СЪЕМКА ДВИЖУЩЕГОСЯ РАКЕТНОГО ПОЕЗДА

С.И. Герасимов1,2,3 , С.В. Бутова1,2

1 Саровский физико-технический институт НИЯУ МИФИ, 607186, Саров, Россия

2 Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики, 607190, Саров, Россия

3 Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева, 603950, Россия

E-mail: s.i.gerasimov@mail.ru, sbutova@mail.ru

 

1. Введение

2. Синхробаллистическая камера

2.1. Назначение и характеристики

2.2. Метод щелевой фотосъемки

2.3. Метод щелевой фоторегистрации

3.Визуализация сверхзвукового движения ракетного поезда

4. Заключение

Список литературы

 

Аннотация

Разгон по рельсовым направляющим ракетного трека сопровождается рядом эффектов (обгар поверхности корпусов двигателей, состояние башмаков с помощью которых ракетный поезд скользит по направляющей, отделение полезной нагрузки от последней ступени поезда в аэробаллистическом испытании и т.д.), требующих качественной визуализации для последующего учета при анализе результатов каждого такого испытания. Для этих целей разработан специальный метод съемки, основанный на использовании синхробаллистических камер, входящих в состав постов регистрации, расположенных вдоль ракетного трека. Описаны устройство и принцип работы таких камер и приведены характерные фотографии движущихся ракетных поездов, получаемых с их помощью.

 

Ключевые слова: ракетный трек, ступень, рельсовая направляющая, ракетный двигатель, синхробаллистическая камера

 

1. Введение

 

Постановка опытов на ракетно- катапультирующей установке, чаще именуемой ракетным треком, включает разгон полезной нагрузки (объектов испытания или имитаторов преград) по рельсовым направляющим с помощью так называемых ракетных поездов, основу которых составляют ракетные двигатели твердого топлива (рис.1).

 

хризантема

а)

бетон-монорельс

б)

DSC05836

в)

бревно-двухрельс

г)

1.2.jpg

д)

грунт-двухрельс

е)

Рис.1 Стартовые позиции ракетных поездов (а,в,д – монорельсовые одно- и двухступенчатые; б,г,е – моно- и двухрельсовые с разгоняемыми преградами)

 

Полезная нагрузка, как правило, размещается на последней ступени. При большой массе полезная нагрузка может оснащаться собственными башмаками для скольжения по рельсовым направляющим (рис. 1 б,е). В случае, если полезная нагрузка в процессе эксперимента должна отделяться от ступени ракетного поезда, ее крепление осуществляется с помощью разрывных болтов. В этом случае объект испытания катапультируется в свободный полет по баллистической трассе. Объект испытания движется по настильной траектории, на дистанции в несколько километров на ограниченной несколькими десятками метров высоте. В процессе полета средствами расположенных на трассе аэрофотокамер, работающих в ждущем режиме (с открытым затвором), осуществляется внешнетраекторная регистрация на фоне реперных марок базовой системы координат аналогично методике регистрации в аэробаллистическом тире [1]. Следовательно, большинство аэробаллистических испытаний на ракетном треке проводится в ночное время, что затрудняет получение визуальной информации о разгоне поезда по рельсовым направляющим. Вместе с тем достижение максимальных скоростей и связанные с этим проблемы устойчивости движения ракетного поезда по упругой направляющей [2], требуют качественной визуальной информации о состоянии ступеней в процессе разгона, горения башмаков и краски корпуса, отделения полезной нагрузки и т.п. Для этой цели под стандартную изопанхроматическую аэрофопленку с высоким разрешением, шириной 80мм были разработаны синхробаллистические камеры, которыми оснащались посты регистрации ракетного трека на финишном участке (рис.2).

 

1.1.JPG

а)

 

17

 

б)

 

DSC07933.JPG

 

в)

DSC08059.JPG

г)

 

Рис.2. Посты регистрации с использованием синхробаллистических камер (а) финишный участок трека, посты регистрации справа; б),в) состав фотопоста- импульсные источники света и камера СБФ (вид со стороны дороги и со  стороны поста), г) фотокамера СБФ-02

 

2. Синхробаллистическая камера

2.1. Назначение и характеристики

 

Синхробаллистическая фотокамера СБФ-02 предназначена для регистрации фотографическим методом объектов, перемещающихся со скоростями 200-2500 м/с. С помощью фотокамеры можно получать крупномасштабные (1/10÷1/50) и высококачественные изображения исследуемых объектов. Наличие у камеры линейной развертки изображения позволяет осуществлять регистрацию протяжённых объектов длиной до десяти метров. Получаемая фотоинформация предназначена в основном для визуального анализа состояния объекта в процессе его перемещения. Возможно также проведение количественного анализа, т.е. определение скорости перемещения объекта, взаимного расположения его частей, степени их деформации и т.п. В связи с тем, что при съемках камера имеет очень малое время экспонирования (1÷100мкс), она должна работать совместно с искусственным источником освещения большой интенсивности (~106 кд), т.к. при естественном освещении не обеспечивается требуемая экспозиция.

Для дистанционного управления работой фотокамеры СБФ-02 используется пульт управления, обеспечивающий подачу напряжения постоянного тока на мотор и импульса напряжения на электромагнит затвора фотокамеры.

 

Таблица 1. Основные технические данные фотокамеры СБФ-02

Скорость пленки

В диапазоне от 6,4 до 65 м/с

Радиус барабана

130 мм

Размер кадра

80*816мм

Объектив

Уран-27

Фокусное расстояние

100мм

Относительное отверстие

От 1/3,5 до 1/16

Разрешающая способность объектива

45 лин. мм-1

Наводка на резкость

От 1м до ∞

Ширина кадровой щели

От 0,3 до 1,5 мм

Оптический видоискатель

Центральный

Амплитуда импульса индукционного датчика

От 0,5 до 1,0 В

Фотозатвор

Электромеханический

Время открытия

От 6 до 8 мс

Выдержка

От 15 до 18 мс

Время закрытия

От 0,5 до 2,5 мс

Электродвигатель

Д-25Т

Число оборотов

8600±1290 об/мин

 

Фотокамера СБФ-02 рассчитана для использования в двух различных вариантах:

А) в варианте щелевой фотокамеры, предназначенной для получения высококачественных крупноформатных фотографий быстродвижущихся объектов;

Б) в варианте щелевого фоторегистратора, предназначенного для получения регистрограмм, отражающих зависимость перемещения по времени быстродвижущихся объектов или фронта детонации (взрыва). Обработка регистрограмм дает возможность получить зависимость скорости по времени для таких объектов или для фронта.

Для реализации одного из режимов работы необходимо различным образом ориентировать плоскость щелевой зоны камеры относительно траектории объекта или направления движения фронта.

 

2.2. Метод щелевой фотосъемки

 

В основу работы СБФ-02 в режиме щелевой фотокамеры положен метод щелевой фотосъемки на подвижном материале, при котором светочувствительной пленке, закрепленной на вращающемся барабане, задается скорость равная по величине и совпадающая по направлению со скоростью изображения движущегося фотографируемого объекта в фокальной плоскости.

Vпл=Vиз=M·V                        (1)

где Vпл-скорость пленки на барабане, Vиз- скорость изображения фотографируемого объекта, M- масштаб съемки, V- скорость объекта при съемке.

Чтобы до минимума уменьшить влияние на резкость получаемого изображения возможной разницы в скоростях пленки и изображения движущегося фотографируемого объекта, влияние кривизны поверхности барабана, а также ракурсных искажений от перемещения объекта, съемка ведется через кадровое окно в виде узкой щели, проходящей через центр поля изображения объектива и ориентированной перпендикулярно направлению движения пленки.

Съемка быстродвижущегося объекта камерой СБФ-02 дает возможность получить один крупномасштабный кадр с четким (практически без смазывания) изображением.

При проведении регистрации камерами с подвижной пленкой щелевым методом необходимо учитывать соотношение поперечного и продольного масштаба съемки (применительно к вращению фотопленки). Поперечный масштаб съемки Мпоп – есть масштаб, определяющий соотношение высот (или диаметров) натурного объекта и его изображение на пленке. Будем считать, что вектор скорости V направлен ортогонально к плоскости, формируемой источником света и кадровым окном камеры. Это условие легко реализуется, т.к. объект испытаний (ОИ) движется по рельсовым направляющим. Продольный масштаб съемки Мпр – есть масштаб, определяющий соотношение длин натурного объекта и его изображения на пленке Мпр=lпл/L1, где lпл – длина изображения на пленке, L1 – длина ОИ. Продольный масштаб связан со скоростями ОИ и пленки через время T, за которое ОИ проходит плоскость съемки и время образования изображения на пленке:

T=lпл/Vпл=L1/V                                 (2)

Т.е. продольный масштаб равен Мпр=Vпл/V. Для получения геометрического подобия фотографирования ОИ и его изображения на пленке необходимо выдержать равенство продольного и поперечного масштабов.

 

2.3. Метод щелевой фоторегистрации

 

В режиме фоторегистрации камера СБФ-02 ориентируется так, чтобы изображение заданной точки движущегося объекта (или фронта ударной волны) перемещалось вдоль щели камеры. В результате на пленке регистрируется развертка перемещения этой точки по времени (см. рис.3).

 

Рис. 3 – Вид регистрограммы

 

Ось абсцисс, направленная противоположно вектору скорости пленки, представляет на регистрограмме ось временных координат.

T=X/Vпл  ,                             (3)

где T– временные координаты, Х – координата заданной точки изображения движущегося ОИ.

Ось ординат на регистрограмме представляет ось перемещений S:

S=Y/M                                   (4)

Обработка зависимости S(t) на регистрограмме дает возможность определить скорость объекта (или фронта детонации) в любой момент времени и в любой точке на регистрируемом участке. Находя дифференциалы из (3) и (4), получим выражение для определения скорости

V=dS/dt=Vплdy/Mdx=Vплtgβ/M,         (5)

где β– угол между касательной и кривой S(t) в заданной точке и осью абсцисс.

При дифференцировании далее полученной зависимости V(t), имеется принципиальная возможность получения ускорения объекта (фронта) по времени a(t).

 

3.Визуализация сверхзвукового движения ракетного поезда

 

Подготовка СБФ-02 к съемке должна проводиться на основании ряда предварительных расчетов. Исходными данными для расчетов являются:

1)      Расстояние от СБФ-02 до объекта испытания при съемке;

2)      Ожидаемая скорость объекта V в зоне съемки;

3)      Фокусное расстояние объектива СБФ-02;

4)      Таблица параметров камеры СБФ-02;

Определение масштаба съемки производится по формуле (6):

М=F/L,             (6)

где М - масштаб съемки, F - фокусное расстояние объектива, L - расстояние от камеры СБФ-02 до объекта испытания.

Включение стопора происходит при замыкании управляющей цепи, что приводит к освобождению барабана и барабан начинает раскручиваться. Включение стопора должно быть так организовано во времени, чтобы к моменту подхода фотографируемого объекта к зоне съемки, должна произойти полная раскрутка барабана. Моменты открытия и закрытия затвора камеры СБФ-02 должны быть синхронизированы так, чтобы к подходу объекта испытаний в зону съемки затвор был полностью открыт, в момент съемки барабан камеры СБФ-02 сделал один оборот, после чего произошло закрытие затвора.

 

Безымянный

Рис. 4 – Диаграмма открытия затвора камеры СБФ-02

 

Синхронизация камеры осуществляется компенсацией времени Тсинхр. Это время рассчитывается исходя из параметров конкретной камеры СБФ-02 (см. рис. 4)

Тсинхр=Tин.затвора+Тин.откр+Тоткр-Тоб    ,     (7)

где Тсинхр – время синхронизации затвора, время за которое необходимо подать сигнал на открытие затвора камеры СБФ-02 до того, как фотографируемый объект прибудет в зону съемки; Тин.откр – время инерции открытия затвора; Тоткр – время нахождения затвора в открытом состоянии; Тоб – время одного оборота барабана.

Параметры Tин.затв, Тоткр, Тоб являются табличными значениями для каждой камеры СБФ-02.

При регистрации процессов сопровождающихся послесвечением необходимо соблюдать условие Тоткр £ Тоб или обеспечивать своевременное закрытие затвора, чтобы «паразитное» свечение не накладывалось на рабочее изображение на втором обороте барабана камеры. Тоб зависит от масштаба съемки и скорости вращения барабана. Также требуется учитывать длину фотографируемого объекта L1, так чтобы выполнялось условие L1·V£Тоб.

На рисунке 5 приведен пример фоторегистрации полученной камерой СБФ-02, где визуализирована головная ударная волна перед фотографируемым объектом, как в отраженном свете, так и на экране.

 

sbf-1

Рис. 5  Cверхзвуковое движение ракетного поезда

 

На рис.6 приведены фотографии движущихся различных ракетных поездов в стадии разгона и отделения полезной нагрузки (от 2М до 6М).

 

sbf-2

а)

sbf-3

б)

СБФ 2832_м1

в)

Дорога

г)

Рисунок1

д)

Рис.6 Фотографии движущихся различных ракетных поездов в стадии разгона и отделения полезной нагрузки (от 2М до 6М).

 

4. Заключение

 

1.      Разработана синхробаллистическая камера, позволяющая получать изображения размером 80мм (по вертикали) при разрешении не менее 45 лин/мм для движущихся объектов с гиперзвуковыми скоростями.

2.      Включенные в состав оптических постов, размещенных вдоль ракетного трека, такие камеры позволяют получать  качественную визуальную информацию о состоянии разгоняемых ракетных поездов и характере отделения полезной нагрузки.


Разработка схемы регистрации проводилась при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Соглашения № 14.577.21.0104 с НГТУ им. Р.Е. Алексеева (уникальный идентификатор проекта RFMEFI57714X0104).


Список литературы

 

  1. С.И. Герасимов, Ю.И. Файков, С.А. Холин Кумулятивные источники света.-Саров:РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2011.-327с.
  2. С.В.Бутова, С.И. Герасимов, В.И. Ерофеев, В.Г. Камчатный. Задачи устойчивости высокоскоростного движения объектов по упругим направляющим. Вестник   Нижегородского Университета им. Н.И. Лобачевского. Механика, 2013, №1 (3), с.54-59


PHOTOGRAPHING THE MOVING SLED TRAIN

S.I.Gerasimov1,2,3, S.V. Butova1,2

1 National Research Nuclear University «MEPHI», Sarov Physics and Technical Institute of Nizhny Novgorod region, 607186 Russia

2 Russian Federal Nuclear Center – All-Russian Research Institute of Experimental Physics, Sarov, Nizhny Novgorod region, 607188 Russia

3 Nizhny Novgorod State Technical University n.a. R.E. Alekseev, 603950 Russia

E-mail: s.i.gerasimov@mail.ru, sbutova@mail.ru

 

Abstract

The rocket sled test track reproduces aerodynamic flight condi­tions with high fidelity but also produces a series of effects (ignition of a stage surface, condition of slippers by which the sled rides upon rail, catapulting a payload under study from the last stage in aeroballistics tests, etc.) required high quality visualization for further analyzing the data obtained. For these purposes a special registration method based on synchronal-ballistic cameras located along the rocket sled test facility was developed. Technical characteristics of the camera and pictures obtained are presented.

 

Key words: rocket sled test facility, stage, sled rail, rocket motor, synchronal- ballistic camera

 

References


  1. Gerasimov S.I., Faikov Ju.I., Kholin S.A. Cumulative light sources. Sarov: RFNC-VNIIEF, 2002.
  2. Butova S. V., Gerasimov S.I., Erofeev V.I., Kamchatny V.G. Problems of stability for fast moving along the elastic tiedowns.  Vestnik of Nizhny Novgorod University n.a. N.I. Lobachevsky. Mechanics, 2013, №1 (3), pp.54-59