Geum.ru
Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям  

На правах рукописи

УДК 519.816: 623.5

Мокроусов Станислав Александрович

КОМПЛЕКС ВНЕШНЕБАЛЛИСТИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ

В ЗАДАЧАХ АНАЛИЗА И РЕКОНСТРУКЦИИ

СЛОЖНЫХ ПРОТИВОДЕЙСТВУЮЩИХ

ВОЕННО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ

05.13.01 - Системный анализ, управление

и обработка информации (в науке и технике)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени

кандидата технических наук

Ижевск - 2012

Работа выполнена на кафедре Тепловые двигатели и установки ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова (ИжГТУ)

Научный руководитель        :                доктор технических наук, доцент

Митюков Николай Витальевич

Официальные оппоненты:        доктор физико-математических наук,

Институт механики УрО РАН,

заведующий лабораторией физико-химической механики

Карпов Александр Иванович

доктор технических наук,

профессор кафедры

Программное обеспечение ИжГТУ

Мурынов Андрей Ильич

Ведущая организация                        Институт прикладной математики РАН.

Защита диссертации состоится 19 апреля 2012 г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета Д 212.065.06 в ФГБОУ ВПО Ижевский государственный технический университет им. М.Т. Калашникова по адресу 426069, Ижевск, ул. Студенческая, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИжГТУ

Автореферат разослан 15 марта 2012 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

канд. техн. наук, доц.                                                         Сяктерев В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наука об управлении и теории принятия управленческих решений (ТПУР) появилась в начале ХХ в., а с широким распространением компьютеров появилась возможность при принятии управленческого решения (УР) использовать многие математические процедуры (элементы теории игр, системный анализ, исследования операций и т.д.), что дало возможность сделать принимаемые решения научно обоснованными. Но, несмотря на существенное переосмысление основного методологического аппарата, эвристический компонент по-прежнему имеет немаловажное значение в ТПУР. В связи с этим практически каждое лицо, принимающее решение стремится, наряду с использованием новейших методов, создать банк данных по принятию типовых решений, в которых риск возникновения негативных последствий сведён к минимуму. Так лица, принимающие решения, обращаются к историческому опыту.

Но при анализе исторической информации по принятым решениям возникает нетривиальная ситуация, кардинальным образом меняющая главную задачу ТПУР. Если традиционный подход предполагает минимизацию рисков в ходе принятия решения, и, при этом, управленческое лицо обладает довольно полной информацией об объекте управления, то историческая реконструкция решает обратную задачу. В этом случае известно принятое решение и сравнительно легко можно оценить его риски, но исследователь имеет значительную неопределенность в отношении исходной информации, которой могло располагать историческое лицо, принимавшее решение (ЛПР). В этом случае, если принять условие, что это лицо оптимизировало свою задачу, появляется уникальная возможность, на основании принятого решения и реконструкции его мотивации, восстановить информацию, которой обладало или могло обладать лицо.

В этой связи наиболее сложную задачу представляет реконструкция мотивации принятия решений в военной области, поскольку именно в ней для дезориентации возможного противника, и, к сожалению, будущих исследователей, применяется либо ограничение доступа к исходной информации (через ее засекречивание или прямое уничтожение), либо преднамеренное искажение (через введение в оборот дезинформации). Кроме того, свою лепту в увеличении неопределенности исходной информации может добавлять и само ЛПР, пытаясь оправдать себя или уйти от ответственности, если принятое решение не принесло эффекта, или, наоборот, привело к нежелательным последствиям.

В связи с этим, является актуальным сведение объекта исследования к фактам исходной военно-технической информации, известным ЛПР, которое невозможно объяснить с использованием традиционных методов исследований.

Обеспечение вооружённых сил достоверной технической информацией о вооружении и боевой технике всегда было необходимым условием военного планирования. На современном этапе оно просто невозможно без создания современных экспертных программных комплексов. Разработка подобных систем ведется практически во всех промышленно развитых странах мира. Для условий России еще в 2002 г. среди Приоритетных направлений развития науки, технологий и техники и Перечня критических технологий Российской Федерации (утвержденных Президентом В.В.Путиным 30 марта 2002 г. № Пр-577) были указаны Базовые и критические военные и специальные технологии, предполагающие, кроме всего прочего, создание компьютерных экспертных комплексов. В этой связи следует отметить, что, с одной стороны, наиболее универсальной для военной области, а, с другой стороны, практически невостребованной в других отраслях народного хозяйства, становится процедура баллистической экспертизы. Именно с её помощью определяются многие тактико-технические характеристики техники, как принятой на вооружение, так и проектируемой. И тогда становится весьма актуальной адаптация существующих методов и методик баллистических расчетов для задач поддержки и обоснования военно-технических решений, а при незначительной доработке, эти же баллистические процедуры могут восполнить пробелы в обосновании военно-теоретических или военно-стратегических решений.

Поэтому в качестве предмета исследования выбран баллистический экспертный комплекс, позволяющий реконструировать баллистические компоненты исторических событий и обосновать мотивацию принятых в рассматриваемый исторический период военно-технических решений.

Цель и задачи работы:

Цель работы состоит в разработке методики решения задач системного анализа эффективности и обоснования мотивации принятых военно-технических решений в области внешней баллистики конфликтного противодействия сложных военно-технических систем, что имеет существенное значение для повышения уровня обороноспособности страны, а именно:

  • разработка модели внешнебаллистических исследований для анализа эффективности принятых военно-технических решений, основанная на приведении противодействующих военно-технических систем к единой интегрированной конфликтной системе Орудие-снаряд-цель;
  • разработка методики системного анализа эффективности принятых военно-технических решений (которые невозможно объяснить с использованием традиционных методов исследований) в области внешней баллистики конфликтного противодействия военно-технических систем в рамках интегрированной конфликтной системы Орудие-снаряд-цель;
  • экспериментальное исследование методики системного анализа эффективности принятых военно-технических решений в противоборствующих системах на случаях внутрисистемного противодействия (средиземноморский ТВД периода второй мировой войны), межсистемного гомогенного противодействия для оценки коэффициента относительной боевой эффективности двух танков как сложных противоборствующих систем (танковая дуэль), межсистемного гетерогенного противодействия для оценки коэффициента относительной боевой эффективности танка и противотанковых средств как двух сложных противодействующих систем (танк и противотанковый комплекс) и надсистемного противодействия (оценка устойчивости системы к воздействию внешних возмущающих факторов) для идентификации системы управления одной из сложных систем, находящейся в противодействии при оценке соответствия характеристик фортификационных сооружений средствам боевого воздействия на них;
  • разработка специального программного обеспечения комплекса баллистической экспертизы противодействующих военно-технических систем для анализа элементов конфликтной системы Орудие-снаряд-цель.

Методика работы, в силу междисциплинарности исследования, группируется следующим образом:

1. Методы системного анализа реализованы техническими оценками критериев эффективности, учитывающих большое число факторов, их степени влияния в системе.

2. Методы теории принятия управленческих решений, предполагающие учет влияния связей между системами и подсистемами, а также рассматривающие объект управления в развитии его причинно-следственных связей и соподчиненности и учитывающие потребность в принятии решения как результат анализа и оценки экстремума совокупностей функций, которые необходимо реализовать для удовлетворения этой потребности.

3. Методы математического моделирования, основанные на математическом моделировании систем, учитывающих фундаментальные физические законы и технические зависимости в сложных конфликтноуправляемых технических системах.

4. Указанная методика реализована в программном обеспечении, разработанном в среде Borland Delphi и Visual Basic. Работа с базами данных осуществляется в средах MS Excel и MS Access. Кроме того, используются методы анализа и синтеза ретроспективных фактов и военно-технических характеристик.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов и выводов подтверждаются сопоставительным анализом разработанных и существующих моделей и методов. Адекватность сформулированных моделей подтверждена расчетами, идентификацией на основе существовавших событий, повторением расчетов с повышенной точностью, согласованием численных решений и известных принятых решений. Достоверность и обоснованность исторической идентификации подтверждается соответствием верифицированных данных.

Программные продукты Archer, Artillery, Lanchester и Pnevнmoнbal получили государственную регистрацию в ФГУП Всероссийском научно-техническом и информационном центре и отраслевую регистрацию в ФГНУ Отраслевой фонд алгоритмов и программ. Кроме того, достоверность основных положений работы подтверждается положительными результатами их практического использования в ООО Totem Games (Россия), ассоциациях Spanish-American War Centennial Website Research Society (США) и Gunnery Fire Control Group (США).

На защиту выносится методика проведения научно-обоснованной идентификации исходных данных, послуживших мотивацией при принятии решений в военной области, и их адаптация к конкретным военно-техническим ситуациям, которые невозможно объяснить, традиционными методами исследований, в том числе:

  • модель внешнебаллистических исследований для анализа эффективности военно-технических систем и решений, основанная на приведении противодействующих военно-технических систем к единой интегрированной конфликтной системе Орудие-снаряд-цель;
  • методика анализа эффективности принятых военно-технических решений (которые невозможно объяснить с использованием традиционных методов исследований) в рамках интегрированной конфликтной системы Орудие-снаряд-цель, основанная на оценке адекватности защитных характеристик элемента лцель средствам боевого воздействия по ней элементов лорудие и определении относительной боевой эффективности военно-технических систем элемента снаряд;
  • результаты экспериментального исследования указанной методики для анализа эффективности принятых военно-технических решений в противоборствующих системах при надсистемном, межсистемном и внутрисистемном взаимодействиях;
  • программное обеспечение комплекса внешнебаллистической экспертизы противодействующих военно-технических систем для анализа элементов конфликтной системы Орудие-снаряд-цель.

Научная новизна работы состоит в разработке методики решения задач системного анализа эффективности и обоснования мотивации принятых военно-технических решений в области внешней баллистики конфликтного противодействия сложных военно-технических систем. Научная новизна результатов заключается в том, что в них:

  • разработана модель внешнебаллистических исследований анализа эффективности военно-технических систем и принятых военно-технических решений в области внешней баллистики, основанная на приведении противодействующих военно-технических систем к единой интегрированной конфликтной системе Орудие-снаряд-цель;
  • дано обоснование возможности приведения большинства противоборствующих военно-технических систем к единой интегрированной конфликтной системе Орудие-снаряд-цель, вычленения значимых для данной конфликтной системы характеристик, последующего анализа взаимодействия элементов системы и анализа принятых решений с целью нахождения решений, обеспечивающих достижение заданной цели;
  • предложена методика анализа эффективности принятых военно-технических решений (которые невозможно объяснить с использованием традиционных методов исследований), основанная на допущении, что ЛПР совершало свой выбор исходя из условия минимизации вероятности возникновения негативных последствий, на основании чего можно реконструировать исходную информацию, которой обладало это лицо;
  • при экспериментальном исследовании методики на внутрисистемном взаимодействии найдено и доказано научное обоснование решению руководства военно-морского флота Италии о снижении начальной скорости снарядов корабельной артиллерии, приводящем к снижению разброса траекторий снарядов, а в итоге - к увеличению вероятности попадания в цель;
  • при экспериментальном исследовании методики на межсистемном гомогенном взаимодействии проведен анализ относительной боевой эффективности двух танков с известными характеристиками при их дуэльном взаимодействии, основанный на баллистических характеристиках танковых орудий, особенностях бронирования танков и их маневренных характеристиках, с учётом особенностей рельефа местности и погодных условий;
  • при экспериментальном исследовании методики на межсистемном гетерогенном взаимодействии установлено, что оценка уязвимости бронетанковой техники к действиям противотанковых средств в условиях пересечённой местности или городского ландшафта (видимость 300-1000 м) существенно зависит от применения (неприменения) подкалиберных противотанковых снарядов, а в условиях пустынной или степной местности (видимость более 1000 м) наиболее эффективно следует применять противотанковые ракеты.
  • при экспериментальном исследовании методики на надсистемном взаимодействии, в результате анализа соотношения между защитными свойствами фортификационных сооружений населённых пунктов и характеристиками наступательного вооружения, установлены условия, при которых возможно эффективное противостояние внешней угрозе; в случае отсутствия таких условий появлялись серьёзные предпосылки для упадка этих населённых пунктов.

Теоретическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты углубляют и расширяют научные представления о теории принятия управленческих решений и на их основе фактически выявляют новую информацию, извлекаемую из исторических источников. Это позволяет формулировать принципиально новые постановки задач реконструкции исторических событий, в частности, познавательные подходы в исследовании предпосылок принятого управленческого решения и анализа его результатов.

Практическая значимость работы состоит в создании методики, моделей и алгоритмов, позволяющих проводить научно обоснованные исследования принятых управленческих решений в военно-исторической области с применением методик анализа внешней баллистики. Применение на практике результатов, полученных в работе, приводит к увеличению достоверности результатов проводимой исторической реконструкции, а также к снижению ее временных и стоимостных затрат. В связи с этим материалы диссертации нашли практическое применение в организациях, занимающихся исторической реконструкцией, таких как: музеи и архивы (при проведении экспертиз по достоверности обнаруженных первоисточников, реставрации и т.д.); клубы исторической реконструкции (при создании реплик реального исторического оружия, определении безопасных зон при использовании древнего оружия и т.д.); организации - разработчики игровых программных продуктов исторической направленности (при создании вспомогательных баз данных, применяющихся в игровых сценариях, уточнении областей возможных значений параметров, повышении физичности игровых сценариев и т.д.); военные научно-исследовательские организации (при создании и обработке баз данных и эмпирического материала).

Реализация результатов работы. Разработаны и реализованы методы и алгоритмы системной интерпретации исторических данных для реконструкции мотивации принятых управленческих решений. На основе предложенных алгоритмов создан специализированный программный комплекс для проведения баллистической экспертизы, отдельные составные части которого получили государственную регистрацию.

Полученные в ходе работы результаты и программные продукты внедрены ООО Totem Games (Брянск), занимающаяся разработкой игровых программных продуктов, в рамках проекта № 003 Термиды применила программный пакет Artillery, позволивший в сжатые сроки сформировать банк данных по баллистике метательных снарядов, а также оптимизировать алгоритмы игровых сценариев. По заказу военно-морского музея USS Olympia (Филадельфия, Пенсильвания) совместно с исследовательской ассоциацией Spanish-American War Centennial Website Research Society была выполнена прикладная НИР по реконструкции параметров пневматических орудий системы Жалиньского, в ходе которой в практику организации внедрены пакеты программ Artillery и Pnevmobal. Совместно с ассоциацией Gunnery Fire Control Group были выполнены прикладные научно-исследовательские работы на темы: Анализ эффективности артиллерийских систем во время англо-итальянского противостояния во Второй мировой войне и Разработка базы данных по артиллерии второй половины XIX - первой половине ХХ вв.. При выполнении данных тем в практику организации были внедрены программные продукты Artillery и Pnevmobal. В Ижевском государственном техническом университете на кафедре Тепловые двигатели и установки автором был внедрен в практику дисциплины Механика полета программный пакет Artillery. Этот же пакет программ внедрен и используется при дипломном проектировании для определения действительных баллистических характеристик спроектированного ракетно-артиллерийского вооружения по дисциплине Внешняя баллистика. Отдельные этапы работы выполнялись в соответствии с планом прикладной научно-исследовательской работы Историческая реконструкция параметров технических систем (ГР 024000230, шифр Стрела), а также хоздоговорной работы Математическая модель гидропневмоавтоматики (х/д № 50-2009).

Апробация работы. Отдельные законченные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на интернет-форумах: GFCG - Gunnery Fire Control Group, Международная военноисторическая ассоциация и Военно-морская история (Цусима), Историческая реконструкция средних веков (Тоже-форум), в Центре военно-исторических исследований (Екатеринбург) и в Научном канале Интернет-форума (Elite-Games). Кроме того, отдельные этапы работы докладывались и обсуждались на 17 научных конференциях. Наиболее важные из них: IV Международная НТК Информационные технологии в инновационных проектах (Ижевск, 2003); Всероссийская НПК Россия в конфликтах ХХ века (С.-Петербург, 2005); Всероссийская НПК Военное искусство и военная культура Евразии: тысячелетия противостояния и взаимовлияния (Екатеринбург, 2005); II Международная НПК Чтения по военной истории (С.-Петербург, 2005); Международная научная конференция Военная история: Если быЕ (Екатеринбург, 2006); Международная научная конференция Математические методы в исторических исследованиях (Ижевск, 2006); Международная военно-научная конференция Военные угрозы для России в современных геополитических условиях (Екатеринбург, 2007); Всероссийская военно-научная конференция посвященная 100-летию боевого применения танков Бронетанковая техника: история и современность (Екатеринбург, 2006); Всероссийская научно-практическая конференция Сложность и самоорганизация. Будущее мира и России, посвященной 80-летию С.П. Курдюмова (Москва, 2008), Mathematical Modeling of Social and Economical Dynamics (MMSED-2010), XII Всероссийской конференции ассоциации История и компьютер (Москва, 2010), Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых учёных Эврика-2011 (Новочеркасск, 2011).

За научные разработки по теме диссертации автор удостоен диплома Министерства образования и науки Российской Федерации по итогам открытого конкурса на лучшую работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам в вузах Российской Федерации. Кроме того, монография Имитационное моделирование в военной истории, в написании которой автор также принимал участие, удостоена почетной грамоты РАН.

Публикации. В ходе выполнения исследований по теме диссертации опубликованы 43 научные работы (общий объем 42,1 печ. л., в т.ч. лично соискателя 19 печ. л.). В том числе глава в монографии, 24 статьи. 4 программных продукта автора получили государственную и отраслевую регистрацию. 8 статей опубликовано в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации основных результатов диссертационных работ.

ичный вклад. Автору принадлежит разработка концепции конфликтной системы Орудие-снаряд-цель, разработка математической модели Орудие-снаряд-цель, методики приведения противоборствующих военно-технических систем к конфликтной системе Орудие-снаряд-цель, программная реализация алгоритмов, обоснование их оптимальности для решения данного типа задач, обоснование способов их решений, расчёт внешней баллистики английских и итальянских корабельных орудий, в частности расчет баллистических поправок, расчёт относительной боевой эффективности танков Центурион и Т-72, определение опасных зон танка Т-72 при стрельбе по нему танковым орудием и противотанковыми средствами, определение степени защиты фортификационными укреплениями внутренних построек от обстрела метательными снарядами. На основе изучения и экспертизы археологических источников совместно с А.В. Коробейниковым, автором была создана модель внутренней баллистики лука. Автор дополнил базу данных Gunnery Fire Control Group (К.Р. Крауфорд, В.Р. Джоуренс, Н.Ф. Окун) по морским орудиям коэффициентами формы снарядов российской корабельной артиллерии периода русско-японской войны.

Структура и объем диссертации определяются общим замыслом и логикой проведенных исследований. Диссертация содержит введение, пять глав и заключение, изложенные на 151 с. машинописного текста. В работу включены 36 рис., 17 табл., список литературы из 121 наименования и 1 приложение, в котором представлены свидетельства о регистрации программных продуктов и акты об использовании результатов работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение содержит обоснование актуальности темы, формулировку целей и задач работы, основные положения, выносимые на защиту, и определяет содержание и методы выполнения работы.

В первой главе рассмотрена проблематика вопроса принятия управленческого решения в военной области, показано, что все решения можно свести в три группы: военно-стратегические, военно-теоретические и военно-технинческие. Кроме того, дается обзор основных областей применения программ баллистических расчетов и специализированных баллистических калькуляторов в различных областях оборонно-промышленного комплекса и народного хозяйства. Предлагается алгоритм реализации обратной задачи ТПУР: выбор исторического решения, которое невозможно объяснить традиционными методами исследований, оценка в первом приближении критериев принятия решения, восстановление путем математического моделирования исходной информации, которой обладало ЛПР, при условии, что оно минимизировало возможность возникновения негативных последствий при принятии решения.

Во второй главе диссертационной работы представлена постановка следующих задач и их решение:

  • разработка модели внешнебаллистических исследований для анализа эффективности военно-технических систем и принятых решений в области внешней баллистики;
  • разработка методики системного анализа эффективности принятых военно-технических решений в области внешней баллистики конфликтного противодействия военно-технических систем в рамках интегрированной конфликтной системы Орудие-снаряд-цель;
  • разработка программного обеспечения комплекса баллистической экспертизы противодействующих военно-технических систем для анализа элементов конфликтной системы Орудие-снаряд-цель.

Дано обоснование актуальности этих задач и приведён алгоритм их решения.

Анализ достигнутых в настоящее время результатов позволяет утверждать, что для комплексной баллистической экспертизы требуется рассматривать систему Орудие-снаряд-цель. Причем, эта схема подходит для исторической реконструкции как древних, так и современных военно-технических систем.

Блок Снаряд. Производит расчёт движения снарядов по классическим уравнениям параболической теории внешней баллистики (для данного блока разработана программа Artillery):

; ; ; ,        (1)

где θ - угол тангажа снаряда; g - ускорение свободного падения, м/с2; v - скорость снаряда, м/с; i - коэффициент формы; - плотность воздуха, кг/м3; D - калибр снаряда, м; m - масса снаряда, кг; х - текущая дальность, м; у - текущая высота, м.

Рис. 1. Структура комплекса баллистической экспертизы

Коэффициент аэродинамического сопротивления cx задаётся по одному из законов сопротивления. Программа обращается к базе данных, в которой, в зависимости от выбора пользователя могут использоваться законы: Майевского, Сиаччи, Демога, ГарньеЦДюпюи (закон 30-го года), советские закон 43-го и 56-го годов, американские законы сопротивления для снарядов типа 1, типа 2, типа 7, типа 8, Arrow, Sphere и британские законы 38-го и 40-го годов. Кроме того, для более объективного анализа уже существующих расчетов, есть возможность использовать базу данных стандартных атмосфер. Она включает в себя советские стандарты: ГОСТ 4401-64, ГОСТ 4401-81, закон Ветчинкина, Нормальную артиллерийскую атмосферу, британскую стандартную атмосферу (использовавшуюся до Второй мировой войны), стандартную атмосферу США (до и во время Второй мировой войны), атмосферу COESA (Комитет по определению стандартной атмосферы) США. Программа позволяет проводить как прямой баллистический расчёт (нахождение параметров снаряда в точке падения), так и обратный (нахождение коэффициента формы снаряда по параметрам в точке падения). Для составления зависимостей внешнебаллистических параметров от дальности вводится поле Многократный расчет, дающее возможность повторять расчет для различных углов возвышения.

Специальная процедура подпрограммы Artillery дает возможность численно рассчитать баллистические поправки, то есть влияние на дальность стрельбы S: начальной скорости v0, массы снаряда m, угла возвышения орудия 0, температуры воздуха T и атмосферного давления p:

, , , , .                                        (2)

Блок Цель предполагает использование зависимостей баллистики цели. Для расчета наиболее типичных задач баллистики стрелы, выпущенной из лука, создана подпрограмма Archer. Одним из элементов данного блока стал редактор местности, позволяющий накладывать на результаты расчёта профиль местности. По итогам расчётов программа выдаёт траектории полёта снаряда с заданными условиями.

При воздействии снаряда на бронированный объект программа подключает базу данных методик расчета бронепробиваемости, в которой необходимая для пробития заданной толщины брони минимальная скорость v равна:

,                                        (3)

где K - размерная постоянная; C - коэффициент выделки броневой плиты (меняющийся в зависимости от технологии и качества выделки); t, d, m и a - показатели степеней, которые будут отличать одну эмпирическую формулу от другой (в базе данных 16 различных формул). Однако, как показали проведенные расчеты, наиболее универсальным является уравнение Якоба де Марра, для которого коэффициенты имеют следующие значения: t = 0,7; d = 0,75; m = 0,5; a = 1

Блок Орудие, использующий уравнения внутренней баллистики, включает в себя три возможных варианта.

1. Внутренняя баллистика классической ствольной артиллерии (программа Стрелец, разработанная на кафедре Стрелковое оружие ИжГТУ).

2. Пневматическая артиллерия - программа Pnevmobal, использующая в своей основе следующие уравнения:

; ;

; ; ,                (4)

где mb - масса газа в баллонах сжатого воздуха, кг; v - скорость снаряда, м/с; m - масса снаряда, кг; p1 - давление газа в баллоне сжатого воздуха, Па; p2 - давление газа в канале ствола, Па; ph - давление окружающей среды, Па; R - газовая постоянная, T - температура газа, в данном случае обычный воздух, Дж/кг; k - показатель адиабаты воздуха; Fk - критическое сечение главного газового клапана, м2; F - площади миделя снаряда, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; f - коэффициент трения снаряда о канал ствола, Vb - объем баллона сжатого воздуха, м3; Vg - объем канала ствола за снарядом, м3; m0 - начальная масса воздуха в канале ствола, кг; Δm Цмасса воздуха, вышедшая из баллона, кг.

3. Расчёт механики лука, реализованный в программе Archer и основанный на следующем уравнении для нахождения скорости стрелы v (м/с), в зависимости от максимальной сила натяжения (Fmax), максимального хода тетивы (xmax), массы стрелы (m) и эффективности преобразования энергии упругости тетивы и лука в кинетическую энергию стрелы k:

.                                                (5)

В общей сложности математическая модель программного комплекса основывается на 11 обыкновенных дифференциальных уравнениях, дополняемыми двумястами алгебраическими.

Несмотря на то, что каждый блок описывается достаточно хорошо известными уравнениями и системами уравнений, при комплексном рассмотрении всех трех блоков система приобретает новые качества, отсутствующие при автономной работе блоков. Это открывает новые перспективы исторической реконструкции и позволяет получить новую информацию, что затруднено при использовании традиционных методов исследований.

В третьей главе диссертационной работы представлена постановка задачи по экспериментальному исследованию методики анализа эффективности принятых военно-технических решений в противоборствующих системах на случае внутрисистемного противодействия. Приводится обоснование актуальности данной задачи и её решение. Рассмотрены факторы, мотивирующие принятие решений в военно-технической сфере при внутрисистемном взаимодействии, когда рассматриваются в комплексе два из трех блоков системы Орудие-снаряд-цель.

Рассмотрено решение военного руководства Италии, уменьшившее начальные скорости снарядов своих орудий в разгар Второй мировой войны на 5Ц10%. Так, 152-мм орудия, рассчитанные на начальные скорости 1000 м/с, перешли на заряды, дававшие начальную скорость 850 м/с. Это особенно парадоксально, если учесть факт увеличения угла падения и как следствие снижения вероятности попадания. В данном случае в первом приближении целесообразно рассмотреть максимум вероятности поражения противника как критерий для выбора решения.

Как известно, вероятность поражения из орудия в наибольшей степени определяется углом падения снаряда. По этому показателю основные английские и итальянские орудия более или менее соизмеримы. На всех боевых дистанциях угол падения итальянских снарядов соответствующих калибров меньше угла падения английских снарядов. Если ограничиться только этим сравнением, то можно сделать вывод о том, что итальянские орудия лучше английских, и тогда решение о снижении начальной скорости снарядов выглядит парадоксальным.

Поэтому было проведено сравнение основных баллистических поправок. По поправкам на начальную скорость, массу снаряда, атмосферное давление и плотность не выделяются приоритеты ни для одной из сторон.

Рис. 2. Поправка на угол возвышения (окружность - 152-мм орудия, квадрат - 203-мм, ромб - 381-мм.

Белые обозначения для английских систем, черные для итальянских)

Поправка на угол возвышения определяет чувствительность орудия к качке корабля. По этой поправке явное превосходство у англичан. Наиболее ярко расхождение между английскими и итальянскими орудиями наблюдается для 381-мм. При одинаковом изменении угла возвышения итальянские орудия дают почти в полтора-два раза большую дисперсию. Это означает, что при наличии качки в море (то есть почти всегда) англичане будут давать в среднем в два раза большее количество попаданий, чем итальянцы.

Вывод: англичане имеют явное преимущество основной баллистической поправке, что и заставило итальянцев снизить начальные скорости, чтобы с уменьшением вероятности попадания по цели свести к минимуму влияние морской качки на разброс траекторий снарядов.

В четвёртой главе представлена постановка и решение задачи по экспериментальному исследованию методики анализа эффективности принятых военно-технических решений на случаях межсистемного гомогенного противодействия для оценки коэффициента относительной боевой эффективности двух танков, как сложных противоборствующих систем (танковая дуэль), межсистемного гетерогенного противодействия для оценки коэффициента относительной боевой эффективности танка и противотанковых средств как двух сложных противоборствующих систем (танк и противотанковый комплекс) и надсистемного противодействия (оценка устойчивости системы к воздействию внешних возмущающих факторов) для идентификации системы управления одной из сложных систем, находящейся в противодействии при оценке соответствия характеристик фортификационных сооружений средствам боевого воздействия на них. Приведён алгоритм решения этой задачи и обоснование её актуальности.

Для решения данной задачи рассмотрена реконструкция факторов, мотивировавших принятие решений при межсистемном (симметричном и асимметричном) взаимодействии. Как известно по опыту арабо-израильских войн, политическое руководство Египта приняло решение об отказе сотрудничества с Советским Союзом из-за низкой эффективности советских вооружений, в частности - бронетехники. Появившиеся примерно в это же время американские модели также занижали боевую эффективность советской техники. С другой стороны, основной танк армии Израиля Меркава практически повторяет в отношении бронирования устаревший танк Центурион, появившийся в конце Второй мировой войны. Все эти решения также выглядят весьма парадоксальными.

В данном случае речь идет о симметричном межсистемном взаимодействии, когда противодействуют подобные образцы техники и целевой функцией является обеспечение максимума относительной боевой эффективности. С помощью предложенной методики моделировалось дуэльное взаимодействие танков Т-72 и Центурион Mk.X, что позволило рассчитать для них коэффициент относительной боевой эффективности. По итогам расчетов определялись зоны поражения танков, что в зависимости от эффективной дальности боя позволило определить относительную боевую эффективность двух танков.

Рис. 3. Относительная боевая соизмеримость α танка Т-72 к танку Центурион в функции отасредней дальности боя

Как видно из приведенного графика, Т-72 лучше Центуриона на всех реальных боевых дистанциях. Немаловажную роль в этом играет повышенная маневренность танка Т-72. Но с увеличением эффективной дальности боя это преимущество снижается. Вывод: в условиях синайской пустыни, где эффективная дальность боя могла составлять 5000 и более метров, относительная боевая эффективность танка Т-72 не ниже боевой эффективности танка Центурион.

Случай асимметричного взаимодействия также рассмотрен на основании уже упомянутого неверно истолкованного боевого опыта арабо-израильских войн, продемонстрировавших высокую эффективность противотанковых реактивных снарядов. Последствием этого решения, например, стал отказ от серьезного бронирования на ряде образцов отечественной бронетехники, в результате по опыту боевых действий в Афганистане, она пробивалась даже крупнонкалиберной пулей стрелкового оружия. Критерий принятия решения - минимальная стоимость потребного наряда на выполнения боевой задачи.

С этой целью моделировалось уязвимость Центуриона к воздействию подкалиберного бронебойного снаряда противотанковой пушки МТ-12 и противотанковой ракеты комплекса 9М117 Кастет. Танк виртуально обстреливался с разных дистанций противотанковым снарядом и ракетой, после чего замерялись дистанции пробивания его брони и строилась диаграмма безопасности.

В общем виде площади зон поражения можно найти из следующего выражения:

,                        (6)

где п - количество характерных секторов цели, р - угол, при котором наступает рикошет данного вида боеприпаса, lmax - максимальная дальность в данном секторе, ограниченная либо эффективной дистанцией боя, либо возможностью пробития брони, - функция зависимости максимальной дальности, с которой возможно пробитие брони данного сектора цели от угла встречи снаряда с бронёй цели в горизонтальной плоскости.

а        б

Рис. 4. Расчет коэффициента защищенности пакетом Artillery.

Зоны поражения танка Центурион подкалиберным бронебойным снарядом

орудия МТ-12 и ПТУРСом 9М117: а - башня; б - корпус

Как видно, бронебойный снаряд имеет преимущество перед противотанковой ракетой только в трех случаях: при стрельбе с дистанции менее 100 м, при стрельбе в борт танка и при стрельбе с больших дистанций по кормовому бронелисту корпуса танка. Вывод: указанные сценарии не могли реализоваться в условиях Синайской пустыни, что и сформировало у военных специалистов завышенное мнение об эффективности ПТУРСов, от которых броня практически не защищает на всех реальных боевых дистанциях, и потому может быть ослаблена.

Но особенную ценность комплекс баллистической экспертизы приобретает при рассмотрении надсистемного взаимодействия. Была проведена оценка фортификационных свойств оставленного людьми населённого пункта (Иднакар, север Удмуртской республики). По неизвестной причине он был заброшен: там не обнаружено ни следов стихийных бедствий, ни военного вторжения. Критерий принятия решения - обеспечение максимума защиты внутренним постройкам. С помощью программного комплекса фортификации виртуально обстреливалось со всех окружающих позиций и в зависимости от применяемого оружия строились зоны поражаемого внутреннего пространства.

Вывод: Данный населённый пункт был достаточно хорошо защищён для своего времени. Прицельное поражение защитников было возможно лишь с позиции, находящейся на первом валу, однако для стрельбы с этой позиции нападавшим нужно было закрепиться на ней, что представляется затруднительным, если учесть адекватное противодействие со стороны обороняющихся. Однако его фортификации, не могли обеспечить защиту внутренних построек, при обстреле наступательным оружием нового поколения (что, вероятно, и послужило причиной упадка).

В пятой главе представлены результаты прикладного применения разработанной методики при анализе боевых действий и мотивации ЛПР при принятии военно-тактических и военно-технических решений в ходе боевых действий.

Принятие решения при надсистемном взаимодействии уже несколько выходит из традиционного круга военно-технических задач и близко примыкает к военно-теоретическим и военно-стратегическим задачам.

Представленная методика может быть полезным при определении коэффициентов боевой эффективности в моделях военного противостояния ланчестерского класса. Традиционно в них используются коэффициенты, полученные на основе статистической обработки, наибольшей универсальности и детальной проработки достигли коэффициенты, реализованные в методике Т. Дюпюи. Признавая потенциал этого подхода, применение комплекса баллистической экспертизы дает возможность получить более точный результат. Указанный подход был реализован в программном продукте Lanchester. В качестве примера рассмотрена динамика боевых действий у Мондидье.

Боевые действия при Мондидье продолжались в течение тридцати четырёх дней (25 марта - 27 апреля 1918 г.), боевые потери составили 357 тыс. чел. для германских войск и 340 тыс. чел. для британских войск. Расчет по методике Дюпюи дал следующие среднесуточные результаты: 12700 чел. для германских войск и 11975 - для британских. Погрешность в переводе к общим потерям составила соответственно 25% и 19%.

Результаты математического моделирования также показали удовлетворительную сходимость с реальными цифрами. По результатам вычислений с помощью программы Lanchester потери германских войск в ходе боевых действий составили 396452 чел., погрешность расчётов при этом составила 11%. Потери британских войск составили 293241 чел., погрешность - 14%.

Кроме того, с помощью программы Lanchester можно не только рассчитать общие потери в ходе какой-либо боевой операции, но и отследить динамику процесса.

Вывод: Разработанный комплекс баллистической экспертизы может служить в качестве интеллектуальной поддержки при принятии решений в ходе моделировании сражений. Рассмотренная методика определения относительной боевой эффективности двух танков может быть использована в условиях ограниченности исходной информации и потому подойдет как для танков Первой мировой войны, так и для ныне разрабатываемых танков, для которых неизвестен весь комплекс ТТХ.

ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ

В процессе выполнения диссертационной работы были получены следующие результаты и сделаны следующие выводы:

1. Разработана модель для проведения внешнебаллистической экспертизы сложных противодействующих военно-технических систем в рамках конфликтной системы Орудие-снаряд-цель, заключающаяся в разбиении противодействующих военно-технических систем на значимые для расчёта элементы, вычленение определяющих характеристик элементов и последующем синтезе конфликтной системы Орудие-снаряд-цель для анализа результатов взаимодействия противодействующих военно-технических систем. Данная модель применяется при выявлении исходных данных для возможной реконструкции мотивации принятых в ходе противодействия управленческих решений.

2. Разработана методика приведения противодействующих военно-технических систем к конфликтной системе Орудие-снаряд-цель. Анализ эффективности военно-технических систем и решений предусматривает разбиение исследования на решение трёх последовательных задач. В компоненте лорудие, при известных начальных данных, в результате анализа внутренней баллистики орудия устанавливаются параметры снаряда в начальной точке траектории. В компоненте снаряд в результате анализа внешней баллистики снаряда во взаимодействии с окружающей средой устанавливаются параметры снаряда в конечной точке траектории. В компоненте лцель в результате анализа параметров снаряда в конечной точке траектории и характеристик манёвренности и защищённости цели делается вывод о степени эффективности оборонительных характеристик цели при стрельбе по ней данным снарядом из данной точки. Сделан вывод, что большинство противодействующих военно-технических систем, использующих ствольную артиллерию или метательные снаряды, может быть сведено в расчётную схему Орудие-снаряд-цель, в рамках которой учитываются только существенные в рамках данной схемы параметры системы и отбрасываются несущественные.

3. Предлагаемая методика существенно расширяет возможности научно обоснованной исторической реконструкции, в частности при анализе внутрисистемного, межсистемного и надсистемного взаимодействия в рамках конфликтной системы Орудие-снаряд-цель. Дано возможное объяснение мотивации при принятии решения о снижении начальной скорости снарядов корабельных орудий в ходе Второй мировой войны. Теоретически установлено, что снаряды, выпущенные из корабельных орудий с более высокой скоростью, при одной и той же дальности стрельбы в точке падения, хотя и имеют более высокую скорость и меньший угол падения (по сравнению со снарядами, выпущенными с меньшей скоростью), что обеспечивает более высокую вероятность поражения кораблей, но имеет более высокую чувствительность к случайным погрешностям начальных условий выстрела (наличие качки в море). Теоретически обосновано, что использование в новейшей бронетехнике Израиля устаревших схем бронирования могло быть вызвано ошибочным пониманием низкой боевой эффективности советских танков. Так выявлено подавляющее преимущество танка Т-72 над Центурионом на небольших дистанциях (в среднем в 2 раза при дальностях боя 500-3000 м), и то, что с увеличением эффективной дальности боя превосходство Т-72 снижается (случай, реализованный в условиях Синайской пустыни). Выявлено, необоснованное представление о низкой роли бронирования в будущей войне. При воздействии на образец бронетанковой техники бронебойного подкалиберного снаряда противотанковой пушки МТ-12 и ПТУР Кастет, обеспечивается превосходство последнего на открытой местности. В городских условиях, на пересечённой, горной и лесистой местности, где дистанция боя невелика, более предпочтителен подкалиберный бронебойный снаряд, как более дешёвый при практически такой же боевой эффективности. Установлено, что несоответствие защитного уровня фортификаций населенного пункта потенциальной угрозе оружия нового поколения могло послужить причиной его деградации.

4. Разработан комплекс программ системного анализа эффективности и обоснования мотивации принятых военно-технических решений в области внешней баллистики конфликтного противодействия сложных военно-технических систем с интерфейсом, не требующим от пользователя предварительной подготовки исходных данных и/или глубоких знаний в области внешней баллистики. Комплекс обеспечивает возможность решения широкого круга баллистических задач по оценке и анализу противодействующих военно-технических систем Орудие-снаряд-цель: программа Artillery для проведения внешнебаллистических расчётов ствольных артиллерийских систем. (ГР № 50200501493, позволяющая производить расчёты внешней баллистики снарядов ствольной артиллерии с применением широкого спектра законов сопротивления и стандартных атмосфер); программа Archer для проведения расчётов внутренней и внешней баллистики луков и стрел (ГР № 50200501462, позволяющая проводить широкий спектр внутри- и внешнебаллистических расчётов метательных снарядов с механическим принципом произведения выстрела); программа Pnevmobal для проведения расчётов внутренней баллистики пневматических орудий (ГР № 50200601382, позволяющая производить расчёт внутренней баллистики пневматических орудий).

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

I. Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ

  1. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. К вопросу об эффективности противотанковых комплексов // Вестник ИжГТУ. 2006. №1. С. 74Ц75.
  2. Коробейников А. В., Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Программное обеспечение для реконструкции археологических артефактов // Вестник ИжГТУ. 2006. № 3. С. 71Ц73.
  3. Мокроусов С. А. К вопросу об определении среднесуточных потерь личного состава при ведении боевых действий // Вестник ИжГТУ. 2008. № 4. C. 24Ц25.
  4. Мокроусов С. А. Применение системного подхода в баллистической экспертизе вооружённых конфликтов // Вестник ИжГТУ, 2010. №4. С. 14Ц16.
  5. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. К вопросу о применимости ланчестерских моделей при моделировании движения участка фронта // Известия РАРАН. 2007. № 3 (53). С. 59Ц63.
  6. Коробейников А. В., Митюков Н. В., Мокроусов С. А.Метод демографического подобия для вероятностной оценки численности незаконных вооруженных формирований // Известия РАРАН. 2008. № 3 (57). С. 41Ц49.
  7. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Идентификация параметров пневматической артиллерии для подводных лодок // Вопросы обороной техники. 2008. № 11Ц12. С. 26Ц28.
  8. Митюков Н. В., Юртиков Р. А., Мокроусов С. А. Применение математического моделирования для исследований военной истории // Вестник ТомГУ. 2009. № 1. С. 90Ц94.

II. Наиболее важные публикации по теме диссертации

  1. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Абсолютный подход к определению эффективной численности // Имитационное моделирование в военной истории: Синергетика в гуманитарных науках. М.: Изд-во Института системного анализа РАН (ЛКИ), 2007. С. 211Ц227 (ISBN 978-5-382-00068-8).
  2. Коробейников А. В., Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Программа реконструкции баллистических характеристик лука и стрелы по параметрам костяного наконечника Archer v2.0 // ГР в ВНТИ - 14.10.2005 г. - № 50200501462.
  3. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Программа прямых и обратных внешнебаллистических расчетов Artillery v2.0 // ГР ваВНТИ - 19.10.2005 № 50200501493.
  4. Митюков Н. В., Юртиков Р. А., Мокроусов С. А. Программа моделирования войсковых операций Lanнchester v2.0 // ГР в ВНТИ - 16.03.2006 г. - № 50200600362.
  5. Митюков Н. В., Мокроусов С. А. Программа Pnevmobal расчета внутренней баллистики пневматического орудия // ГР ваВНТИ - 08.08.2006 г. - № 50200601382.
  6. Мокроусов С. А. Оценка эффективности применения ракетно-арнтилнлерийского вооружения по опыту арабо-израильского конфликта // Военное искусство и военная культура Евразии: тысячелетия противостояния и взаимовлияния: Мат. Всеросс. научно-техн. конф. (Екатеринбург, 17Ц18 декабря 2005 г.). Екатеринбург: Изд-во Гуманитарного ун-та, 2006. С. 203-209.
  7. Мокроусов С. А. Программные пакеты для исторических реконструкций // Математические методы в исторических исследованиях: Мат. Межд. научн. конф. (ЕкатеринбургЦИжевск, 11Ц12 марта 2006 г.). ИжевскЦЕкатеринбург: Изд-во НОУ КИТ, Изд-во НОУ Гуманитарный университет, 2006. С. 157Ц165.
  8. Мокроусов С. А. Комплексная баллистическая экспертиза как средство реконструкции мотивации принятия решений // Сборник работ победителей отборочного тура Всероссийского конкурса научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых по нескольким междисциплинарным направлениям (г. Новочеркасск, октябрь-ноябрь 2011 г.) / Мин-во образования и науки РФ, Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. (НПИ). Новочеркасск: Лик, 2011. С. 539Ц541.
  9. Историческая реконструкция параметров технических систем (шифр Стрела): Отчет о НИР (заключ.) / Камский ин-т гуманитарных и инженерных технологий. КИГИТ; рук. Митюков Н.В. - Ижевск, 2006. - 140 с. - Исполн.: Мокроусов С.А. - № ГР 024000230. - Инв. № 06-2006.
  10. Математическая модель гидропневмоавтоматики: Отчет о НИР (заключ.) / Камский ин-т гуманитарных и инженерных технологий. КИГИТ; рук. Митюков Н.В. - Ижевск, 2010. - 53 с. - Исполн.: Мокроусов С.А. - Инв. № 50-2009.

С.А. Мокроусов

Подписано в печать 13.03.2012. Формат 6084/16. Гарнитура Таймс.

Уч.-изд. л. 1,20. Усл. печ. л. 1,16. Заказ № 79. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии Издательства ИжГТУ

426069, Ижевск, Студенческая, 7

Авторефераты по всем темам  >>  Авторефераты по техническим специальностям