Пружинный «Дронобой» - идея разработки индивидуального средства защиты от атакующего дрона

XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Пружинный «Дронобой» - идея разработки индивидуального средства защиты от атакующего дрона

Щеголев И.А. 1
1МАОУ "Лицей №97 г. Челябинска"
Красавин Э.М. 1
1МАОУ "Лицей №97 г. Челябинска"; МБОУ "СОШ №1" г. Верхний Уфалей
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Современное проведение боевых действий и войсковых операций на линии боевого столкновения, как показала практика СВО, не мыслимо без использования широкого спектра беспилотных летательных аппаратов (БЛА, БПЛА). Применяемые БЛА выполняют широкий спектр решаемых задач. Это разведка положения сил противника, уничтожение боевой техники и укрытий, уничтожение огневых точек противника. Для этих целей применяются ударные дроны значительного размера (как вертолётного типа – квадро, гексо, октокоптеры, так и самолётного типа) несущие существенный боевой заряд, способный поразить мощные укрытия и бронированные объекты. Существует ещё одна задача применения БЛА – это уничтожение живой силы противника. Для этого применяют, как правило, небольшие маломощные БЛА, дешёвые и способные нести незначительный боевой заряд, способный поразить бойцов штурмовых и оборонительных подразделений. Эти небольшие аппараты проводят на линии боевого столкновения настоящую охоту за отдельными бойцами и наносят значительный урон боевой силе противника. Известно большое количество случаев, когда бойцам приходилось буквально подручными средствами отбивается от подобных аппаратов. Использовались мешки с продуктами и обмундированием, стрелковое оружие, камни, палки. Система стабилизации дронов компенсирует возмущение от ветра и внешних воздействий, но в определенных пределах. При резком влиянии или физическом воздействии она может не справиться со своей задачей, тем более что при внешнем воздействии различными предметами, вероятно повреждение элементов двигательной установки Примеров подобных действий зафиксировано значительное количество при проведении СВО. Конечно, дроны часто несут на себе боевые заряды, поэтому попытки сбить их подручными предметами, если они летят низко от земли, чреваты детонациями и взрывами. Микродроны – охотники несут на себе обычно небольшие заряды (200 – 300 г взрывчатых веществ или боевую гранату) способные поразить индивидуального бойца. Основные способы защиты от них основаны на том, что на завершающей стадии своего полета при поиске цели (особенно если поиск ведётся среди густой растительности, в лесу или в городской застройке) и при поражении цели, находящейся вблизи деревьев, строений, техники, дрон вынужден будет снизить свою скорость до 1-2 метров в секунду и меньше. Микродроны, летящие довольно медленно, низко от земли и на сравнительно небольшом расстоянии, оказываются легко поражаемыми. Лучше всего подойдет помповое ружье с патронами, снаряженными дробью, или специальным антидроновым патроном. В общем случае подойдут индивидуальные средства радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Однако возникает большая проблема – невозможно оснастить каждого бойца подобными элементами защиты. Да и габаритные размеры этих средств серьёзно снижает тактическую подвижность бойца. В связи с высокой актуальностью индивидуальной защиты бойцов от применения боевых микродронов возникла идея разработки индивидуального средства защит на основе пружинного выброса антидроновой сетки. Гипотезой проекта является возможность использования пружинной системы для поражения микродронов. Объект исследования в проекте – характеристика баллистических особенностей выброса антидроновой сетки под действием пружинного привода. Предмет исследования в проекте – разработка и изготовление самостоятельно спроектированного средства поражения микродронов на основе использования пружинного привода.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка малогабаритного индивидуального средства поражения любых микродронов с использованием пружинного привода и антидроновой сетки. Исходя из цели проекта, был поставлен ряд задач для осуществления решения поставленной цели:

- изучение литературных и интернет – источников по имеющимся и применяемым аналогам индивидуальных поражающих средств антидроновой защиты;

- изучение литературных и интернет – источников по теории баллистики выброса поражающего заряда под действием пружинного линейного привода;

- на основе изучения теоретического материала по баллистике выброса заряда линейным пружинным приводом разработать концепцию антидронового средства защиты;

- разработка конструкции проекта пружинного антидронового средства защиты;

- выводы о возможном практическом применении разработанного устройства для индивидуальной защиты от микродронов.

Прототипы разработки устройства антидроновой защиты (по литературным и интернет – источникам) [1 - 2]

1.Дробовой охотничий патрон

Пороха для таких патронов используют, как правило, бездымные (нитроцеллюлозные). Но у дымного пороха имеются определённые преимущества:

- неограниченный срок хранения (при условии герметичности патрона);

- снаряжение патронов дымным порохом допускает относительно вольное обращение с пороховыми навесками;

- значительное облако дыма маскирует местонахождение объекта атаки.

2. Патрон «Перехват»

Патрон «Перехват» имеет стандартные размеры и массу до 45-46 г. 70-мм гильза вмещает пороховой заряд и пластиковый пыж-контейнер. Последний имеет форму стакана, и в нем находится метаемое снаряжение — связанная картечь. Противодроновые патроны — 12/70 «Перехват» и 12/76 КС разработанные ЗАО «Техкрим» — из Ижевска отправлены для испытаний в зону специальной военной операции. Боеприпасы предназначены для стрельбы из гладкоствольных ружей 12-го калибра.

Положительной стороной применения данных боеприпасов является высокая эффективность поражения дронов – охотников, особенно при применении многозарядных охотничьих ружей. Отрицательная сторона заключается в использовании габаритного и имеющего значительный вес стрелкового охотничьего оружия, что не всегда удобно для штурмовых отрядов и отдельных бойцов.

3. Многопулевой патрон для автоматического стрелкового оружия

Российские специалисты завершили испытания многопулевого патрона калибра 5,45 мм, предназначенного для поражения малоразмерных БПЛА. Боеприпас перехватывает дроны с помощью конусообразных элементов, скреплённых между собой. При этом он выполнен в габаритах штатного патрона. По результатам испытаний было установлено, что на расстоянии 25 м разлёт поражающих элементов составляет 12—15 см, 100 м — 25—30 см. Стрельба ведётся из любого АК калибра 5,45 мм.

Положительной стороной применения данных боеприпасов является совместимость со штатным стрелковым оружием штурмовых подразделений. Отрицательная сторона заключается в невозможности оперативного перезаряжания магазина штатного оружия.

4. Пусковые сигнальные устройства, как средство поражения дронов - охотников

Возможное использование этих средств для поражения дронов – охотников или реального ослепления оператора управляющего ими. Средства компактные, легко применяемые, но используют в штатном исполнении только свето – шумовые сигнальные патроны. Недостатком является высокая точность прицеливания, что не всегда возможно при оперативном использовании.

В результате изучения литературных и интернет – источников по устройству антидроновых средств поражения возникла идея создания простого пружинного устройства позволяющего выбросить сеточный заряд и обеспечить индивидуальную защиту от близко подлетевшего дрона.

Концепция разрабатываемого устройства антидроновой защиты

  1. Малые габаритные размеры, удобные для переноски и в индивидуальном использовании.

  2. Использование в устройстве быстрого перезаряда перехватывающей сетки.

  3. Простой спусковой механизм с блокиратором случайного выброса.

  4. Использование в качестве поражающего заряда сетки с утяжелителями или связки утяжелителей в единую систему.

  5. Поражение мишени при выбросе на прямой дистанции не менее 10 метров с диаметром поражающей поверхности не менее 2 - 2.5 метра.

 

 

Основы баллистики пружинного выброса и физика пружины [3 - 7]

Баллистика (нем. Ballistik, от греч. βάλλω – метать, бросать), наука, изучающая движение любых зарядов в воздушном пространстве. Характерной чертой этого движения является наличие двух режимов – разгонного (активного) полёта, на котором тело получает запас кинетической энергии, и свободного (пассивного) полёта, где полученная энергия расходуется на преодоление сопротивления среды и силы тяжести. Баллистика основывается на законах газо- и аэродинамики, теории горения порохов, теории вероятностей и математической. статистики. Баллистика пружинного выброса — это область механики, изучающая движение, осуществляемое под действием пружины (в основном цилиндрической), находящейся в устройстве. Такой принцип выброса характерен для некоторых устройств, где энергия пружины преобразуется в кинетическую энергию. Еще в XVII веке английский физик Роберт Гук, изучая упругие свойства разных материалов, вывел закон, названный его именем. Согласно закону Гука, для упругого деформирования материала требуется приложить силу, величина которой прямо пропорциональна его деформации. Например, чтобы растянуть пружину на величину ​x​, потребуется приложить внешнюю силу ​Fвн​, которая равна: Fвн = k x, где ​k​ — коэффициент пропорциональности. Точнее говоря, вектор деформации ​x​ всегда направлен противоположно силе сопротивления пружины (или силе упругости) F (векторная величина), а потому в векторную формулировку закона Гука обычно входит знак «минус», F = - k x (Приложение, рис. 1). Витая цилиндрическая пружина сжатия или растяжения, намотанная из цилиндрической проволоки и упруго деформируемая вдоль оси, имеет коэффициент жёсткости, формула которого:

k, = ((G×dD4)) /(8×dF3×n),

где dD — диаметр проволоки; dF— диаметр намотки (измеряемый от оси проволоки); n — число витков; G — модуль сдвига (для обычной стали G ≈ 80 Гпа). Потенциальная энергия деформированной пружины: рассмотрим пружину жёсткости k. Начальная деформация пружины равна x1. Предположим, что пружина деформируется до некоторой конечной величины деформации x2. Чему равна при этом работа силы упругости пружины? Работа пружины зависит лишь от величин x1, x2 и определяется формулой:

A = (kx2/1) / 2 – (kx2/2) / 2

Величина W = kx2 / 2 называется потенциальной энергией деформированной пружины (x — величина деформации). Следовательно, A = W1 − W2 = −∆W, Приведённые формулы позволяют определить баллистические параметры пружины при выбросе тела. Баллистические параметры пружинного выстрела можно рассматривать в двух направлениях; выстрел под углом по отношению к горизонтальной поверхности и горизонтальный выстрел. Траектория выброшенного пружиной тела, в этих случаях, будет различной. На заряд, вылетевший из ствола под действием пружины с определенной скоростью, в полете действуют две основные силы: сила тяжести и сила сопротивления воздуха. Движении осуществляется по параболе Действие силы тяжести направлено вниз, оно заставляет заряд непрерывно снижаться. Действие силы сопротивления воздуха направлено навстречу движению заряда, оно заставляет заряд непрерывно снижать скорость полета. Все это приводит к отклонению траектории вниз. Примем за начало отсчёта времени момент времени, когда тело было выпущено из ствола. Из рисунка приложения (рис. 2) видно, что тело совершает движение одновременно вдоль оси х и оси у. Расчётные характеристики движения тела в этом случае представлены на рисунке приложения (рис. 3). При стрельбе на горизонтальной поверхности под различными углами к горизонту дальность полета снаряда выражается формулой;

l = xmax= v02sin2α /g

Максимальная дальность полёта будет при стрельбе под углом в 450 (когда произведение cosα на sinα наибольшее) (Приложение рис. 4). Движении заряда, выпущенного горизонтально поверхности, осуществляется по ветви параболы, вершина которой находится в точке отрыва заряда от ствола. В приложении (рис. 5) показана траектория движения тела, в этом случае, силы, действующие на заряд и расчётные характеристики движения.

Конструкции пускового устройства

В работе не приводятся характеристики пружины и размерные характеристики устройства, поскольку публикации работы могут обеспечить повторяемость устройства и его баллистические характеристики. Зарядная антидроновая сетка с утяжелителями, размещается в стволовой части в лёгком бумажном стакане. При вылете заряда, инерционность сетки с утяжелителями позволяет легко обогнать зарядный стакан, который отделяется, практически сразу, при произведении выброса. Такая конструкция обеспечивает быстроту перезарядки устройства (рис. 6.)

Выводы

При проведении работы, изготовлении пружинного пускового устройства можно сделать следующие выводы:

  • в ходе проведения работы изучены литературные и интернет – источники по имеющимся аналогам индивидуальных поражающих средств антидроновой защиты, пусковых сигнальных ракетных устройств. Выявлены особенности их конструкции, их достоинства и недостатки;

  • изучены литературные и интернет – источники по основам теории баллистики выброса поражающего заряда под углом к горизонтальной поверхности и параллельно горизонтальной поверхности, а также основные параметры работы пружины в механических системах;

  • на основе изучения теоретического материала по баллистике выброса пружиной рабочего тела, разработана конструкция пружинного устройства, обеспечивающего выброс антидроновой сетки;

  • проведены практические стендовые и полевые испытания изготовленного образца пружинного «Дронобоя» для антидроновой индивидуальной защиты, подтвердившие заложенные в концепцию разработки параметры;

  • возможное практическое применении разработанного устройства для индивидуальной защиты против боевых микродронов показало достаточную эффективность на небольших расстояниях. При условиях заводского изготовления подобных устройств можно значительно повысить эффективность поражения дронов – охотников. Компактность и малый вес устройства, возможность быстрой перезарядки, несомненно, может способствовать эффективной индивидуальной противодроновой защите от дронов - охотников в боевых подразделениях и проведении боевых операций.

Список использованной литературы и интернет - источников

  1. https://dzen.ru/a/Z_glUvTgZEbmgCOB?ysclid=mcve6jpk4y234016949 - Уничтожить за секунды

  2. https://topwar.ru/247284-protivodronovyj-patron-perehvat.html?ysclid=mcve0t8lhp158375694 -Противодроновый патрон «Перехват»

  3. https://piterhunt.ru/f/threads/1232/ - Основы баллистики.

  4. https://fizi4ka.ru/fizika-s-formulami/glava-12-szhimaem-pruzhiny-prostoe-garmonicheskoe-dvizhenie.html - Сжимаем пружины

  5. https://3.shkolkovo.online/theory/604?SubjectId=4 - Баллистика. Бросок под углом к горизонту.

  6. https://webium.ru/media/material/ballisticheskoe-dvizhenie-uravneniya-i-grafiki-vyvod-formul - Баллистическое движение, уравнения и графики, вывод формул.

  7. https://ru.ruwiki.ru/wiki/Движение_тела,_брошенного_под_углом_a_к_горизонту - Движение тела, брошенного под углом a к горизонту.

Приложение

Рис. 1. Направление силы упругости всегда противоположно направлению упругой деформации.

Рис. 2. Полёт тела, выпущенного под углом к горизонтальной поверхности и действующие на него силы.

Рис. 3. Расчётные характеристики полёта тела под углом к горизонтальной поверхности.

Рис. 4. Траектории полёта в зависимости от угла запуска тела.

Рис. 5. Движение тела выпущенного горизонтально поверхности, силы, действующие на него и расчётные характеристики.

Рис. 6. Конструкция дробовой сетки «Дронобоя».

Просмотров работы: 10