Сочленённые платформы для перспективных видов артиллерийского вооружения

Введение. Эффективность боевых действий в современных условиях обеспечивается высокоточным ракетным оружием [1]. Прицепная ствольная и самоходная артиллерия по эффективности зачастую имеет преимущество перед ракетным оружием. Это объясняется тем, что на артиллерийские снаряды невозможно повлиять инфракрасным и иным видом помех, на ведение стрельбы не влияют метеорологические условия. Самоходная артиллерия в силу своих конструктивных особенностей значительно превышает прицепную артиллерию по скорострельности и боекомплекту. Кроме того, артиллерийский снаряд невозможно перехватить такими средствами, как противоракетное оружие. Существующие системы наведения и корректировки огня артиллерийских установок практически приравняли их эффективность к ракетному оружию.

Использование самоходной артиллерии значительно повлияло на тактику ведения боевых действий. Современные самоходные артиллерийские орудия (САО) ведут, как правило, высокоинтенсивную кратковременную стрельбу с частой сменой огневой позиции. Это связано с появлением электронных систем управления огнём ствольной и ракетной артиллерии, действующей в режиме реального времени. Поэтому современное САО должно максимально возможно сократить время нахождения на боевой позиции [1]. Это связано с тем, что после первого выстрела противник при помощи современных средств определяет координаты САО и артиллерия противника может уничтожить артиллерийскую установку. То есть САО должно обладать высокой скорострельностью, чтобы первыми залпами нанести максимальный урон противнику и немедленно переместиться на другую боевую позицию, где заранее выгружен боекомплект для следующей серии выстрелов. Выполнение этого манёвра должно занять около 6 минут, а для безопасного нахождения на огневой позиции серия выстрелов должна проводиться в течение 1 минуты [2].

Современные метательные установки дают возможность максимально увеличить скорострельность и эффективность стрельбы. Разработаны метательные установки, имеющие модульные заряды, действующие на основе жидких метательных смесей, которые воспламеняются электрическим разрядом. Существуют образцы электрических орудий. Изменён принцип воспламенения метательных зарядов. Например, с помощью лазера. Это дало возможность конструктивно упростить затворную часть и существенно повысить скорострельность. Предложена конструкция пушки, в которой метательный заряд перемещается по стволу вместе со снарядом, обеспечивая увеличение начальной скорости снаряда при выходе из канала ствола [3].

Таким образом, пути совершенствования САО следующие:

• –    совершенствование артиллерийской части;

• –    увеличение скорострельности;

• –    увеличение боекомплекта;

• –    повышение подвижности САО;

• –    унификация платформ САО с другими видами бронетехники.

Создание перспективных САО связано с решением следующих задач:

• –    появление принципиально новых метательных установок и, как следствие, потребность в увеличении внутреннего объёма машины;

• –    конструкции существующих упругодемпфирующих элементов машин не могут обеспечить достаточную скорострельность;

• –    неприемлемая существующая схема заряжания («с грунта»);

• –    необходимость значительного снижения уязвимости требует повышения оперативнотактической подвижности.

То есть необходимо существенно изменить платформу для САО.

Основная часть

Перспективная платформа самоходного артиллерийского орудия должна быть обеспечена шасси и силовой установкой, которые позволяют реализовать:

• –    скорость по бездорожью (стерне) не менее 50 км/ч;

• –    скорость по шоссе не менее 65–70 км/ч;

• –    при трогании с места первые 200 м преодолевать за 20 с.

Платформа должна обеспечивать быстрое затухание колебаний корпуса после импульсного воздействия от метательной установки при выстреле. Кроме того, иметь максимальную унификацию с существующими бронированными машинами и общую массу не более 50 т [4].

Наиболее перспективным решением в этом случае следует считать сочленённое решение платформы САО – сочленённую транспортную систему (СТС). Применение таких транспортных систем находит широкое применение. СТС по сравнению с одиночными машинами имеют преимущества по более высоким тягово-сцепным характеристикам, по опорно-сцепной и профильной проходимости, по управляемости за счёт складывания секций [5].

Отечественная промышленность, начиная с семидесятых годов двадцатого века, выпускает двухзвенные сочленённые машины на Ишимбайском заводе транспортного машиностроения.

Использование машин из Ишимбая в качестве платформ для размещения артиллерийского вооружения весьма проблематично по следующим причинам:

• –    машины изначально создавались как транспортёры для перевозки грузов или размещения технологического оборудования;

• –    ходовая часть машин, их движители и, следовательно, специфика конструкции подвески, трансмиссии и силовая установка рассчитаны для движения в основном по слабонесущим грунтам (болото, снег);

• –    удельная мощность транспортёров не соответствует требованиям к платформам САО.

Размещение на таких машинах вооружения неизбежно приведёт к радикальному изменению их конструкции, мощностных и весовых показателей.

Однако опыт разработки, производства и эксплуатации машин типа ДТ-10П, ДТ-20П, ДТ-30П и их модификаций позволяет использовать (или не использовать) некоторые инженерные решения.

Новый облик платформы подразумевает комплексы машин, на которых в перспективе воз- можно размещение перспективных видов вооружения.

В качестве базы возможного варианта платформы необходимо рассматривать перспективный танк по проекту 640. Платформа должны быть максимально унифицирована по компоновочному решению, шасси, двигателю и элементам корпуса. Это значительно удешевит производство перспективной платформы.

Возможен и другой вариант создания перспективной платформы с минимальными затратами на её производство. В этом случае существующая машина 2С19 используется как боевой (основной) модуль СТС. В качестве второй секции машины целесообразно ввести транспортно-заряжающую машину (ТЗМ) – проект ФГУП «Уралтрансмаш». ТЗМ оснащена автоматизированной системой загрузки и перемещения боеприпасов. Это позволяет перегружать на борт основной секции ССАО необходимые выстрелы [6]. Обе машины соединяются узлом сочленения, позволяющим обеспечить подвижность между секциями как минимум в 2 степенях свободы. При этом обе машины могут выполнять свои задачи как в сочленённом виде, так и обособленно.

Создаваемая платформа может быть выполнена не только в сочленённом варианте. При этом конструктивное решение ТЗМ выполняется без двигателя и трансмиссионного отделения, а освободившееся пространство заполняется боекомплектом. Привод второй секции (машины заряжания) осуществляется от силовой установки первой секции – САО, а управление процессом перегрузки выстрелов ведёт экипаж основного (боевого) модуля (рис. 1) [6].

Принципиально новая платформа позволяет применить модульный принцип структурного построения боевой техники. Суть его заключается в следующем (рис. 2) [6].

Основной или базовой частью комплекса выступает модуль управления. В нём помещается силовая установка и размещается экипаж машины. В зависимости от оперативно-тактической обстановки или для обеспечения деятельности войскового подразделения с базовой частью соединяются секции, предназначенные для выполнения конкретных функций. Соединение происходит через узел сочленения, позволяющий обеспечить необходимую подвижность секций и передачу силового потока к движителю. Функциональные секции не имеют силовой установки, но их движители активны, то есть предусмотрено подведение к ним силового потока. Такая схема подразумевает наиболее перспективный на сегодняшний день вид трансмиссии – электрический.

Такой подход позволяет формировать платформы с большим количеством секций, чем две (рис. 3) [6].

Двухзвенная или многокомплектная компоновка САО позволяет размещать на второй секции ПЗРК «Стрела», «Верба» или пушечно-ракетные комплексы «Сосна» или «Оса». Например, вертолеты АН-64D Appache [5, 6] используют ракеты «воздух – земля» типа «Хеллфайр» с дальностью пуска 8 км [6, 7]. В этом случае подразделение САО новой структуры, оснащенное ПЗРК «Стрела» и ПРК «Сосна», будет иметь свою защиту с воздуха. Такое подразделение и каждая отдельная САО резко снизят уязвимость подразделения в боевых условиях [1–4].

Существенным преимуществом сочленённой платформы является лучшая, чем у одиночных машин, профильная и опорно-сцепная проходимость [8–11].

Для одиночной гусеничной машины (рис. 4) среднее давление на грунт [8–11]:

GT pср  2bLоп

,

где: GT – полный вес машины, b – ширина гусеницы, Lоп – длина опорной поверхности гусени- цы.

Рис. 1. Перспективное шасси сочленённого САО

Рис. 2. Модульный принцип построения ансамбля машин

Боевой отделение            Маш и на заряжания            Модуль управления

Рис. 3. Облик многокомплектного сочленённого САО

Для сочленённой гусеничной машины при тех же ограничениях по ширине и поворачиваемости

среднее давление на грунт:

GT pср = 4bLоп

,

то есть при равном удельном давлении на грунт полная масса, а следовательно, и грузоподъёмность сочленённой машины может быть увеличена по сравнению с двумя одиночными машина-

ми.

а)

б)

Рис. 4. Принципиальные схемы для оценки среднего удельного давления на опорную поверхность:

а) одиночная машина; б) сочленённая машина

Это свойство СТС при использовании её в качестве базовой платформы позволит разместить в корпусе САО количество выстрелов, значительно большее, чем в одиночной машине, тем самым решая одну из главных проблем повышения боекомплекта и увеличения автономности САО в боевых условиях.

Существующее шасси САО 2С19 – модифицированный основной танк Т-72. Основное внимание при совершенствовании существующих САО сконцентрировано на упругом и диссипативном элементах подвески платформы. Диссипативные элементы имеют два режима работы: при движении по местности и при стрельбе. В настоящее время упругие и диссипативные элементы позволяют вести стрельбу со скоростью 6–8 выстрелов в минуту [4, 6].

При выстреле вдоль оси машины при любых возвышениях корпус начинает совершать как минимум возвратно-поступательные колебания в продольной и вертикальной плоскостях и вращательное движение вокруг поперечной оси. Исполнение компоновки САО в виде сочлененной машины, где в качестве узла сочленения (УС) используется активный упругодемпфирующий элемент, позволяет изменить характер движения машины после выстрела, исключив свободные колебания элементов колебательной системы. Это ведет к уменьшению времени затухания колебаний и увеличению скорострельности артиллерийской установки.

Математическое моделирование движения такой сложной технической системы, как сочленённая транспортная система, традиционным способом ведёт к большому объёму вычислительных процедур. Кроме того, как показано в [12, 13], такое решение ведёт к накоплению ошибок в процессе дифференцирования.

Для минимизации этих недостатков применён метод, основанный на основных принципах теории графов, объектно-ориентированного моделирования и программирования. Более подробно этот подход рассмотрен в [9, 13–17].

Из [20–23] можно сделать вывод, что можно выбрать универсальный элемент модели, который позволяет построить любую структурную схему практически любой технической системы. Для ССАО выбрана двухмассовая модель с двумя упругими элементами и четырьмя степенями свободы.

На основе назначенного элемента и составления уравнений связей создаётся математическая модель движения ССАО. При этом назначенный элемент и уравнения связей могут комбинироваться таким образом, что появляется возможность создать математическую модель любой колёсной или гусеничной машины.

Математическое моделирование движения ССАО и последующие расчеты показывают [9, 12], что существующая модель 2С19 не отвечает требованиям по перемещению САО по местности. Реализуемое тяговое усилие на движителе меньше суммарного сопротивления движению сочлененной системы практически на всех типах грунта и на всех передачах в трансмиссии.

Возникает необходимость создания платформы с более энергоёмкой силовой установкой, имеющей мощность не менее 14,7 кВт на тонну веса транспортной системы [5, 7].

Таким образом, учитывая перспективы мирового и отечественного развития самоходной артиллерии и приняв вес двухсекционной машины равным 8 000 кН (машина «МСТА» 4 000 кН – первая секция и машина заряжания 4 000 кН – вторая секция), получим, что мощность силовой установки должна составлять не менее 1 200 кВт (около 1 600 лс) и иметь величину крутящего момента около 9 кН*м, или две силовые установки, имеющие суммарные показатели не ниже указанных [9–11, 22, 23].

Результаты имитационного моделирования

Движение СТС по опорной поверхности в активном режиме, то есть активный привод осуществляется на движителе всех секций, как правило, сопровождается появлением в приводе кинематического рассогласования между и упругого момента. Это явление возникает при использовании бездифференциального привода. Такой режим характерен для движения по бездорожью и на слабонесущих грунтах. Кроме этих случаев рассогласование возникает при криволинейном движении и по профильным неровностям. Возникновение упругого момента значительно снижает суммарное тяговое усилие СТС.

Проведено имитационное моделирование для ССАО на базе 2С19, имеющей силовую установку Д21/21 Уральского моторного завода, в составе с машиной заряжания. Исследовано влия- ние кинематического рассогласования на величину упругого момента в приводе и на суммарное тяговое усилие СТС.

На рис. 5 и 6 приведены результаты имитационного моделирования. На рисунках показано:

• –    Р кр – свободная сила тяги на крюке СТС, кН;

• –    ΔМ – упругий момент (рекуперативное нагружение трансмиссии), Нм;

• –    ξ – кинематическое рассогласование между секциями СТС.

Данные приведены для разных видов опорной поверхности с соответствующими значениями коэффициента сцепления φ и сопротивления f. Расчёты проводились для значений кинематического рассогласования в 10, 20, 30 и 40 % между движителями секций СТС. Обозначены, соответственно, буквами, а), б), в) и г).

Расчёты показали увеличение Р кр и рекуперативного нагружения ΔМ с одновременным смещением ξ в отрицательную зону на дорогах с высоким значением коэффициента сцепления. И обратное явление при снижении сцепных свойств движителя с грунтом.

Исследования показали, что распределение крутящего момента между движителями СТС должно быть не постоянным, а зависеть от вида грунта, по которому движется СТС, и кинематического рассогласования. То есть распределение силового потока между секциями СТС должно быть адаптивным.

Создание принципиально новой сочлененной САО даёт возможность решить следующие проблемы оборонного комплекса:

• –    повышение огневой мощи (повышение скорострельности, увеличение боекомплекта, снижение уязвимости);

• –    повышение подвижности (повышение проходимости и управляемости).

Выводы

• 1.    Проведён анализ специфических этапов работы самоходных артиллерийских установок в боевых условиях. Выявлены факторы, снижающие огневую мощь.

• 2.    Определены оперативно-тактические свойства перспективных самоходных артиллерийских орудий.

• 3.    Предложен и обоснован облик САО, состоящий из платформы сочленённого типа, имеющей привод на движители всех секций.

• 4.    Проведён анализ вариантов использования сочленённых платформ для создания многофункционального ансамбля машин для решения различных тактических задач.

• 5.    Имитационное моделирование перспективной платформы с увеличенной удельной мощностью, созданной на базе существующих и проектируемых машин, показало возможность повышения оперативно-тактической подвижности за счёт адаптивного распределения ведущего момента между секциями. Критерием распределения моментов должен являться упругий момент в приводе движителей

• 6.    Перспективная платформа в исполнении ансамбля машин позволяет размещать на ней перспективные виды артиллерийского и иного вооружения.

Обсуждение и применение

В процессе исследований определены проблемы и поставлены задачи дальнейших исследований в этом направлении.

• 1.    Проблема снижения колебаний корпусов ССАО после выстрела.

Задачи:

• –    создание математической модели колебаний корпусов ССАО от импульсного воздействия при выстреле;

• –    на основании результатов решения математической модели определение упругодемпфи-рующих характеристик активного узла сочленения и элементов подвески ходовой части;

• –    конструктивное решение активного узла сочленения.

• 2.    Проблема обеспечения адаптивного управления распределением силовых потоков от силовой установки к движителям.

Задачи:

• –    разработка системы электрического привода движителей секций ССАО;

• –    создание контроллера с алгоритмом управления на основе нечёткой логики по адаптивному распределению силовых потоков.

  
  
  
  
  
  

  а)                                                 б)

  
  
  
  
  
  
  
  

в)                                                         г)

^" ■ ^^ ■ ^"   первая передача

^^" ^^" ^^*    вторая передача

^^^^^^^^^^   третья передача

Рис. 5. Дорожные условия с φ = 0,35 и f = 0,15

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Дорожные условия с φ = 0,8 и f = 0,09