Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser

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.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ TỐI ƯU HĨA THAM SỐ CHO HỆ QUANG NGÒI NỔ LASER Nguyễn Đức Thi1*, Nguyễn Trường Sơn2, Trần Hồi Linh3, Trần Xn Tình4 Tóm tắt: Bài báo trình bày giải pháp tối ưu tham số cho hệ quang ngòi nổ laser gắn tên lửa Dựa vào cấu trúc hệ quang điều kiện phù hợp vùng quan sát quang vùng sát thương đưa điều kiện góc nghiêng chùm tia laser phát, phụ thuộc tham số hệ quang Bằng thủ thuật giảm biến tối thiểu hóa sai số, giá trị tham số quang học tối ưu xác định biểu thức tường minh, phụ thuộc vào điều kiện ban đầu ứng với tham số kỹ chiến thuật tên lửa mang đầu nổ laser Quá trình xác định giá trị tối ưu phần mềm hóa áp dụng cho số loại tên lửa phịng khơng có góc nghiêng chùm tia laser khác Kết nhận áp dụng tính tốn thiết kế ngịi nổ laser phù hợp với tên lửa phịng khơng khác Từ khóa: Ngịi nổ laser; Hệ quang; Tên lửa phịng khơng ĐẶT VẤN ĐỀ Ngịi nổ laser ngịi nổ lắp bom, tên lửa điều khiển kích nổ chùm tia laser Hiện nay, kỹ thuật ngòi nổ laser đạt nhiều thành tựu đáng ý khả chống nhiễu, độ xác cao [1, 2, 3] Ngòi nổ laser ngày ứng dụng nhiều hệ thống vũ khí tiên tiến, đại Chính thế, việc nghiên cứu phát triển ngịi nổ cho vũ khí phịng khơng yêu cầu quan trọng lĩnh vực đảm bảo an ninh quốc phòng Trong ngòi nổ laser, hệ thống quang học thu phát laser đóng vai trị định đến khả làm việc hệ thống Trong trình điều khiển ngịi nổ laser, việc xác định vị trí, thời điểm nổ nhằm nâng cao độ sát thương quan trọng, điều thể hiệu tác chiến vũ khí Một số cơng trình trước trình bày cơng nghệ ngịi nổ laser ứng dụng nó, bí mật hồn tồn phương pháp điều khiển tính tốn tối ưu tham số quang cho cho ngòi nổ laser gắn vào tên lửa khác [3, 4] Trong tài liệu [6], ảnh hưởng tham số quang lên góc nghiêng, vùng quan sát đầu nổ nghiên cứu Tuy nhiên, việc lựa chọn tham số quang tối ưu cho vùng quan sát phù hợp với vùng sát thương loại tên lửa khác toán cần giải thiết kế đầu nổ laser, sở cho tính tốn thiết kế thực tế Bài báo trình bày nguyên lý điều khiển nổ bản, nguyên lý hoạt động cấu trúc hệ điều khiển laser, sở đó, sâu vào việc tính tốn tham số tối ưu cho hệ quang học ngòi nổ laser Trong mục 2, trình bày điều kiện mảnh phần chiến đấu sau nổ gặp mục tiêu, tính tốn tìm giá trị tối ưu cho tham số quang Đây kết nghiên cứu mang tính sở, hữu ích cho nghiên cứu công tác cải tiến, thiết kế ngịi nổ laser TÍNH TỐN THAM SỐ TỐI ƯU CHO HỆ QUANG HỌC Một nhiệm vụ quan trọng ngòi nổ laser phải chọn thời điểm kích nổ thích hợp cho xác suất tiêu diệt mục tiêu lớn Để làm điều đó, hệ quang học phải thiết kế cho tạo góc nghiêng kt ph phù hợp để vùng quan sát trùng với vùng sát thương (hình 1) Góc nghiêng nghiệm toán gặp mảnh phần chiến đấu mục tiêu [4, 5] Như vậy, vấn đề đặt phải tối ưu hóa tham số trực tiếp tạo góc nghiêng  kt ph cho chồng lấn vùng hoạt động ngòi nổ laser với vùng sát thương đầu đạn lớn Xét phận quang học ngòi nổ laser có cấu trúc mơ tả hình [5] Các trục quang hai phát - thu laser đối diện ngòi nổ bố trí nằm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 89 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử mặt phẳng kinh tuyến (mặt phẳng ngang tên lửa phịng khơng) Để thuận tiện cho việc thể nguyên lý làm việc cặp phát – thu laser mặt phẳng kinh tuyến hình vẽ, thơng số chiều rộng mặt phẳng kinh tuyến tương ứng thành phần diện tích bề mặt mục tiêu biểu diễn theo tỷ lệ giảm nhỏ tương ứng phát thu Vùng quan sát  ktph rmin kt pt rmax Vùng sát thương Vùng quan sát mục tiêu ypt Hình Hình dạng vùng sát thương vùng quan sát ngòi nổ laser * lktpt Bộ phận phát lkt ph1 S ph  Fph1 Bộ phận thu Sth  lkt th1 Fth1 f ph1 f th1 f ph lkt ph xmc ph , lkt mc ph fth ymc th Fth Fph ymc ph lkt th xmc th , lkt mc th A  kt ph1  kt th1  kt ph  kt th B C D E G  kt ph y ph yth H  kt th K Hình Cấu trúc tham số ngòi nổ Laser mặt phẳng kinh tuyến Ý nghĩa tham số hình là: - Các số “xđ” “kt” tương ứng cho mặt phẳng xích đạo mặt phẳng kinh tuyến; “ph” “th” biểu diễn số tương ứng với phận phát (BPP) phận thu (BPT) laser; “mc”, “pt” chắn pháp tuyến Sau đây, nêu tham số mặt phẳng kinh tuyến BPP, 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) 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 chắn thu; - xmc ph[mm]: Khoảng cách từ tâm chắn phát (từ trục quang) đến mép khe hở (tọa độ x khe hở chắn phát); - ymc ph[mm]: Khoảng cách từ tiêu điểm sau hệ thấu kính phát tâm chắn phát (tính theo trục Oy); -  kt ph1, kt ph2, kt ph[độ]: Các góc nghiêng mặt phẳng kinh tuyến biên gần, biên xa trung bình chùm laser ló từ BPP laser; - lkt ph1, lkt ph2[mm]: Kích thước nguồn phát kích thước nguồn ảnh phát laser Từ hình 2, rút góc nghiêng kt ph  kt th vùng quan sát Việc tính góc nghiêng kt th tính tương tự kt ph nên sau báo trình bày cho việc tính cho BPP kt ph theo công thức đây:  kt ph  arctg xmc ph  lkt ph / ymc ph  kt ph  ;  kt ph  arctg  kt ph   kt ph 2  arctg xmc ph  lkt ph /  lkt mc ph ymc ph xmc ph  lkt mc ph / ymc ph (1) (2) Do yêu cầu kích thước hệ quang nên biến số xmcph , lktmcph , ymcph thay đổi khoảng từ giá trị đầu “gtd” đến giá trị cuối “gtc” xác định theo góc mở 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 loại tên lửa, để đảm bảo phối hợp vùng hoạt động vùng sát thương ngịi nổ, hệ quang có giá trị  ktph tối ưu riêng, cần xác định tham số điều khiển xmcph , lktmcph , ymcph để thỏa mãn phương trình (2) Bảo đảm phối hợp đảm bảo tạo góc  ktph tối ưu, góc nghiệm tốn phối hợp vùng hoạt động ngòi nổ vùng sát thương Dễ dàng nhận thấy, phương trình (2) có vơ số nghiệm xmcph , lktmcph , ymcph , tức vô số tổ hợp tham số quang học cho góc nghiêng định Từ vơ số nghiệm đó, cần xác định chọn nghiệm gần trung tâm khoảng điều kiện (3) Hay nói cách khác, cần tìm tham số điều khiển tối ưu Từ điều kiện (3) giá trị nghiệm trung tâm xác định sau: xgtc  xgtd ygtc  ygtd lgtc  lgtd (4) ; y0  ygtd  ; l0  lgtd  x0  xgtd  2 Bộ tham số ( xo , y0 , l0 ) giá trị “trung tâm” khoảng thay đổi cho phép Chúng ta xét bình phương độ lệch nghiệm phương trình (2) đến giá trị trung tâm, xác định sau: d  ( xmcph  x0 )2  (ymcph  y0 )2  (lktmcph  l0 )2 (5) Để thuận lợi thể biến đổi toán học tiến hành ký hiệu lại sau: x  xmcph , y  ymcph , l  lktmcph Như vậy, vấn đề xác định tham số tối ưu cho hệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 91 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử quang ngòi nổ laser vấn đề giải tốn tối ưu sau: Tìm nghiệm x, y, l cho độ lệch nghiệm d nhỏ nhất, tức là: d  ( x  x0 )2  (y y0 )2  (l  l0 )2  ; (6) Khi đó, từ (2) (6) xác định xl / y  y  ygtc ; lgtd  l  lgtc  ktph  arctg với điều kiện biên xgtd  x  xgtc ; ygtd (7) Đây thực toán tối ưu tĩnh Từ (7) dễ dàng suy ra: y x tg (  ktph )  l 2tg (  ktph ) (8) Các biến số x l thay đổi khoảng [xgtd , xgtc ] , [lgtd , lgtc ] biến số y theo (8) thay đổi khoảng: [y*gtd , y*gtc ]  [ xgtd  lgtd / xgtc  lgtc / , ] tg (  ktph ) tg (  ktph ) (9) Dễ dàng nhận thấy khoảng tính theo cơng thức (9) khoảng [ ygtd , ygtc ] theo công thức (3) giao việc giải tốn tối ưu có giá trị Cũng dễ dàng nhận thấy điều kiện hai khoảng không giao là: y*gtd  ygtc ygtd >y*gtc (10) Tiếp theo thay (8) vào (6) có: d  ( x  x0 )2  ( xl /  y0 )2  (l  l0 )2 tg (  ktph ) (11) phụ thuộc hai tham số x l Từ (11), điều kiện để khoảng cách d đạt giá trị nhỏ ( ) là: d xl /  2( x  x0 )  (  y0 )  x tg (  ktph ) tg (  ktph ) (12) d xl /  2(l  l0 )  (  y0 )  l tg (  ktph ) tg ( ktph ) (13) Giải hệ phương trình (12) (13) để tìm cặp ( x, l ) tối ưu Từ phương trình (12) rút ra: ( x  x0 )  xl /  y0 )  tg (  ktph ) tg (  ktph ) (  l  2tg (ktph ) x0  2tg (ktph ) y0  2(tg (ktph )  1) x (14) Từ phương trình (13) có phương trình sau: 2(l  l0 )  xl /  y0 )  tg (  ktph ) tg (  ktph ) ( (15) Thay l phương trình (14) vào phương trình (15) nhận được: 92 N Đ Thi, …, T X Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngịi nổ laser.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ 2(2tg (  ktph )( x0  x)  2tg (  ktph ) y0  x  l0 )  tg (  ktph ) ( x  tg (  ktph )( x0  x)  tg (  ktph ) y0  x tg (  ktph )  y0 )  (16) Bắt Bắt đầu đầu NhËp vµo lgtd ; lgtc ; xgtd ; xgtc ; y gtd ; y gtc ;  ktph TÝnh x0 , y0 , l0 (6) KiÓm tra * gtd y  ygtc hc ygtd  y Đúng * gtc Thay đổi dải tham số y hệ quang Sai Xác định x, y, l theo (15,16,17) xgtd KiÓm tra  x  xgtc ; ygtd  y  y gtc Sai lgtd  l  lgtc Đúng Đưa tham số hệ quang x, y, l Kết Kết thúc thúc Hình Lưu đồ thuật tốn phần mềm tính tốn tham số tối ưu cho hệ quang Từ (16) rút biểu thức cho tham số x, sau thay vào (14) rút biểu thức cho tham số l thay chúng vào (8) rút biểu thức cho tham số y Qua vài biến đổi rút tham số x, y, l sau: x 4tg (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 [4tg (  ktph )  5] (17) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 2020 93 Kỹ thuật điều khiển & Điện tử l  2tg (  ktph ) x0  2tg (  ktph ) y0  2(tg (  ktph )  1) y 4tg (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 [4tg (  ktph )  5] 4tg (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 tg (  ktph )[4tg (  ktph )  5]  2(tg (  ktph )  1) (18)  2tg (  ktph ) x0  2tg (  ktph ) y0 2tg (  ktph ) 4tg (  ktph ) x0  4tg (  ktph ) y0  2l0  x0 (19) 2tg (  ktph )[4tg (  ktph )  5] Như vậy, ba biểu thức (17), (18), (19) nghiệm việc giải tốn tìm giá trị tối ưu tham số thỏa mãn phương trình (2) có khoảng cách ngắn đến tâm ba khoảng giới hạn (3) Các tham số phụ thuộc vào, x0, y0, l0, tức phụ thuộc vào giá trị biên chúng theo (2), đồng thời phụ thuộc vào góc ktph  ktph Hình Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser tên lửa tầm thấp ( ktph yc  5.670 )  ktph Hình Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser 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 cơng nghệ Đây coi tham số tối ưu cho hệ quang ngòi nổ laser Tuy nhiên, tham số phải thỏa mãn điều kiện cho khơng thỏa mãn (10), cần q trình tính thử theo lưu đồ thuật tốn thể hình Dựa vào lưu đồ hình 3, tác giả xây dựng code chương trình phần mềm tính tốn tham số tối ưu hệ quang ngòi nổ laser phù hợp với số loại tên lửa, với góc nghiêng riêng khác hình Kết tính tốn tham số tối ưu hệ quang cho loại tên lửa khác thể bảng Qua ba trường hợp cho thấy, phần mềm tìm ba tham số quang x, y, l tối ưu, giúp hệ quang ngịi nổ laser đạt góc nghiêng  ktph dd góc nghiêng yêu cầu  ktph yc Trong trường hợp trên, sai số lớn 0,28%, sai số nhỏ so với yêu cầu sai số toán gặp Bảng Các tham số quang tối ưu cho ngòi nổ laser lắp ba loại tên lửa với góc nghiêng khác STT  ktph  yc  ktph dd Tham số tối ưu (mm) Sai số (độ) x y l (độ) 5.670 0.17 0.65 5.65386 0.01614 0.16 3.3 1.18 18.2002 0.00023 0.13 4.23 0.98 8.3425 0.0025 18.2 8.34 KẾT LUẬN Bài báo đề xuất thực giải pháp tính tốn chọn tham số quang cho đầu nổ laser, sở tối giản biến tối ưu tham số điều khiển Giải pháp tính tốn thực lưu đồ đánh giá với điều kiện biên cho trước Thuật tốn xây dựng thành phần mềm tính tốn tối ưu tham số quang áp dụng cho số tên lửa với góc nghiêng xác định Kết cho thấy, tham số tối ưu xác định phù hợp với điều kiện góc nghiêng theo yêu cầu Phần mềm sử dụng làm cơng cụ nghiên cứu, tính tốn thiết kế, khai thác ngịi nổ laser loại tên lửa phịng khơng có tương lai TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lê Thế Mậu (2002), “Xu hướng phát triển tên lửa phịng khơng mang vác”, Tạp chí thơng tin chun đề: Tình hình xu hướng phát triển kỹ thuật quân nước ngoài, số 20, Tổng cục Kỹ thuật, Hà Nội [2] Phịng Thơng tin KHCNMT - Tổng cục Kỹ thuật (2002), “Tên lửa phịng khơng 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 Hồi Linh, Trần Xn Tình, “Nghiên cứu ảnh hưởng tham số quang học đến chất lượng làm việc nổ laser,” NCKHJCNQS, Số 54, 4-2018, 116-124 Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, - 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 ngày 14 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 07 tháng năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng năm 2020 Địa chỉ: Tổng cục Cơng nghiệp quốc phịng; Học viện Kỹ thuật qn sự; Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; Học viện Phịng khơng-Khơng qn * Email: thi2306pro@gmail.com 96 N Đ Thi, …, T X Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.” ... T X Tình, ? ?Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngịi nổ laser. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Đây coi tham số tối ưu cho hệ quang ngòi nổ laser Tuy nhiên, tham số phải thỏa mãn điều kiện cho không... tốn tham số tối ưu cho hệ quang Từ (16) rút biểu thức cho tham số x, sau thay vào (14) rút biểu thức cho tham số l thay chúng vào (8) rút biểu thức cho tham số y Qua vài biến đổi rút tham số x,... khác hình Kết tính tốn tham số tối ưu hệ quang cho loại tên lửa khác thể bảng Qua ba trường hợp cho thấy, phần mềm tìm ba tham số quang x, y, l tối ưu, giúp hệ quang ngịi nổ laser đạt góc nghiêng