Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ Laser

thủ thuật giảm biến và tối thiểu hóa sai số, các giá trị tham số quang học tối ưu đã được xác định bằng các biểu thức tường minh, phụ thuộc vào điều kiện ban đầu ứng với tham số kỹ chiến thuật của tên lửa mang đầu nổ laser. Quá trình xác định giá trị tối ưu đã được phần mềm hóa áp dụng cho một số loại tên lửa phòng không có góc nghiêng chùm tia laser khác nhau. Kết quả nhận được có thể áp dụng trong tính toán và thiết kế ngòi nổ laser phù hợp với các tên lửa phòng không khác nhau. Từ khóa: Ngòi nổ laser; Hệ quang; Tên lửa phòng không. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ngòi nổ laser là ngòi nổ lắp trên bom, tên lửa được điều khiển và kích nổ bằng chùm tia laser. Hiện nay, kỹ thuật ngòi nổ laser đã đạt được nhiều thành tựu đáng chú ý như khả năng chống nhiễu, độ chính xác cao [1, 2, 3]... Ngòi nổ laser ngày càng được ứng dụng nhiều trong các hệ thống vũ khí tiên tiến, hiện đại. Chính vì thế, việc nghiên cứu phát triển ngòi nổ cho vũ khí phòng không là một yêu cầu quan trọng trong lĩnh vực đảm bảo an ninh quốc phòng. Trong ngòi nổ laser, hệ thống quang học thu phát laser đóng vai trò quyết định đến khả năng làm việc của hệ thống. Trong quá trình điều khiển ngòi nổ laser, việc xác định vị trí, thời điểm nổ nhằm nâng cao độ sát thương rất quan trọng, điều này thể hiện hiệu quả tác chiến của vũ khí. Một số công trình trước đây đã trình bày về công nghệ ngòi nổ laser và ứng dụng của nó, nhưng bí mật hoàn toàn về phương pháp điều khiển và những tính toán tối ưu các tham số quang cho cho ngòi nổ laser gắn vào các tên lửa khác nhau [3, 4]. Trong tài liệu [6], ảnh hưởng của các tham số quang lên góc nghiêng, vùng quan sát của đầu nổ đã được nghiên cứu. Tuy nhiên, việc lựa chọn bộ tham số quang tối ưu sao cho vùng quan sát phù hợp với vùng sát thương của mỗi loại tên lửa khác nhau là bài toán cần giải quyết khi thiết kế đầu nổ laser, đây là cơ sở cho tính toán thiết kế trong thực tế. Bài báo này sẽ trình bày nguyên lý điều khiển nổ cơ bản, nguyên lý hoạt động và cấu trúc hệ điều khiển laser, trên cơ sở đó, đi sâu vào việc tính toán tham số tối ưu cho hệ quang học của ngòi nổ laser. Trong mục 2, trình bày điều kiện mảnh phần chiến đấu sau khi nổ gặp mục tiêu, tính toán tìm giá trị tối ưu cho tham số quang. Đây là kết quả nghiên cứu mang tính cơ sở, hữu ích cho các nghiên cứu trong công tác cải tiến, thiết kế ngòi nổ laser. 2. TÍNH TOÁN THAM SỐ TỐI ƯU CHO HỆ QUANG HỌC Một trong những nhiệm vụ quan trọng của ngòi nổ laser là phải chọn thời điểm kích nổ thích hợp sao cho xác suất tiêu diệt mục tiêu lớn nhất. Để làm được điều đó, hệ quang học phải được thiết kế sao cho tạo được góc nghiêng kt ph phù hợp để vùng quan sát trùng với vùng sát thương (hình 1). Góc nghiêng này là nghiệm của bài toán gặp của mảnh phần chiến đấu và mục tiêu [4, 5]. Như vậy, vấn đề đặt ra là phải tối ưu hóa các tham số trực tiếp tạo ra góc nghiêng kt ph sao cho sự chồng lấn của vùng hoạt động của ngòi nổ laser với vùng sát thương của đầu đạn là lớn nhất. Xét bộ phận quang học ngòi nổ laser có cấu trúc căn bản như mô tả trong hình 2 [5]. Các trục quang của hai bộ phát - thu laser đối diện trong ngòi nổ được bố trí cùng nằm Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Thi, , T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.” 90 trong một mặt phẳng kinh tuyến (mặt phẳng ngang của tên lửa phòng không). Để thuận tiện cho việc thể hiện nguyên lý làm việc của một cặp phát – thu laser trong mặt phẳng kinh tuyến trên cùng một hình vẽ, các thông số về chiều rộng trong mặt phẳng kinh tuyến tương ứng của các thành phần diện tích bề mặt mục tiêu được biểu diễn theo tỷ lệ giảm nhỏ tương ứng. phát thu rmin rmax ypt kt pt Vùng quan sát mục tiêu Vùng quan sát Vùng sát thương ktph Hình 1. Hình dạng vùng sát thương và vùng quan sát của ngòi nổ laser. Bộ phận thuBộ phận phát * ktptl 1kt thl 1phf 1kt phl 1thf phS  thS  1thF1phF 2phf 2thf 2phF 2thF phmcy thmcy 2kt phl 1kt ph kt ph mc kt mc ,ph phx l 2kt ph phy thy tkt h t 1kt h K B G HC D E A t 2kt hl mc t kt mc t,h hx l t 2kt h Hình 2. Cấu trúc và tham số của ngòi nổ Laser trong mặt phẳng kinh tuyến. Ý nghĩa của các tham số trong hình 2 là: - Các chỉ số “xđ” và “kt” tương ứng cho mặt phẳng xích đạo và mặt phẳng kinh tuyến; “ph” và “th” biểu diễn chỉ số tương ứng với bộ phận phát (BPP) và bộ phận thu (BPT) laser; “mc”, “pt” là màn chắn và pháp tuyến. Sau đây, chỉ nêu các tham số của mặt phẳng kinh tuyến và BPP, các tham số mặt phẳng xích đạo (mặt phẳng đứng), BPT tương tự. - lkt mc ph, lkt mc th[mm]: Độ rộng khe hở (trong mặt phẳng kinh tuyến) của màn chắn phát Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 91 và của màn chắn thu; - xmc ph[mm]: Khoảng cách từ tâm của màn chắn phát (từ trục quang) đến mép dưới của khe hở (tọa độ x khe hở trên màn chắn phát); - ymc ph[mm]: Khoảng cách từ tiêu điểm sau của hệ thấu kính phát và tâm của màn chắn phát (tính theo trục Oy); - kt ph1, kt ph2, kt ph[độ]: Các góc nghiêng trong mặt phẳng kinh tuyến của biên gần, biên xa và trung bình của chùm laser ló ra từ BPP laser; - lkt ph1, lkt ph2[mm]: Kích thước của nguồn phát và kích thước nguồn ảnh phát laser. Từ hình 1 và 2, chúng ta có thể rút ra các góc nghiêng kt ph và kt th của vùng quan sát. Việc tính góc nghiêng kt th được tính tương tự như kt ph nên sau đây bài báo chỉ trình bày cho việc tính cho BPP. kt ph được theo các công thức dưới đây: mc ph kt ph 2 kt ph 1 mc ph / 2 arctg x l y    ; mc ph kt ph 2 kt mc ph kt ph 2 mc ph / 2 arctg x l l y     (1) kt ph 1 kt ph 2 mc ph kt mc ph kt ph mc ph / 2 arctg 2 x l y        (2) Do yêu cầu về kích thước của hệ quang nên các biến số mcphx , ktmcphl , mcphy chỉ thay đổi trong các khoảng từ giá trị đầu “gtd” đến giá trị cuối “gtc” xác định theo góc mở của hệ quang, theo yêu cầu cho trước phụ thuộc vào mục đích sử dụng dụng đầu nổ [6], tương ứng: gtd mcph gtcx x x  ; gtd mcph gtcy y y  ; gtd ktmcph gtcl l l  (3) Ứng với mỗi loại tên lửa, để đảm bảo phối hợp vùng hoạt động và vùng sát thương của ngòi nổ, hệ quang có một giá trị ktph tối ưu riêng, cần xác định các tham số điều khiển mcphx , ktmcphl , mcphy để thỏa mãn phương trình (2). Bảo đảm phối hợp ở đây chính là đảm bảo tạo ra góc ktph tối ưu, góc này là nghiệm của bài toán phối hợp vùng hoạt động của ngòi nổ và vùng sát thương. Dễ dàng nhận thấy, phương trình (2) sẽ có vô số bộ nghiệm mcphx , ktmcphl , mcphy , tức là vô số tổ hợp tham số quang học cho một góc nghiêng nhất định. Từ vô số nghiệm đó, chúng ta cần xác định chọn một bộ nghiệm gần trung tâm của các khoảng trong điều kiện (3). Hay nói cách khác, chúng ta cần tìm bộ tham số điều khiển tối ưu có thể. Từ điều kiện (3) các giá trị nghiệm trung tâm được xác định như sau: 0 2 gtc gtd gtd x x x x    ; 0 2 gtc gtd gtd y y y y    ; 0 2 gtc gtd gtd l l l l    (4) Bộ tham số 0 0( , , )ox y l chính là giá trị “trung tâm” trong khoảng thay đổi cho phép. Chúng ta xét bình phương độ lệch của nghiệm phương trình (2) đến giá trị trung tâm, được xác định như sau: 2 2 2 0 0 0( ) (y ) ( )mcph mcph ktmcphd x x y l l      (5) Để thuận lợi trong thể hiện khi biến đổi toán học tiến hành ký hiệu lại như sau: mcphx x , mcphy y , ktmcphl l . Như vậy, vấn đề xác định bộ tham số tối ưu cho hệ Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Thi, , T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.” 92 quang trên ngòi nổ laser sẽ là vấn đề giải bài toán tối ưu sau: Tìm bộ nghiệm , ,x y l sao cho độ lệch nghiệm d là nhỏ nhất, tức là: 2 2 2 0 0 0( ) (y ) ( ) mind x x y l l       ; (6) Khi đó, từ (2) và (6) chúng ta sẽ xác định được / 2 arktph x l ctg y    (7) với điều kiện biên gtd gtcx x x  ; gtd gtcy y y  ; gtd gtcl l l  . Đây thực sự là bài toán tối ưu tĩnh. Từ (7) chúng ta dễ dàng suy ra: ( ) 2 ( )ktph ktph x l y tg tg    (8) Các biến số x và l thay đổi trong các khoảng [ , ]gtd gtcx x , [ , ]gtd gtcl l thì biến số y theo (8) sẽ thay đổi trong khoảng: * * / 2 / 2 [y ,y ] [ , ] ( ) ( ) gtd gtd gtc gtc gtd gtc ktph ktph x l x l tg tg     (9) Dễ dàng nhận thấy nếu khoảng tính theo công thức (9) và khoảng [ , ]gtd gtcy y theo công thức (3) giao nhau thì việc giải bài toán tối ưu mới có giá trị. Cũng dễ dàng nhận thấy điều kiện hai khoảng trên không giao nhau là: *ygtd gtcy hoặc *>ygtd gtcy (10) Tiếp theo thay (8) vào (6) có: 2 2 2 0 0 0 / 2 ( ) ( ) ( ) ( )ktph x l d x x y l l tg         (11) chỉ còn phụ thuộc hai tham số x và l. Từ (11), điều kiện để khoảng cách d đạt giá trị nhỏ nhất ( min ) là: 0 0 2 / 2 2( ) ( ) 0 ( ) ( )ktph ktph d x l x x y x tg tg          (12) 0 0 1 / 2 2( ) ( ) 0 ( ) ( )ktph ktph d x l l l y l tg tg          (13) Giải hệ phương trình (12) và (13) để tìm cặp ( , )x l tối ưu. Từ phương trình (12) có thể rút ra: 0 0 1 / 2 ( ) ( ) 0 ( ) ( )ktph ktph x l x x y tg tg       2 20 02 ( ) 2 ( ) 2( ( ) 1)ktph ktph ktphl tg x tg y tg x       (14) Từ phương trình (13) có phương trình sau: 0 0 1 / 2 2( ) ( ) 0 ( ) ( )ktph ktph x l l l y tg tg       (15) Thay l ở phương trình (14) vào phương trình (15) chúng ta nhận được: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 93 2 0 0 0 2 0 0 0 2(2 ( )( ) 2 ( ) 2 ) ( )( ) ( )1 ( ) 0 ( ) ( ) ktph ktph ktph ktph ktph ktph tg x x tg y x l x tg x x tg y x y tg tg                  (16) Bắt đầut ; ; ; ; ; ; gtd gtc gtd gtc gtd gtc ktph l l x x y y  NhËp vµo 0 0 0 , , (6) x y lTÝnh Thay đổi dải tham số y của hệ quang Xác định x, y, l theo (15,16,17) Đưa ra bộ tham số hệ quang x, y, l Kết thúct t Sai Sai Đúng ; gtd gtc gtd gtc gtd gtc x x x y y y l l l       KiÓm tra * * y y gtd gtc gtd gtcy y  KiÓm tra hoÆc Đúng Hình 3. Lưu đồ thuật toán phần mềm tính toán tham số tối ưu cho hệ quang. Từ (16) chúng ta rút ra biểu thức cho tham số x, sau đó thay vào (14) rút ra biểu thức cho tham số l và thay chúng vào (8) rút ra biểu thức cho tham số y. Qua một vài biến đổi chúng ta rút ra được các tham số x, y, l như sau: 2 0 0 0 0 2 4 ( ) 4 ( ) 2 [4 ( ) 5] ktph ktph ktph tg x tg y l x x tg         (17) Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Thi, , T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.” 94 2 0 0 2 0 0 0 02 2 2 ( ) 2 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 2 2( ( ) 1) [4 ( ) 5] ktph ktph ktph ktph ktph ktph l tg x tg y tg x tg y l x tg tg               (18) 2 2 0 0 0 0 0 0 2 2 0 0 0 02 2 4 ( ) 4 ( ) 2 2 ( ) 2 ( ) ( )[4 ( ) 5] 2 ( ) 4 ( ) 4 ( ) 2 2( ( ) 1) 2 ( )[4 ( ) 5] ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph ktph tg x tg y l x tg x tg y y tg tg tg tg x tg y l x tg tg tg                          (19) Như vậy, ba biểu thức (17), (18), (19) chính là nghiệm của việc giải bài toán tìm giá trị tối ưu của các tham số thỏa mãn phương trình (2) và có khoảng cách ngắn nhất đến tâm ba khoảng giới hạn (3). Các tham số trên phụ thuộc vào, x0, y0, l0, tức là phụ thuộc vào giá trị biên của chúng theo (2), đồng thời phụ thuộc vào góc ktph. ktph Hình 4. Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser của tên lửa tầm thấp ( 05.67ktph yc   ). ktph Hình 5. Giao diện phần mềm tính tham số hệ quang cho ngòi nổ laser của tên lửa tầm trung ( 018.2ktph yc   ). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 68, 8 - 2020 95 Đây có thể coi là bộ tham số tối ưu cho hệ quang của ngòi nổ laser. Tuy nhiên, bộ tham số này phải thỏa mãn điều kiện sao cho không thỏa mãn (10), do đó cần quá trình tính và thử theo lưu đồ thuật toán thể hiện trên hình 3. Dựa vào lưu đồ hình 3, tác giả đã xây dựng code và chương trình phần mềm tính toán tham số tối ưu của hệ quang ngòi nổ laser phù hợp với một số loại tên lửa, với góc nghiêng riêng khác nhau như trên hình 4 và 5. Kết quả tính toán tham số tối ưu của hệ quang cho 3 loại tên lửa khác nhau thể hiện trong bảng 1. Qua ba trường hợp cho thấy, phần mềm đã tìm ra bộ ba tham số quang x, y, l tối ưu, giúp hệ quang của ngòi nổ laser đạt được góc nghiêng ddktph  bằng góc nghiêng yêu cầu ktph yc  . Trong các trường hợp trên, sai số lớn nhất là 0,28%, sai số này khá nhỏ so với yêu cầu sai số của bài toán gặp. Bảng 1. Các tham số quang tối ưu cho ngòi nổ laser lắp trên ba loại tên lửa với các góc nghiêng khác nhau. STT ktph yc  (độ) Tham số tối ưu (mm) ddktph  (độ) Sai số x y l 1 5.67 0 0.17 5 0.65 5.65386 0.01614 2 18.2 0 0.16 3.3 1.18 18.2002 0.00023 3 8.34 0 0.13 4.23 0.98 8.3425 0.0025 3. KẾT LUẬN Bài báo đã đề xuất và thực hiện giải pháp tính toán chọn tham số quang cho đầu nổ laser, trên cơ sở tối giản biến và tối ưu các tham số điều khiển. Giải pháp tính toán đã được thực hiện bằng lưu đồ đánh giá với điều kiện biên cho trước. Thuật toán đã được xây dựng thành phần mềm tính toán tối ưu các tham số quang áp dụng cho một số tên lửa với góc nghiêng xác định. Kết quả cho thấy, các tham số tối ưu xác định được phù hợp với điều kiện góc nghiêng theo yêu cầu. Phần mềm có thể sử dụng làm công cụ trong nghiên cứu, tính toán thiết kế, khai thác ngòi nổ laser của các loại tên lửa phòng không hiện có và trong tương lai. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Thế Mậu (2002), “Xu hướng phát triển của tên lửa phòng không mang vác”, Tạp chí thông tin chuyên đề: Tình hình xu hướng phát triển kỹ thuật quân sự nước ngoài, số 20, Tổng cục Kỹ thuật, Hà Nội. [2]. Phòng Thông tin KHCNMT - Tổng cục Kỹ thuật (2002), “Tên lửa phòng không tầng thấp”, Tài liệu tham khảo chuyên đề, số 1, Hà Nội. [3]. A. Nasser, “Recent Advancements in Proximity Fuzes Technology”, International Journal of Engineering Research & Technology (IJERT), 2015. [4]. J. Jiang Liu, “Advanced optical fuzing technology”, Optical Technologies for Arming, Safing, Fuzing, and Firing,edited by William J. Thomes, Fred M. Dickey, Proc. of SPIE Vol. 5871, 2016. [5]. Лебедев В. Н. - “Авиационные боeприпаcы” - Москва - Издательство “ВВИА” - 1979. [6]. Nguyễn Đức Thi, Nguyễn Trường Sơn, Trần Hoài Linh, Trần Xuân Tình, “Nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số quang học đến chất lượng làm việc của ngoài nổ laser,” NCKHJCNQS, Số 54, 4-2018, 116-124. Kỹ thuật điều khiển & Điện tử N. Đ. Thi, , T. X. Tình, “Tối ưu hóa tham số cho hệ quang ngòi nổ laser.” 96 ABSTRACT OPTICAL PARAMETER OPTIMIZATION FOR OPTICAL SYSTEM OF LASER PROXIMITY FUZE In the paper, the optimal parameter solution for the laser fuse optical system of air defense missiles is presented. Based on the configuration of optical system and the overlapping condition between the observation area and the detonation zone, the condition of the oblique angle which depends on optical parameters of optical system is derived. By parameter reduce and error limitization, the explicit expressions for optimal optical parameters depending on the initial techno-tactic parameters of missile with laser fuze are found out. The parameter optimization is solfwareized used for some air-defence missles having own oblique angle. The obtained results should be used to calculate and design the oblique angle of laser proximity fuze suitable to different air-defence missile. Keywords: Proximity laser fuzes; Optical system; Air-defence missle. Nhận bài ngày 14 tháng 6 năm 2020 Hoàn thiện ngày 07 tháng 7 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 03 tháng 8 năm 2020 Địa chỉ: 1 Tổng cục Công nghiệp quốc phòng; 2 Học viện Kỹ thuật quân sự; 3 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội; 4 Học viện Phòng không-Không quân. * Email: thi2306pro@gmail.com.