БАЛЛИСТИКА - НАСТОЯЩЕЕ И БУДУЩЕЕ

Ballistics - Present and Future

Dr. R.J.Eichelberger

Директор Баллистической исследовательской лаборатории, США

(речь на открытии 7-го международного симпозиума по баллистике) 19 апреля 1983г.

Принято считать, что технология баллистики *) в достаточной степени отработана, как это и должно быть после многовекового интенсивного внимания к ней величайших научных умов мира - Да Винчи, Галилея, Эйлера, Лапласа, Лагранжа, фон Неймана, фон Кармана и др. Действительно, новые идеи и открытия появляются все реже. В то же время понимание физических и химических процессов, лежащих в основе баллистики, а также совершенствование математических методов дают возможность практикам описать с большой точностью множество различных явлений, которые и составляют технологию баллистики. В этом и состоит будущее баллистики и проектирования систем вооружения.

Ключ к этому лежит в использовании "системного проектирования". Существуют два уровня системного проектирования. Наиболее привычный для разработчиков путь - это сконструировать материальные узлы (hardware components) так, чтобы они оказались взаимно совместимыми и могли работать как единая система. Это составляет обязательное условие, основную цель такого процесса разработки; это касается всех "качеств" системы: пригодности для производства, технологичности и доступности по материалам, процессам и стоимости, долговечности, прочности, надежности в эксплуатации, выживаемости в боевых условиях и т.д. Тем не менее, этот вид системного проектирования, который необходимо назвать, по-моему, проектированием "железа", или вторичным системным проектированием ("hardware" or "a posteriori" system engineering) не определяет характеристик разрабатываемой системы. Это не относится к тому случаю, когда потенциальные возможности концепции не реализуются из-за несовершенства ее практического использования.

Другой уровень системного проектирования, о котором будем говорить здесь, я назову априорным (первичным) системным проектированием ("software" or "a priori" system engineering). Он основан на достаточно полном описании всех физических и химических явлений, происходящих при функционировании системы вооружения. Оценивая характеристики совокупности всех компонентов системы, можно подобрать характеристики отдельных компонентов так, чтобы добиться оптимизации характеристик системы в целом. Процесс оптимизации может потребовать довольно большого числа итераций и значительных интеллектуальных усилий со стороны как системного проектировщика, так и специалиста по баллистике, однако только такой подход обеспечивает в принципе максимальную реализацию существующих на данный момент потенциальных возможностей разрабатываемой системы вооружения.

Достигнутый уровень разработанной таким образом системы является исходной точкой, в которой определяется стоимость системы, пригодность ее для производства, а также сравниваются ее характеристики с соответствующими характеристиками альтернативных проектов, после чего принимается решение о том, какую из концепций следует передать на дальнейшую проработку.

Кроме того, введение параметрического описания характеристик разрабатываемой системы помогает обнаружить области, где достижения баллистической технологии оказываются наиболее благоприятными, и найти такую технологию, в которой эти достижения будут использованы наиболее выгодно.

Таким образом, априорное системное проектирование является к тому же и инструментом для определения наилучшего размещения ресурсов в научных и прикладных исследованиях баллистики, а, следовательно, и методов, которые должны быть рассмотрены при прогнозировании характеристик баллистических систем.

Априорное системное проектирование может быть крайне сложным делом. Для правильной оценки потенциальных возможностей определенного узла системы приходится иметь дело со всеми аспектами системы, в которой этот узел будет использоваться.

На рис.1 дана упрощенная блок-схема разработки зенитного орудия методом системного проектирования. Постановка задачи может быть, например, такой: изучить возможность сокращения времени полета снаряда за счет использования подкалиберного снаряда, увеличения начальной скорости и снижения лобового сопротивления. Но чтобы достичь этой, казалось бы, простой цели, необходимо рассмотреть объект поражения и его тактику, теорию, которую применяет пользователь зенитной системы, и все подсистемы, поскольку все это взаимосвязано с изменениями характеристик боеприпасов, иногда отрицательно, иногда положительно. Должны быть рассмотрены: воспламенение и горение метательного заряда; ускорение снаряда и поддона и последующие напряжения в них, импульсная нагрузка на снаряд, орудие и его платформу; промежуточная баллистика и ее влияние на дисперсию, нагрузку на орудийную платформу и орудийный расчет; динамика полета снаряда - характеристики устойчивости и лобовое сопротивление; сброс поддона и его влияние на дисперсию; характеристики взрывателя и последующие условия детонации снаряда; вероятность и место поражения мишени и степень ожидаемого разрушения.

Иногда для сокращения расчетов могут быть привлечены результаты предыдущих исследований, но такая экономия рискованна и должна при меняться с большой осторожностью.

Итак, оценка перспективности новой идеи достигается нелегко. И все-таки гораздо дешевле и быстрее производить эту оценку с помощью ЭВМ, чем изготовить прототипное изделие и произвести экспериментальную оценку. Более того, современное состояние численного моделирования позволяет находить оптимальные характеристики системы, опираясь на адекватное физическое описание ее функционирования. В идеале весь процесс оптимизации можно проводить почти в реальном масштабе времени в режиме диалога "человек-ЭВМ" с учетом влияния отдельных параметров на эффективность системы в целом.

Однако на этой конференции обсуждаются вопросы не столько самой техники системного проектирования, сколько ее влияние на баллистическую технологию. А оно значительно.

Во-первых, совершенно очевидно, что необходимо выражать факты, полученные на основании баллистических исследований, в точных математических терминах и преобразовывать их в вычислительные программы (т.е. на основании результатов целенаправленных физических экспериментов получать реологические и кинетические соотношения, описывающие поведение материалов, с последующим использованием этих соотношений в расчетах на ЭВМ).

Во-вторых, необходимо, чтобы таким образом полученные соотношения правильно описывали бы эксперимент, несхожий по постановке с тарировочным. Последнее налагает естественное требование более полного фундаментального понимания физических и химических аспектов трактуемых процессов - никаким другим способом эксперимент не может быть проэкстраполирован с той или иной степенью достоверности. В этом заключается существенный недостаток эмпирических корреляций; они не дают истинного понимания и всегда должны трактоваться с большими предосторожностями; особенно это касается экстраполяции.

Влияние системного проектирования, оказываемое на экспериментатора, не менее значительно. Он должен строить свою работу в двух направлениях.

Во-первых, необходима постановка эксперимента,направленная на исследование основных физических и химических процессов, то есть на получение данных о свойствах материалов, кинетике реакций и других фундаментальных параметрах, оказывающих решающее влияние на точность описания явлений, происходящих при функционировании баллистических систем.

Во-вторых, натурные эксперименты с баллистическими системами должны обеспечить как можно более исчерпывающую, детальную и точную информацию по каждому эксперименту. Теперь уже недостаточно поставить ряд простых экспериментов, каждый из которых обеспечивает получение информации только в одной узкой области; все относящиеся к делу данные должны быть получены на основании одного события, чтобы избежать разобщения, неизбежного при попытке скорректировать данные, взятые по разным событиям, включая разные участки аппаратуры.

Последнее наблюдение имеет интересный побочный эффект: эксперименты становятся настолько сложными и дают так много битов информации для каждого события, что экспериментальная аппаратура должна управляться ЭВМ, а сигналы информации поступают на ЭВМ, преобразуются, обрабатываются на ЭВМ, чтобы приобрести форму, удобную для человеческого восприятия. Натурные эксперименты проводятся уже не для отработки того или иного изделия, а для проверки правильности выводов, полученных на основании расчетов. И количество проведенных экспериментов обратно пропорционально их сложности.

В дальнейшем я попытаюсь оценить состояние баллистической технологии в рамках описанного выше подхода.

*) Под технологией баллистики понимается процесс разработки артиллерийского и ракетного вооружения, предназначенного для поражения танков и другой бронированной техники.