ANALÝZA: Multikoptéry jako platforma pro palnou zbraň
.jpg)
-
19. 7. 2017
-
11 komentářů
-
Milan Vašíček
Problémem multikoptér vyzbrojených palnými zbraněmi, tj. puškami, kulomety či granátomety, je především jejich letová stabilita při výstřelu a udržení záměrné zbraně na cíl. Vývoj bojových multikoptér proto čelí několika závažným technickým výzvám.
Letová palebná stabilita multikoptéry
Letová stabilita multikoptéry (tedy stroje s více než dvěma rotory) je zajišťována inercionální jednotkou, která je součástí řídící jednotky multikoptéry. Skládá se z tří gyroskopů, které měří otáčení kolem svislé osy a náklony a z tří akcelerometrů měřících posuvy – stoupání/klesání a vodorovné pohyby vpřed/vzad a vpravo/vlevo.
Naměřené veličiny pohybu multikoptéry se zpracovávají v řídící jednotce a slouží k nastavení tahu vrtulí (pomocí regulace otáček). Otáčky a tím tah vrtule je řízen individuálně pro každou vrtuli tak, aby výslednice vektoru (směr a velikost vztlakové síly) součtu vektorů tahu jednotlivých vrtulí procházela těžištěm multikoptéry a rovnala se její tíze. To je případ vznášející se multikoptéry, stojící v prostoru.
Kvůli zjednodušení byly pominuty vnější a vnitřní rušivé síly a momenty účinkující na multikoptéru, jako poryvy ovzduší, nevyváženost vrtulí a jejich pohonu, apod.
Do vodorovného pohybu se multikoptéra uvede jejím nakloněním do směru letu. Nakloněním vrtulí se skloní i výslednice vektoru tahu vrtulí. Vodorovná složka výslednice vektoru tahu vrtulí (tahová síla) přivede multikoptéru do vodorovného letu a je rovna odporu vzduchu proti letu, svislá složka výslednice vektoru tahu vrtulí (vztlaková síla) je zase rovna tíze multikoptéry.
K tomu je třeba zvýšit tah vrtulí zvýšením jejich otáček, aby se vytvořila tahová síla a vztlaková síla vyrovnala tíhu multikoptéry.
Účinek výstřelu na multikoptéru
Pří výstřelu z palné zbraně, zavěšené na multikoptéře, je multikoptéra vystavena síle výstřelu. Je to součin průřezu vývrtu hlavně a tlaku plynů, která působí v ose hlavně. U automatických zbraní ráže 5,56 mm je maximální hodnota síly výstřelu v rozmezí 10 až 12 kN.
Účinek síly výstřelu na multikoptéru je silový a momentový.
Silový účinek síly výstřelu zatlačuje multikoptéru ve směru jejího působení. Pokud by se střelba vedla ve směru letu multikoptéry, pak výstřel působí proti směru letu multikoptéry a brzdí ji v pohybu. Zpětný pohyb je eliminován tahovou silou vrtulí a ta po pominutí účinku síly výstřelu opětně uvede multikoptéru do dopředného pohybu. Pokud by síla výstřelu byla výrazně větší než tahová síla vrtulí, pak může dojít nejen k zabrzděni dopředného letu multikoptéry, ale i k tomu, že se začne pohybovat zpět.
Velikost zpětné rychlosti multikoptéry na konci výstřelu je úměrná impulsu výstřelu a nepřímo úměrná hmotnosti multikoptéry. Pokud uvažujeme zbraň ráže 5,56 mm, tak zapůsobí na multikoptéru impulsem výstřelu o hodnotě 3 až 4 kgm.s-1 a zpětná rychlost se může pohybovat s ohledem na možnou hmotnost multikoptéry v rozmezí 0,1 až 0,2 m.s-1, což se rovná rychlosti vánku větru. Při střelbě dávkou pak konečná zpětná rychlost multikoptéry bude násobkem počtu ran v dávce.
Momentový účinek síly výstřelu je vyvolán tím, že vektor síly výstřelu, tj. směr jejího působení, jde mimo těžiště multikoptéry - osa hlavně jde mimo těžiště multikoptéry.
Pokud prochází pod těžištěm, tak síla výstřelu multikoptéru klopí dolů, v obráceném případě pak nahoru. Výstřelem je multikoptéra vždy vystavena klopnému momentu, což narušuje její letovou stabilitu.
Eliminaci klopného momentu výstřelu lze provést dvěma způsoby, aerodynamicky nebo staticky.
Zde vidíme zbraň umístěnou blízko těžiště dronu. Při výstřelu můžeme také pozorovat zpětný pohyb při výstřelu. V tomto případě dron sestrojil student, který na sebe přilákal zájem federálních úřadů v USA.
Aerodynamický způsob spočívá ve změně síly tahu vrtulí tak, že během výstřelu polovina vrtulí zvýší sílu tahu a druhá polovina ji sníží změnou jejich otáček, zvýšením či snížením, podle ovládacího signálu řídící jednotky. Tak se vytvoří aerodynamický vyvažovací moment působící proti klopnému momentu výstřelu.
Statický způsob eliminace klopného momentu výstřelu se zakládá na tom, aby síla výstřelu, tj. osa hlavně palné zbraně, procházela těžištěm multikoptéry, nebo aby byla od něho co nejméně vzdálena, o tak zvané rameno excentricity (výstřednosti). Když osa hlavně, vektor síly výstřelu, prochází těžištěm multikoptéry, tak se eliminuje rameno excentricity výstřelu a multikoptéra není vystavena klopnému momentu výstřelu a tím je vyloučena ztráta její letové stability.
Úplná eliminace ramena excentricity je prakticky nemožná. Např. při střelbě se snižuje počet nábojů a zásobníku zbraně a tím se mění těžiště zbraně a tím i těžiště celé multikoptéry.
Konstrukční koncepce uložení palné zbraně na multikoptéru jako platformy spočívá v tom, aby rameno excentricity bylo co nejmenší tak, aby klopný moment výstřelu se dal vykompenzovat aerodynamickým způsobem, což prakticky není problémem.
Splnění uvedených fyzikálních zákonitostí je podmínkou letové palebné stability multikoptéry vyzbrojené palnou zbraní libovolného typu.
Před pěti lety se objevila na YouTube zdařilá počítačová animace bojového dronu. Tak snadno to ale nepůjde.
Udržení záměrné zbraně na cíl
Při pevném zakotvení palné zbraně na multikoptéru jako platformu, lze zbraň zamířit na cíl jen pomocí aerodynamicky řízeného manévru multikoptérou změnou tahu vrtulí. Takovým způsobem zaměřování nelze dosáhnout potřebné přesnosti střelby v důsledku dlouhé odezvy na řídící signály zaměřování. Důsledkem je poměrně dlouhá doba potřebná k ustavení multikoptéry do střelecké polohy a obtížné udržení multikoptéry v záměrné poloze, ať již za letu nebo při vznášení.
Prakticky je vyloučena střelba dávkou. Již první výstřel svým účinkem natolik poruší záměrnou polohu multikoptéry, že do následujícího výstřelu v samočinném režimu střelby není stabilizační systém schopen multikoptéru vrátit zpět do záměrné polohy a v ní ji udržet.
Vést přesnou střelbu, zejména v samočinném režimu, vyžaduje ukotvit palnou zbraň k multikoptéře prostřednictvím stabilizované plošiny. Ta má na multikoptéře svůj nezávislý stabilizační systém. Síly a momentu výstřelu a dalších vnějších rušivých sil, které negativně ovlivňují polohu a pohyb multikoptéry, se funkcí stabilizované plošiny do zaměřování palné zbraně nepromítají.
Tím se dosáhne přesného zamíření a udržení záměrné palné zbraně na cíl i při střelbě dávkou. Přispívá k tomu skutečnost, že vlastní frekvence kmitání multikoptéry je výrazně nižší než vlastní frekvence kmitání ukotvené palné zbraně, což vyplývá z konstrukční dispozice sestavy multikoptéry a palné zbraně.
Aby palná zbraň nepůsobila na stabilizovanou plošinu plnou silou síly výstřelu, což by komplikovalo její konstrukci a negativně ovlivnilo její funkci, je na ní uložena suvně, aby při výstřelu vykonávala zákluzový pohyb. Ten je pak brzděn tlumičem zpětného rázu, jehož hlavní částí je pružina. Palná zbraň za výstřelu pak silově působí na stabilizovanou plošinu jen silou stlačené pružiny. To i příznivě ovlivňuje řízení a udržení letové stability multikoptéry při střelbě z palné zbraně.
Uložení palné zbraně na stabilizovanou plošinu nevyloučí zpětný pohyb multikoptéry účinkem síly výstřelu a momentové působení výstřelu na stabilitu multikoptéry. Pouze jejich účinek rozloží do delšího časového působení a tím zmírní jejich negativní působení, což zlepší podmínky pro řízení letové stability multikoptéry a zamiřování zbraně na cíl.
Na základě uvedených fyzikálních principů je konstruován bojový dron TIKAD floridské společnosti Duke Robotics.
Bojový dron – multikoptéra vyzbrojený kulometem či granátometem je výrobně a provozně složitým bojovým prostředkem. Z těchto důvodů a tím i jeho obtížné dostupnosti je málo pravděpodobné, že by se mohl stát teroristickým prostředkem. Lze očekávat, že multikoptéra bude teroristy spíše použita jen jako nosič ničivé nálože, shazované na cíl, nebo přímo jako ničivý prostředek.
Autor: Doc. Ing. Milan Vašíček, CSc, plukovník v záloze, který vyučoval na Vojenské akademii, resp. Univerzitě obrany v Brně.
Související články
Bell Helicopter pokračuje ve vývoji vrtulníků budoucnosti
Bell Helicopter, dceřiná společnost konsorcia Textron Inc. (NYSE: TXT), představila svou vizi ...
-
09.06.2017
-
3 komentářů
-
Tisková zpráva
Pentagon: Megaměsta jsou budoucí bojiště
V posledních letech se z Armády Spojených států (US Army) čím dal častěji ozývají hlasy volající po ...
-
21.06.2017
-
18 komentářů
-
Michael Myklín
TIKAD: Taktické multikoptéry s kulomety
Izraelská armáda od floridské společnosti Duke Robotics nakoupí taktické bojové multikoptéry TIKAD ...
-
10.07.2017
-
5 komentářů
-
Jan Grohmann
Robotičtí asistenti velitelů: Revoluce ve velení a řízení boje
Současný raketový rozvoj vojenských technologií naráží na zásadní překážku - omezení lidského mozku. ...
-
17.07.2017
-
10 komentářů
-
Jan Grohmann
pánové, předem uvádím, že nemíním zasahovat do vaší diskuze o utlumení zpětného rázu zbraně na stabilizované plošině. Podle mého názoru je však zavěšení palné zbraně na ...Zobrazit celý příspěvek
pánové, předem uvádím, že nemíním zasahovat do vaší diskuze o utlumení zpětného rázu zbraně na stabilizované plošině.
Podle mého názoru je však zavěšení palné zbraně na stabilizovanou, nebo alespoň tlumenou plošinu pod dronem konstrukční chyba (nebo slepá ulička, pokud ovšem nechci s dronem někde přistát a vést palbu ze země), což ostatně dokazuje i výše uvedený článek. Mnohem jednodušší a efektivnější je integrovat zbraň (nebo její lafetu přímo do mechanické konstrukce draku dronu (tak, jako se to pokusil ten student) a zamiřovat zbraň celým dronem. Konstrukce pak vyjde mnohem lehčí a levnější. To, že někdo dá zbraň na otočnou plošinu pod dronem je sice možné, ovšem o neefektivitě takového řešení podle mého není pochyb.
Jak ale ukazují již prakticky provedené experimenty, drony se osvědčují jako nosiče bezzákluzových jednorázových granátometů, nebo jako "sebevražedné" stroje, kdy je malý dron osazený malou směrovou náloží naveden přímo na cílový objekt (již vyráběný UAV ROTEM-L).Skrýt celý příspěvekEste poopravim svoje tvrdenie: nezalezi len od tuhosti ale aj od pomeru hmotnosti zbran/dron. Ak by hmotnost zbrane bola nulova, tak by jej zaklzova sila udelila okamzite nekonecne ...Zobrazit celý příspěvek
Este poopravim svoje tvrdenie: nezalezi len od tuhosti ale aj od pomeru hmotnosti zbran/dron. Ak by hmotnost zbrane bola nulova, tak by jej zaklzova sila udelila okamzite nekonecne velku rychlost, preto by sme potrebovali nekonecne dlhy zaklzovy mechanizmus a teda nulovu tuhost (k=F/dl).Skrýt celý příspěvek
Ten co nechápe fyziku jsem já. Pokud by se zbrani zabránilo v jakémkoli pohybu bude působit silou tak, jak je uvedeno v článku. Omlouvám se všem kterých jsem se mohl dotknout.
Ten co nechápe fyziku jsem já. Pokud by se zbrani zabránilo v jakémkoli pohybu bude působit silou tak, jak je uvedeno v článku. Omlouvám se všem kterých jsem se mohl dotknout.
Petrvo: to je uvedene aj v clanku - skoda ze ste prestali citat. "Aby palná zbraň nepůsobila na stabilizovanou plošinu plnou silou síly výstřelu, což by komplikovalo její ...Zobrazit celý příspěvek
Petrvo: to je uvedene aj v clanku - skoda ze ste prestali citat.
"Aby palná zbraň nepůsobila na stabilizovanou plošinu plnou silou síly výstřelu, což by komplikovalo její konstrukci a negativně ovlivnilo její funkci, je na ní uložena suvně, aby při výstřelu vykonávala zákluzový pohyb. Ten je pak brzděn tlumičem zpětného rázu, jehož hlavní částí je pružina. Palná zbraň za výstřelu pak silově působí na stabilizovanou plošinu jen silou stlačené pružiny."Skrýt celý příspěvekPetrvo: zalezi od tuhosti sustavy, ak by kvadkoptera tvorila so zbranou dokonale tuhu sustavu tak by touto silou na nu zbran skutocne posobila. Takze nejde o pomer hybnosti ale o ...Zobrazit celý příspěvek
Petrvo: zalezi od tuhosti sustavy, ak by kvadkoptera tvorila so zbranou dokonale tuhu sustavu tak by touto silou na nu zbran skutocne posobila. Takze nejde o pomer hybnosti ale o tuhost.Skrýt celý příspěvek
Může být. Netvrdil jsem, že vím k čemu jsou vztaženy hodnoty 10 až 12 kN. Ale rozhodně to není síla kterou působí zbraň na kvadrokoptéru. Tam půjde o ten poměr hybností. S ...Zobrazit celý příspěvek
Může být. Netvrdil jsem, že vím k čemu jsou vztaženy hodnoty 10 až 12 kN. Ale rozhodně to není síla kterou působí zbraň na kvadrokoptéru. Tam půjde o ten poměr hybností.
S kladivem to je ten samý případ jako s kulkou. To nemá nic společného s rozkládáním síly v čase.Skrýt celý příspěvekPetrvo: dlzka hlavne: 17 inch 43.18 cm 0.43m ustova rychlost: 3431 fps 1045 m/s hmostnost strely: 4g 0.004kg s=v/2*t => t= 2*s/v = 2*0.43/1,045 = 0.000822s - ...Zobrazit celý příspěvek
Petrvo:
dlzka hlavne: 17 inch 43.18 cm 0.43m
ustova rychlost: 3431 fps 1045 m/s
hmostnost strely: 4g 0.004kg
s=v/2*t => t= 2*s/v = 2*0.43/1,045 = 0.000822s - doba trvania vystrelu
a = v/t = 1045/0.000822 = 1271289 m*s-2 zrychlenie
f = m*a = 0.004 * 1271289 = 5.085kN sila posobiaca na strelu v ose hlavne ta je rovna sile spatneho razu.
Vysla zhruba polovica, to preto lebo som uvazoval rovnomerne zrychleny pohyb. Sila psobiaca na strelu v hlavni ale postupe klesa, pretoze idealne chceme aby tlak plynov ked strela opusta hlaven bol rovny atmosferickemu.
"Něco, jako rozkládání do delšího časového úseku fyzika nezná."
Toto nie je exaktne fyzikalne tvrdenie,takze tazko nan presne reagovat, ale kazdy kto uz pouzil napr. kladivo by mal vediet ze to nie je pravda.Skrýt celý příspěvekČlánek se mi líbil do chvíle, než jsem se dočetl, že "U automatických zbraní ráže 5,56 mm je maximální hodnota síly výstřelu v rozmezí 10 až 12 kN." V tu chvílí jsem číst přestal. ...Zobrazit celý příspěvek
Článek se mi líbil do chvíle, než jsem se dočetl, že "U automatických zbraní ráže 5,56 mm je maximální hodnota síly výstřelu v rozmezí 10 až 12 kN." V tu chvílí jsem číst přestal. Pokud si dá člověk tu práci, aby takový článek sepsal, měl by si dát i práci, aby v něm nezůstal zjevný nesmysl.
Pro Jana Grohmanna:
To neodpovídá zpětnému rázu 1500 kg. To odpovídá zpětnému rázu 1 t až 1,2 t. Nejsem odborník na zbraně, ale myslím si, že to nemá co dělat s tím, že se síla rozloží do delšího časového úseku. Něco, jako rozkládání do delšího časového úseku fyzika nezná. Pokud by takto velká síla působila delší časový úsek, jedna dávka by střelci bezpečně amputovala ruku v rameni (samozřejmě pokud by se zapřel o zeď, jinak by lítal po poli). Domnívám se, že pokud se oněch 10 až 12 kN zakládá na pravdě, jedná se o sílu kterou vytváří tlak expandujících plynů na stěny hlavně (v tomto případě F=p*S kde S=vrtání hlavně x délka hlavně na kterou plyn působí). Co se týče působení na střelce, jedná se o poměr hybností. Vysoká rychlost a malá hmotnost kulka proti nízké rychlosti a vysoké hmotnosti zbraň + střelec. Síla, kterou zbraň na střelce působí odpovídá zrychlení, kterou byla kulka na základě poměru hybností schopna zbrani udělit. Nějak působí i tlak plynů u ústí hlavně, kde zbraň funguje jako raketový motor, ale netuším zda tato síla není zanedbatelná.Skrýt celý příspěvekMěli jsme také připomínku k síle výstřelu 10 až 15 kN, což odpovídá "zpětnému rázu" 1500 kg. To by asi nikdo nevydržel. :) Vyjádření autora: Prakticky si nikdo neuvědomuje, ...Zobrazit celý příspěvek
Měli jsme také připomínku k síle výstřelu 10 až 15 kN, což odpovídá "zpětnému rázu" 1500 kg. To by asi nikdo nevydržel. :)
Vyjádření autora:
Prakticky si nikdo neuvědomuje, jak jsou palné zbraně, v principu pístové motory, vysoce energeticky výkonné až je to mimo "normální" chápání. Proto je konstrukce a výroba palných zbraní vysoce specifickým technickým oborem.
Ve skutečnosti na tělo střelce se síla výstřelu rozloží na podstatně delší dobu. Tím se pocitově zdá jako velmi malá. Jde o rozprostření účinku vysoké, ale velmi krátkodobé špičkové síly na dlouhý časový úsek. U útočné pušky je to prodloužení cca stonásobné, takže místo maximálního zatížení 1 tunou to ve skutečnosti pocitově činí maximálně 10kg = 100 N.Skrýt celý příspěvekPavolR, rozmýšlate tým istým smerom ako ja, expanzné zbrane s ich spätným rázom sa pre použitie na dronoch absolútne nehodia. Platia tu jednoduché fyzikálne zákony a pre stabilitu ...Zobrazit celý příspěvek
PavolR, rozmýšlate tým istým smerom ako ja, expanzné zbrane s ich spätným rázom sa pre použitie na dronoch absolútne nehodia. Platia tu jednoduché fyzikálne zákony a pre stabilitu dronu počas paľby je podstatná jeho hmotnosť. Úplne iný vplyv má na stabilitu paľba z 30mm kanónu na AH-64D s štandardnou vzletovou hmotnosťou 7480kg a na dron s hmotnosťou max 250kg. Pre drony by bolo lepšie používať energetické zbrane, napríklad lasery. Ešte by sa dalo uvažovať aj nad ľahkými riadenými raketami.Skrýt celý příspěvek
Načítám diskuzi...