От Михаил Зубцов
К All
Дата 26.12.2006 15:49:18
Рубрики Современность; Стрелковое оружие;

INSTAR и нанотехнологии

Глубокоуважаемые участники и читатели форума!
В прошедшую пятницу я попытался разместить на Вашем форуме нижеследующий комментарий, но, вероятно, вследствии своей неумелости в обращении с функциями программы поддерживающей Ваш форум, я сделал что не так как нужно, и своего текста я на форуме не вижу. Вообще-то, я не вижу целый кусок от 03:13:09, 22.12.06 до 12:21:14, 25.12.06, и где-то внутри этого куска должно бы быть мое сообщение. Посему, пытаюсь разместить его ещё раз. В случае, если кто-то из Вас уже прочитал его и сопроводил своими замечаниями, то - прошу либо повторить их, либо подсказать, как бы я смог их прочитать.
Мне никогда не доводилось разрабатывать устройства подобные INSTAR, но, тем не менее, будучи причастным к ряду НИОКР по проблемам сходным с проблемами этого проекта, я счел за должное представить вашему вниманию некоторые комментарии, которые, как я надеюсь, дадут ответ на часть вопросов затронутых во время недавней дискусии на форуме по этому поводу.
Прежде всего, насколько мне известно, проект INSTAR, как часть и следствие DARPA Compact Hybrid Actuator Program, был задуман и реализован на инженерном факультете Пенсильванского университета в 2001-2002 годах. По завершению этого проекта, каких либо упоминаний о практических реализациях этого устройства мне не попадалось. В рамках программы ISBIR (гранты 2005 года) тематика нашла свое продолжение в проектах фирм Techno-Science, Inc. (см. www.technosci.com), и Intelligent Automation, Inc. (см. www.i-a-i.com, раздел Electro-mechanical Systems, Gun Barrel Stabilization). Окончательные результаты работ по этим проектам мне не известны. Последняя известная мне публикация по этому поводу была представлена Pathak et.al. в Proceedings of the SPIE, Volume 6166, pp. 118-129 (2006). В этой теоретической работе авторы предлагают аналитическую модель для описания как собственно адаптивного стрелкового оружия так и взаимодействия человека с таким оружием. Сугубо теоретический характер этой статьи позволяет предположить, что, либо все попытки создать адаптивную винтовку практического успеха не имели, либо - все работы в этом направлении были полностью засекречены. Полагаю, что истинной причиной отсутствия публикаций служит не избыточная секретность а фактический неуспех, и вот почему.
Во-первых, какие, собственно, задачи ставились? В аннотации к проекту Intelligent Automation, Inc. заявлено следующее: "на основе механического привода на пьезоэлектрических элементах разработать систему активной стабилизации ствола в широком динамическом диапазоне с нулевым мертвым ходом, с активной компенсацией гистерезиса пьезоэлементов и ползучести в элементах конструкции пьезоприводов, с уменьшенными габаритами и весом механоусилителей и интегрированных с ними пьезоэлементов". При этом авторы указывали, как именно они намерены решить две наиболее критичные проблемы: защиту пьезоэлементов от ударов и адекватный контур управления. Защиту от удара отдачи при выстреле они намеревались обеспечить за счет особенностей конструкции пьезоприводов, а в качестве источника управляющего сигнала в контуре обратной связи они предлагали использовать интегрированные в систему микродатчики ускорения. В аннотации к проекту Techno-Science, Inc. (собственно INSTAR) нет таких технических подробностей, и авторы просто заявляют, что они, используя разработанную ими систему стабилизации ствола, готовы решить проблему редуцирования ошибок при прицеливании, обусловленных стрессовым состоянием бойца на поле боя. Эта система, судя по всему, и представлена в упомянутой статье, на которую давал ссылку уважаемый Captain Africa ("Optimal Design and Experimental Characterization ..."). Очевидно, что представленная система, фактически, не решает ни одну из упомянутых выше проблем, и служит лишь иллюстрацией того, что пьезоприводы способны обеспечить требуемые статический и динамические диапазоны перемещений реального ружейного ствола.
Однако, вместе с тем, будет полезным более детально рассмотреть, а что собственно смастерили эти пенсильванские леди? На фотографии приведенной в статье хорошо видно, что из себя представлет это устройство: это три пьезоэлектрических привода, один из которых (угломестный, нижний привод) покоится на опоре (либо закреплен в станке, как на правой фотографии) а два других (азимутальных, по бокам ствола) закреплены на подвижной части угломестного привода. Ствол или кожух ствола винтовки закреплен между подвижными частями азимутальных приводов, то есть азимутальные приводы работают парой и в противофазе.

В качестве пьезопривода использована одна из весьма популярных и достаточно простых конструкции монолитного трансформатора механических перемещений (compliant mechanics) часто встречающаяся в конструкциях адаптивного крыла летательных аппаратов (крыло с изменяемым профилем сечения). Кстати, в данном случае этот конструктив - не самый лучший выбор, так как он не обеспечивает защиту пьезоэлементов от удара и обладает существенной сдвиговой ползучестью, кроме того, вес в сборе всех трех приводов и соответствующих крепежных элементов должен бы быть не менее 3 кг., о чем авторы, к сожалению, умалчивают. К этому надо бы добавить вес и объем соотвествующих источников напряжения: два канала по 200V, причем, в данном случае, это скорее всего специализированный источник тока, с соответствующим уровнем энергопотребления. Очевидно, что суммарный вес этого устройства существено превышает вес винтовки, и это плохо согласуется с заявленными компактностью и малым весом.
Кроме того, должен заметить, что дамы, вообще-то, темнят, и даже не пытаются объяснить: а как, собственно, надо стрелять из такого ружья? В постановке задачи заявлено, что целью разработки был угловой позиционер, обеспечивающий позиционирование в секторе, приблизительно, 2.5х10е-3 радиана, а на фотографии показан трансляционный позиционер, и все результаты измерений даны также для линейных (не угловых) перемещений. По ряду косвенных признаков можно предположить, что, вероятно, подразумевалось следующее: основание угломестного позиционера и какая то точка на затыльнике приклада винтовки должны быть жестко закреплены на некоей жесткой, недеформируемой опоре. В этом случае, составляющие несколько сотен микрон линейные трансляционные перемещения ствола (ложа ствола или кожуха винтовки жестко соединенного со стволом) относительно жестко закрепленной опоры будут трансформированы в требуемые тысячные радиана поворота оси ствола относительно этой самой точки на затыльнике. Понятно, что такая жесткая недеформируемая опора мало похожа на стрелка с колотящимся сердцем и трясущимися руками.
Темнят пенсильванские девицы не зря. Эту проблему тщательно обходят все, с чьими работами по данной тематике мне доводилось сталкиваться. Дело в том, что разработчики таких систем рассматривают проблему стабилизации ствола стрелкового оружия как обычную проблему инерциальной стабилизации, забывая при этом упомянуть, что системы инерциальной стабилизации реально способны стабилизировать пространственную ориентацию лишь таких объектов, чья инерциальность (масса) много меньше инерциальности (массы) носителя, опоры или платформы на которой этот стабилизатор закреплен (например, стабилизация видеокамеры относительно фюзеляжа летательного аппарата). Конечно, инерциальные системы могут работать и в случае когда массы стабилизируемого объекта и опоры или платформы сопоставимы (правда, в этом случае непонятно что именно стабилизируется, объект или платформа), но в этом случае необходимо знать мгновенные значения взаимного расположения центра масс объекта и центра масс составного тела платформа+объект.
Что же касается систем типа INSTAR, то очевидно, что связку кисть-предплечье-плечо нельзя рассматривать как сколь-нибудь жесткую механическую связь. Кроме того, костно-мышечная система человека, на типичных масштабах соответствующих расстоянию между кистью и плечом, не способна без участия глаза (контур рука-глаз) не то что контролировать, но - даже регистрировать упомянутые перемещения в несколько сотен микрон, не говоря уже об удержании в статическом положении протяженного предмета весом в несколько килограммов. Попросту говоря, такая система будет не ствол стабилизировать относительно дрожащей кисти руки, а - трясти кисть в противофазе её собственной дрожи. Кроме того, даже если бы человеческие кисть и плечо обладали бы сколь-нибудь существенной механической жесткостью, то перемещения ствола такой адаптивной винтовки происходили бы не относительно кисти и плеча, а относительно некоего совокупного центра масс винтовки и удерживающих её кисти, руки и какой-то неизвестной части плечевого пояса, и где этот центр масс располагается в каждый данный момент времени - одному Господу Богу известно. То есть, в дополнение к железной руке, такую адаптивную винтовку надо бы дополнить независимой системой определения координат этого самого совокупного центра масс, и никакие закрепленные на винтовке датчики ускорения здесь не помогут. (Кстати, сошки, как у Intelligent Automation тоже не помогут, если, конечно, их не забетонировать) Очевидно, что всё это явно выходит не только за пределы требуемого, но и вообще, за пределы разумного. Именно это обстоятельство и позволяет мне утверждать, безотносительно к прочим, тоже непростым проблемам, что такие проекты как INSTAR перспектив в обозримом будущем не имеют.
Еще раз повторю, что мне никогда не доводилось участвовать в разработках каких-либо устройств или систем для стрелкового оружия. В этой сфере мое мнение - это мнение дилетанта, в известном смысле. Тем не менее, я бы присоединился к мнению уважаемого Нифонтова Андрея, поскольку тоже считаю, что имея компактный и экономичный электроспуск, вполне можно создать образец стрелкового оружия удовлетворяющий требованиям INSTAR. Задачу поставленную в INSTAR проще решать от обратного: не пытаться стабилизировать пространственную ориентацию ствола, а наооборот, используя естественную стохастичность мгновенных значений ориентации ствола, определять необходимый момент времени, когда должен быть произведен выстрел. Всё необходимое для такой разработки наличествует: и оптоэлектроника, и электроника и алгоритмы.
Что же касается использования собственно пьезоприводов для решения такого рода задач, то, безотносительно к вышеуказанным проблемам, интуитивно понятно, что оптимальным было бы разместить приводы где-то между ложем ствола и собственно стволом, в окрестности совокупного центра масс ствола и жестко скрепленных с ним прочих деталей. Либо, как альтернативный вариант, можно использовать собственно корпус монолитного механотранслятора в качестве ложа ствола. Примером такого устройства может служить изображенный на снимке двухкоординатный угловой позиционер с компенсацией продольных перемещений.

В принципе, это устройство никакого отношения к стрелковым проблемам не имеет. Оно было нами разработано как сканер для хирургического зондового сканирующего микроскопа предназначенного для минимально инвазивных операций в полостях коленного сустава. Тем не менее, не смотря на его сугубо мирное предназначение, оно отвечает всем требованиям предъявляемым к устройствам типа INSTAR, включая проблемы ползучести и защиты пьезоэлементов от удара(мы понимали, что доктор случайно может и в кость въехать, либо зацепить канюлей за край стола или ещё за что-нибудь, что там рядом окажется). Кроме того, этот сканер-позиционер имеет осесимметричную конфигурацию и сквозной осесимметричный канал, в котором, при условии соотвествующего масштабирования, можно закрепить оружейный ствол.
Что же касается упомянутого уважаемым Captain Africa шарнирного узла, то такие конструкции тоже имеют место быть. Вот пример одной из них.

Этот угловой позиционер без паразитных линейных перемещений был нами построен для того, чтобы доказать возможность углового позиционирования массивных тел с массой до 20 кг. в диапазоне до 90 градусов и с точностью до 10е-8 радиана. Здесь тоже имеется сквозной 15 мм. канал (прикрыт черным квадратом) в котором можно закрепить обрабатываемую деталь, фрезерную головку, промлазер, либо - ствол, если надо. Понятно, что при его разработке мы учитывали возможность того, что по нему и молотком могут стукнуть, и фрезу или сверло может закусить. Казалось бы, что для задач типа INSTAR это как раз то что нужно. Однако, это не так. Во-первых, весит этот узел чуть менее 10 кг. Во-вторых, он требует соответствующих источников питания, да и с угловыми скоростями у него не очень хорошо. Но самое главное, и это принципиальная особенность всех прецизионных конструкций построенных на шаровом элементе: геометрия и поверхность шарового элемента должны соответствовать требуемой точности позиционирования и должны сохраняться неизменными в процессе эксплуатации. А вот этому требованию, даже в условиях обычного заводского цеха механообработки удовлетворить практически невозможно, не говоря уже о полевых условиях. То есть, перспективы использования прецизионных шаровых сочленений в устройствах типа INSTAR также весьма призрачны.
Пользуясь случаем, позволю себе некоторый комментарий по поводу периодически возникающих здесь дискуссий о нанотехнологиях как двигателе современного прогресса, в том числе, и в военной области. Хотел бы обратить внимание уважаемого сообщества на следующее обстоятельство: в современных нанотехнологиях производственных технологий пока нет, и на завтра их прибытие не ожидается. Мы не имеем целостной совокупности методов и устройств способных обеспечить массовое производство продукта со свойствами и функциями недоступными при производстве с применением иных технологий. По пальцам можно пересчитать попытки создания таких технологий, и все они неуспешные. Если кто-то меня поправит, и укажет на успешные примеры, буду благодарен. Более того, нынешняя наука о наномире ( по крайней мере, физика наномира) пока находится в слишком юном возрасте для того чтобы обеспечить сколь-нибудь надежные основы для разработки производственных технологий (как пример проблем, с которыми приходится сталкиваться см. аннотацию на www.parnass-nano.de). Поэтому, я бы не стал рассчитывать, на то что не сегодня - завтра нанотехнологии явят нам образцы чудо-оружия. Равно, я бы не рассчитывал и на то, что создание или развитие специализированных, ориентированных на нанотехнологии лабораторий или исследовательских центров способно само по себе обеспечить экономическое лидерство. В отрыве от прочих современных производств, а прежде всего - это микроэлектроника, микробиология, биохимические технологии, технологии производства композитных материалов и пр., развитие нанотехнологических методов и устройств, в лучшем случае, сократит расходы Вашим конкурентам на первичный НИОКР. Они с удовольствием воспользуются Вашими разработками для внедрения их на своём производстве. В худшем, и по моему мнению, более реалистичном случае, всё сведется к тому, что Вы называете "попилом". Обратите внимание на тематику новой программы FP7 Еврокомиссии (новые программы опубликованы как раз сегодня). В отличие от FP6, там практически исчезла поддержка разработок собственно нанотехнологий. Зато существенно возрос вес новых материалов, а исследования сместились на медико-биологические проблемы. Более того, появились разделы прямо адресованные интеграции наработанных методов и устройств в существующие технологии (см. например ICT-2007.3.1).
Вместе с тем, если уж говорить о неких универсальных решениях, - отчетливо понимая заманчивость таких решений, - развитие которых обеспечило бы некий глобальный экономический и гео-политический прорыв, я бы обратил внимание власть имущих на известные нам, но плохо изученные явления, понимание природы которых может действительно привести к революционным изменениям. Например, тот кто первым сможет разобраться с природой так называемой низко-энергетической термоядерной реакции (либо, как ещё его называют - холодный термоядерный синтез), а тем более научится управлять этим процессом, будет иметь очень серьезную фору практически во всех сферах деятельности.

С уважением
М.Зубцов
От Captain Africa
К Михаил Зубцов (26.12.2006 15:49:18)
Дата 27.12.2006 12:18:04

ОК, частично вы меня убедили

Хотя я не согласен с тем что надо знать центр масс системы руки-ложе-прочее -- это скорее всего решается (если у нас два датчика положения -- один на стволе, другой в ложе в любой момент времени мы знаем на какую дельту нужно подвинуть ствол, начинаем двигать и прогнозируем по степени провала насколько ему надо ускориться или замедлиться в процессе отклонения.

Видимо надо подойти к проблеме с другой стороны. Вешаем на ствол отклоняющие соленоиды и при выстреле отклоняем пулю на нужный угол когда пуля покинет ствол...
От NV
К Михаил Зубцов (26.12.2006 15:49:18)
Дата 26.12.2006 17:23:03

Нет, мне больше моя идея нравиццо :)

которую я предложил в первом обсуждении этого устройства - управляемая насадка на ствол, которая позволит и застабилизировать (хотя а зачем стабилизировать ? нам попадать в цель а не стабилизировать ствол надо) и повернуть ствол куда надо.

http://vif2ne.ru/nvk/forum/0/archive/1268/1268606.htm

Готов прийти за гонораром :)

Виталий
От Михаил Зубцов
К NV (26.12.2006 17:23:03)
Дата 26.12.2006 23:09:04

Re: Нет, мне...

>Готов прийти за гонораром :)

>Виталий

Глубокоуважаемый Виталий!

а Вы не могли бы сопроводить описание Вашего изобретения хотя бы простейшим рисунком, не обязательно в ветке, пусть - по почте. Я не уверен, что правильно понимаю смысл предлагаемой Вами новации.

Михаил
От Cyberian Valenok
К Михаил Зубцов (26.12.2006 15:49:18)
Дата 26.12.2006 17:19:05

Убрать из схемы рефлекторную дугу человека и сделать роботехническое устройство

Пенсильванки не учитывали рефлекторную дугу человека - в первую очередь запаздывание между сенсорным входом и моторным выходом. Если же убрать человека из процесса принятия решений по определению цели и нажатию спускового крючка - то вообще непонятно, зачем человек тут нужен. Как подставка для чудо-ружьеца? Гораздо проще сделать чисто роботехническое устройство, с распознанием цели (при сверке с локальной или удаленной базой данных), динамической стабилизацией шасси и автоматической корректировкой огня, учитывающей скорость ветра, предполагаемую траекторию цели и количество боеприпасов.
От i17
К Cyberian Valenok (26.12.2006 17:19:05)
Дата 26.12.2006 18:14:39

Re: Убрать из...

>Если же убрать человека из процесса принятия решений по определению цели

"не бывает".

"всего лишь" проблему нахождения области человеческого лица на фотографии решить толком не могут уже много-много лет.