cho việc tính cho BPP. kt ph được theo các công thức dưới đây: xmc ph  lkt ph 2 / 2 xmc ph  lkt ph 2 / 2  lkt mc ph  kt ph 1  arctg ;  kt ph 2  arctg (1) ymc ph ymc ph  kt ph 1   kt ph 2 xmc ph  lkt mc ph / 2  kt ph   arctg (2) 2 ymc ph Do yêu cầu về kích thước của hệ quang nên các biến số xmcph , lktmcph , ymcph chỉ thay đổi trong các khoảng từ giá trị đầu “gtd” đến giá trị cuối “gtc” xác định theo góc mở của hệ quang, theo yêu cầu cho trước phụ thuộc vào mục đích sử dụng dụng đầu nổ [6], tương ứng: xgtd  xmcph  xgtc ; ygtd  ymcph  ygtc ; lgtd  lktmcph  lgtc (3) Ứng với mỗi loại tên lửa, để đảm bảo phối hợp vùng hoạt động và vùng sát thương của ngòi nổ, hệ quang có một giá trị  ktph tối ưu riêng, cần xác định các tham số điều khiển xmcph , lktmcph , ymcph để thỏa mãn phương trình (2). Bảo đảm phối hợp ở đây chính là đảm bảo tạo ra góc  ktph tối ưu, góc này là nghiệm của bài toán phối hợp vùng hoạt động của ngòi nổ và vùng sát thương. Dễ dàng nhận thấy, phương trình (2) sẽ có vô số bộ nghiệm xmcph , lktmcph , ymcph , tức là vô số tổ hợp tham số quang học cho một góc nghiêng nhất định. Từ vô số nghiệm đó, chúng ta cần xác định chọn một bộ nghiệm gần trung tâm của các khoảng trong điều kiện (3). Hay nói cách khác, chúng ta cần tìm bộ tham số điều khiển tối ưu có thể. Từ điều kiện (3) các giá trị nghiệm trung tâm được xác định như sau: xgtc  xgtd ygtc  ygtd lgtc  lgtd x0  xgtd  ; y0  ygtd  ; l0  lgtd  (4) 2 2 2 Bộ tham số ( xo , y0 , l0 ) chính là giá trị “trung tâm” trong khoảng thay đổi cho phép. Chúng ta xét bình phương độ lệch của nghiệm phương trình (2) đến giá trị trung tâm, được xác định như sau: d  ( xmcph  x0 )2  (ymcph  y0 )2  (lktmcph  l0 )2 (5) Để thuận lợi trong thể hiện khi biến đổi toán học tiến hành ký hiệu lại như sau: x  xmcph , y  ymcph , l  lktmcph . Như vậy, vấn đề xác định bộ tham số tối ưu cho hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 91
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử quang trên ngòi nổ laser sẽ là vấn đề giải bài toán tối ưu sau: Tìm bộ nghiệm x, y, l sao cho độ lệch nghiệm d là nhỏ nhất, tức là: d  ( x  x0 )2  (y y0 )2  (l  l0 )2  min ; (6) Khi đó, từ (2) và (6) chúng ta sẽ xác định được xl / 2  ktph  arctg (7) y với điều kiện biên xgtd  x  xgtc ; ygtd  y  ygtc ; lgtd  l  lgtc . Đây thực sự là bài toán tối ưu tĩnh. Từ (7) chúng ta dễ dàng suy ra: x l y  (8) tg (  ktph ) 2tg (  ktph ) Các biến số x và l thay đổi trong các khoảng [xgtd , xgtc ] , [lgtd , lgtc ] thì biến số y theo (8) sẽ thay đổi trong khoảng: xgtd  lgtd / 2 xgtc  lgtc / 2 [y*gtd , y*gtc ]  [ , ] (9) tg (  ktph ) tg (  ktph ) Dễ dàng nhận thấy nếu khoảng tính theo công thức (9) và khoảng [ ygtd , ygtc ] theo công thức (3) giao nhau thì việc giải bài toán tối ưu mới có giá trị. Cũng dễ dàng nhận thấy điều kiện hai khoảng trên không giao nhau là: y*gtd  ygtc hoặc ygtd >y*gtc (10) Tiếp theo thay (8) vào (6) có: xl / 2 d  ( x  x0 )2  (  y0 )2  (l  l0 )2 (11) tg (  ktph ) chỉ còn phụ thuộc hai tham số x và l. Từ (11), điều kiện để khoảng cách d đạt giá trị nhỏ nhất ( min ) là: d 2 xl / 2  2( x  x0 )  (  y0 )  0 (12) x tg (  ktph ) tg (  ktph ) d 1 xl / 2  2(l  l0 )  (  y0 )  0 (13) l tg (  ktph ) tg ( ktph ) Giải hệ phương trình (12) và (13) để tìm cặp ( x, l ) tối ưu. Từ phương trình (12) có thể rút ra: 1 xl / 2 ( x  x0 )  (  y0 )  0 tg (  ktph ) tg (  ktph )  l  2tg 2 (ktph ) x0  2tg (ktph ) y0  2(tg 2 (ktph )  1) x (14) Từ phương trình (13) có phương trình sau: 1 xl / 2 2(l  l0 )  (  y0 )  0 (15) tg (  ktph ) tg (  ktph ) Thay l ở phương trình (14) vào phương trình (15) chúng ta nhận được: 92 N. Đ. Thi, …, T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ 2(2tg 2 (  ktph )( x0  x)  2tg (  ktph ) y0  2 x  l0 ) 1 x  tg 2 (  ktph )( x0  x)  tg (  ktph ) y0  x (16)  (  y0 )  0 tg (  ktph ) tg (  ktph ) Bắt Bắt đầu đầu NhËp vµo lgtd ; lgtc ; xgtd ; xgtc ; y gtd ; y gtc ;  ktph TÝnh x0 , y0 , l0 (6) KiÓm tra Đúng Thay đổi dải y * gtd  ygtc hoÆc ygtd  y * gtc tham số y của hệ quang Sai Xác định x, y, l theo (15,16,17) KiÓm tra Sai xgtd  x  xgtc ; ygtd  y  y gtc lgtd  l  lgtc Đúng Đưa ra bộ tham số hệ quang x, y, l Kết Kết thúc thúc Hình 3. Lưu đồ thuật toán phần mềm tính toán tham số tối ưu cho hệ quang. Từ (16) chúng ta rút ra biểu thức cho tham số x, sau đó thay vào (14) rút ra biểu thức cho tham số l và thay chúng vào (8) rút ra biểu thức cho tham số y. Qua một vài biến đổi chúng ta rút ra được các tham số x, y, l như sau: 4tg 2 (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 x (17) [4tg 2 (  ktph )  5] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 93
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử l  2tg 2 (  ktph ) x0  2tg (  ktph ) y0 4tg 2 (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 (18)  2(tg 2 (  ktph )  1) [4tg (  ktph )  5] 2 4tg 2 (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 2tg 2 (  ktph ) x0  2tg (  ktph ) y0 y  tg (  ktph )[4tg 2 (  ktph )  5] 2tg (  ktph ) (19) 4tg 2 (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0  2(tg (  ktph )  1) 2 2tg (  ktph )[4tg 2 (  ktph )  5] Như vậy, ba biểu thức (17), (18), (19) chính là nghiệm của việc giải bài toán tìm giá trị tối ưu của các tham số thỏa mãn phương trình (2) và có khoảng cách ngắn nhất đến tâm ba khoảng giới hạn (3). Các tham số trên phụ thuộc vào, x0, y0, l0, tức là phụ thuộc vào giá trị biên của chúng theo (2), đồng thời phụ thuộc vào góc ktph.  ktph Hình 4. Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser của tên lửa tầm thấp ( ktph yc  5.670 ).  ktph Hình 5. Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser của tên lửa tầm trung ( ktph yc  18.20 ). 94 N. Đ. Thi, …, T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.”
Nghiên cứu khoa học công nghệ Đây có thể coi là bộ tham số tối ưu cho hệ quang của ngòi nổ laser. Tuy nhiên, bộ tham số này phải thỏa mãn điều kiện sao cho không thỏa mãn (10), do đó cần quá trình tính và thử theo lưu đồ thuật toán thể hiện trên hình 3. Dựa vào lưu đồ hình 3, tác giả đã xây dựng code và chương trình phần mềm tính toán tham số tối ưu của hệ quang ngòi nổ laser phù hợp với một số loại tên lửa, với góc nghiêng riêng khác nhau như trên hình 4 và 5. Kết quả tính toán tham số tối ưu của hệ quang cho 3 loại tên lửa khác nhau thể hiện trong bảng 1. Qua ba trường hợp cho thấy, phần mềm đã tìm ra bộ ba tham số quang x, y, l tối ưu, giúp hệ quang của ngòi nổ laser đạt được góc nghiêng  ktph dd bằng góc nghiêng yêu cầu  ktph yc . Trong các trường hợp trên, sai số lớn nhất là 0,28%, sai số này khá nhỏ so với yêu cầu sai số của bài toán gặp. Bảng 1. Các tham số quang tối ưu cho ngòi nổ laser lắp trên ba loại tên lửa với các góc nghiêng khác nhau. STT  ktph  yc Tham số tối ưu (mm)  ktph dd Sai số (độ) x y l (độ) 1 5.670 0.17 5 0.65 5.65386 0.01614 0 2 18.2 0.16 3.3 1.18 18.2002 0.00023 0 3 8.34 0.13 4.23 0.98 8.3425 0.0025 3. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất và thực hiện giải pháp tính toán chọn tham số quang cho đầu nổ laser, trên cơ sở tối giản biến và tối ưu các tham số điều khiển. Giải pháp tính toán đã được thực hiện bằng lưu đồ đánh giá với điều kiện biên cho trước. Thuật toán đã được xây dựng thành phần mềm tính toán tối ưu các tham số quang áp dụng cho một số tên lửa với góc nghiêng xác định. Kết quả cho thấy, các tham số tối ưu xác định được phù hợp với điều kiện góc nghiêng theo yêu cầu. Phần mềm có thể sử dụng làm công cụ trong nghiên cứu, tính toán thiết kế, khai thác ngòi nổ laser của các loại tên lửa phòng không hiện có và trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Thế Mậu (2002), “Xu hướng phát triển của tên lửa phòng không mang vác”, Tạp chí thông tin chuyên đề: Tình hình xu hướng phát triển kỹ thuật quân sự nước ngoài, số 20, Tổng cục Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Phòng Thông tin KHCNMT - Tổng cục Kỹ thuật (2002), “Tên lửa phòng không tầng thấp”, Tài liệu tham khảo chuyên đề, số 1, Hà Nội. [3]. A. Nasser, “Recent Advancements in Proximity Fuzes Technology”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 2015. [4]. J. Jiang Liu, “Advanced optical fuzing technology”, Optical Technologies for Arming, Safing, Fuzing, and Firing,edited by William J. Thomes, Fred M. Dickey, Proc. of SPIE Vol. 5871, 2016. [5]. Лебедев В. Н. - “Авиационные боeприпаcы” - Москва - Издательство “ВВИА” - 1979. [6]. Nguyễn Đức Thi, Nguyễn Trường Sơn, Trần Hoài Linh, Trần Xuân Tình, “Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số quang học đến chất lượng làm việc của ngoài nổ laser,” NCKHJCNQS, Số 54, 4-2018, 116-124. Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 95
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử ABSTRACT OPTICAL PARAMETER OPTIMIZATION FOR OPTICAL SYSTEM OF LASER PROXIMITY FUZE In the paper, the optimal parameter solution for the laser fuse optical system of air defense missiles is presented. Based on the configuration of optical system and the overlapping condition between the observation area and the detonation zone, the condition of the oblique angle which depends on optical parameters of optical system is derived. By parameter reduce and error limitization, the explicit expressions for optimal optical parameters depending on the initial techno-tactic parameters of missile with laser fuze are found out. The parameter optimization is solfwareized used for some air-defence missles having own oblique angle. The obtained results should be used to calculate and design the oblique angle of laser proximity fuze suitable to different air-defence missile. Keywords: Proximity laser fuzes; Optical system; Air-defence missle. Nhận bài ngày 14 tháng 6 năm 2020 Hoàn thiện ngày 07 tháng 7 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020 1 Địa chỉ: Tổng cục Công nghiệp quốc phòng; 2 Học viện Kỹ thuật quân sự; 3 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; 4 Học viện Phòng không-Không quân. * Email: thi2306pro@gmail.com. 96 N. Đ. Thi, …, T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.”

CÓ THỂ BẠN MUỐN DOWNLOAD

LV.15: Bộ Đồ Án Tốt Nghiệp Chuyên Ngành Cơ Khí

65 tài liệu

2429 lượt tải

THÔNG TIN

TRỢ GIÚP

HỖ TRỢ KHÁCH HÀNG

Theo dõi chúng tôi

Chịu trách nhiệm nội dung:

Nguyễn Công Hà - Giám đốc Công ty TNHH TÀI LIỆU TRỰC TUYẾN VI NA

LIÊN HỆ

Địa chỉ: P402, 54A Nơ Trang Long, Phường 14, Q.Bình Thạnh, TP.HCM

Hotline: 093 303 0098

Email: support@tailieu.vn

Giấy phép Mạng Xã Hội số: 670/GP-BTTTT cấp ngày 30/11/2015 Copyright © 2022-2032 TaiLieu.VN. All rights reserved.