Экспериментальная баллистика (Э.б.)

Теория и практика определения летных характеристик летательных аппаратов (ЛА) по экспериментальным данным.

ЭБ - военно-техническая наука, основывающаяся на комплексе физико-математических дисциплин, таких как математическая статистика, вариационное исчисление, теория оптимального эксперимента, механика, аэродинамика и т.п. Основным содержанием ЭБ является изучение элементов движения ЛА и сил, действующих на него в полете по траекторным телеметрическим, радиотехническим и оптико-электронным измерениям в целях оценки летных характеристик (ЛХ) летательного аппарата, под которыми понимают параметры и характеристики ЛА, влияющие на выполнение задач его целевого назначения в полете.

Среди ЛХ особо выделяют основные летно-технические характеристики (ОЛТХ) межконтинентальных баллистических ракет (МБР), которые характеризуют возможности ракет по достижению цели и точность попадания в цель. К другим ЛХ относят аэродинамические, тяговые характеристики ступеней ракеты и боевых блоков ракеты, погрешности работы системы управления баллистической ракеты и характеристики устойчивости движения ракеты вокруг центра масс.

Достоверное определение ЛХ и ОЛТХ требует всестороннего анализа движения ЛА. Движение ЛА является сложным, поскольку оно происходит под действием сил, зависящих от многих случайных параметров, конструктивно-компоновочной схемы ЛА, конструкции системы управления, свойств атмосферы, в которой совершается полёт ЛА, и т.п. Сложность процесса движения ЛА затрудняет его изучение в полном объеме. Поэтому оно осуществляется как теоретическими, так и экспериментальными методами исследования. При определении и анализе реального движения Л А приходится иметь дело со статистическими оценками начальных условий движения, полученными на основе математической обработки измерений параметров движения ЛА, статистическими оценками параметров ЛА, входящими в уравнения работы его системы управления, а также с зависимостями для расчета сил, действующих на ЛА. Это приводит к тому, что исследование широкого круга баллистических задач оказывается возможным только путем использования вероятностных моделей описания его движения.

Кроме того, при строгой постановке задачи определения движения ЛА параметры и аналитические зависимости, используемые для расчета действующих сил, в большинстве своем не являются детерминированными. Например, параметры гравитационного поля Земли известны со случайными ошибками (так как определяются статистически по множеству измерений), параметры атмосферы также могут изменяться случайным образом, следовательно, коэффициенты системы дифференциальных уравнений движения ЛА также будут носить вероятностный характер. В этом случае для проведения исследования движения ЛА необходимо применять статистические методы обработки измерительной информации.

Таким образом, статистические методы определения движения ЛА по результатам измерений и статистическое исследование движения при использовании вероятностных характеристик для представления действующих на ЛА сил, работы его системы управления и начальных условий движения составляют предмет изучения Э.б.

Подвергнутые статистической обработке опытные данные (измерения) дают возможность выявить общие, наиболее существенные свойства изучаемого процесса, количественно оценить влияние случайных факторов, определяющих движение ЛА, установить какие из них нужно учитывать при решении той или иной баллистической задачи и степень их влияния на ЛХ и ОЛТХ исследуемых образцов вооружения.

Следует отметить, что определение действительного движения ЛА по результатам измерений требует предварительного изучения ряда вопросов. Во-первых, необходимо разработать оптимальную программу измерений, т.е. определить виды привлекаемых измерительных средств и необходимое количество измерений; во-вторых, определить места расположения измерительных средств; и, в-третьих, задать требования к точности геодезической привязки измерительных средств. Составление научно обоснованной программы измерений, позволяющей эффективно использовать всю измерительную информацию, требует рассмотрения в рамках ЭБ ряда вопросов теории организации оптимального эксперимента и вариационного исчисления.

Таким образом, ЭБ по своему содержанию чрезвычайно обширна и решает множество разнородных задач. Из них можно выделить следующие основные задачи: разработка программы проведения измерений параметров движения ЛА; разработка методов обработки измерений параметров движения ЛА; статистическое оценивание вероятностных характеристик ошибок измерений параметров движения ЛА; статистическое оценивание факторов, определяющих движение ЛА; прогнозирование движения ЛА по результатам измерений; оценивание вероятностных характеристик рассеивания точек падения головных частей баллистических ракет и параметров орбит космических аппаратов; оценивание гарантированной дальности полета ракеты и гарантийных запасов топлива.

Методы решения представленных задач основываются на статистическом анализе движения ЛА с привлечением методов статистической обработки экспериментальных данных. Их можно разделить на две основные группы: локальные и интегральные.

Если в каждый определенный момент времени имеется достаточно большое количество измерений параметров движения ЛА, можно пользоваться локальным методом определения движения, находя среднестатистическое положение центра масс ЛА и его вектор скорости, ничего не зная о характере самого движения ЛА.

Однако обычно измерительная информация рассредоточена по большому интервалу времени, и в каждый фиксированный момент времени, как правило, ее недостаточно для статистического определения параметров движения. В этом случае для определения движения ЛА необходимо иметь хотя бы минимум измерительной информации - три координаты центра масс ЛА в каждый фиксированный момент времени. Скоростные параметры движения центра масс ЛА на интервале измерений могут быть определены численным дифференцированием измеренных координат или дифференцированием аналитической зависимости, аппроксимирующей измеренные координаты. В последнем случае вся информация о движении ЛА, полученная обработкой измерений, концентрируется в коэффициентах аппроксимирующих зависимостей, характеризующих изменение координат центра масс ЛА во времени.

Кроме того, если при обработке измерений можно принять, что движение ЛА совершается под действием системы сил, математические зависимости для которых представляют собой известные функции параметров движения и других заданных параметров, (т.е. движение ЛА достаточно точно описывается известной системой дифференциальных уравнений) то в этом случае задача определения движения ЛА будет сведена к определению начальных условий интегрирования уравнений движения ЛА на основе обработки измерительной информации. Таким образом, интегральным методом обработки измерений считается метод обработки, использующий всю измерительную информацию о движении ЛА на конечном интервале времени для определения начальных условий интегрирования дифференциальных уравнений движения ЛА, а также параметров, характеризующих действующие на ЛА силы. Следовательно, при использовании интегрального метода обработки измерений необходимо задать ту или иную модель движения ЛА.

Для обоих методов определения движения ЛА возможны различные подходы к статистической обработке измерительной информации. Это различие обусловливается, во-первых, способом интерпретации измерений (считаются ли ошибки измерений коррелированными либо нет, учитываются ли систематические ошибки, или ими пренебрегают); во-вторых, способом построения функций рассогласования между измеренными и расчетными значениями измеряемых параметров (построение функций методом наименьших квадратов, методом максимального правдоподобия, методом максимума апостериорной вероятности и т.д.), и, в-третьих, способом минимизации функций рассогласования (обработка измерений полной выборки, обработка измерений нарастающего объема и т.д.). Данные вопросы требуют привлечения в рамках ЭБ аппарата и методов математической статистики.

Обобщая вышесказанное, можно сделать вывод, о том, что достоверное определение ЛХ и ОЛТХ в рамках методов ЭБ основывается на использовании экспериментальных данных о полете испытываемых образцов вооружения. При этом необходимость траекторных измерений вызвана двумя основными причинами: во-первых, часть ЛХ определяется теоретически на этапе проектирования ЛА и требует экспериментального подтверждения и уточнения; во-вторых, имеются ЛХ теоретическое определение которых невозможно (например, характеристики рассеивания точек падения головных частей ракет) и которые определяются только экспериментальным путем.

Для получения требуемых экспериментальных данных о движении ЛА планируется и проводится серия экспериментов. ЭБ рассматривает два вида экспериментов: полигонные летные испытания новых образцов вооружения и лабораторные испытания элементов конструкции ЛА. Полигонные летные испытания ЛА проводят в целях экспериментального определения конструктивных и эксплуатационных свойств ЛА для выявления их соответствия техническим требованиям и для опытного изучения реальных процессов, происходящих в натуральных образцах ЛА. Основной задачей летных испытаний МБР является уточнение их ОЛТХ. Лабораторные испытания отдельных элементов конструкции или макетов ЛА проводят на испытательных стендах (аэробаллистических трассах, аэродинамических трубах) в целях проведения аэродинамических измерений параметров ЛА. Задачей лабораторных испытаний является уточнение аэродинамических коэффициентов ЛА и отыскание его оптимальной формы.

Полигонные летные испытания новых образцов вооружения проводятся средствами полигонных измерительных комплексов. Первым таким комплексом стал ракетный полигон «Капустин Яр» (Астраханская область), он был создан постановлением Советом Министров СССР и ЦК ВКП(б) № 2642-817 3 июня 1947. В дальнейшем, для отработки тактико-технических характеристик МБР, запуска искусственных спутников земли, выполнения научно-исследовательских и экспериментальных работ по тематике ракетно-космической техники, в феврале 1955 вблизи населенного пункта Тюра-Там был создан ракетный полигон «Байконур». В 1960 основан 1-й Государственный испытательный космодром (космодром «Плесецк»), он был создан как первая отечественная ракетная база МБР Р-7 и Р-7А (объект «Ангара»).
В 1997 на базе полигона «Капустин Яр» создан Государственный

ентральный межвидовой полигон (ГЦМП), решающий задачи в интересах РВСН, ВВС и Сухопутных войск. В 1998 году завершено создание единой измерительной трассы для РВСН, ВВС, и ВМФ (северной трассы) замыкающей в единую сеть испытательные комплексы от Плесецка и Неноксы (Государственный центральный морской полигон, Архангельская обл.) до Камчатки (полигон Кура).

В настоящее время идет формирование южной трассы для испытания боевого оснащения межконтинентальных баллистических ракет, которая будет включать ГЦМП («Капустин Яр»), полигон «Байконур» (Тюра-Там), 10-й Государственный испытательный полигон (авиабаза «Сары-Шаган») и испытательный полигон «Кура» (Ключи-20).