Author: Исаков П.П.
Tags: оружие вооружение артиллерийско-техническое имущество бронированные машины и специальные средства транспорта стрелковое оружие личное оружие боеприпасы и боевые отравляющие вещества управляемые и неуправляемые ракеты и реактивные снаряды инженерия военная техника военное дело инженерное дело издательство машиностроение серия теория и конструкция танка
Year: 1987
Similar
Text
/^/WW7/iX/ TYVU гитп MW" //•///-'.
&рИ
Инв. № 18632 т. .1.
Эк•. №
И КОНСТРУКЦИЯ
д-ра техн, наук, проф. П. П. ИСАКОВА
Том 8
ПАРАМЕТРЫ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ,
ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В РАСЧЕТАХ ТАНКОВ
Редактор тома
д-р техн, наук, проф. А. С. Развалов
Москва «МАШИНОСТРОЕНИЕ» 1987
УДК 623.438.3.073
Теория и конструкция танка. —Т. 8. Параметры
внешней среды, используемые в расчетах танков.—М.:
Машиностроение, 1987. 196 с.
В книге рассматриваются дорожно-климатические условия
эксплуатации военных гусеничных машин (ВГМ), влияющие на их
подвижность, надежность и время поиска целей. Обобщенные харак
теристини и обширный статистический материал в виде реализаций
могут быть использованы для обоснования тактико-технических тре-
бований к новым образцам ВГМ при их проектировании и оценке
надежности составных частей.
Книга предназначена для научных и инженерно-технических ра
ботников отрасли, а также может быть рекомендована в качестве
учебного пособия преподавателям, студентам вузов, слушателям и
курсантам военных академий и училищ соответствующего профиля.
Ил. 63, табл. 60, список лит. 19 назв.
В книге пронумеровано 196 страниц.
Редактор В. И. Махова
Технический редактор Н. //. Скотникова
Корректор JL Е. Сонюшкина
Сдано в набор 10.06.86. Подписано в печать 28.04.87.
Формат 60х90‘/1«- Бумага типографская № I. Гарнитура литературная.
Печать высокая. Уел. печ. л. 12,25. Усл. кр.-отт. 12,25. Уч.-изд. л. 13,7.
Заказ 26 с
Ордена Трудового Красного Знамени издательство «Машиностроение»
107076, Москва, Стромынский пер.. 4.
Типография ведомственная
ПРЕДИСЛОВИЕ
Для повышения боевой эффективности современных ВГМ не-
обходимо учитывать параметры внешней среды (внешние условия)
на стадии разработки опытных образцов. В отрасли понятие внеш-
няя среда (внешние условия) включает в себя: природные харак-
теристики мест эксплуатации ВГМ (географические, климатиче-
ские, метеорологические, топографические условия); дорожные
условия, отчасти являющиеся результатом деятельности человека;
средства противодействия противника (снарядный обстрел, воздей-
ствие оружия массового поражения). Внешняя среда является ис-
точником внешних воздействующих факторов, стойкость к кото-
рым определяет одно из основных свойств ВГМ — живучесть. Кро-
ме того, внешние воздействующие факторы оказывают существен-
ное влияние на другие основные свойства ВГМ: подвижность, огне-
вую мощь, надежность.
Назначение танков предполагает возможность их использова-
ния в любом географическом районе, при этом должны подтверж-
даться все тактико-технические характеристики (ТТХ). Поэтому
влияние внешних воздействующих факторов на работоспособность
составных частей танка необходимо учитывать в процессе проек-
тирования. Так, при эксплуатации танков в Белоруссии прежде
всего изнашивается ходовая часть, причем тем больше, чем влаж-
нее грунт, на основании чего можно сделать вывод о влиянии со-
става грунта и климатических факторов в первую очередь на дол-
говечность элементов ходовой части; при эксплуатации танков в
среднеазиатских пустынях наблюдается спекание мелкодисперс-
ной пыли в проточной части газотурбинного двигателя (ГТД) при
высокой рабочей температуре, т. е. при проектировании ГТД необ-
ходимо учитывать наличие лессовой пыли в воздухе.
В соответствии с ГОСТ 21964—76 внешние воздействующие
факторы делятся па механические (вибрация, шум, качка,
I* 3
крен, дифферент, удар, ускорение, давление), климатические (ат-
мосферное давление, температура и влажность воздуха, атмосфер-
ные осадки, пыль, песок, солнечное излучение, ветер, почва с кор-
розионно-активными агентами, ледово-грунтовая среда), биологи-
ческие, радиационные, термические, воздействия электромагнит-
ных полей и специальных сред. Основное разрушающее действие
на составные части танка оказывают климатические и механиче-
ские факторы, которые в сочетании с топографическими характе-
ристиками местности составляют понятие «внешняя среда> (за
исключением средств противодействия противника).
Совершенствование теории ВГМ потребовало расширения ин-
формации о внешней среде за счет увеличения количества учиты-
ваемых параметров и накопления фактического материала, т. е.
именно практические задачи определяют требования к количеству
учитываемых параметров внешней среды, поэтому результаты ана-
лиза входных данных в расчетах являются источником целена-
правленного накопления информации.
Например, для простейшего расчета на прочность деталей це-
почки гусеница—коленчатый вал двигателя необходимо знать не-
сущую способность материала этих деталей и максимально воз-
можную нагрузку на них, определяемую через сцепление с грунтом
с учетом крена машины. Для расчета вероятности неразрушения
деталей пришлось дополнительно определить законы распределе-
ния напряжений и параметры этих законов. Для расчета устало-
сти деталей необходимо знать чередование максимальной и мини-
мальной нагрузок, т. е. характеристики динамических процессов
(часто случайных), зависящих от параметров внешней среды, пред-
ставленных в виде реализаций случайных процессов.
Выявление и обобщение параметров внешней среды обусловле-
но необходимостью формирования исходных данных для расчетов
конкретных характеристик или конструктивных параметров ВГМ.
В частности, при расчете подвижности танков используется мо-
дель их эксплуатации, основанная на районировании территории
СССР по почвенно-климатическому признаку (т. 1, 6).
Скорость движения танков зависит от микропрофиля трассы,
сопротивления движению (т. 1, 5), крутизны и частости поворотов,
сцепных свойств грунта (т. 5, 6), а также от мощности двигателя,
которая в свою очередь зависит от атмосферного давления, темпе-
ратуры окружающего воздуха и его запыленности (т. 4, 6).
4
При расчете огневой мощи танка, опенке условий стрельбы,
поиске цели (т. 1, 2, 3) необходимо учитывать климатические фак-
торы: атмосферное давление, скорость ветра, температуру и влаж-
ность воздуха, солнечное излучение, осадки, туман.
Температура и влажность воздуха, солнечное излучение, ин-
тенсивность микропрофиля влияют на работоспособность членов
экипажа.
Условия эксплуатации учитываются при формулировании тре-
бований к новым машинам. Так, задавая значения средней скоро-
сти движения, запаса хода по топливу или другим расходуемым
материалам, необходимо указать дорожные условия: не только
географический район испытаний и время года, но и состояние
трассы движения. Установлено, что на лесных дорогах разница
средних скоростей движения достигает 40 %, расхода топлива
15 %.
Требования по безотказности и долговечности новых машин
подтверждаются для определенных географического района и вре-
мени года. Дополнительная информация о температуре воздуха,
солнечной радиации, влажности грунта помогает объяснить и от-
корректировать полученные результаты.
Влияние параметров внешней среды необходимо учитывать при
разработке методов ускоренных испытаний и создании искусст-
венных трасс, т. е. испытания проводятся в средах, в наибольшей
степени влияющих на развитие тех или иных повреждений или
позволяющих ускоренно получать определенные эксплуатацион-
ные характеристики. Одновременно разрабатываются экспери-
ментально-расчетные методы пересчета результатов испытаний,
проведенных в экстремальных условиях, на любые заданные усло-
вия, что позволяет сопоставлять результаты испытаний и эксплуа-
тации в разных географических районах при различных погодных
условиях.
Опыт эксплуатации ВГМ показывает, что при определенных
внешних условиях бронетанковая техника становится неэффектив-
ной либо требует применения вспомогательных средств. Составле-
ние карт накопления снега в определенных географических райо-
нах, ширины разлива рек помогает своевременно учесть необходи-
мость расчистки дорог и определить возможность использова-
ния ВГМ.
Далеко не полное перечисление практических задач расчета ха-
рактеристик танка определяет необходимость учета вполне конкрет-
5
них параметров внешней среды и разработки методов их матема-
тического описания.
В книге собран обширный статистический материал, представ-
ленный в виде реализаций. Описание дорожно-климатических ус-
ловий математическими методами (с использованием основных по-
ложений теории случайных процессов, теории вероятностей н ма-
тематической статистики) позволило разработать номенклатуру
обобщенных параметров внешней среды, влияющих на подвиж-
ность и надежность ВГМ, а также на время поиска целей — важ-
нейший показатель огневой мощи танков.
Сведения, приведенные в данной книге, могут быть использова-
ны для обоснования тактико-технических требований к новым об-
разцам ВГМ при их проектировании и оценке надежности наибо-
лее напруженных сборочных единиц и деталей.
Авторами тома являются А. С. Развалов, Р. Г. Ваксман,
И. М. Даниленко, В. В. Кошелев, Л. Г. Платонова, В. Ф. Савина.
6
Глава I МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ
ОПИСАНИЯ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
1.1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕОРИИ СЛУЧАЙНЫХ ПРОЦЕССОВ
Любой параметр внешней среды является непрерывно изменя-
ющейся величиной. Вертикальная координата поверхности доро-
ги, дальность видимости, кривизна дороги, температура окружаю-
щего воздуха, масса пыли в воздухе, абразивность грунта и его
плотность — все эти параметры меняются непрерывно и могут быть
измерены в любой момент времени и в любом месте нахождения
гусеничной машины.
Однако скорость изменения этих параметров различна. Темпе-
ратура в течение суток меняется медленно, днем и ночью она поч-
ти постоянна, в то время как микропрофиль дороги меняется бы-
стро, но имеет ярко выраженную периодическую составляющую.
Дальность видимости может изменяться скачком, например,
когда из-за поворота вдруг открывается обзор до горизонта. Не-
которые параметры являются функцией нескольких переменных.
Например, высота микропрофиля определяется расстоянием от на-
чала отсчета; дальность видимости определяется расстоянием от
начала отсчета и углом наклона по отношению к направлению
движения или другой линии на поверхности земли.
При расчете эксплуатационных характеристик ВГМ зачастую
приходится учитывать несколько параметров внешней среды, т. е.
несколько случайных процессов, протекающих одновременно и
связанных друг с другом начальными условиями.
При математическом описании внешней среды необходимо в
сжатой форме представить большой объем информации, опреде-
ляемой многими параметрами, изменяющимися в течение года.
Наиболее точное описание параметров среды может быть вы-
полнено посредством непрерывной записи их реализаций. При ис-
пользовании этого простого способа представления информации
возникает несколько вопросов, для решения которых требуется
тщательный анализ физической природы процессов изменения па-
раметров внешней среды.
Для введения в память ЭВМ непрерывный процесс должен
быть представлен рядом цифр. Вопрос — как это лучше сделать?
7
Брать ли мгновенные значения параметров или средние в преде-
лах интервала; как выбирать ширину этого интервала? Каков
объем реализации? Если есть несколько числовых рядов, то каким
образом по воздействию на машину можно установить равнознач-
ность описываемых ими факторов внешней среды? Ответить на
эти вопросы можно, получив обобщенные характеристики процес-
сов.
При анализе случайных процессов физические процессы делят
на две группы: детерминированные и случайные. Детерминирован-
ные процессы подразделяются на периодические и непериодиче-
ские, а случайные — на стационарные и нестационарные.
Несмотря на то, что в детерминированном процессе связь меж-
ду параметрами (например, высотой неровности и временем или ко-
ординатой пути) жесткая, а в случайном — вероятностная, разли-
чие между ними установить непросто. Например, изменение высо-
ты неровностей дороги есть случайный процесс, однако реализа-
ция определенной трассы, особенно с (Искусственным покрытием,
вполне может считаться детерминированным процессом. Водитель
воспринимает профиль незнакомой дороги как случайную функ-
цию; при повторных заездах неровности этой дороги воспринимают-
ся им уже как детерминированная функция: известно, на каком
расстоянии или через сколько минут после начала движения сле-
дует глубокая впадина, где есть «гребенка» и др.
Поэтому определим характеристики реализаций, полагая их де-
терминированными периодическими процессами.
Периодические процессы могут быть описаны следующими
функциями времени /:
л(/) = Д sin(2K/y/+ 0); (1.1)
х (/) --= 0,5 а0 + У (aAcos2ic/t/ 4- 6„sln2i:/tt), (1.2)
Л—1
где А—амплитуда; f0 —частота, Гц; Н — начальная фаза; fi — основная ча-
стота;
«л ” 2/| х (/) cos 2 п — 0,1,2....;
V/.
Ьп = 2/, (л (/) sin 2 *nfxtdt, л = 1.2....
Формулой (1.1) задается гармоническое колебание. Обычно на-
чальной фазой 6 пренебрегают, т. е.
x(t) — A sln2ir/0/ .
Довольно часто дороги, наезженные гусеничными машинами од-
ной марки, имеют форму синусоиды (обычно их и называют сину-
соидами).
Формулой (1.2) описывается полигармоничеокнй процесс, со-
стоящий из постоянной 0,5 До и суммы синусоид и косинусоид, ча-
стоты fi=nf\ которых кратны основной частоте f|.
8
Наглядное представление о структуре полигармонического про-
цесса дает его амплитудно-частотное изображение (рис. 1.1, а).
---------12-16-----------И -
Рис. 1.1. Систематизация поли-
гармонического процесса по
методу полных циклов:
а — структура полнгармонического
процесса: 6—г — последователь-
ность обработки реализаций; д —
амплитудно частотная характерис-
тика основного гармонического
процесса
Для спектрального представления формулу (1.2) удобнее пред-
ставить в виде
x[t} 0,5an4^xncos(2Kn/l/ —8Л),
Л— 1
где хя
V + ^‘'Из-
начальная фаза; а„, Ьп — коэффициенты.
Процесс периодический, если отношения всех возможных пар
частот представляют собой рациональные числа; если же это ирра-
циональные числа, то процесс почти периодический.
При аппроксимации реализации рядом Фурье обычно исполь-
зуют формулу
Л' -1
/(х) = 0,5 а0 -f- (a*cos kx -f- bk sin jjkx] + 0,5aN cos kx ,
2 Зак. 26 c
9
где х—текущее значение пути, времени или другой независимой координаты;
член aNcosjix служит для удобства вычисления при четном числе точек; осталь-
ные коэффициенты определяются через значения ft(x) в 2N точках:
। 2.V-1
ао = ~м~ £ /<(*);
л—О
] 2ЛГ—1
aN*=~N So A(Jf)cositx;
1 4-’
= x?0//(x)cos^Ax:
1 2^-‘
(1.3)
Из (1.3) следует, что, имея 2N точек, можно получить k=2N— 1
членов ряда Фурье. При использовании всех k членов значения
аппроксимирующего ряда во всех точках совпадут с f(x).
Каким же числом точек приходится оперировать при аппрокси-
мации? Значение Л/ (или До — расстояние между соседними точ-
ками) определяется минимальным значением частоты спектра, на
которую реагирует соответствующая система ВГМ. Так, полагая,
что малые колебания корпуса машины линейные, минимальную
частоту fmi,, можно определить, сопоставляя ее с собственной ча-
стотой Известно, что амплитудно-частотная характеристика си-
стемы зависит от соотношения частот возмущения f и fn.
Например, для системы с одной степенью свободы
1 СКП " (//ЛИ3 + (2tflfnV1 ’
где С — жесткость упругого элемента; £ —постоянная демпфирующего элемента.
Коэффициент усиления определяется из соотношения
Лы=|Я(/)Ивх.
Реализация периодических процессов (например, дорожного
профиля) могут иметь до 300—500 точек. Однако сохранять все
(2JV 1) коэффициентов ак, Ьк нет необходимости, так как прак-
тически 10—20 гармонических составляющих спектра достаточно
полно характеризуют весь периодический процесс.
Выполнив разложение в ряд Фурье и выделив в спектре зна-
чимые частоты, оценим подобие различных реализаций и доста-
точность их объема. Если при удлинении реализации, т. е. увели-
чении числа точек, спектр не меняется, то число точек 2N, при
котором происходит стабилизация, может считаться минимальным.
Вывод о достаточности объема реализации обычно основывается
на стабильности наблюдаемого физического процесса.
Сопоставим частотные спектры нескольких реализаций и пред-
положим, что преобладают в них одинаковые частоты, но с раз-
личными амплитудами. Как можно объединить такие реализации,
как найти более компактную форму представления информации?
10
Обобщение возможно, если считать амплитуды частот случай-
ными величинами, распределенными по нормальному закону, а
среднее значение процесса x(t) и его спектральный состав посто-
янными.
Однако поскольку каждой частоте в реализации соответствует
определенное значение амплитуды гармонической составляющей,
спектр такого процесса задается мерой рассеяния амплитуд —
«удельной» дисперсией D,. Поскольку процесс случаен, зная его
значение х( при /(, нельзя сказать, каким будет х2 при t2. Однако
поскольку Xi и х2 распределены нормально, а законы распределе-
ния при t\ и /2 имеют одинаковые параметры, информация о Х|
позволяет сузить интервал значений х'2—х2> среди которых на-
ходится х2. Для вычисления условной вероятности х2 необходимо
располагать пятью величинами: средними значениями Х|=х2=х,
дисперсиями ।а °’ 2 — и коэффициентом корреляции г. Основ-
ное свойство случайного стационарного процесса соответствует
условиям:
х const;
ej = const;
'*eVa’ Р, ').
где т = —/|, а, Р — константы корреляционного уравнения, т. е. г зависит от
некоторых констант и от срасстояния» между сечениями процесса, но нс от их
расположения на оси абсцисс. Это условие равнозначно условию постоянства
спектрального состава процесса.
Характеристики стационарного случайного процесса определя-
ются путем осреднения мгновенных значений реализаций х в од-
ном их сечении при t =
(1.4)
1 £
(1.5)
(1.6)
В формулах (1.4) — (1.6) использовано /V реализаций, на кото-
рых можно зафиксировать сечения при t\. Однако G в реализации
определенной дороги — очень условное понятие. Поэтому исследо-
вать случайный процесс желательно по одной реализации, пусть
достаточно большой (по количеству точек), т. е. обобщать лучше
не по множеству реализаций, а по времени. Не все процессы обла-
дают эргодичностью, но для большинства стационарных процес-
сов, описывающих состояние среды, можно воспользоваться этим
2*
11
допущением. Тогда в (1.4) — (1.6) N будет обозначать число точек,
или для непрерывного процесса при Л/->оо
х — const — -у-^x(t)dt;
/?(т) = -уг [х(/)х(« + т)Л. (1.7)
Функция, задаваемая уравнением (1.7), называется обычно
автокорреляционной, поскольку определяет «внутреннюю» связь
процесса, зависимость его последующих состояний х, от фиксиро-
ванной начальной амплитуды х0.
Для многих процессов среднее значение функции
л = ]//?, (т-оо), (1.8)
а дисперсия
«1 = Rx(t = 0) — Rx (т -► оо).
Автокорреляционная функция определяет частотный состав
процесса через преобразование Фурье:
Sx (/) — 4 f Rx (t) cos 2 vf’dx..
Как и корреляционная функция, спектральная плотность Sx(f)
является емкой по информативности характеристикой. Обратное
преобразование
= £$,(/) cos 2
представляет спектральную плотность как функцию распределе-
ния дисперсии процесса по частотам, т. е. спектральная плот-
ность — это частотная характеристика случайного процесса, ана-
логичная детерминированному процессу, представленному в виде
суммы гармонических составляющих. Однако вместо детерминиро-
ванных коэффициентов а* и каждой k-н частоте в спектре соот-
ветствует дисперсия о2 • при этом дисперсия процесса о2 =
Д'
2’*• В каждой реализации случайного процесса фиксируются
какие-то о* и bk, соответствующие закону распределения при сред-
нем х = VRx(t -*• оо) и дисперсии о*.
Оценить спектральную плотность по реализации случайного
стационарного эргодического процесса можно двумя способами:
посредством вычисления корреляционной функции и последующе-
го ее преобразования или путем непосредственной обработки реа-
лизации и использованием метода быстрого преобразования
Фурье.
12
При наличии выборки в виде таблицы с N цифрами истинную
спектральную плотность для диапазона частот определим
по формуле
S, (/) = 2 Л [ - 0) + 2 "1'/? (т - W) cos (^/) +
+ /?(t = m4)cos(^/)|, (1.9)
где Л—интервал между отсчетами в таблице; R — значения автокорреляцион
ной функции при т — Д, 2Д,.... АД,.... тД; т — максимальное число шагов;
/с ‘2д’ —предельная частота пропускания (среза), т. е. при f — - 0.
Уравнение (1.9) является модификацией уравнения (1.8), поз-
воляющей использовать результаты обработки реализации случай-
ного процесса без аппроксимации автокорреляционной функции.
В табл. 1.1 представлены автокорреляционные функции и соответ-
ствующие спектральные плотности наиболее часто встречающихся
в практике случайных процессов.
Определение спектральной плотности непосредственно по реа-
лизации случайного процесса выполняется при помощи быстрого
преобразования Фурье, по своей сущности аналогичного разложе-
нию в ряд Фурье детерминированной функции времени.
Дискретная оценка спектральной плотности в узком интервале
h около частоты / выполняется по формуле
Г,)]*,
N-\
где х (/, Гв) Л 2 хп СХР ( — j ——1 AN —время реализации процесса;
к л—о \ N ) 1
х„ — х(пЛ) — текущая ордината.
Оценив спектральную плотность ограниченного числа частот,
определим конечную частоту = 1,145 S* с учетом отбрасывае-
мых частот. Для оценки достаточности времени реализации 7 р
используется формула
Тр“7м или Л»~ ’
где В, — так называемая разрешающая способность.
В первом приближении
Яе = 0,05/г,
где /г — резонансная частота или частота, соответствующая моде спектральной
плотности.
Обычно предельная относительная ошибка ег ^0,1; тогда
Гр = 2-103//г.
13
Таблица 1.1
Автокорреляционные функции и спектральные плотности
случайных процессов
Процесс
Л бтакорреляционная
функция
Постоянный
Спектральная
плотность
2<f(f) 6 -функция
0
Гармонический Я, И , '//> АЛ-рЦ1-1.) А й - функция
0 л "К т _ 4 г | /
Белый шум Ня(т)-аВ(В) R Г" '1 )^а (j )‘О (/
0 'г 0 f
Белый шум с ограничением пи частотам 0 интервале 0<fcB 1 R S(/> Si 1 1 =а at ои O^f^B
0 В _ 7
Белый шум с
ограничением
пр частотам
о интербале
шириной В
Низкочастот-
ный
случайный
Случайный
процесс
С мойой ла
спектру при f0
14
Если в распоряжении исследователя имеется несколько (на-
пример, две) реализаций одного процесса, для которых известна
спектральная плотность, то объединение результатов производится
с учетом значимости каждого:
с / f \_ 1 4-
’
где S*. S*2 —значения первой и второй реализаций; Л/ = 2BtlT{ (i- 1, 2).
Полагая, что для разных реализаций одного процесса можно
принять Be, = const = Ве, получим
«.</») = 2 r„S„lZTtl,
где т — Ч1сло реализаций.
Стационарность процессов определяется физической сущ-
ностью явления. Очень часто исследователь считает процесс ква-
зистациоьарным, т. е. стационарным не вообще, а в данных реали-
зациях. Отклонение от стационарности проявляется в непостоянст-
ве среднею — наличие тренда. Например, для микропрофиля до-
роги подъемы и спуски, нс влияющие на колебания корпуса ма-
шины, яв/яются трендом. Исключить из исходной информации
тренд мол но методом среднего наклона.
Представим исходную информацию о процессе в виде
У (О = £/ 4- аг (0 4-сц, (/ —0,5Т),
где у — средне по N точкам (Гр — ftJV); x(t) — исправленный процесс с х - 0.
Тогда юэффициент, определяющий значение линейного тренда,
равен
S=>| 2 у.-,?/.]• 0 '0)
зл
Рассмотжм теперь использование спектральной плотности и
корреляциошой функции параметров среды при расчете характе-
ристик воежых гусеничных машин.
Часто используются не сами реализации процесса, а их харак-
теристики, акие, как распределения экстремумов, нулей, ампли-
туд, длител.ность выбросов и интервалы между ними. Эти харак-
теристики мэжно представить аналитически только для случайных
процессов, ’ которых мгновенные значения распределены по нор-
мальному зжону. Одна из наиболее простых характеристик про-
цесса — это среднее число пересечений определенного уровня
с одинакова знаком производной, т. е. только вверх или только
15
вниз. Для процесса с х = 0 среднее число пересечений уровня х0
в единицу времени определяется по формуле
__________________- JAS, (/)<*/
где W| = / - fl" (0) = I / —----------.
f ^Sx(f)df
Соответственно для х0 = 0
1(0) = Wl/2n,
а среднее число нулей в единицу времени при любом зюке про-
наводной
Хо(0) = 21(0) = (щ/л.
Средняя длительность выбросов над уровнем х»
= мЬ-11 “ F ’
где F(...) — интеграл Лапласа, Х(х0) —среднее число выбросов.
Аналогично средняя длительность между выбросами
Иногда необходимо знать не только средние значения, но и
распределение определенных величин, например, максимумов. Для
стационарного нормального процесса среднее число и определе-
ние максимумов можно выразить через корреляционнуи функцию:
Ртах = (0) • /С;
где К-----5---»----------------------
1 J/>S’(/W
Коэффициент К является характеристикой частотюго состава
процесса. Если К = I, то среднее число максимуме! в единицу
времени равно числу нулей, т. е. в процессе преоблад.ет одна ча-
стота. Если К > 1, то процесс состоит из многих часто-; он близок
к модели, называемой белым шумом. Соответственно при К « 1
получим
/(*.«) = -5-е“. (1.11)
6
а при К » 1
/(Xro'’,”7pWe (112)
Распределение (1.11) называется рэлеевским, а (1.12)— нор-
мальным.
При решении некоторых задач требуется информация об ампли-
тудном составе полигармонического процесса, которая может
быть получена посредством его систематизации по методу полных
циклов. Сущность метода состоит в последовательном выделении
и запоминании амплитуд (см. рис. 1.1,а и д).
Иногда нужно использовать одновременно несколько характе-
ристик среды, представленных в виде случайных процессов.
Каждый случайный процесс, если он стационарный и с нормаль-
ным законом распределения случайных величин, может быть пред-
ставлен в виде ряда Фурье, и при его эргодичности возможен пе-
реход к спектральной плотности. Однако чтобы установить связь
между мгновенными значениями нескольких процессов, необходи-
ма дополнительная информация в форме, аналогичной автокорре-
ляционной функции. Отличие состоит в том, что в этом случае
определяется полнота линейной связи между мгновенными значе-
ниями двух случайных процессов. Такая корреляционная функция
называется взаимной:
«,,«=—(113)
Абсолютное значение взаимной корреляционной функции ограни-
чивается следующими неравенствами:
(О) 1
|Я,,«|<0.5|/?„(0) + Ry(O)l )'
где Rx и — автокорреляционные функции процессов x(t) и y(t).
Если выполнить преобразование Фурье для взаимной корре-
ляционной функции, получим взаимную спектральную плотность:
(/) = сху (/) - jQxy (/) = I (/) I • exp [ - /0XV (/)|, (1.14)
где | Sxy (/)| = ]/ cxy (/) 4- Qxy(/) — модуль плотности;
Г (Z) 1
(/) = arctg [ 7“(7) J-ее аргумент.
Взаимная спектральная плотность дает возможность устано-
вить частоты, на которых между процессами x(t) и y(t) сущест-
вует следующая статистическая связь:
Ya (Л- /115)
При независимых х(/) и y(t) во всем диапазоне vxy = 0; при
линейной связи vxy = 1. Если v’y(f() =0, то функции Sx([) и
Su(f) некогерентны на частотах ft.
17
Итак, корреляционная функция и спектральная плотность —
лучший вид представления случайных стационарных эргодических
процессов. Спектральная плотность содержит всю необходимую
информацию для расчета линейных и линеаризуемых динамиче-
ских систем. Обычно расчет нелинейных систем выполняется в чис-
ловом виде с применением ЭЦВМ или на моделях с вводом реа-
лизации процесса, для чего необходимо произвести обратную опе-
рацию: по заданным /?(т) или S(f) восстановить реализацию слу-
чайного процесса. Выполняется такая операция на ЭЦВМ с ис-
пользованием метода Монте-Карло. Определение значений функ-
ций x(t) в точках х(/*) производится по следующим уравнениям:
х(/|) = С1Т|1 + ЗД + • • • +
Х(/2) = С|Т)2 4- с2т|з + •.. + СлПя+t I
X (/*) = + С2^ н- ... 4- ;
х 4- 4-... 4- Qhin.
где q, — случайные, некоррелированные, нормально распределенные числа с q—О
и а* — /?(0) — о2, а коэффициенты определяются нз следующей системы урав-
нений:
Я (6 — Л)/0’ - + ... 4- Wn:
К (к — 6)/°’ = <V* + ЗДк+i + — + Сл-a+iGi •
Каждое из этих уравнений содержит п — k 4- 1 членов; в некото-
рых случаях они решаются точно, чаще — с применением числен-
ных методов.
Целый ряд свойств внешней среды имеет почти постоянные зна-
чения параметров переходных процессов с одного уровня на другой.
Так изменяется температура окружающего воздуха, почвы, давле-
ние воздуха. Переходные процессы подобных характеристик, убыва-
ющие по экспоненте, могут быть выражены уравнением
х(<) = (Л0-Л,)е—' + Л. (1.16)
где а — коэффициент скорости перехода с уровня Ао на уровень At, который
может принимать различные, случайные значения.
При больших значениях а переход с уровня Ло на уровень At
при Л/ 0 происходит скачком. В некоторых случаях этот переход
происходит в режиме затухающих колебаний. Для описания таких
процессов можно использовать уравнение (1.16) с введением в не-
го случайного периодического множителя Ь:
x(t) = [(Ло - At) е" а‘ -г A,] cos bt.
Заметим, что переходные процессы через преобразование
Фурье могут быть представлены в виде непрерывного спектра ча-
стот.
18
1.2. ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ ТЕОРИИ ВЕРОЯТНОСТЕЙ
И МАТЕМАТИЧЕСКОЙ СТАТИСТИКИ
Использование методов теории вероятностей и математической
статистики при описании внешней среды позволяет обобщить
огромное количество цифр математическими формулами, пригод-
ными для расчета характеристик ВГМ.
Обычно «при испытаниях ВГМ одновременно измеряют различ-
ные параметры внешней среды, например, в одной точке дороги
записывают высоту микро- и макропрофиля, радиус поворота,
дальность видимости, жесткость грунта, его агрессивность и др.
При этом обрабатываются числовые ряды величин х„ у,, zlt ха-
рактеризующие определенное состояние среды. Каждая из этих
величин может непрерывно меняться или принимать только цело-
численные значения (например, целочисленны баллы оценки силы
ветра, агрессивности грунта, прозрачности атмосферы). Начина-
ется обработка с построения ряда по возрастающим значениям
величин Xi. Такая упорядоченная выборка (выборка потому, что
всегда можно продолжить измерения, безгранично увеличивая
число наблюдений) может содержать несколько сотен чисел. За-
тем объединяются группы чисел в определенных пределах значе-
ний Xi — xh причем характеристикой каждой группы являются ко-
ордината середины интервала и количество чисел, попавших в ин-
тервал. Так, например, если границами интервала будут х, = А
и xi = B, причем В>А, а т чисел больше А, но меньше В, то
характеристикой интервала будут среднее 0,5 (Д-f-B) и т.
Важный вопрос — выбор ширины интервалов. Ширина интер-
валов может быть одинаковой только в случае, когда числа рас-
пределяются по оси равномерно. Если же распределение неравно-
мерное, то и ширина интервалов должна быть различной: больше
там, где мало цифр (обычно это бывает у краев выборки), меньше,
где их много.
Графически распределение чисел можно представить в виде
гистограмм — прямоугольников, высота которых h равна числу
цифр т, поделенному на ширину интервала AS, т. е. h = m/AS
(рис. 1.2). Одному числовому массиву могут соответствовать со-
вершенно непохожие фигуры.
При построении гистограммы обязательно соблюдение следую-
щего условия: т1 5,
где mi — количество чисел в интервале AS<.
Наиболее часто используемыми характеристиками выборок яв-
ляются средние и среднеквадратичные, определяемые по форму-
лам
х = = (1.16)
1 т________1___
j/i U<-x)-P,, (1.17)
где Xi — координата середины i-ro интервала; m = Р^пц/т.
19
Как правило, среднее и среднеквадратичное, вычисленные без
построения ряда чисел, отличаются от полученных по (1.16) и
(1.17), поскольку среднее по интервалу не обязательно равно х/.
Наименьшей разница будет в случае, приведенном на рис. 1.2, б,
наибольшей — на рис. 1,2, в.
Характеристиками гистограммы являются также мера косости
и мера крутости
«=2(х,-х)’/>,/4 (1.18)
₽-2(х,-х)<р,/4.
20
Однако и этой информации недостаточно для того, чтобы ис-
пользовать материал выборки в расчетах. Более полные сведения
по выборке получаются посредством аппроксимации вершин пря-
моугольников непрерывной функцией. Для этой цели больше под-
ходит гистограмма, изображенная на рис. 1.2, а, поскольку
рис. 1.2, в не отражает особенностей центральной части, а рис. 1.2, б
— крайних участков выборки.
Чтобы получить плавную огибающую /(х), число наблюдений
(измерений) надо увеличивать, а ширину интервалов уменьшать.
Кривая f(x) называется законом распределения. Поскольку
сумма частот гистограммы SP, = 1, то и площадь, ограниченная
f(x) и координатной линией, должна быть равна единице, т. е.
всегда f f(x) dx = 1.
При выборе f(x) для аппроксимации гистограммы в первую
очередь необходимо руководствоваться физикой процесса форми-
рования случайной величины.
К сожалению, довольно часто поступают иначе: подбирают не-
сколько кривых f (х), по внешнему виду похожих на гистограммы,
а затем производят статистическую их проверку по какому-либо
критерию, ориентируясь на его значение.
Числовые значения, входящие в f(x) констант, можно опреде-
лить двумя способами:
приравнивая среднее, среднеквадратичное и другие статистиче-
ские характеристики к аналогичным характеристикам распределе-
ния: z
x-f xf(x)dx\ з’ = ^(x-x)f(x)dx, (1.19)
где в частном случае xt — оо; ха — — <»,
при этом число уравнений должно быть равно числу констант,
входящих в /(х);
приравнивая соответствующие интервальные значения часто-
стей и вероятностей, т. е.
2^=|/(х)</х; (1.20)
число таких уравнений должно быть равно количеству констант
функции f(x).
Способ определения констант обусловливается возможностью
вычисления интегралов по (1.19) и (1.20).
Подобранная функция )(х) в идеальном случае должна вклю-
чать в себя ординаты всех прямоугольников гистограммы. Прак-
тически это сделать не удается, поэтому встает вопрос о «согла-
сии» между экспериментальными данными, систематизированны-
ми в гистограмму, и выбранной функцией f(x). Обычно для про-
21
верки «согласия» (рис. 1.3) применяются два способа: Колмогоро-
ва и Пирсона. Способ Колмогорова основан на определения наи-
большей по абсолютному значению накопленной частости откло-
нения, т. е. последовательно вычисляются модули разностей
X, Л
l(Pi-P2)-J/W^I и т. д„ из которых
xi
выбирается наибольший. Максимальное значение | SP, -J
Ж®
с учетом общего числа наблюдений т дает возможность оценить
допустимость аппроксимации с помощью выбранной функции f(x).
Рис. 1.3. К проверке согласия между экспериментальными данными (значениями
Pi, определяемым» площадью заштрихованных прямоугольников) и выбранной
функцией f(x)
Способ Пирсона базируется на вычислении суммы квадратов
отклонений
2 Х''
Х “ /-1 ~Р*~ ~
Х/41
где Р] -J f(x)dx.
Для проверки выполненной аппроксимации используется число
степеней свободы
гс = п — k ,
где п — число разрядов гистограммы (на рис. 1.3 п — 8); k— число условий
(уравнений), используемых для определения констант, входящих в f(x), напри-
мер, для 1(х), содержащей две константы, k = 3, т. е. используются два урав-
нения для вычисления постоянных распределения f(x) и условие J f(x) dx - 1.
22
Если случайная величина х есть сумма достаточно большого
числа независимых или слабозависимых отдельных слагаемых, для
решения практических задач при аппроксимации симметричных
гистограмм чаще всего применяют нормальный закон распределе-
ния:
/(х)=7Йехр[“’(L21)
Степень быстроты сходимости к нормальному закону в зависи-
мости от числа слагаемых п можно оценить по формуле
где а — коэффициент асимметрии (или мера косости); 0 — коэффициент эксцесса
(или мера крутости); о — среднеквадратичное отклонение; а — среднее распреде-
ления членов суммы; //( — полиномы Эрмита; Но — I, Hi = 4, Нац (и) =
- уНп—пНп-\,
Поскольку х есть сумма независимых слагаемых с одинако-
вым средним а и среднеквадратичным отклонением о, то х = па-,
а2 = па2.
Ограничение по взаимной корреляции членов суммы и значе-
ниям отдельного члена устанавливает так называемое условие
Линдеберга.
Если при испытаниях возможны только два исхода: первый
с вероятностью р, второй с вероятностью q, причем р -j- q = 1,
то при увеличении п и не очень малых р или q распределение слу-
чаев с одним из исходов будет нормальным. Число опытов, гаран-
тирующих, что относительная ошибка е будет не более установлен-
ной при заданной вероятности, определяется по формуле
(1.22)
где х — аргумент, соответствующий заданной вероятности Р, определяемый по
таблицам интеграла вероятностей.
Обычно принимают е = 0,05; р = q = 0,5; Р = 0,98, тогда х
будет равен 1,65. По формуле (1.22) получим
п > 0,5 0,5-1,65а/0,052 = 272,25,
т. е. п = 272.
Для нормального закона распределения нетрудно определить
среднее, дисперсию, меры косости и крутости. Так, подставляя
(1.21) в (1.16) — (1.19) и заменяя при этом суммирование интег-
рированием, получим х = в; о’ = о; а = 0; 0 = 3.
23
Вероятность попадания заданного значения случайной вели-
чины х в определенный интервал Х|—х2 задается формулой
Р(х, < х < х,) - —? exp [- dx =
_0.5[ф(^-) -ф(^-)|. (1.23)
где Ф(...)—табличные значения интеграла вероятностей с аргументом / =
- (х—а)/с.
Практически любой из параметров внешней среды не имеет пре-
делов изменения от 4-°° ДО —00, для которых нормирован по ус-
ос
ловию J f(x)dx=l нормальный закон распределения. Обычно
величина х ограничена конечными числами, которые и являются
пределами интегрирования, т. е. J/(x)dx<l.
Для выполнения условия нормирования в уравнения (1.21) и
(1.23) введем поправочный коэффициент
соответственно для усеченного нормального закона вместо (1.21)
и (1.23) получим
= ехр [ 1 •
Р(х, < х < х,) = 0.5 Ну [ф(^) - ф (^)] •
Частным случаем усеченного с одной стороны нормального рас-
пределения является полунормальное или распределение сущест-
венно положительных величин:
/(х) = a /UJ7
при х>0;
при х<0.
Однако параметр о в этом случае не равен
Вместо искусственного усечения нормального закона для слу-
чайных величин, принимающих только положительные значения,
применяются и другие распределения, например, гамма-распре-
деление:
... Д’! г_|
/<х) = тйгл е •
причем параметры распределения Х>0 и т|>0.
Если т| целое число, то Г(т|) = (т) — 1)!, и в этом случае гам-
ма-распределение применяется для оценки вероятности события,
24
которое имеет место после выполнения определенного числа дру-
гих событий. Например, вероятность преодоления участка мест-
ности со слабым грунтом или снегом без застревания после i]
проходов танков можно определить с применением гамма-распре-
деления. Для аппроксимации гистограмм гамма-распределением
можно использовать уравнения:
х Tj/A; (1.24)
aJ = *l/X’, (1.25)
а также а = 2/ИтН ? = 3 (^ + 2)/т).
Рис. 1.4. Графики гамма распределе-
ний х при различных значениях па-
раметров X (а) и т| (б)
Из графиков гамма-распределений при
(рис. 1.4) видно, что параметр q
пределения, а X определяет
ес масштаб. Аппроксимация
гамма-распределением при-
меняется, когда причина
возникновения случайной
величины неясна. При уве-
личении т) гамма-распреде-
ление неограниченно при-
ближается к нормальному
с математическим ожидани-
ем и дисперсией, определяе-
мыми по (1.24) и (1.25).
Частными случаями гам-
ма-распределения являются:
распределение Эрланга, ес-
ли п есть положительные це-
лые числа; распределение
Х-квадрат с 2т) числом степе-
ней свободы, если Х= 1/2, а
т| кратно 1/2; экспоненци-
альное распределение, если
Т)=1.
Если случайная величина
используется бета-распределение,
0<х^1 формулой
f(x] - г<т + 1)
г (т) Г(^)
где Г(...) — гамма-функция.
Бета-распределение применяется, когда 1, п<1 и f(x) имеет
U-образную форму, а также когда у=л=1 и /(х) имеет вид гори-
зонтальной прямой, т. е. распределение имеет равномерную плот-
ность с
вариациях i] и X
влияет на форму кривой рас-
распрсдслсна на конечном интервале,
задаваемое для интервала
(1-х)'-1,
х = у/(п + y);
Зх = ПУ/[ (Л + Y)2 (П + У + 0]
25
Для описания параметров среды находит применение группа
законов распределения экстремальных значений — выбросов тем-
пературы, углов подъема или спуска и др. Такие законы являются
предельными для распределения максимальных или минимальных
значений, взятых из N случаев, т. е. для крайних областей различ-
ных распределений, например нормального, гамма и других, где
Распределения максимальных и минимальных значений, ино-
гда называемые распределениями Гумбеля, задаются формулами:
/(*) = — ехр[-—(х-fi)-e ’ ];
х = fi 4- 0,577 а;
зх== 1,283 з;
х = ji — 0,577 a;
зх= 1,283 з.
Для описания явлений, связанных с выбросами, часто исполь-
зуется распределение Вейбулла:
х = ar(l/ij+ 1);
=» / r(f+,)-1,'(т+’)Г-
где Г(...) — гамма-функция.
Существуют законы распределения, тесно связанные с нор-
мальным законом. Так, если случайная величина формируется как
сумма большого числа логарифмов (или как произведение боль-
шого числа величин), закон ее распределения есть логарифмически
нормальный:
/W = ехр[-51Г<|пл-i™)’|:
х = exp (Inх -f- 0,5 з2);
э, = хКе”-1.
Если случайная величина есть сумма большого числа величин
1/х, закон ее распределения гиперболически нормальный (или, но
определению Дружинина, альфа-распределение):
26
Если случайная величина у ~~ к х? Ч х?, где Х| и х2 —незави-
симые нормально распределенные величины с математическими
ожиданиями Х|=х2=0 и среднеквадратичными отклонениями
Зх, = оЖ1 = з, то
/(У) = -^-ехр|-у-/(2 о2;|;
у = V «а/2;
зу = о|/0Д29.
(1.26)
(1.27)
Однопараметрическое распределение (1.26) называется распре-
делением Рэлея.
Если у=Х\/х?, где xtji х2 —независимые нормально распреде-
ленные величины с Х|=х2 = 0, то /(</) называется распределением
Коши:
/Су) “ ait 1 4- (у -
Сложность использования распределения Коши для аппрокси-
мации экспериментальных данных обусловлена отсутствием конеч-
ных значений у и а.
Все рассмотренные распределения касались одной или двух ве-
личин. Сложнее получить информацию о нескольких случайных
величинах, измеренных одновременно. Для компактного представ-
ления такой информации применяются многомерные законы рас-
пределения.
Практическое применение нашел только нормальный закон:
= .СХР{
2(1 - г»)
о- (*i—Х|Цх>—х») । (х>—хаУ I
(1.28)
Двухмерный нормальный закон определяется пятью константа-
ми— двумя математическими ожиданиями, двумя среднеквадра-
тичными и коэффициентом корреляции (Х|, х2, оь о2, г). В общем
виде многомерный нормальный закон зависит от 2п средних и
среднеквадратичных и 0,5л (л—1) коэффициентов корреляции.
Законы распределения хь х2 могут быть получены интегрированием
уравнения (1.26).
Из (1.28) может быть получен так называемый условный закон
распределения, определяющий распределение величины у при ус-
ловии, что х принимает определенное, фиксированное значение
х=х0. Тогда
27
Если в (1.29) обозначить = ауУ Г—> Н; УЖ = У +
4-г ^-(л0 — л), то запись закона f(y/x) будет «делтичиа (1.17),
т. е. закон будет также нормальным с уменьшенным по отношению
к 0и среднеквадратичным ох у и смещенным средним.
Чтобы воспользоваться обработанной информацией, когда не-
обходима реализация чисел, подчиняющихся определенному зако-
ну распределения, нужно составить таблицу случайных чисел R,,
распределенных равномерно в интервале [0,1] (при использова-
нии ЭВМ такие случайные числа генерируются стандартной под-
программой). Для того чтобы получить числа х,. распределенные
по заданному закону с фиксированными константами, используется
уравнение
J JW dx = Rt.
Например, для экспоненциального распределения
1 е =
откуда л,= — 4-ln(l - Rt).
Для нормального закона
28
Глава 2 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О КЛИМАТИЧЕСКИХ
ФАКТОРАХ, ВОЗДЕЙСТВУЮЩИХ НА ВГМ
2.1. КЛИМАТИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
Климатические условия характеризуются следующими пара-
метрами: температурой и влажностью воздуха, атмосферным дав-
лением, скоростью и направлением ветра, пыльными бурями, атмос-
ферными осадками и туманами, облачностью, снежным покровом.
Климатические условия иэменяклся как во времени, так и в
пространстве, т. е. в одной и той же точке земного шара в различ-
ное время, а также в определенное время в местах, расположен-
ных на некотором расстоянии, климатические параметры различны.
Обычно климатические условия характеризуются средними и
экстремальными значениями параметров, определяемыми много-
летними наблюдениями. По этим параметрам поверхность Земли
и каждой страны делится на макроклиматические и климатиче-
ские районы.
Температура воздуха в пределах нижнего слоя атмосферы
с увеличением высоты, как правило, понижается. Объясняется
это удалением от источника нагревания (земной поверхности) и
адиабатическим охлаждением воздуха. Понижение температуры
воздуха с увеличением высоты (обычно через 100 м) называют
вертикальным температурным градиентом. В среднем он равен
0,6 °C, но в самом нижнем слое атмосферы может достигать 3—
4 °C.
Отмечены также случаи, когда температура с увеличением вы-
соты не понижается, а повышается, т. е. наблюдается инверсия
температуры. Это явление можно объяснить охлаждением земной
поверхности ночью или в зимнее время, опусканием воздушной
массы большой горизонтальной протяженности или взаимодейст-
вием воздушных масс, имеющих различную температуру.
Распределение температуры в горизонтальном направлении
очень неравномерно вследствие различий в радиационных усло-
виях низких и высоких широт, неравномерности нагревания суши
и моря, переноса тепла воздушными течениями. Температура воз-
духа может существенно отличаться в одно и то же время даже
29
на ограниченных участках местности (лее, поле, вода, сухая почва
по-разному нагреваются и отдают тепло).
В северном полушарии область очень низких температур (по-
люс холода) находится на территории Советского Союза в районе
Верхоянска — Оймякона. Здесь зарегистрирован абсолютный ми-
нимум температуры северного полушария (—71 °C). Полюс хо-
лода южного полушария — Антарктида (—88 °C).
Самая высокая температура наблюдается в пустынях тропиче-
ского пояса (абсолютный максимум 58 °C). В СССР самым жар-
ким районом является Средняя Азия (50 °C).
Изменения температуры происходят периодически и неперио-
дически. Периодический изменения связаны с вращением Земли
вокруг Солнца (годовой ход) и вокруг своей оси (суточный ход).
В течение суток максимальная температура наблюдается после
полудня, минимальная — перед восходом солнца. Амплитуда тем-
пературы в течение суток достигает в субтропиках 20—22 °C, на
полюсах 3—4 °C.
Непериодические изменения температуры в каком-либо райо-
не происходят при вторжении воздушных масс с иными тепловы-
ми характеристиками. В умеренных и высоких широтах такие из-
менения могут во много раз превосходить изменения в результа-
те суточного хода.
Атмосферное давление с увеличением высоты над поверх-
ностью земли уменьшается (в нижних слоях атмосферы прибли-
зительно на 1 мм через каждые 10 м).
Зависимость давления от высоты определяется барометриче-
ской формулой
Wy = /7,exp(--^), (2.1)
где //«— давление на высоте у. Но—давление на земле; Rt —
= 8,31 Дж/(моль-К) — газовая постоянная сухого воздуха; Г<р— средняя
абсолютная температура воздуха в слое от поверхности земли до высоты у. К.
Давление на земной поверхности также неравномерно. Повы-
шенное давление наблюдается в антициклональных областях
(в Сибири до 108 кПа), пониженное — в циклональных (до
90 кПа). Максимальное изменение давления с расстоянием на-
блюдалось в Европе (900 Па на 30 км).
Периодическое изменение давления в течение суток несуще-
ственно; непериодическое изменение, связанное со сменой воз-
душных масс, достигает в средних широтах 1500 Па за сутки
(максимальное непериодическое изменение наблюдалось в Евро-
пе — 1000 Па за 3 ч).
Влажность воздуха характеризуется содержанием водяных
паров.
Абсолютная и максимальная влажность определяются от-
ношением массы воды к объему воздуха (г/м3) либо упругостью
насыщенных паров (парциальное давление, Па).
30
Для каждой температуры существует определенное значение
максимальной влажности воздуха. Чем выше температура, тем
больше максимальная упругость водяного пара. Наибольшая упру-
гость водяного пара у земли (4,3 кПа) зарегистрирована на Ара-
вийском полуострове, наименьшая (0,0133 кПа) —в северо-восточ-
ной Сибири.
Относительная влажность (степень насыщения воздуха водя-
ным паром) представляет собой процентное отношение абсолют-
ной влажности при данной температуре к максимальной. Наиболь-
шая относительная влажность наблюдается на побережье тропи-
ческих морей и океанов (до 98 %), наименьшая—в пустынях
внутри континентов (~10 %).
Плотность воздуха характеризуется отношением его массы
к занимаемому объему.
В метеорологии не принято рассматривать плотность воздуха
как особый метеорологический параметр, и приборов для ее изме-
рения не существует. Плотность воздуха (в кг/м3) определяется
по формуле
.0288
~ RCT ’
(2.2)
где Н — атмосферное давление, Па; Т — абсолютная температура воздуха, К.
В воздухе всегда содержится водяной пар. Плотность влажно-
го воздуха меньше плотности сухого воздуха, так как плотность
водяного пара составляет 0,622 плотности сухого воздуха. При
приближенных расчетах принимают, что до высоты 3—4 км плот-
ность воздуха уменьшается на 1 % через каждые 100 м.
Вертикальное распределение температуры, давления и плотно-
сти воздуха с учетом широты места приведено в ГОСТ 24631—81
«Атмосферы справочные. Параметры».
Неравномерное распределение давления в горизонтальной плос-
кости вследствие неравномерности распределения температуры
является причиной образования ветра.
Начальное движение воздуха происходит в направлении бари-
ческого градиента, и скорость его зависит от значения градиента.
На движущуюся массу воздуха действуют: сила Кориолиса, возни-
кающая вследствие вращения Земли вокруг своей оси; сила тре-
ния, образующаяся в результате трения воздуха, обладающего
вязкостью, о поверхность Земли; центробежная сила, возникающая
при движении воздуха в циклонах и антициклонах.
Ветер — в большей степени переменная величина, чем темпе-
ратура воздуха и давление. Проведенные под руководством
Б. 3. Шапиро изменения показали, что на дистанции до 2000 м
среднеквадратичное отклонение скорости ветра составляет 1 м/с,
а среднеквадратичное отклонение направления 7°.
Изменение скорости и направления ветра происходит при
встрече воздушного потока с препятствиями (горы, леса, здания,
31
сооружения и др.). На основе экспериментальных данных получе-
ны коэффициенты изменения скорости ветра в зависимости от рель-
ефа. Установлено, например, что скорость ветра на дне и в ниж-
ней части склонов оврагов, замкнутых долин, лощин в 0,6 раза
меньше скорости ветра на открытом ровном месте; на вершинах
холмов высотой до 50 м— в 1,1...1,4 раза больше, на открытых
участках в 2,5.. .3 раза больше, чем на опушке леса (подветренная
сторона), а на вершине холма почти в 1,5 раза больше, чем у под-
ножья (подветренная сторона).
Результаты экспериментов показывают также изменение ско-
рости ветра на различных участках местности даже на небольших
расстояниях.
Порывистость ветра усиливается с увеличением скорости. При-
чиной этого является турбулентность воздуха (вихревые образо-
вания), характерная не только для ветра на земле, но и для боль-
ших высот. Скорость и направление ветра в течение суток меняют-
ся вследствие изменения интенсивности турбулентного обмена
между различными слоями. Скорость ветра днем больше, чем
ночью. Непериодическое изменение ветра связано с циклонической
деятельностью и намного превосходит изменение в результате су-
точного хода.
Пыльные бури чаще всего наблюдаются в теплое время года.
Однако в южных и юго-восточных районах они могут возникнуть
и зимой, так как снежный покров здесь очень неустойчив и при
отсутствии осадков поверхность почвы быстро высыхает.
Основной причиной образования пыльных бурь является тур-
булентная структура ветра, способствующая подъему с земной по-
верхности частиц пыли и песка.
На возникновение, повторяемость и интенсивность пыльных
бурь большое влияние оказывают орография, характер почв, ле-
систость.
Во время пыльных бурь запыленный слой атмосферы достигает
I 200—1 300 м. Пыльные бури начинаются при скорости ветра 10—
12 м/с.
Частота их возникновения сильно колеблется. Продолжитель-
ность пыльных бурь изменяется в широких пределах — от четвер-
ти часа до нескольких суток. При пыльной буре содержание мелко-
дисперсных частиц в воздухе значительно увеличивается. Опас-
ность для работы силовых установок ВГМ представляют пыльные
бури длительностью более 2—3 ч с высотой запыленного слоя атмо-
сферы 2—3 м. На территории СССР такие бури наиболее часто
происходят летом в пустынях Каракум, Кызылкум, в степях Казах-
стана, а зимой в Забайкалье.
Образование облачности происходит под влиянием климатооб-
разующих процессов и географических факторов. Климатообразую-
щими процессами являются поглощение и преобразование солнеч-
ной радиации и циркуляция атмосферы. К географическим фак-
торам, определяющим характер протекания климатообразующнх
32
процессов в данной местности, относятся географическая широта,
высота над уровнем моря, удаленность от океанов и морей.
Одним из неблагоприятных климатических факторов является
туман, т. е. скопление в воздухе очень мелких, не различимых гла-
зом капелек воды в таком количестве, при котором в воздухе ощу-
щается сырость, а горизонтальная видимость становится менее
1 км. Туманы подразделяются на три основных вида: адвективные,
образующиеся в результате переноса воздуха с определенными
значениями температуры и влажности из одной области в другую;
радиационные, возникающие в результате местного выхолажива-
ния воздуха в ночные часы, и смешанные, или адвективно-радиаци-
онные. Остальные виды туманов по существу являются частными
случаями основных. Например, различные радиационные туманы,
характер которых зависит главным образом от степени охлажде-
ния и влажности воздуха.
Частными случаями адвективных туманов являются туманы ис-
парения (парения), возникающие над водоемами в результате
притока холодного воздуха с берега, и береговые туманы, являю-
щиеся следствием переноса влажного воздуха с водной поверхно-
сти и охлаждения его на побережье.
Существуют еще городские, орографические, фронтальные и
другие туманы, которые всегда можно отнести к одному из основ-
ных видов. При сильных морозах и большой влажности возника-
ют ледяные туманы, состоящие из ледяных кристаллов.
На метеорологических станциях туманы подразделяют на влаж-
ные сплошные и просвечивающие, ледяные сплошные и просвечи-
вающие, туманы испарения и поземные. Вид тумана в этом случае
(адвективный или радиационный) не указывается. Поземный ту-
ман распространяется невысоким слоем (до 2 м) над низкими гео-
графическими местами.
Солнечное излучение, поступающее на земную поверхность в
виде пучка параллельных лучей, исходящих непосредственно о г
диска солнца, называется прямой солнечной радиацией. Лучи
стая экспозиция солнечного излучения S', приходящаяся на оп
ределенную горизонтальную поверхность, зависит от высоты солн-
ца над горизонтом и может быть получена из соотношения
S'=S sin Л,
где S—экспозиция прямой солнечной радиации на перпендикулярную к солнеч-
ным лучам поверхность; h — высота солнца над горизонтом.
3 Зак. 26 с
33
Проходя через атмосферу, энергия солнечной радиации частич-
но рассеивается молекулами воздуха, твердыми и жидкими частич-
ками, взвешенными в нем, облаками. Часть солнечной радиации,
поступающей на земную поверхность со всех точек небесного свода
после рассеяния в атмосфере, называется рассеянной радиацией D.
Прямая и рассеянная радиация относятся к коротковолновой ча-
сти спектра (с длиной волны от 0,17 до 4 мкм); фактически земной
поверхности достигают лучи с длиной волны более 0,29 мкм. На
земной поверхности происходит перераспределение энергии сол-
нечной радиации: часть се отражается от земной поверхности об-
ратно в атмосферу (отраженная коротковолновая радиация R),
остальная часть поглощается земной поверхностью (поглощенная
коротковолновая радиация В = Q—R, где Q = S'+D).
Энергия отраженной радиации зависит от свойств земной по-
верхности (цвета, увлажненности, структуры и др.). Величина, ха-
рактеризующая отражательную способность (или альбедо поверх-
ности Л), определяется соотношением энергии отраженного и сум-
марного солнечных излучений и обычно выражается в процентах:
As=100/?/Q. Разность собственного излучения земной поверх-
ности и атмосферы называется эффективным излучением. В каж-
дый момент времени на земной поверхности осуществляется при-
ход-расход лучистой энергии. Алгебраическая сумма приходных
и расходных составляющих радиации называется радиационным
балансом.
Как видно из приведенных данных, систематизация и анализ
информации о климатических факторах внешней среды конкрет-
ного района невозможна без знания этих факторов на всем зем-
ном шаре.
2.2. КЛИМАТИЧЕСКИЕ РАЙОНЫ ЗЕМНОГО ШАРА
В качестве основных климатических факторов при районирова-
нии территории земного шара для технических целей приняты тем-
пература и относительная влажность воздуха, в соответствии с ко-
торыми можно выделить четыре макроклиматических района:
влажный тропический—с сочетанием температуры воздуха
выше 20 °C и относительной влажности более 80 %, наблюдаемых
более 12 ч в сутки непрерывно более двух месяцев в году;
сухой тропический — со средним из ежегодных абсолютных
максимумов температуры воздуха выше 40 °C;
умеренный — со средними из ежегодных абсолютных максиму-
мов температуры воздуха ниже 40 °C и абсолютных минимумов
выше —45 °C;
холодный — со средним из ежегодных абсолютных минимумов
температуры воздуха ниже —45 °C.
34
Влажный тропический климат характерен для экваториальных
областей. Ниже приведен перечень стран с влажным тропическим
климатом.
Азия
Бангладеш
Бирма
Вьетнам
Индия (южная часть)
Индонезия
Кампучия
Китай (южнее Янцзы)
Лаос
Малайзия
Таиланд
Япония
Африка
Ангола
Берег Слоновой кости
Буркина Фасо
Габон
Гана
Гамбия
Гвинея
Бенин
Замбия
Кения
Конго (Бр.)
Заир
Либерия
Мозамбик
Сенегал
Сомали (южная часть)
Судан (южная часть)
Танзания
Того
Уганда
Камерун
Нигерия
Центральноафриканская Рес-
публика
Чад (южная часть)
Эфиопия
Северная Америка
Гватемала
Гондурас
Коста-Рика
Куба
Никарагуа
Панама
Сальвадор
США (юго-восток и Флорида)
Южная Америка
Аргентина (северная часть)
Боливия
Бразилия (долина Амазонки
и восточная часть)
Венесуэла
Колумбия
Парагвай (восточная часть)
Перу
Эквадор
Австралия
(северная и восточная части)
Главной особенностью всей тропической зоны является боль-
шая вероятность критических значений температуры и относитель-
ной влажности.
В районах влажного тропического климата в течение всего го-
да или значительной его части сохраняется высокая температура,
3*
35
мало изменяющаяся по сезонам, и, как правило, не превосходя-
щая 40 °C (среднеквадратичное отклонение средней месячной тем-
пературы— не более 1,5 °C).
Годовая амплитуда колебаний температуры воздуха составля-
ет 2—4 °C и менее, причем она не зависит ни от высоты местности,
пи от ее рельефа.
Суточное изменение температуры воздуха определяется сте-
пенью континентальности климата и близостью морей, а также го-
довым изменением осадков. В экваториальных областях на мор-
ских побережьях суточная амплитуда колебаний температуры рав-
на 2 °C, а во внутренних районах тропических широт 15—20 °C
(по литературным источникам, максимальная суточная амплитуда
колебаний температуры наблюдалась в Боливии и равнялась
53°C). Суточные колебания температуры в дождливый период со-
ставляют 4—8 °C, в сухой 8—12 °C.
Обильные, нередко продолжительные дожди, большое испаре-
ние влаги, значительная облачность являются причинами того, что
относительная влажность в экваториальной зоне даже в сухой се-
зон не опускается ниже 80 %, а в бассейне рек Конго и Амазонки
превышает 90 %.
Суточное изменение относительной влажности воздуха на боль-
шей части территории района с влажным тропическим климатом
показано в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Средняя месячная относительная влажность воздуха в различное время суток
в Чибинде (Африка)
Время суток, ч Относительная влажность (в % ) по месяцам года
1 II 111 IV V VI VII VIII IX X XI XII
4 12 95 68 93 71 96 72 96 71 96 78 97 64 97 63 95 44 98 60 98 67 95 69 96 67
Различие относительной влажности в утренние и дневные часы
в дождливый период составляет 5—15 %, в засушливый 20—30 %.
Распределение температуры и относительной влажности возду-
ха по сезонам года в Калькутте приведено в табл. 2.2.
Температура выше 20 °C при относительной влажности возду-
ха выше 70 % доминирует в этом районе в течение 90 % годового
времени. Температура выше 30 °C при относительной влаж-
ности воздуха выше 70 % держится 1—3 % годового времени
(100—150 ч).
Для районов с сухим тропическим климатом характерна высо-
кая средняя месячная температура в течение всего года (25—
35 °C).
36
Т а б л и ц а 2.2
Распределение температуры и относительной влажности воздуха в районах с влажным климатом (Калькутта)
Параметр Месяц года Сред- нее зна- чение Мак- с им ал ь- ное зн те- ине Вероятность Мини- мальное значе- ние
0,05 0,10 0,20 0,3(t 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Температура воздуха, •С: средняя 1 20,0 22,3 21,8 21,4 21,0 20,7 20,5 20,3 20,0 19.7 19,4 19,0 18,6 18,5
IV 20,1 32,7 32,5 32,1 31,7 31,4 31,1 30,8 30,4 29,9 29,3 28,6 28,3 28,2
VII 28,8 29,5 29,5 29,4 29,3 29,2 29,2 29,1 29,0 29,0 28,8 28,7 28,6 28,6
X 27,4 29,0 28,9 28,6 28,3 28,1 27,9 27,7 27,5 27,3 27,2 26,9 26,6 26,0
максимальная I 26,4 28,9 28,6 27,6 27,2 27,0 26,9 26,7 26,5 26,4 26,1 25,7 25,5 25,4
IV 36,0 38,7 38,7 38.3 37,6 37,2 36,8 36,0 35,3 34,8 34,2 33,1 31,8 31,4
VII 32,0 32.5 32,5 32,4 32,3 32,2 32,2 32.0 31,9 31,8 31,7 31,6 31,4 31,4
X 31,8 32,8 32,8 32,7 32,6 32,2 31,9 31,6 31,5 31,2 30,9 30.4 29,9 29,5
минимальная I 13,8 15,8 15,8 15,6 15,0 14,6 14.2 13,8 13,5 13,1 12,7 12.4 12,2 12,0
IV 25,0 26,7 26,6 26,4 25,8 25,6 25,4 25,2 24,9 24,6 24,2 23,6 23,3 23,3
VII 26,3 26,7 26,7 26,7 26,6 26,5 26,4 26,3 26,3 26,3 26,2 26,2 26,1 26 1
X 24,0 25,7 25,5 25,0 24,4 24,2 24,1 24,0 23,8 23,7 23,5 23,3 23,2 23,1
абсолютный мак- I 30,0 31,7 31.7 31,3 30,8 30,6 30,4 30.0 29.7 29,4 29,0 28,6 28,3 28,3
симум IV 38,7 42,2 42,2 41,6 40,8 39,9 39,2 38,6 38,0 37,4 36,6 35,8 35,6 35,6
VII 34,8 26,7 36,7 35,6 35,0 35.0 35,0 35,0 34,9 34,7 34,4 34,1 33,9 33,9
X 34,6 35,6 35,6 35,3 34,8 34,6 34,4 34,4 34,4 34,3 34,3 34,2 33,9 .33,9
абсолютный ми- I 10,0 12,2 12,2 11,4 10,7 10,5 10,3 10,0 9,8 9,5 8,9 85 8.3 6,7
нимум IV 20,3 23,3 33,3 22,5 21,0 20,2 20,0 20,0 19,9 19,7 19,4 18,8 16,1 16,1
VII 24.5 25,6 25,6 25,5 25,3 24,9 24,6 24.4 24,4 24,2 23,9 23,3 22,8 22,8
X 20,5 23,3 23,3 22,8 21,9 21.2 20,6 20,1 19,7 19.4 19,1 18,7 18,2 17,2
Относительная I 55 63 63 61 59 58 56 56 56 54 52 47 45 44
влажность (день), % IV 56 69 69 66 63 60 57 54 53 52 50 49 44 42
VII 81 87 85 82 82 82 82 81 80 80 78 78 77 77
X 77 86 85 82 80 79 78 77 74 73 72 71 69 69
Ниже приведен перечень стран с сухим тропическим климатом.
Мали
Азия
Афганистан
Индия (северная часть)
Иран
Ирак
Израиль
Иордания
Китай (пустынные области
северо-востока и северо-запада;
пустыни Гоби, Алашань, Такла-
Макан)
Марокко
Нигер
Зимбабве
Сомали (северная часть)
Судан (северная часть)
Тунис
Чад (северная часть)
ЮАР (северная часть)
Северная Америка
Ливан Мексика (кроме полуострова
Пакистан Юкатан)
Сирия США (Дальний Запад и Ка-
Страны Аравийского полуост-лифОрцця)
рова
Турция Южная Америка
Африка
Алжир
Бечуалснд
Египет
Ливия
Мавритания
Аргентина (западная часть)
Парагвай (западная часть)
Чили (северная часть)
Австралия
(центральная часть)
Самым жарким местом земного шара является пустыня Сахара
(в ее внутренних областях почти весь год температура воз-
духа превышает 40 °C). Зарегистрированный здесь абсолютный
максимум температуры воздуха 58 °C (Эль-Азизия, Ливия). Су-
точная амплитуда колебаний температуры нередко превышает
15—25 °C при низкой относительной влажности (менее 30—40 %).
Территориальное распределение относительной влажности за-
висит преимущественно от степени континентальности климата;
максимальные ее значения приходятся на зимний период. Годовая
амплитуда колебаний в континентальных районах достигает 35—
40 %.
Максимальная относительная влажность наблюдается в утрен-
ние часы, минимальная — после полудня. Суточная амплитуда ко-
лебаний относительной влажности здесь велика в течение всего
года: зимой — около 30 %, летом — около 50 %.
Значения средней месячной относительной влажности воздуха
в районах с сухим тропическим климатом в различное время суток
приведены в табл. 2.3, а значения температуры и относительной
влажности воздуха по сезонам года — в табл. 2.4.
38
Таблица 2.3
Средняя месячная относительная влажность воздуха в различное время суток
в районах с сухим тропическим климатом
Время суток Относительная влажность (в % ) по месяцам года
I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII । Год
Гат (Ливия)
7 ч 30 мин 40 I3’ И| 18 13 9! 151 181 191 1 и 49 I25
13 ч 30 мин |>0 ’I з ‘1 н • 5| 9| 211 | 27 I19
Каир (Египет)
8 ч | 69 | 64 | 63 | 55 | 50 | 55 | 65 | 68 | 68 | 68 | 68 | 70 | 64
14 ч | 40 | 33 | 27 | 21 | 18 | 20 | 24 | 28 | 31 | 31 | 38 | 41 | 29
Для района наиболее характерна температура выше 25 °C при
относительной влажности воздуха 30 %.
Районами умеренного климата являются большая часть террп
тории Северной Америки между параллелями 30 и 60°, Европа,
южные районы азиатской части СССР, северо-восточные районы
Китая, южные оконечности Африки, Австралии и Южной Америки.
В соответствии с рекомендацией СЭВ по стандартизации
PC 1238—68 вся территория зарубежной Европы является районом
с умеренным климатом, однако вследствие значительной протяжен-
ности с севера на юг и с запада на восток, а также из-за крупных
горных систем климатические условия в разных ее зонах различ-
ны.
В основном климат зарубежной Европы мягкий морской; с про-
движением в глубь суши появляются черты континентальности,
особенно в восточной ее части. Южная часть Европы расположена
в субтропической зоне.
Температура воздуха определяется многими факторами: гео-
графическим положением, циркуляционными процессами и орогра-
фией и особенно переносом океанических масс воздуха с запада
в течение большой части года. Отепляющее влияние Атлантическо-
го океана особенно заметно зимой: распределение средней мясечной
температуры в зимний период носит меридиональный характер.
Нулевая изотерма января, проходящая вдоль берегов Норвегии
к восточным границам Франции, делит зарубежную Европу на две
части: западную— теплую, без устойчивого зимнего морозного пе-
риода и восточную — сравнительно холодную, с устойчивыми зим-
ними морозами и со средней температурой января ниже 0 °C.
39
о Та б л и ц а 2.4
Распределение температуры и относительной влажности воздуха в районах с сухим тропическим климатом
Параметр Месяц года Сред- нее зна- чение Макси- маль- ное зна- чение Вероятность Мини- мальное значе- ние
0,05 0.10 0.20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Температура воздуха, С
средняя I 22,8 27.8 25,4 24,4 24, 2 .7 23,3 23,0 22,8 22,3 21,9 21,2 20,4 18,2
IV 31,2 35,3 33,7 32,7 32,1 31,8 31,4 31,2 30,9 30.5 29,9 29,3 28,3 26,8
VII 31,4 35,6 34,0 33,0 32,5 31,6 31,4 31,2 30,9 30,2 29,7 28,7 27,1
X 31,7 35,9 34,3 33,3 32»8 32,4 31,9 31,7 31,5 31,2 30,5 30,0 29,0 27.4
максимальная I 32,2 36.2 34,7 33 8 3.2 32,8 32,4 32 1 31,8 31,5 31,0 30,3 29,3 27,7
IV 40,6 43,9 42,9 12 1 41,5 41.1 40,7 40,3 40,1 39.8 39,3 38,6 37,5 36,1
VII 36,3 41,8 40,7 38,8 38,4 38,1 37,5 37,0 36,3 35,2 33,8
X 40,0 43,4 42,4 40,9 40,6 40,2 39,8 39,5 39,2 38,7 38,0 36.9 35,5
минимальная I 15,0 20,4 17,5 1( 7 16,2 15,8 15,5 15,2 14,8 14,5 14,0 1 55 12,6 10,0
IV 22,2 27.0 24,8 23,4 22,9 22,6 22,3 22,0 21,7 21,1 20 5 19,6 17.4
VII 25,0 29,6 27,6 26,7 26,1 25,6 25,3 25,0 21,7 24,4 24,0 23,2 22,3 20,3
X 23,9 28,5 26,4 25 25,0 24.5 24,3 23,9 23.7 23,4 22,8 22.2 21,2 19,1
абсолютный мак- 47.8 46,7 46,5 46.2 45,8 45,6 45,3 45,1 44,9 44,7 44,3 44,0 43,9
симум
Относительная I 20 38 32 30 24 22 20 18 17 15 12 10 5
влажность (день), % IV 7 22 15 12 10 9 8 7 6 5 5 3 2 1
VII 25 83 52 45 37 32 30 27 25 22 20 15 10 4
X 18 41 28 25 22 20 18 17 16 15 14 12 10 6
Зак. 26 с
Средняя месячная температура воздуха в районах с умеренным климатом, °C
Таблица 2.5
Метеорологическая станция Сред- нее значе- ние Макси- маль- ное зна- чение Вероятность Мини- маль- ное зна- чение
0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Январь
Эстерсунд* -8,7 -0,4 -1.1 -2.5 —6.8 -7.9 -8,4 —9,0 —10,2 -11,0 -11,5 — 12^) —13.2 —15,3
Варшава -2,9 2,6 1.8 1.2 -0,2 -1.2 -1,8 -2.6 —3,7 —1,7 5 5 —6.7 -7,5 —13,0
Берлин 0,0 5.0 4 0 3,3 2,5 1.6 1,0 0,4 —0,1 -2Л -3,2 -5 8 —9,6
Прага -1 7 3,4 1.7 09 0,1 —0,6 4.2 — 1,5 -2.0 -2.9 -4,5 -6,5 —8,3 -9.1
Париж 3,3 7,8 70 t).2 5,3 4.6 3,6 3,0 2.2 1,0 0,0 -0,9 —2,4
Лиссабон 10,7 14,0 12,0 12,1 11,9 11.2 10.9 А п р 10,6 ель 10,3 10,0 9.8 9,4 8,7 8.3
Эстерсунд 1.2 4,5 2.9 2.2 1.7 1.4 1.0 0,7 0.3 —0,2 —0,8 -1.3 -1,9
Варшава 7,7 13,6 11,3 10,0 9.1 8,5 8.0 7.6 7.0 6.4 6.0 55 5.0 2.9
Берлин 8,7 12.4 11,9 11.4 10,4 9,8 9.2 8,7 8.2 7,5 70 6.2 5.9 5.4
Прага 9,4 12,9 12,6 12,0 11.2 10.6 10,0 9,4 8.8 8.1 7,3 6.6 6,2 6,1 6, •
Париж 10,0 13,2 12,6 12.1 11,3 10.7 10.4 9,9 9.5 9.1 8,6 8,2 7.8
Лиссабон 14,7 18.0 17,2 16,5 15,6 15,3 15,1 И ю 14,8 л ь 14,4 14.0 13.5 12,8 12,6 12.1
Эстерсунд 13,6 16,3 16,1 15,9 14.7 14,2 13.7 13,4 13,1 12,9 12,5 11,9 11,6 11,4
Варшава 18,8 21,4 20,9 20,5 20,1 19,5 19,0 18,8 18,6 18,3 17.8 16,9 16.3 15.9
Берлин 19,0 21,1 20,7 20,5 20,1 19.8 19,5 19,2 18,8 18,4 17,9 17,3 16.9 16.1
Прага 19,1 21,2 20,8 20,5 20,4 20,2 19.8 19,3 18,9 18,5 17,8 17.1 16,6 16.4
Париж 18,6 21,7 21,4 20,9 20,2 19.8 18,8 18.2 18,0 17.8 17,3 16,7 16,1 15,2
Лиссабон 21,5 24,2 23,4 22,7 22,3 22,1 21,9 Сент 21.7 я б р ь 21,4 21,0 20,7 20,4 19,7 18.4
Эстерсунд 3,7 7,9 7,2 5,8 5,5 5,0 4,5 3,9 3,6 2,8 1,5 0,4 0,1 0,0
Варшава 8,2 13,0 11,2 10,5 9,9 9,3 8,6 8,1 7.6 7,2 6.9 5.7 5,1 4,9
Берлин 9,5 13,3 11,8 п,з 10.6 10,4 9,8 9.5 9,3 8,8 7,9 7,3 6.7 5,8
Прага 9.4 12,0 11,7 11.2 10,3 9,9 9,6 9.3 9,0 8,4 8,1 8,0 8,0 8,0
Париж 10,8 14,0 12,9 12,4 11.9 11,6 11,3 11,0 10,8 Ю.З 9,8 9.0 8.2 6,8
Лиссабон ~ * Здесь и далее —город 17,6 в Швс1 20,3 хии. 19,6 19,1 18,6 18,2 18,0 17,7 17,2 16,7 16,5 16,2 15,8 15,3
Летом влияние Атлантического океана ослабевает, и распреде-
ление средних температур носит широтный характер. По многолет-
ним наблюдениям средняя температура июля составляет 10 °C на
севере Норвегии и 20—25 °C на юге Испании, Италии, Греции
(табл. 2.5).
Изменение средней месячной температуры в отдельные годы
в теплый период показано в табл. 2.6.
Таблица 2.6
Среднеквадратичное отклонение средней месячной температуры воздуха
Метеорологическая станция 3, °C
Январь Апрель Июль Октябрь
Варшава 3,1 1,8 1.4 1.6
Берлин 2,9 1,8 1,2 1.5
Прага 3,3 2,2 1.4 1.3
Париж 2,3 1.5 1.7 1,4
Лиссабон 1,0 1.3 0,9 1.2
Зимой месячная температура непостоянна. В центральной ча-
сти Европы средняя температура января в отдельные годы дости-
гает 4—5 °C, а в холодные зимы —10 °C. Среднеквадратичное
отклонение месячной зимней температуры в северных районах
Скандинавии и Польши составляет 3—4 °C. Только в субтропиче-
ских районах (Испания, Португалия, Италия) среднеквадратич-
ное отклонение среднеянварской температуры незначительно и
близко к среднеиюльскому (табл. 2.7). На севере в зимний период
ночью температура понижается обычно до —12 °C, в суровые зи-
мы до —30 °C, а днем повышается до —3 °C, иногда до 10 °C. Ве-
роятность плюсовой температуры в январе составляет 20—25 %.
В Восточной Европе суточные январские амплитуды колебаний
температуры составляют в среднем 6—8 °C, в прибрежных райо-
нах Атлантики они уменьшаются до 2—3 °C, а в районах с субтро-
пическим климатом составляют 5—7 °C.
В летний период суточные амплитуды колебаний почти повсе-
местно возрастают до 10—12 °C.
Годовые амплитуды колебаний температуры в зарубежной
Европе значительны: 70—90 °C. В северных внутренних областях
Норвегии, Финляндии, Швеции температура опускается до —47 °C,
а в Португалии, Испании в июльские дни воздух прогревается до
48 °C (табл. 2.8).
Влажные воздушные массы с Атлантического океана обуслов-
ливают высокую относительную влажность воздуха на всей терри-
тории зарубежной Европы, за исключением областей с субтропи-
ческим климатом.
В течение года максимум относительной влажности приходит-
ся на зимний период, минимум на апрель—июль (табл. 2,9).
42
Таблица 2.7
Средняя месячная максимальная (над чертой) и минимальная (под чертой)
температура в районах с умеренным климатом, °C
Метеорологическая станция Сред- нее зна- чение Макси- маль- ное зна- чение Вероятность Минималь- ное значе- ние
0,05 0,10 0.20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Эстерсунд —4.8 10,3 6,6 4,0 1,0 —1,0 Я н в -2,2 а р ь -3,7 -5,4 —7,4 -10,0 13,6 -16,2 -22,0
-10,6 4,6 1,9 -0,1 -2.9 -5,1 —7,2 -9,3 —11.4 —13.7 -17,0 -21.4 -24,4 -30,0
Варшава 1.3 8,9 5.8 4.8 3,4 2.3 1.6 0,8 —0,3 -2.0 -5,6 -7,8 -12,1 —15,0
-6.5 5,0 2.2 1,3 0.0 -1.0 -2,2 —3,8 —6,0 -8 8 -12,5 -16,8 -19,6 —27,2
Берлин 1.7 11.9 9,3 8,2 6,8 5,4 4,1 2.8 1.4 —0,2 -2,1 -5.1 —7,5 —10,5
-3,2 6,5 4,8 3,8 2,6 1.6 0,5 -1.0 -3,0 -5,4 —8,2 —11,2 -13.3 -14,0
Прага 0,1 9,6 7,8 6.4 4,0 2,8 2,1 1,3 0.2 —1.4 -3.7 -6,6 —8,4 —12.4
—5,8 3.8 2.3 1,1 —0.4 -1,5 -2,5 -3,6 —5,3 —7.7 -10.9 -14,3 -16,4 —21,3
Париж 6,6 14,1 12,5 11,6 10,4 9,4 8,3 7,1 6,0 4.3 2.1 0.0 -1.6 -4,1
0,5 10,4 8.2 6,6 4.9 3.6 2,5 1.4 0,4 —0.6 -2.5 -5,6 —8,0 -11.4
Лиссабон 14,9 19,3 18.0 17,6 17,0 16,5 16,1 15,7 15,2 14,7 14,0 12,5 11,5 7,6
8,5 15,0 14,0 13,1 11,6 10,4 9,6 9,0 8,1 7,3 6,4 5.2 4.5 1.6
Эстерсунд 4,4 13,8 10,6 9,0 7,2 6,1 А п 5,3 р е л 4,5 ь 3.8 3,0 2,0 0,8 -0,1 -2.7
-2.7 3.2 2,0 1,2 0,4 -0,4 -1.0 -1.4 -2,1 -3,0 —4,2 6.1 -7,9 -16,5
Варшава 13.5 27.8 24,9 22,7 19,1 16,6 14.7 13,3 12.1 10,8 9,0 7,0 5,5 1,4
4,6 14,0 12,0 11,0 8,9 7.3 6,0 4,7 3.6 2,4 1.3 0.0 -1.0 —4.7
Берлин 15,1 29,1 24,8 22,6 19,7 18,0 16,6 15,2 13,7 12,3 10,9 9,4 8.4 4.6
5,5 13,9 12,0 11,0 9,5 8,1 6,9 5,8 4,7 3,0 2,5 1.3 0,0 —2,0
6
Продолжение табл. 2.7
Метеорологическая станция Сред- нее зна- чение М1КСИ- маль- ное зна- чение Вероятность Минималь- ное значе- ние
0.05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 | 0,00 0,70 0,80 0,90 0,95
Прага 14,9 29,7 26,0 23,3 19,6 18,0 16,5 15,0 13,4 11,9 10,3 8,6 7.6 1.6
3,8 12,3 10,9 9,8 8,0 6,5 5,2 4.1 3.1 2,0 0,9 -0,4 -1.5 -5,3
Пя пиж 15,3 28,6 24,4 22,6 20,0 17,6 16,0 15,0 14,0 13,0 11,8 10,2 9,5 5.8
4,4 12,7 10,0 9,0 7,4 6,0 5,1 4,4 36 2,8 1.7 0,6 -0.2 -2,7
Лиссабон 9,1 27,5 24,7 23,4 21,3 20,7 19,8 19,0 185 18,0 17.4 16,6 15,8 11,7
11,0 16,9 14.0 13,6 13,0 12,4 12,0 11,6 11.1 10,7 10.1 9,9 7,9 6,0
И ЮЛЬ
Эстерсунд 19,7 29,9 28.0 26,2 23,6 22,2 20,9 19,6 18,5 17,4 16,4 15.2 143 12.6
10,7 17,4 162 15,3 13,8 12,6 П.7 10,9 10 2 9.5 8,3 6,8 6.0 4,6
Варшава 23,0 36,1 31,4 29,8 27,6 25,9 24,5 23,2 21,9 20.5 19,0 17.4 164 14,9
13,1 21,5 18,7 17,6 16,1 15,1 14,4 13,6 12,8 11,9 11,0 9,8 8.8 6,7
22,9 37,9 32,0 29,0 27,0 25,6 24,2 23,0 21,8 25,0 19,0 17,4 16,3 12,6
Берлин 14,1 225 19,0 18,0 16,9 16,0 15,1 14,4 13,7 13,1 12,3 н.з 10,5 7,6
Прага 22,5 33,1 30,9 28,9 26,8 25,3 23,9 22,6 21,3 20,0 18,0 17,4 16,3 11,9
11,6 18,0 16,6 15,8 14,7 13,8 12,9 12,0 11,2 10,5 9.7 8,6 7,6 5,3
22,7 31,8 28,7 27,4 25,6 24,4 23,4 22,5 21,9 21,3 20.7 19,7 18,5 15,0
Париж г 12.0 16,8 15,9 15,3 14,4 13,7 13,1 125 11,9 11.2 10.6 9,6 8.6 6,6
27,4 37,8 34,6 32,7 30,8 29,4 28,1 27,1 26,3 25,4 24,7 23,9 23,4 21,7
Лиссабон 17,0 26,5 21,4 20,0 18,3 17,6 17,4 17,0 16,6 16.3 16.0 15,8 15,2 13,7
Продолжение табл. 2.7
Метеорологическая станция Сред- нее зна- чение Макси- маль- ное зна- чение Вероятность Минималь- ное значе- ние
0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Эстерсунд 6,0 15,3 12,9 11,8 10,0 8,7 О к 7,4 т я б р 6,6 ь 5,4 4,0 2,6 1.0 -0.4 -3,8
0,4 9,9 6,9 5,7 4.3 3.3 2,3 1.4 0.2 -1.0 -2,3 -4,1 —6,2 —13,2
Варшава 12,9 22,3 20.0 18,5 16,5 15,2 14,0 13,0 12.1 11,0 10,0 9.0 8.4 4,9
5,2 14,7 10,1 9,4 8,3 75 6,7 5.9 5,0 4.1 3,0 1.3 0,3 -3,2
Берлин 14.8 25,2 21,9 20,3 18,1 16.4 15,3 145 13,6 12.6 115 9.9 8,9 6,9
7.0 14,1 12,3 11,0 9.8 9.2 8,6 7.9 7,0 6,0 4.8 3.0 2,0 -0,5
Прага 13,7 23,4 21,4 20,1 182 16,6 15,1 13,8 12.8 11,6 10,4 8,7 7,7 5,3
4,2 12,4 П.1 100 “8,з 7,0 5.8 48 3,8 2,6 1.0 -1.0 -2,3 -3,9
Париж 14,6 26.5 21,0 19,7 180 16,9 15,8 14,8 14,0 13,0 12,0 10,7 9.4 6.3
6,0 14,2 12,6 И.5 9,9 8,3 7,0 5,8 4,8 4.0 3,4 2,3 1.1 -1.9
Лиссабон 222 31,1 28,6 26,8 246 23,7 23,0 22,4 21,8 21.1 20,3 19,1 18,2 15,6
14,8 19,0 18,1 17,4 16,6 16,1 15,7 15,4 15,0 14,4 13.8 13,0 11.7 8,0
Таблица 2.8
Абсолютные максимум (над чертой) и минимум (под чертой) температуры воздуха в районах с умеренным климатом, °C
Метеорологическая станция Сред- нее зна- чение Макси- маль- ное зна- чение Вероятность Минималь- ное значе- ние
0,05 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0,95
Эстерсунд Прага Лиссабон СЛ 27,4 31,6 31,3 30,5 29,4 28,9 282 27,1 26,5 26,2 25,7 25,0 23,8 22,2
-29,7 33,6 -24,3 37,8 -24,5 37.4 -26,0 36.4 -27,5 35,2 -28,2 34,6 -28,8 34,0 -29,7 33,6 -31,0 33,1 -31,7 32,6 -32,1 32,0 -32,5 31,2 -33,5 30,3 -36,8 29,9
-16,5 36.8 —9,5 40,3 -10,2 39,9 -11,3 39,5 -12,5 38,4 -13,4 37,5 -14,3 37,0 —15,8 36,6 -17,4 36.2 -19,1 35.7 -20,9 35,5 -22,8 34 8 -25,0 33,4 —27,8 329
1.7 | 4,3 4,2 3,5 3.2 3,0 2,4 1.5 1.0 1 0,6 0.3 -02’ -0,6 -1.2
Относительная влажность воздуха утром (над чертой)
Метеорологическая станция Месяц Среднее значение Максималь- мое значение В е р о я т
0.05 0,10 0,30 0.S0
Хельсинки 89 100 99 97 95 94
1 "87" Too "98 97 "95"
83 100 100 100 97 94
IV 64 100 98 95 87 77
VII 75 100 96 93 89 85
57 96 Т<9 ”8? 75 "5Г
91 100 100 99 97 96
X 76 99 97 95 91 “8Т
Варшава 86 100 98 96 94 91
1 80 100 97 95 92 89
80 100 100 97 93 90
"5б" 96 “92 87 77 ”б7~
VII 78 100 95 93 89 86
53 “95 84 78 69 62
V 91 100 100 ИМ) 99 98
А 68 99 97 “92 "85 78
Прага | 86 100 97 95 92 90
78 96 93 90 86 84
83 99 96 94 92 90
~5Г 97 90 84 73 66
VII 81 99 94 92 89 87
"58" 90 85 80 "73" 66
93 100 99 98 97 96
X 68 97 “92 “89 *77"
Лиссабон 87 100 100 99 98 97
I 71 100 98 “95 88 82“
71 99 95 89 82 79
57 100 95 83 70 63
VII 65 94 85 81 74 70
49 "83 68 64 57 “53"
х 79 100 99 97 94 90
61 97 91 85 ~ТГ 71
46
Таблица 2.9
и днем (под чертой) в районах с умеренным климатом. %_______________
ность Мннималь- мое эддче- ние
3,40 0,50 0,60 0,70 0,80 1 0.90 0,95
92 91 90 88 84 80 73 53
91“ *89" 87 8.5 80 72 65 49
91 68 86 60 81 зг 75 48 68 44 62 "зГ 56 48 27
81 63 77 58" 73 53 68 47 62 40 .55 "35" 50 32 41 28
91 93 91 88 84 79 75 63
82 ~тГ 72 67 60 53 48 39
89 87 85 83 81 74 69 60
85" "81" 77 74 69 64 58 49
86 82 78 73 68 61 54 43
59 *53* 48 43 "39" 34 3! 22
82 57 80 53 77 48 74 44 70 *39* 63 34 58 "29* 42 21
96 73 94 68 92 65 90 60 85 54 76 43 36 46 26
88 87 85 83 81 76 72 66
**81“ *79“ 77 74 70 65 58 41
88 60 86 56 83 52 79 47 74 43 68 37 62 32 53 24
84 81 79 77 74 70 67 59
61 56 53 50 46 43 40 31
95 94 93 92 89 83 78 63
71 “67“ 63 60 58 54 50 36
94 91 88 84 79 69 60 41
76 *7Г 66 61 57 50 43 31
75 72 68 64 60 53 48 41
59 *57* 54 50 45 37 32 26
67 65 62 60 54 53 48 31
50 *48* 46 44 42 37 32 20
85 66 81 61 77 56 73 51 68 45 59 "37" 53 33 43 26
47
Относительная влажность повышается в утренние часы и умень-
шается днем. Ее суточная амплитуда в сухой период достигает
20—35 %, в зимнее время в прибрежных районах доходит до 8 %.
Изменение относительной влажности воздуха в холодный ге-
риод года на всей территории, за исключением субтропических
районов, невелико (8—9 %). В теплое время года отклонение от
средних значений достигает 15 %, а в субтропических районах в
любой сезон составляет 12—15 % (табл. 2.10).
Таблица 2.10
Среднее значение, среднеквадратичное отклонение а и коэффициент вариации Г
относительной влажности воздуха для районов с умеренным климатом
Метеорологическая станция Месяц Утро День
Среднее значение, % а, % Г Среднее значение, % ». % V
I 89 8 0,08 87 11 0,1с
IV 83 14 0,16 64 20 0,31
Хельсинки VII 75 14 0,18 57 18 0,31
t X 91 8 0,08 76 15 0,20
1 86 9 0,10 80 12 0,15
IV 80 14 0,17 56 19 0,34
Варшава VII 78 11 0,14 53 17 0,32
X 91 10 0,10 68 18 0,26
I 87 13 0,15 71 12 0,26
IV 71 15 0,20 57 20 0,35
Лиссабон VII 65 12 0,19 49 12 0,22
X 79 14 0,16 61 17 0,26
1 86 8 0,08 78 10 0,13
IV 83 11 0,13 57 18 0,31
Прага VII 81 8 0,10 58 14 0,20
X 93 6 0,06 68 13 0,20
Антарктида, Арктика, северо-западные области США и Кана-
ды, большая часть Сибири и Дальнего Востока СССР являются
районами с холодным климатом.
Полюсом холода нашей планеты является Антарктида; на этом
материке никогда не наблюдалась положительная температура.
Например, абсолютный максимум температуры воздуха на стан-
ции «Восток» составляет —20,1 °C. Здесь же зарегистрирован абсо-
лютный минимум температуры воздуха земного шара (—88,3 °C).
Низкая температура сопровождается высокой относительной влаж-
ностью, мало меняющейся в течение года (табл. 2.11).
48
Таблица 2.11
Средние и экстремальные значения температуры и относительной влажности воздуха на станции «Восток»
Параметр Месяцы года Год
I I! Ш IV V VI VII VIII IX X XI XII
Температура воздуха, °C: средняя месячная -32,6 -44 -57,7 -64,7 —65,8 -65.2 -67,6 -68,3 —65,7 -56,7 -43,4 -32,6 -55,4
средний минимум —38.2 -49.9 —61,8 -67,9 -69,2 -69,2 -71,1 —72,0 -69,9 -63,2 —50,0 -38.3 -60,0
абсолютный минимум -48.3 —64.0 -75,0 -81,8 -82 0 -83,0 -82,8 -88,3 -85,9 -77,1 -633 -48,0 -88,3
средний максимум —28,0 —38,8 -53,5 -61,7 -62,4 —61,5 —63.8 —64.8 -61,4 -51,4 -383 -28,3 -51,0
абсолютный максимум —20,1 -24,3 —32,6 -39,7 -39,5 —36.1 -36.1 -34 9 -39,5 -37,0 -25 4 -20,9 -20 1
Относительная влажность, % 73 72 70 69 69 69 69 69 G9 72 73 73 71
Характеристика макроклиматических районов СССР. В соответ-
ствии с рекомендацией СЭВ по стандартизации PC 1238—68, тер-
ритория СССР относится к макроклиматическим районам холод-
ного и умеренного климата. В соответствии с ГОСТ 16350—80, тер-
ритория СССР .районирована по средней месячной температуре в
самый холодный (январь) и самый теплый (июль) месяцы года
с учетом относительной влажности воздуха в 13 ч в июле.
Для каждого района определены пункты — представительный и
с экстремальными условиями (табл. 2.12, 2.13).
Таблица 2.12
Стандартизованные пункты климатических районов
Макроклимати- ческий район Климатический район Пункты
представитель- ный с экстремаль- ными условиями
Холодный Очень холодный Якутск Оймякон
Холодный Улан-Удэ Тюмень Диксон
Уморенный Умеренно холодный Москва Архангельск, Мурманск
Умеренно холодный влаж- ный Владивосток Курильск
Умеренно теплый Одесса Минск, Баку
Умеренно теплый влажный Рига Калининград, Таллин
Теплый влажный Батуми (Сухуми) —
Жаркий сухой Ташкент Байрам-Али
Жаркий умеренно влажный Астара —
Очень жаркий сухой Ашхабад Термез
Более половины (~67 %) территории СССР относится к мак-
роклиматическому району с холодным климатом (холодный и
очень холодный). Для холодной зоны характерно большое число
дней в году с низкой температурой. Очень холодный район этой
зоны является полюсом холода северного полушария. В этом рай-
оне, занимающем около 28 % территории страны, среднеянварская
температура составляет —30...—50 °C, и до 100 дней в году на-
блюдается температура ниже —45 °C. Большую часть года (234
дня) средняя.суточная температура в очень холодном районе от-
рицательна, среднеиюльская температура в некоторых местах со-
ставляет всего 2 °C (табл. 2.14).
50
Таблица 2.13
Климатическое районирование территории СССР
Макроклиматиче- ский район Климатический район Доля террито- рии, % Средняя месячная температура воздуха. °C Число дней в году с температурой воздуха ниже -45 °C Средняя отно- сительная влаж- ность воздуха в июле в 13 ч, %
Январь Июль
Холодный Очень холодный 27, 78 —50. . .—30е От 2 до 18 10. ..100 —
Холодный 39, 57 —30. . .—15* От 2 до 25 0,1...10 —
Умеренный Умеренно холодный 11, 41 —15.. .-8 От 8 до 25 0,1 <80*
Умеренно влажный 1,51 —15...—10 От 10 до 20 Нет >80*
Умеренно теплый 9,88 —8. . .4* От 16 до 25 > <70*
Умеренно теплый влажный 0,16 —5.. .—3* От 16 до 18 > >70*
Теплый влажный 0,07 4...6 От 22 до 23 » >70*
Жаркий сухой 7,93 —15...2 От 25 до 30* 20. . .40*
Очень жаркий сухой 1,6 —4.. .2 От 30 до 32* » 15...25*
Горы выше 2 000 м Средняя Азия 2,33 —20. . .0 От 0 до 25 » 40
Кавказ 1,00 — 12...4 От 0 до 25 » 40
Примечания: 1. Звездочкой отмечены значения параметров, определяющие климат района.
2. Число дней с температурой воздуха ниже —45 °C, равное 0,1, означает, что такая температура наблюдается один
раз в 10 лет.
Таблица 2.14
Средняя суточная температура климатических районов
Климатический район Число дней в году со средней суточной температурой. °C
ниже —50 -49,9 . . . -40 -39,9 . . . -30 -29,9 . . . -20 -19,9 . .. -10 -9,9 ... 0 0,1 ... 10 10,1 ... 20 20,1 ... 30 30,1 ... 40
Очень холодный 13 32 46 51 45 47 71 52 8 —
Холодный — 1 12 40 64 73 82 77 16 < 0,5
Умеренно холодный — <0,5 1 11 43 90 92 90 37 1
Умеренно холодный влажный — — — 1 33 97 108 109 17 —
Умеренно теплый — — — 1 12 59 108 114 71 0,5
Умеренно теплый влаж- ный — -• — 1 16 82 127 122 17 —
Теплый влажный — — — — — 3 108 153 101 —
Жаркий сухой — — — <0,5 6 38 98 91 115 17
Жаркий умеренно влажный — — — — — 5 126 118 116 —
Очень жаркий сухой — — — <0,5 2 22 96 97 115 33
В целом по СССР* 4 9 18 32 45 63 84 77 31 2
* В этой строке цифры приводятся с учетом площади каждого района.
Годовые экстремальные значения температуры в различных пунктах СССР
Таблица 2.15
Климатический район Температура воздуха, °C Абсолютный максимум температуры поверхности почвы, °C
Абсолют- ный минимум Минимум при вероятности Абсо- лютный макси- мум Максимум при вероятности
0,05 0,1 0,25 0,5 0,05 0,1 0,25 0,5
В представительных пунктах
Очень холодный -64 -61 -60 -59 -57 38 37 36 35 34 58
Холодный -52 -48 -47 -45 -43 40 39 38 37 35 60
Умеренно холодный -44 - 40 -38 —35 -32 37 36 35 34 32 57
Умеренно холодный влажный -31 -29 -28 —27 -25 37 35 34 33 31 56
Умеренно теплый -30 -26 -24 -21 -18 38 37 36 35 34 69
Умеренно теплый влажный —35 -31 -28 -24 -21 36 33 32 31 30 56
Теплый влажный -15 —11 — 10 —8 5 39 37 37 35 34 64
Жаркий сухой —30 -28 -25 -23 — 19 45 44 43 42 41 72
Жаркий умеренно влажный -13 -10 -8 -6 -5 36 34 33 32 31 70
Очень жаркий сухой -26 -22 —20 —17 -14 47 46 46 45 44 78
В пунктах с экстремальными условиями
Оймякон (очень холодный) -71 -68 -67 -66 -64 ?3 33 33 32 31 50
Диксон (холодный) -54 -48 —46 -44 -42 27 25 24 22 19 34
Байрам-Али (жаркий сухой) -26 -24 -22 —19 -16 46 45 45 44 43 76
Термез (очень жаркий сухой) -25 -22 -21 -17 —13 50 50 49 47 45 79
Батуми (теплый влажный) —8 -6 -5 -5 —4 40 35 33 33 32 64
Примечание. При вероятности 0,05 и 0,1 соответствующие значения годовых максимумов (равных и выше) и ми-
нимумов (равных и ниже) возможны в среднем один раз в 20 и 10 лет соответственно.
8
Суточная амплитуда колебаний температуры составляет от 7
до 13 °C (максимальное ее значение 30 °C).
В очень холодном районе зарегистрирован абсолютный мини-
мум температуры северного полушария —71 °C. Экстремальные
значения температуры приведены в табл. 2.15.
Относительная влажность воздуха по сезонам колеблется от
70—80 % в зимний период до 55—70 % в летний; суточная ампли-
туда колебаний относительной влажности зимой невелика (5—
8 %), летом увеличивается до 15 % (табл. 2.16).
V Таблица 2.16
Относительная влажность воздуха климатических районов
Климатически А район Относительная влажность. % Число дней при относи- тельной влажности н 13 ч, %
средняя суточная средняя в 13 ч
1 VII За год I VII За год > 80 < 30
Очень холодный 73 59 67 72 44 57 29 44
Холодный 75 65 66 70 50 53 24 55
Умеренно холодный 85 69 76 83 54 67 120 12
Умеренно холодный влажный 64 92 73 58 85 64 108 21
Умеренно теплый 87 66 77 84 59 71 132 2
Умеренно теплый влаж- ный 85 76 80 83 63 70 134 4
Теплый влажный 72 78 75 66 70 68 68 7
Жаркий сухой 73 40 58 62 24 42 36 163
Жаркий умеренно влажный 82 70 81 79 63 75 143 8
Очень жаркий сухой 76 32 54 65 21 40 33 206
Средняя месячная температура почвы в зимнее время мало от-
личается от средней температуры воздуха, а в летние месяцы она
на 3—7 °C выше температуры воздуха. Суточная амплитуда коле-
баний температуры почвы в зимний период около 10 °C, а в летний
28—30 °C. Абсолютный максимум температуры почвы 50 °C; он
выше абсолютного максимума температуры воздуха на 17 °C
(табл. 2.17).
Макроклиматический район с умеренным климатом занимает
почти 23 % территории Советского Союза. Для этого района харак-
терны зима с умеренными морозами и умеренно теплое лето. Сред-
няя температура января колеблется от 4 °C (в южных и западных
районах) до —15 °C в северных и восточных районах. Средняя
июльская температура изменяется в пределах района от 8 до 25 °C.
54
Таблица 2.17
Температура поверхности почвы в различных климатических районах, °C
Значение По месяцам Год
I П II! IV V VI VII VIII IX X XI XII
Среднее максимальное -2 -3 На й 2 сс а р 12 (Эс1 29 Г О и и я 37 [, пес 39 чана 34 я по 24 ч в а) 11 3 —1 15
Абсолютный максимум 5 9 16 38 46 54 57 52 43 28 12 8 57
Среднее минимальное —8 —9 -8 —3 3 9 13 12 8 3 —1 -5 1
Абсолютный минимум -32 -34 -29 -20 —6 -2 5 4 —4 -11 -16 -26 -34
Среднее максимальное Наре -7 »-Ф о м -5 и н с к 1 (Мос 13 К О В С 1 24 кая ( 33 )б л а с 35 : т ь, с ] 30 у-г л и н 21 । и с т а 10 я по 1 ч в а) -5 13
Абсолютный максимум 3 6 18 40 44 52 55 51 39 29 14 7 55
Среднее минимальное -17 -17 -13 —4 3 7 10 9 4 — 1 -6 -12 з
Абсолютный минимум -56 -48 -42 -29 —9 -6 0 —3 -7 -22 —37 —44 -56
Среднее максимальное О й М Я К 0 и (Я к 0 у т СК 15 а я А С 29 :ср, < 32 с у г л и 30 инет 16 а я п о ч в а)
Абсолютный максимум —. — 5 15 39 45 50 46 37 18 — — 50
Среднее минимальное -54 -51 -44 -30 -9 1 4 1 -29 -23 —42 -51 -25
Абсолютный минимум -70 -72 —65 -58 -32 -11 -9 —15 -52 -62 -67 -72
Среднее 1 1 5 ’епет 12 е к ( 21 Турк 30 м е и и 36 я, П ( 38 :счан 35 а я п 27 о ч в а} 17 1 8 3 19
Среднее максимальное 12 19 28 44 57 64 65 62 54 41 25 14 41
Абсолютный максимум 33 41 52 63 74 76 77 73 69 59 45 31 77
Среднее минимальное 5 -3 2 9 14 17 19 17 10 3 — 2 —4 6
Абсолютный минимум -28 —26 -17 -7 -2 4 8 4 —2 -11 -25 -28 -28
S
В зимний период преобладает среднесуточная температура от
О до —10 °C, в теплый —от 0 до 20 °C. Сильные морозы бывают
нечасто и держатся непродолжительное время. Абсолютный мини-
мум температуры в представительных пунктах колеблется от —30
до —44 °C.
Абсолютный максимум температуры невысокий (от 36 до 38 °C).
Поверхность почвы выхолаживается зимой до —60 °C, а летом
прогревается до 69 °C.
Для данного района характерна высокая относительная влаж-
ность воздуха: третью часть года даже в дневные часы она боль-
ше 80 %. Годовая амплитуда колебаний влажности составляет
10—15 %, суточная в летний период —до 20 %.
Для теплого влажного района, занимающего 0,07 % террито-
рии СССР, характерны теплая зима (средняя температура января
от —4 до —6 °C) и умеренно жаркое влажное лето (средняя тем-
пература от 22 до 23 °C). Число дней в году с отрицательной сред-
несуточной температурой в среднем около 3.
Абсолютный минимум температуры воздуха в этом районе до-
стигает — 15 °C, а максимум 40 °C. Поверхность почвы в летний
период может прогреваться до 64 °C. Для района характерна высо-
кая влажность воздуха (>70 %), несколько большая летом, чем
зимой. Годовая и суточная амплитуды колебаний относительной
влажности воздуха незначительны, редко превышают 10—15 %.
Жаркий район занимает около 10 % территории Советского
Союза, его климат аналогичен сухому тропическому: высокая тем-
пература при низкой относительной влажности воздуха, а также
большие колебания суточной амплитуды температуры.
Средняя июльская температура от 25 до 32 °C при относитель-
ной влажности на большей части территории района 32—40 %,
понижающейся в дневное время до 10—15 %.
Средняя месячная температура января даже в самых жарких
районах может иметь отрицательные значения (от 4 до —15 °C).
Число дней со средней суточной температурой ниже нуля от 5 до
44; до 33 дней в году средняя суточная температура держится вы-
ше 30 °C.
Преобладающая суточная амплитуда колебаний температуры
от 10 до 20 °C, годовая амплитуда колебаний рав.на 80 °C (абсо-
лютный минимум достигает —30 °C, абсолютный максимум 50 °C).
Поверхность почвы в особенно жаркие дни нагревается до 70—
75 °C (абсолютный максимум 79 °C). Средние месячные значения
относительной влажности превышают 70 %. Годовая амплитуда
колебаний относительной влажности достигает 45 %, суточная —
30 %.
56
2.3. снежный покров
Зимой эффективность применения ВГМ зависит от наличия
снега (табл. 2.18).
Таблица 2.18
Факторы и их показатели, которые необходимо учитывать при эксплуатации
танков в зимних условиях
Факторы Показатели
Снежный покров Перенос снега Скрытые препятствия Высота; неравномерность слоя; плот- .11».11.. температура И структура снега Частота и продолжительность метелен; обзя’м снега, переносимого за год; число дней с осадками Вид; плотность распределения; раз- меры
Ежегодно в течение нескольких месяцев холодного периода
снег покрывает большую часть территории Азии, Европы, Север-
ной Америки, а в высокогорных районах он сохраняется кругло-
годично. Средняя высота снежного покрова в северном полушарии
возрастает с юга на север. На юге СССР, в центральной Европе
и на севере США снежный покров наблюдается 1—2 месяца в го-
ду и его высота не превышает 20—30 см. В самых северных райо-
нах СССР, в Скандинавии, в Канаде, на Аляске и островах поляр-
ного бассейна снег лежит более полугода, высота снежного покро-
ва в ряде мест достигает 1,0—1,5 м и более. На островах Северного
Ледовитого океана наблюдаются вечные снега. В атласе СССР
(1969 г.) имеется карта высоты снежного покрова в различных гео-
графических районах. Неравномерность высоты снежного покрова
для любого снегонакопления описывается гамма-распределением:
где /($//: плотность вероятности определенной высоты снега Е//(» долях
средней высоты за знму) при заданном времени снегонакопления £. (в далях
холодного периода); V — коэффициент вариации высоты снега к концу периода
максимального запаса снега : Г (pyj — гамма-функция.
После интегрального преобразования этой зависимости с фик-
сированием переменной t = 5* получим
и
57
Плотность снежнего покрова
Октябрь Ноябрь Декабрь Январь
чгскяя'станция 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 з
Печенга <0.5 <0.5 0.13 0,16 0,17 0.18 0.19 0.21 0,21 0.21 0,23 0,23
Струги Красные — — <0.5 <0.5 <0.5 <1 > 0,17 0 20 0,20 0,20 0.20 0.21
Минск — — <0.5 0.5 • .0.5 <0.5 <0.5 095 0.21 0,23 0,26 0.26
Овруч — — <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0,5 <0,5 0,21 0,23 0,26
Чугуев — — — <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0,5 <о/> <0.5 <05 <0.5
Кубинка — О,.. <0,5 < 0.5 0.5 0.18 0.20 0,20 0,19 0Л21 0.22 0,23
Волгоград — — — — <0.5 <0.5 <0.5 <0.5 <0,5 <0,28 0,31 0,27
Тонкое — <0.5 <0.5 -0.5 <0.5 — — 0.26 0,26 0.27 0,27 0,28
Юрга — — <0.5 0.16 0.1« 0.20 0,23 0.23 023 0,22 0,23 0,24
Чебаркуль — — <0.5 0 15 0.18 0,18 0,18 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20
Елань <0.5 <0,5 <0.5 <0,5 0,18 0,19 0,18 0,19 0,20 0,20 0,22 0,22
Чита <0.5 <0.5 <0,5 <0,5 <0.5 0.5 0,13 0,13 0,12 0.14 0,14 0,15
что позволяет построить номограмму для определения вероятности
различных значений высоты снежного покрова (рис. 2.1). В ле-
вом нижнем_квадранте приведена гистограмма распределения сред-
ней высоты Н снежного покрова в районе по данным многолетних
наблюдений, в нравом нижнем квадранте зависимость Н — Н11г
в правом верхнем квадранте — функции распределения высоты
Рис. 2.1. Номограмма для определения вероятности высоты снежного покрова
Таблица 2.19
в последний день декады, г/см3
Февраль Март Апрель Май Среднее значе-
1 2 3 1 2 3 1 3 1 2 3 малиной декад- ной высоте
0,23 0,25 0,25 0,27 0,28 0.28 0.29 0,31 0,33 0,33 0.5 <0,5 0,23
0.22 0,23 0,23 0,24 0,26 0.29 <0,5 <05 — — — — 0.23
0,27 0,28 0,28 0,31 0.31 <0.5 <0.5 <0.5 — — — — 0.25
0.24 0,26 0,25 0,31 <0.5 <0.5 — — — — — — 0,22
0,22 0,23 0,25 0,28 <0.5 <0.5 — — — — — — 0.21
0.24 0.25 0,25 0.26 0.27 0,32 <0.5 <0.5 — — — — 0.25
0,26 0,31 0,29 0,32 <0,5 <0,5 <0.5 — — — — — 0.28
0.28 0,30 0,30 0,31 0,31 0,33 <0.5 <0.5 — — — — 028
0,24 0,23 0,25 0.25 0,27 0,28 <0.5 <0.5 — — — — 0,25
0,20 0,22 0,22 0,23 0,23 0.27 0,27 <0,5 — — — — 0,19
0,22 0.22 0,23 0,24 0 24 0,27 0,30 <0,5 <0.5 — — — 0,23
0,16 0,15 0,16 0,16 — — - — — - - -
снежного покрова для отдельных фиксированных значений отно
стельного времени снегонакопления. Необходимая для построения
номограммы информация (распределение средней многолетней вы-
соты снега и коэффициент вариации V) берется из метеорологи-
ческих справочников. Номограмма позволяет прогнозировать па-
раметры движения ВГМ в условиях вероятных зим, моделировать
условия движения, выбирать места использования машин.
В метеорологических справочниках имеются также данные о
снегонакоплении, являющиеся результатом наблюдений представи-
тельных сетевых метеостанций (рис. 2.2), а также другие сведения,
например, о плотности снега (табл. 2.19).
При полевом обследовании участка местности измерение вы-
соты снега в контрольных точках проводится с помощью щупа-вы-
сотомера. В этих же точках определяются плотность снега и его
температура. Плотность снега определяется посредством отбора
проб в мерные стаканы и их взвешивания. Объем мерного стакана
должен быть нс менее 2000 см3. При высоком снежном покрове
в одной контрольной точке отбирается 2—3 пробы снега на разной
59
глубине, с тем чтобы иметь возможность определить среднюю по
высоте плотность. Температура снега измеряется стандартным тер-
мометром в течение 5—10 мин. Структурное состояние снежного
покрова определяется визуаль-
но в соответствии с хорошо за-
рекомендовавшей себя на
практике классификацией
Г. Д. Рихтера.
Перемещение снега начина-
ется при скорости ветра более
5 м/с. Сначала (при скорости
ветра до 8 м/с) перенос снега
происходит в пограничных с
поверхностью слоях воздуха.
Более сильный и порывистый
ветер поднимает снег на десят-
ки метров. Следствием этого
являются неравномерное рас-
пределение снега на отдельных
Рис. 2.2. Изменение высоты снежно-
го покрова по месяцам в течение го-
да в различных районах:
/ — Печенга; 2 — Тоцкое; 3 — Минск;
4 — Чита; 5 — Оловянная
участках местности, а также занос трасс. Показателями, харак-
теризующими перенос снега, являются частота и продолжитель-
ность метелей (табл. 2.20, 2.21), число дней с осадками, а также
объем переносимого за* год снега в расчете на единицу длины.
По сложности содержания дорог (борьбе со снегом) террито-
рия СССР дифференцируется по категориям (табл. 2.22).
Из числа естественных скрытых зимой препятствий, способст-
вующих возникновению аварийных ситуаций и поломок, следует
выделить валуны, карстовые воронки, обрывы.
Распространение на территории СССР карстов, т. е. природных
трещин (промоин, воронок), образовавшихся в результате вымы-
вания известковых пород и солей, а также выходов кристалличе-
ских пород, представляющих собой зимой скрытые препятствия,
не имеет какой-либо четкой закономерности. Эта категория потен-
циальных препятствий встречается во многих почвенных зонах
страны, занимая в каждом случае ограниченные площади с той
или иной степенью заснеженности.
60
Таблица 2.20
Распределение числа дней с метелью
Метеорологическая станция Число дней с метелью по месяцам В течение года
IX X XI XII I П III IV V VI
среднее si ж I среднее 5 = is среднее । о X X ж ж среднее и is среднее О X X о л х я я ж ж среднее у среднее • о X X х £ я я Ж Ж среднее г! среднее и среднее н И среднее 5 = и
Печенга 0,1 — 2 — 5 — 9 — 11 — 9 — 8 — 4 — 1 — 0,2 — 49 —
Струги Красные — —- 0.2 3 1 6 4 10 7 14 6 13 5 10 0.8 5 — — — — 24 38
Минск — — 0,3 2 1 5 3 9 4 11 5 12 3 9 0,2 2 — — — — 16 35
Овруч — — 0,07 1 2 7 3 9 4 10 5 11 3 9 0.4 3 —* — — — 17 34
Чугуев — — 0,04 1 2 10 4 13 6 12 7 14 4 9 0,4 3 — — — — 23 38
Кубинка — — 1 — 4 — 6 — 12 — 10 — 11 - 1 — — — — — 45 —
Волгоград — — 0,4 1 2 8 4 12 8 17 9 21 4 10 0,4 3 — — — — 28 56
Тоцкое — — 0,8 — 4 — 11 12 — 11 - 9 — 1 — — — — — 49 —
Чебаркуль о,1 — 2 — 6 — 8 — 6 - 6 — 7 — 1 — 0,2 — — — 36 —
Елань — — 1 6 6 14 8 17 7 14 6 14 8 17 1 5 0,04 1 — — 37 61
Юрга — — 2 10 9 19 11 20 9 17 8 18 7 16 2 7 0,3 3 — — 48 77
Чита — — 0,6 1 0.6 4 0,3 2 0.1 1 0,1 — 0.7 2 0,7 1 — — — — 3 11
Оловянная — — 0,5 5 0,6 4 0.6 4 0,7 5 0,6 3 1 7 0,9 5 0,2 — — — 5 35
Т аблнца 2.21
Распределение средней продолжительности метелей
Станция Средняя продолжительность метелей (я) по месяцам 2 м S СП
IX х XI XII I II Ill IV V VI
Печенга 0.1 13 36 77 86 82 73 32 3 0,2 402 7,7
Струги Красные — 0,6 10 33 55 57 35 6 — — 1'17 7,0
Минск — 2 7 I9 28 31 19 0.7 — 107 6,7
Овруч — 1 9 2I 22 38 21 2 — — 114 6.3
Чугуев — 0,5 11 25 43 50 27 2 — — 159 6.9
Кубинка — 0,1 15 27 40 51 39 4 — — 176 7.5
Волгоград — 0,1 12 30 68 76 30 2 — — 218 7,8
Тонкое — 9 34 87 95 70 66 5 0,0b — 366 8,5
Юрга 0,2 9 81 П7 м 60 68 14 0.1 — 434 9,5
Чебаркуль — 7 28 39 43 37 39 8 0,7 — 202 6,1
Елань — Н 26 42 34 34 36 8 0,8 — 189 7,0
Чита — 0,3 1 I 0,1 — 2 — - - 4 4,0
Таблица 2.22
Районирование территории СССР по снегоборьбе
Категория сложности Районы Характеристика
1 Молдавская ССР. Грузия, Азербай- джан, Узбекистан (кроме перевалов) Снегоборьба периодиче- ская; зима часто бесснежная
II Калининп>адская область, юг Кал мыцкой АССР, юго-запад Украины, западные области Белоруссии и Лит- вы, Киргизия, Таджикистан, Грузия, Армения, Азербайджан (кроме пере- падов, прибрежья морей), юг Казах- стана, юг Дальнего Востока Снегоборьба легкая; снеж- ный период 80—100 суток, метели со скоростью ветра 15—20 м/с, высота снежно- го покрова 15—20 см, пере- несенного снега до 25 м’/м
III Карелия, Эстония, Латвия, восточ- ные области Литвы и Белоруссии, по- крытые лесами области севера и сред- ней полосы РСФСР, Украина (кроме I и II), области средней полосы Ка- захстана Снежный период 100—160 дней, перенесенного снега до 75 м’/м
IV Открытая степная местность РСФСР (кроме I, II. Ill), Оренбургская об- ласть. Алтайский край, центральная часть Камчатской области. Горно- Алтайская автономная область, ле- сотундровая часть Чукотского нацио- нального округа, северные области Казахской ССР (кроме целинного края) Снегоборьба трудная, зи- мой сильные ветры и интен- сивные метели, снегоперенос до 150-300 м’/м
62
2.4. НЕКОТОРЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ
Атмосфера представляет собой среду, состоящую из смеси га-
зов и водяного пара со взвешенными частицами дыма, пыли, орга-
нических соединений и др. Нижние слои атмосферы состоят из
смеси азота (78 %), кислорода (2J %) и ряда других газов, на до-
лю которых приходится около I %. На оптические свойства ат-
мосферы влияют углекислый газ, озон и водяной пар.
Дальность видимости. Оптические свойства атмосферы опреде-
ляют возможность визуального наблюдения удаленных объектов
(поверхности движения, живой силы и техники противника), т. е.
их видимость. Видимость характеризуется степенью различимости
элементов объекта наблюдения или дальностью — расстоянием, на
котором объект может быть обнаружен.
Географический предел дальности видимости определяется ес-
тественной кривизной земной поверхности (видимый горизонт).
Под видимым горизонтом понимают кажущуюся линию (окружно-
сти), по которой небосвод соприкасается с земной поверхностью.
Дальность видимого горизонта для всех районов Земли примерно
одинакова и с учетом средней рефракции света определяется по
эмпирической формуле
/ = 3,83/Л,
где /—дальность видимого горизонта, км; Л — высота точки визирования, м.
Географический предел дальности видимости с учетом кривиз-
ны Земли, рефракции и высоты цели
/ = 3,83(/А] Ч-/ЛД,
где Ль Ла— высота точки наблюдения и цели соответственно.
Топографический предел дальности видимости ограничивается
рельефом местности в направлении визирования (холмы, впадины,
горы и др.), естественными масками (лес, кустарник и др.) и ис-
кусственными сооружениями (насыпи, шоссейные и железные до-
роги, отдельные строения, населенные пункты и др.).
Под физическим пределом дальности видимости понимается
расстояние, на котором объект может быть обнаружен, но за ко-
торым он уже неразличим. Этот предел зависит от излучательных
и отражательных свойств наземного фона и прозрачности атмо-
сферы.
Метеорологическая дальность видимости (МДВ)—это услов-
ное выражение прозрачности атмосферы через расстояние, на ко-
тором под воздействием атмосферной дымки теряется видимость
черного тела, имеющего на этом расстоянии угловые размеры
не менее 0,3° и проектирующегося на фоне неба (дымки) у гори-
зонта.
63
Значение МДВ определяется по формуле Кошмидера, которая
устанавливает однозначную зависимость между дальностью види-
мости черного тела и показателем ослабления а, воздушной
среды:
При контрастной чувствительности человеческого глаза е=0,02
(обычно принимается при определении МДВ)
/, = —|п50= —.
«в “в
Распространение волн в атмосфере зависит от концентрации
газов и частиц, составляющих атмосферу. Состояние атмосферы
Рис. 2.3. Распределение вероятности естественной освещенности центральной
европейской части СССР днем (а) и ночью (б)
64
зависит от метеоусловий, особенно в нижних слоях, где содержа-
ние водяных паров, газов и твердых частиц непрерывно изменяет-
ся. Эти изменения являются функцией времени (суток и года), по-
годных условий, а также географического положения пункта на
земной поверхности.
В частности, в зависимости от сезона года изменяются число
солнечных и пасмурных дней, продолжительность светлого и тем-
ного времени суток, среднее значение естественной освещенности
и ее распределение (рис. 2.3), вид и продолжительность метеояв-
лений (дымка, туман, дождь, снег), вид и отражающие свойства
почвенного покрова и др. Влияние погоды на распределение ве-
роятности МДВ показано на рис. 2.4.
2,1
1,5
1,0
0,5
О
гн
W,«Hl
0,0»
0,06
0,04
0,02
О
0.1 0,5 12 5 10 201„,кн 0,1 0,5 1 2 5 201„,ян
В г
Рис. 2.4. Дифференциальное и интегральное распределение МДВ при различных
метеорологических условиях:
а —летняя дымка; б туман (---------день. - ночь); « — снегопад; г — дождь (гроза);
I — функция распределения Р; 1 ~ плотность вероятности W
Для упрощения анализа используются модели атмосферы, со-
ответствующие некоторым средним условиям. Теоретические ис-
следования на основе таких моделей подкрепляются экспернмен
тальными данными, непрерывно накапливаемыми в результате из-
мерения пропускания атмосферы в различных участках спектра
при разных метеоусловиях.
Следует отметить, что МДВ характеризует прозрачность ат-
мосферы только в оптическом (видимом) диапазоне спектра элек-
тромагнитных воли. В других диапазонах (инфракрасном, тепло-
вом, радиоволновом) прозрачность атмосферы характеризуется
коэффициентами пропускания, поглощения и рассеяния энергии
излучения. В настоящее время данные о прозрачности атмосферы
5 Зак. 26 с
65
в различных участках спектра для основных компонент табулиро-
ваны и приведены в литературе. Имеются также поправочные таб-
лицы, учитывающие температуру
и влажность воздуха, а также
высоту над уровнем моря (с
Рис. 2.5. Зависимость поправочного
коэффициента прозрачности атмо-
сферы К от высоты Л над уровнем
моря
Характеристики ослабления лу
пускание атмосферы). Затухание
высотой давление уменьшается
и прозрачность атмосферы уве-
личивается). Изменение проз-
рачности атмосферы в зависи-
мости от высоты учитывается
поправочным коэффициентом
К (рис. 2.5). Пользуясь попра-
вочными таблицами и зная кон-
кретные метеоусловия и гео-
графическое расположение
пункта, можно с достаточной
для практической цели точно-
стью определить реальную про-
зрачность атмосферы.
чевого потока в атмосфере (про-
монохроматической волны в по-
глощающих и рассеивающих средах описывается экспоненциаль-
ным законом Бугера—Ламберта—Бера. Этот закон позволяет оп-
ределить спектральный коэффициент пропускания атмосферы при
заданных условиях:
О) “
- -<М I
где/— протяженность трассы, м; А. — длина волны излучения, мкм; а(А) — по-
казатель ослабления, представляющий собой сумму показателей поглощения и
рассеяния (показатели рассеяния и поглощения определяются молекулярными
и аэрозольными компонентами атмосферы).
Зависимость спектрального пропускания атмосферы от длины
волны видимого и инфракрасного участков спектра на горизон-
тальной трассе протяженностью /0= 1.85 км (1 морская миля) на
уровне моря при толщине слоя осажденной воды 17 мм (атмос-
фера при таких условиях принята в качестве стандартной между-
народным соглашением 1946 г.) показана на рис. 2.6.
Вводя поправочные коэффициенты, можно определить спект-
ральные коэффициенты пропускания атмосферы для конкретных
условий. В частности, влияние протяженности трассы наблюдения
66
учитывается следующим образом. Пусть для заданного спектраль-
ного интервала коэффициент пропускания стандартной атмосферы
равен (/0). Принимая атмосферу однородной, запишем закон
Бугера:
ф,<м = фл (Me-*'4',
где Ф0(М — монохроматический поток, вошедший в атмосферу на нулевой даль
ности; ФТ(х>— монохроматический поток, прошедший в атмосфере трассу протя-
женностью I.
Рис. 2.6. Зависимость спектрального коэффициента пропускания стандартной
атмосферы та(Х) от длины волны X
После несложных преобразований, учитывая, что тк=Фх(к)/Ф0(Х)
для произвольной дальности I получим
’a, (Z) = exp I - а (АХ,) /] = (/.))"'•.
Для расчета поглощения потока энергии водяным паром вве-
дено понятие водности, определяемое толщиной слоя осажденной
воды (в мм), в которую превращается весь содержащийся в атмос-
фере водяной пар. При изменении влажности воздуха водность
тоже изменяется, что учитывается при расчете пропускания атмо-
сферы с помощью поправочных коэффициентов (табл. 2.23). Если
предварительно была сделана поправка на дальность, то водность
шо «’о -г- = 17 ~ ,
«о »0
где ш0—толщина слоя осажденной воды для стандартной атмосферы, равная
17 мм.
5*
67
Таблица 2.23
Поправочные коэффициенты для расчета спектрального пропускания излучения
водяными парами в зависимости от водности атмосферы
X. мкм *0,9 *0.5 *i *а *5 *10 *>0 *50 *100 Ажю
0,5 1,194 1,179 1,164 1,141 1,097 1,049 0,979 0.846 0.705 0,527
1,0 1,131 1,120 1,110 1,095 1,065 1,032 0.986 0,893 0.794 0,659
1.5 1,047 1,044 1,041 1.035 1,024 1,012 0,995 0,960 0,921 0,867
2.0 1,212 1,196 1,179 1.155 1,106 1,053 0,978 0,834 0,683 0,496
2.5 3,404 3,185 2,951 2.623 2,023 1,438 0.815 0,242 0,019 0
3.0 32.92 28.04 23,0 16,71 7,666 2,500 0,333 0 0 0
3.5 1,160 1,149 1,136 1,117 1,08 1,04 0,982 0,869 0,750 0,593
4.0 1,033 1,031 1,028 1,025 1,014 1,007 0,997 0,966 0,934 0.903
4.5 1,523 1,482 1,438 1,377 1,256 1,124 0,946 0,636 0,374 0,148
5.0 4.944 4,556 4,135 3,562 2,534 1,607 0,742 0,096 0 0
5,5 479,0 261,0 110,0 35,0 0.001 0,001 0 0 0 0
6,0 58,0 3,0 0,002 0,001 0,001 0.001 0 0 0 0
6,5 49,0 2,0 0,002 0.001 0,001 0,001 0 0 0 0
7,0 569,0 245,0 60,0 40,0 0,002 0,001 0 0 0 0
7,5 47,35 43,70 38,19 29.10 12,90 3,300 0 0 0 0
8,0 2,270 2,236 2,181 2,073 1,782 1,383 0,837 0,183 0,014 0
8,5 1,608 1,595 1,573 1,528 1,401 1,214 0,909 0,383 0,091 0.005
9.0 1,315 1,309 1,298 1,277 1,215 1,119 0,948 0,580 0,255 0,049
9,5 1,254 1,249 1,242 1,224 1,175 0,098 0,958 0,638 0.323 0,083
10,0 1,23 1,266 1,218 1,202 1,159 1,089 0,962 0,663 0,356 0,102
10,5 1,224 1,220 1,212 1,198 1,155 1,087 0,962 0,667 0,362 0,107
11,0 1,232 1,227 1,220 1,204 1,160 1,090 0,962 0,662 0,354 0,101
П.5 1,265 1,260 1,251 1,234 1,183 1,102 0,956 0,626 0,306 0,075
12,0 1,243 1,238 1,231 1,214 1,168 1,095 0,960 0,650 0,337 0,091
12.5 1,257 1,252 1,243 1,227 1,176 1,098 0,957 0,633 0,318 0,079
13,0 1,319 1,312 1,302 1,279 1,218 1,119 0,950 0,578 0,253 0,048
13,5 1,351 1,385 1,371 1,344 1,261 1,145 0,937 0,515 0,190 0,026
Примечание. Индекс при К, означает водность, т. е. толщину слоя осаж
денной воды в мм.
68
Для требуемых условий водность
2,167-10* ,
ш =—77-/л,
где ft — относительная влажность воздуха, %; Г, — температура воздуха, К.
q — упругость насыщающих паров (Па), определяемая по табл. 2.24.
Таблица 2.24
Зависимость упругости насыщающих паров от температуры воздуха
гв. к мкПа гв, к 9, мкПа Гв, К д. мкПа
223 6,356 258 191,2 293 2337
228 11,11 263 286,3 298 3167
233 18,91 268 421,5 303 4243
238 31,39 273 610.8 308 5624
243 50,88 278 871,9 313 7377
248 80,70 283 1227 318 9585
253 125,4 288 1704 323 1234
Тогда поправка на изменение водности при определении спект-
ральных коэффициентов пропускания для заданных условий
о
Лучистый поток, проходя через атмосферу, не только поглоща-
ется, но и рассеивается. Если показатель поглощения может быть
рассчитан на основе известных физических законов, то показатель
рассеяния практически рассчитать невозможно, так как для этого
необходимо знать число, размеры, форму и состав аэрозольных
частиц.
Коэффициент рассеяния монохроматического потока рассчи-
тывается по эмпирической формуле
Хр = ^0,998~
где Тр, коэффициент рассеяния для стандартной атмосферы, зависящий от длины
волны А. н метеорологической дальности видимости /и (рис. 2.7).
Спектральный коэффициент пропускания реальной атмосферы
(с учетом протяженности трассы, водности, высоты над уровнем
моря и метеорологической дальности видимости)
«, л, /И) = [Ч (/„))'"• К.К^„
где А'л — поправка на высоту.
Затухание электромагнитных волн радиодиапазона в атмосфере
обусловлено также явлениями поглощения и рассеяния. Однако в
этом случае резонансные линии всех газов атмосферы за исклю-
чением кислорода и водяного пара расположены вне диапазона
радиоволн. Поглощение молекулами кислорода имеет максимумы
на Х=0,5 и А=0,25 см, а молекулы водяного пара дают максимум
69
поглощения на Х=1,35 см и в миллиметровом диапазоне, где по-
глощение является фактором, сильно ограничивающим дальность
действия радиолокационных систем (рис. 2.8). Из рис. 2.8 видно,
что поглощением энергии электро-
магнитных волн парами воды и кис-
лородом можно пренебречь на вол-
нах длиннее 10 см, что учитывается
при проектировании радиолокаци-
онных систем.
Рис. 2.7. Зависимость коэффициента
рассеяния для стандартной атмосфе-
ры тРо от длины волны X при различ-
ных значениях метеорологической
дальности видимости /и
Рис. 2.8. Зависимость показа-
теля ослабления электромаг-
нитных волн в атмосфере а от
длины волны X
Еще одной причиной, вызывающей потери энергии при распро-
странении радиоволн, является рассеяние дождевыми каплями.
Чем больше отношение радиуса капли к длине волны, тем больше
потери энергии. При известных диаметре капель и их числе в еди-
нице объема воздуха можно теоретически определить коэффициент
затухания волны (табл. 2.25, 2.26).
Таблица 2.25
Ослабление радиоволн различной длины дождем различной интенсивности при
______________________________температуре 18 °C_______________________________
Интенсив- ность дождя. Ослабление интенсивности радиоволн (дБ/км) длиной, си
ол 0.4 0.5 0,6 1.0 1.25 3.0 3,2 10
0,25 0.305 0,230 0,160 0,106 0,037 0.0215 0.00224 0,0019 0,0000997
1,25 1,15 0,929 0,720 0.549 0,228 0.136 0.0161 00117 0,000416
2.5 1.98 1,66 1,34 1.08 0.492 0,298 0,0388 0.0317 0.000785
12.5 6,72 6,04 5,36 4,72 2,73 1,77 0.285 0.238 0.00364
25,0 и.з 10,4 9,49 8.59 5,47 3,72 0 656 0,555 0,00728
50 19,2 17,9 16,6 15,3 10,7 7,67 Г.46 1,26 0,0149
100 33,3 31,1 29,0 27,0 20.0 15,3 3.24 2,80 0,0311
150 46,0 43,7 40,5 37,9 28,8 22.8 4.97 4.39 0,0481
70
Таблица 2.26
Поправочный коэффициент для расчета ослабления дождем радиоволн
при различной температуре
Интенсивность дожди, мм/ч Дим волны. см Поправочный коэффициент при температуре. С
0 10 18 30 40
0.5 0.85 0,95 1.0 1.02 0.99
0.25 125 0.05 1,00 1.0 0,90 0,81
3.2 1.21 1,10 1.0 0,79 0,55
10,0 2,01 1,40 1.0 0,70 0,59
0.5 0.87 0,95 1,0 1,03 1,01
2.5 125 0,85 0,99 1.0 0,92 0,80
3.2 0.82 1,01 1.0 0.82 0,64
10,0 2.02 1,40 1.0 0,70 0,59
0,5 0.90 0.96 1.0 1,02 1.0
12.5 1.25 0,83 0,96 1.0 0,93 0,81
3.2 0.64 0.88 1.0 0,90 0,70
10.0 2.03 1.40 1.0 0,70 0,59
0,5 0,94 0,98 1.0 0,01 1,00
50,0 1.25 0.84 0,95 1.0 0,95 0,83
3.2 0.62 0.87 1.0 0,99 0.81
Ю.О 2.01 1,40 1.0 0,70 0.58
0,5 0,96 0.98 1.0 1,01 1,00
100.0 1.25 0,86 0,96 1.0 0,97 0.87
32 0,66 0.88 1.0 1.03 0,89
Ю.О 2.00 1,40 1.0 0,70 0,58
Явление рефракции светового луча. Рефракция светового луча
в приземных слоях атмосферы проявляется в кажущемся смещении
наблюдаемых предметов, пропорциональном дальности наблюде-
ния. Причиной рефракции является оптическая неоднородность ат-
мосферы, изменение показателя преломления воздуха в слоях, че-
рез которые проходит луч света.
71
Обозначим через и п2 показатели преломления двух смежны*
слое® воздуха, через й и i2 углы падения и преломления луча, про-
ходящего из первого слоя во второй. Существующая между этими
величинами зависимость имеет вид:
sin й/sln i2 = я2/Л|.
Изменение направления луча при переходе из одного слоя ат-
мосферы в другой (угол рефракции)
0 = 12 - it .
Если показатели преломления* смежных слоев воздуха неогра-
ниченно сближаются, т. е. их разность становится бесконечно ма-
лой величиной dn, то угол i2 стремится к й, а их разность превра-
щается в бесконечно малую величину d0.
Обозначив = п и у--- = I,
запишем дифференциальную формулу преломления:
Отсюда следует, что изменение угла рефракции по абсолютному
значению пропорционально изменению показателя преломления и
имеет знак, противоположный этому изменению.
В нижних слоях атмосферы изменение показателя преломления
зависит ® основном от изменения температуры воздуха:
, п0 — 1 р ,.
dn ~~ “ (1 + <//)’ ТоТз dt'
где / — температура воздуха, °C; р — атмосферное давление, ГПа; /ц —пока-
затель преломления воздуха при 0 42 и нормальном давлении; а —температур
ный коэффициент объемного расширения, равный для воздуха 1/273.
С понижением температуры воздуха его показатель преломле-
ния увеличивается и наоборот. В жаркие полуденные часы интен-
сивные вертикальные потоки воздуха, возникающие в определен-
ных условиях, вызывают периодические кратковременные измене-
ния показателя преломления в слоях воздуха и, как следствие, из-
менение кривой распространения луча света от предмета к наблю-
дателю в виде так называемого марева — быстрого беспорядочного
колебания изображения предмета. При определенных сочетаниях
факторов, влияющих на прохождение света в атмосфере, может
происходить полное внутреннее отражение луча, вызывающее яв-
ление миража, при этом наблюдатель в отдельные промежутки
времени видит одновременно два изображения предмета или пред-
мет, разорванный на две части.
* Ход луча света в приземных слоях атмосферы в дневные часы, когда
температура воздуха у земной поверхности максимальная (/i>/»>/»>... >/я),
а коэффициент преломления минимальный (л|<л1<л,< ... <лт), см. на
рис. 5.15.
72
Значение коэффициента рефракции k вычисляется по формуле
Брокса
4 = ^(3.42^),
где р — атмосферное давление, мбар (1 мбар = 10’ Па); Г — температура воз-
духа, К; dt/dh — вертикальный температурный градиент воздуха (°C или К на
100 м), т. е. изменение температуры воздуха по высоте в пересчете на каждые
100 м.
Главным фактором, влияющим на температурный градиент и,
следовательно, на коэффициент рефракции, является интенсивность
солнечной радиации, зависящая от высоты солнца над горизонтом
и прозрачности воздуха. Этим обусловливаются сезонные и суточ-
ные изменения температурного градиента, существенное различие
значений для одного и того же периода в пасмурную и солнечную
погоду, а также в местах, расположенных на различных географн
ческих широтах.
Максимум сезонных изменений температурного градиента при-
ходится на июнь (месяц летнего солнцестояния), минимум —на
декабрь (месяц зимнего солнцестояния).
В течение суток температурный градиент приземного слоя ат-
мосферы меняется не только по абсолютному значению, но и по
знаку. Днем лучистая энергия Солнца (за вычетом потерь на про-
хождение сквозь толщу атмосферы и отражение поверхностью Зем-
ли) поглощается почвой, нагревая ее порой до 60—80°С. Почва
отдает тепло ближайшему к ней слою атмосферы главным образом
за счет взаимного перемещения нагретых воздушных масс погра-
ничного слоя, поэтому температура воздуха, большая в слоях,
ближних к почве, уменьшается по мере удаления от поверхности
земли; при этом температурный градиент имеет отрицательное
значение. Максимум абсолютного значения градиента наступает
к 12—13 ч местного времени. Пользуясь принятой в нашей стране
системой отсчета времени, приближенно (с ошибкой, не превышаю-
щей 0,5 ч) местное время можно получить, если от поясного де-
кретного (сезонного) времени отнять 1 ч в период с 1 октября по
1 апреля и 2 ч в период с 1 апреля по I октября.
По мере снижения солнца поглощение лучистой энергии почвой
уменьшается. Когда солнце находится на высоте 10—15° над гори-
зонтом, поглощение прекращается и начинается обратный процесс:
воздух нижних слоев охлаждается быстрее, чем верхних, и уже
к моменту захода солнца температурный градиент переходит в об-
ласть положительных значений.
Ночью температура воздуха с увеличением высоты повышается.
Интенсивность прямой солнечной и суммарной радиации, как
уже упоминалось, существенно зависит от облачности, что, естест-
венно, сказывается и на распределении температуры по высоте в
6 Зак. 26 с
73
приземном слое атмосферы. Разность значений температурного
градиента в безоблачные дни и в облачные как в летнее, так и в
зимнее время (в слое до 2 м) может достигать нескольких десят-
ков градусов на 100 м.
Температурный градиент зависит и от свойств почвы (цвета,
структуры, влажности), рельефа местности, различного вида по-
крытий (травянистый покров, песок, чернозем), движения воздуш-
ной массы, содержания в воздухе влаги, пыли и других факторов.
Все эти факторы принимают случайные значения и случайно соче-
таются между собой, а следовательно, и сам температурный гра-
диент является величиной случайной и его количественной харак-
теристикой является среднее значение, определяемое из большого
количества реализаций, полученных экспериментально.
Существует несколько вариантов таблиц средней рефракции в
приземном слое атмосферы. Наиболее полными являются таблицы
средних значений температурного градиента, составленные
Н. К. Джонсоном и А. С. Брестом по результатам многолетних на-
блюдений на местности, покрытой низкорослой растительностью,
в Англии (Портон, 1=Г44' в. д.; <р=51°8' с. ш.) и опубликован-
ные Штейнхаузером в 1935 г.
К. Броке опубликовал в 1950 г. таблицы осредненных по меся-
цам значений коэффициента рефракции в слоях воздуха, располо-
женных на высоте от 0,1 до 3 м. Для двух месяцев (декабрь и
июнь) приведены данные раздельно при безоблачном небе и пас-
мурной погоде.
Рефракция в приземных слоях атмосферы, когда небо закрыто
облаками, невелика. В полуденные часы при пасмурной погоде в
летние месяцы коэффициент рефракции в 3—4 раза (а в осталь-
ное время суток и года в 8—10 раз) меньше, чем в безоблачную
погоду. Максимальный коэффициент рефракции в пасмурную по-
году (например, для слоя от 0,5 до 2 м) не превышает 1,1.
В различных по высоте слоях воздуха рефракция существенно
различна. В связи с этим для расчета видимого смещения точки
визирования необходимо знать, на какой высоте располагаются
нижняя и верхняя границы слоя воздуха, в котором проходит ли-
ния визирования. На плоских участках местности, когда между
наблюдателем и целью нет большого понижения (например, в го-
рах в случае расположения наблюдателя и объекта наблюдения
на склонах двух соседних гор, разделенных глубокой долиной),
положение такого слоя определяется высотой линии визирования
над поверхностью Земли.
74
Глава 3. ПОВЕРХНОСТЬ ДВИЖЕНИЯ
3.1. МАКРОПРОФИЛЬ (РЕЛЬЕФ) ЗЕМНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
Поверхность, по которой осуществляется движение машины,
представляет собой сочетание неровностей, различных по форме и
размерам. Форма неровностей определяет тип рельефа, характери-
зующийся определенной крутизной скатов (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Основные характеристики рельефа
Тип рельефа Параметры поверхности движения Форма рельефа
Абсолютная высота над уровнем моря, м Относительное превышение неко- торых точек над остальной поверх- ностью. м/км Преобла- дающая кру- тизна скатов, градус
Равнин- ный До 300 До 25 1-15 Слабопересеченная по- верхность: равнины, до- лины. редкие впадины, бугры, курганы, лощины
Холмис- тый До 500 25—200 2-5 Среднепересеч е и и а я поверхность: холмы, ов- раги, балки, вытянутые плоскне водораздельные пространства
Горный (низкие горы) 500-1000 200 - 500 5-10 Сильнопересеч е и п а я поверхность: холмы, соп- ки, овраги, ущелья, до- лины
Горный (средние горы) 1000 -2000 500-1000 10-25 Сильнопересеч е н н а я поверхность: горные ов- раги, террасы, сглажен- ные вершины без снега
Высоко- юрный 2000 1000 25 Вершины заснеженные, хребты, перевалы, кот- ловины, ущелья и др.
6*
75
Наиболее доступную крутизну скатов имеет равнинный
рельеф (рис. 3.1, а). На равнинах преобладают уклоны в 1—2°.
Для узких эрозионных форм рельефа (овраги, балки, долины рек)
76
характерны более крутые склоны (10—15°). Наибольшую крутиз-
ну скатов имеют овраги. На песчаных и супесчаных грунтах кру-
тизна незадернованных скатов оврагов достигает 28—32°, на су-
глинистых грунтах 35—37°, а в плотных глинах верховья оврагов
нередко образованы отвесными стенками высотой до 10 м и более.
Балки имеют более пологие скаты крутизной 10—12°.
Холмистый рельеф характеризуется разнообразным сочетанием
холмов (возвышенностей) с долинами, оврагами, балками, что при-
дает местности пересеченный характер (рис. 3.1, б).
Наибольшая крутизна скатов характерна для горного рельефа
(рис. 3.1, в). В низких горах преобладает крутизна скатов 5—15°,
в высоких она достигает 20—45°. Наиболее доступными для дви-
жения являются широкие долины рек, горные плато и дороги, ко-
торые нередко проходят по теснинам, террасам и косогорам, и име-
ют ступенчатый профиль с множеством крутых подъемов; продоль-
ный уклон достигает 20 % (12°).
Для получения статистических данных о крутизне скатов про-
изводят обследование районов местности, являющихся представп
тельными для различных типов рельефа. Методы получения необ-
ходимой информации могут быть различными. Прежде всего это
полевое обследование возможных маршрутов движения, включаю-
щее в себя инструментальную съемку и работу с топографически-
ми картами. К числу методов получения характеристик поверхно-
сти движения относят также «стенографию» трасс, использование
проектных материалов дорог, данные режимов движения машин.
По крупномасштабным топографическим картам можно по-
строить профиль (вертикальный разрез) местности, который при-
нято называть макропрофилем. Для этого нужно прочертить на
Рис. 3.2. Построение профиля местности
карте линию, соответствующую направлению наблюдения или дви-
жения ВГМ, и определить высоту горизонталей и точек перегибов
скатов вдоль этой линии (рис. 3.2). По максимальной разности
значений высоты выбирается вертикальный масштаб профиля. За-
77
тем на координатную сетку в выбранном масштабе проецируются
все горизонтали и перегибы. Полученные точки соединяют плавной
кривой. На полученный профиль переносятся все местные пред-
меты.
В общем случае количество, относительная высота неровно-
стей и местных предметов, их распределение на участке местно-
сти, а также высота точки наблюдения носят случайный характер.
Поэтому параметры поверхности движения могут быть описаны
только с использованием математической статистики. Такой подход
позволяет определить их средние значения и дисперсии и дает
возможность классифицировать местность.
Статистический материал набирается построением по топогра-
фической карте профилей участка местности в различных направ-
лениях из одной точки наблюдения. Затем выбираются другие
участки, соответствующие исследуемому типу рельефа, и построе-
ния повторяются. По полученным данным для каждого типа релье-
фа известными методами строится гистограмма и определяются
параметры поверхности.
Метод стереоскопической аэрофотосъемки имеет, ряд сущест-
венных преимуществ, к которым, в первую очередь, следует отнести
объективность, подробность и документальность данных. Кроме
Распределение крутизны скатов а
Частость скатов
рельефа
Равнин-
ный
Подмос-
ковье
Бело-
руссия
0,515
Холмистый
Горный
0.421
0,408 0.382
0.466 0,508
0,230 0,045
0.886 0,974
0,128 0,022
0,895 0.970
0,438 0,308
0.631 0.729
—3 "Г 7Н -6 6 -7 т —8 "Г —9 9
-
0,006 0,996 1,000 - - — - -
0.006 0,989 0.992 1,000 - — — —
0,234 0.800 0.215 0.848 0,180 0,868 0,113 0,925 0 093 0,939 0,086 0951 0,073 0,987
0.368 0,355 0,340 0.324 0,260 0.240 0.222
0,539 0,573 0,615 0,672 0,692
Примечания: 1. Отрицательное значение крутизны скатов — спуски,
положительное — подъемы.
2. В числителе — частость спусков, в знаменателе — подъемов.
78
того, аэрофотосъемка позволяет обследовать большие территории
в короткие сроки, получить достаточный объем информации и с
высокой точностью определить координаты местных предметов.
Объемное изображение местности осуществляется за счет стерео-
пары, т. е. двух снимков, полученных при одновременном фотогра-
фировании с разнесенных точек. Построение профиля местности
производится на стереокомпараторе по известным высоте и мас-
штабу съемки.
Съемка профиля местности при помощи геодезических инстру-
ментов хотя и достоверна, однако весьма трудоемка и длительна.
Поэтому она, как правило, производится выборочно, и статистика
в этом случае может оказаться непредставительной.
В период с 1972 по 1977 гг. изучались дорожно-грунтовые
условия движения машин на трассах 23 районов, расположенных
в различных почвенно-климатических зонах. Всего обследовано
1854 км трасс, в том числе инструментальным методом 854 км.
В процессе проведения полевых работ были сняты инструментально
и по крупномасштабным топографическим картам профили многих
трасс. На основе полученных данных рассчитана частость склонов
определенной крутизны в некоторых районах с различным релье-
фом (табл. 3.2).
Таблица 3.2
на рельефе различного типа
79
3.2. МИКРОПРОФИЛЬ ПОВЕРХНОСТИ ДВИЖЕНИЯ
Маршруты передвижения ВГМ прокладываются по дорогам н
бездорожью. Профиль наезженной дороги в общем случае отлича-
ется от профиля местности, по которой дорога проложена, так как
кроме элементов рельефа существуют еще и дорожные микроне-
ровности, формируемые движущимся транспортом.
Размеры формируемых транспортом неровностей и чередова-
ние их на пути движения зависят от класса машины (колесные, гу-
сеничные), ее категории по массе, скорости движения, деформируе-
мости грунта, дорожной ситуации и других причин.
Неровности, возникающие под воздействием колесных машин,
имеют вид углублений различного размера, случайно расположен-
ных по колеям, или по всему полотну дороги. Неровности, форми-
руемые гусеничными машинами, отличаются симметричным отно-
сительно оси дороги расположением. Каждой неровности одной ко-
леи часто отвечает достаточно сходная по геометрическим разме-
рам неровность на другой.
Образование неровностей на эксплуатируемых ВГМ трассах
обычно начинается с естественных углублений, появляющихся на
дороге в результате проседания грунта, пересечения дороги вре-
менными водотоками и др., а также в местах, расположенных пе-
ред дорожными препятствиями, вынуждающими водителя тормо-
зить машину, переходить на низшую передачу (например, перед
крутыми поворотами, закрытыми перекрестками, перед мостами,
гатями и др.).
На легко деформируемом грунте небольшая впадина быстро
увеличивается и через некоторое время достигает размеров, доста-
точных для сообщения корпусу движущейся машины значительных
продольных угловых и вертикальных колебаний. Эти колебания
продолжаются и после прохождения машиной сформировавшейся
неровности, в результате чего за ней на некотором расстоянии, за-
висящем от скорости движения и частоты собственных колебаний
машины, появляются новые выбоины, следующие одна за другой.
Образование дорожных неровностей и их изменение связано
с накоплением остаточной деформации грунта наряду с частичным
разрушением его структуры при многократном прохождении
машин.
По мнению некоторых исследователей, нарастание суммарной
деформации грунта находится в логарифмической зависимости от
числа приложений нагрузки. Такая зависимость удовлетворитель-
но описывает изменение глубины колеи при последовательных
проходах колеса по однородному рыхлому суглинистому грунту.
Однако она не полностью отражает закон изменения неровностей
под воздействием гусеничного движителя. Гусеничный движитель
сообщает грунту не только вертикальные нагрузки, но и горизон-
тальные, возникающие при буксовании. При одновременном воз-
действии вертикальных и горизонтальных нагрузок в грунте про-
80
Рис. 3.3. Изменение высоты неровно-
стей //ср в зависимости от числа за-
ездов .V ВГМ различной категории
по массе:
I — ВГМ легкой категории (песок рых
лый); 2 — ВГМ средней категории (песок
уплотненный); 3 ВГМ легкой категории
(песок уплотненный)
исходят явления, связанные с разрушением его поверхностного
слоя иногда на значительную глубину. В результате кроме верти-
кальной деформации грунта возникает так называемая осадка от
буксования, которая зависит от прочности грунта и определяется
рядом показателей, характеризующих его несущую способность.
Характеристики грунта (в том числе и его прочность) изменяются
в тех местах, где трасса многократно восстанавливается посредст-
вом засыпки образовавшихся неровностей. Такие трассы харак
терны для мест массовой учебной эксплуатации машин. На выров
пенной таким образом дороге чередуются отрезки с плотным грун-
том на месте бывших гребней и, наоборот, рыхлым на месте быв-
ших впадин.
Процесс формирования дорожных неровностей осложняется
еще и тем, что каждый след проходящей машины не точно совпа-
дает с предыдущим следом, в результате чего колея расширяется
и частично засыпается грунтом, падающим с ее краев. На слабых
грунтах, когда глубина колеи под гусеницами близка к клиренсу,
каждая машина прокладывает новый след, и так до тех пор, пока
не соединятся неровности пра-
вой и левой стороны, образо-
вав общую колею на всю про-
езжую часть.
Процесс образования неров-
ностей при повторных прохож-
дениях машины по грунтам
различной плотности иссле-
довался экспериментально
(рис. 3.3). Установлено, что
после одинакового числа (на-
пример, 50) прохождений ВГМ
легкой категории по массе вы-
сота неровностей на рыхлом
песке изменяется значительно
больше, чем на уплотненном.
Это различие растет с увеличе-
нием числа заездов. На трас-
сах, проложенных по однотип-
ным грунтам, формирование
неровностей происходит интен-
сивнее там, где эксплуатиру-
ются машины средней катего-
рии по массе. Скорость изме-
нения высоты неровностей на
начальной стадии их формирования значительно больше, чем на
последующих. После определенного числа проходов машины разме-
ры неровностей практически стабилизируются; это число зависит
от типа и состояния грунта, а также от массы машины. Длина нс-
81
ровностей при многократном прохождении машин существенно не
меняется.
Поскольку формирование неровностей зависит от многих при-
чин, большинство из которых носит случайный характер, форма,
размеры и чередование этих неровностей являются также случай-
ными. На этом основании профиль пути можно рассматривать как
реализацию случайного процесса. Основными размерами неров-
ностей являются длина L и высота Н. Неровности различной дли-
ны по-разному воздействуют на движущуюся машину. Неровности
длиной менее Lrain влияют на отдельные детали движителя, но не
вызывают колебаний машины в целом. Неровности длиной боль-
ше Lm„ не влияют на машину, но изменяют силу сопротивления
прямолинейному движению. Неровности длиной от £min до £mai
вызывают вынужденные продольные и поперечные угловые, а так
же вертикальные линейные колебания корпуса машины, которые
затрудняют работу экипажа и ухудшают функционирование спец-
оборудования.
В соответствии со сложившейся терминологией микропрофилем
называется совокупность дорожных неровностей длиной от Lm\n
ДО Lmax, которые являются основным источником механических
внешних воздействующих факторов.
Неровности длиной менее Lmln и больше Lmax здесь не рас-
сматриваются, поскольку первые определяют динамику высокоча-
стотных колебаний, а вторые относятся к макропрофилю поверх-
ности движения.
Минимальная и максимальная длина неровностей определяется
частотой колебаний ВГМ и скоростью их движения. В частности
для гусеничных машин, имеющих примерно равномерное распреде-
ление катков на опорной поверхности гусеницы и максимальную
скорость движения более 70 км/ч,
£т(п = 0,75£оп;
/-max — ®твх I2/2? «
где Lon — длина опорной поверхности машины, м; Отм—максимальная скорость
движения, м/с; — частота собственных угловых колебаний машины, Гц.
Примем длину опорной поверхности машины Lon = 4 м, часто-
ту собственных колебаний = 1 Гц и определим минимальную
длину неровностей микропрофиля дорог:
/шт — 0,75 -4 = 3 м .
Максимальная длина зависит от принятого значения макси-
мальной скорости. Для автомобильных дорог с твердым покрыти-
ем (ишах = 17,4 м/с) Lmax « 25 м, т. е. к микропрофилю дорог ОТ-
НОСЯТСЯ неровности длиной от 3 до 25 м.
Высота неровностей в зависимости от грунта и стадии форми-
рования микропрофиля может изменяться от 0 до //тах. Для не-
82
ровностей длиной 8—10 м //га1х принимается равной 100 см; норов
пости высотой более 100 см являются препятствиями.
При описании микропрофиля протяженных трасс, когда изме-
рить все неровности невозможно, целесообразно произвести типи-
зацию микропрофиля, позволяющую характеризовать однородные
участки обобщенными показателями.
Исследователи долговечности автомобилей предложили делить
условия движения на легкие, средние, тяжелые и очень тяжелые;
так, в частности, к тяжелым условиям относятся разбитые грунто-
вые дороги и разбитое булыжное шоссе. По нагрузочным режимам
предлагается дифференцировать дороги следующим образом:
улицы больших городов, пригородные шоссе, дороги с асфальто-
бетонным покрытием, грунтовые дороги в хорошем и в плохом со-
стоянии, пашня, рыхлый песок и др. Альтернативой является
классификация: дороги автомобильные переходного типа, неблаго-
устроенные в труднопроходимом состоянии, высокогорные. Понят-
но, что классификация условий движения, в которой микропрофиль
учитывается в совокупности с другими факторами, не может обес-
печить решение задач, требующих количественной характеристи-
ки встречающихся на пути неровностей. Целесообразно для этой
цели использовать среднюю квадратичную высоту ои, равную
квадратному корню из дисперсии ординат точек микропрофиля,
центрированных относительно среднего*. Все проселочные дороги
в зависимости от этого параметра делятся на три класса: к пер-
вому относятся дороги, у которых он 10 см, ко второму—доро-
га с 10 см <он< 20 см, к третьему — дороги с 20 см.
Используя опыт описания автомобильных дорог, исследователи
движения гусеничных машин ввели понятие ровность дороги. Ров-
ность дороги оценивается с помощью толчкомера, по показаниям
которого определяется коэффициент ровности, представляющий со-
бой отношение суммарной высоты неровностей на данном участке
дороги к его длине. По этому признаку было предложено делить
дороги на ровные и ухабистые, однако эта классификация не наш-
ла широкого применения.
По способу формирования неровностей можно разделить мик-
ропрофиль на автомобильный и танковый. При этом к автомобиль-
ному относится микропрофиль дорог с твердым покрытием, грей-
дерных и проселочных, а также накатанных колесным транспор-
том. К танковому относится микропрофиль трасс, проложенных по
полевым и лесным дорогам или по бездорожью. Третий тип до-
рог— это местность, по которой движутся танки в бою.
По геометрическим размерам неровностей микропрофиль до-
рог и танковых трасс целесообразно разделить на пять типов:
I — микропрофнль, характеризующийся мало заметными неров-
ностями высотой 2—5 см. Это микропрофиль твердого покрытия
* Подробнее об этом см. т. 1, гл. 7.
83
автомобильной дороги, а также трасс, проложенных по такырам
пустынь (кривая / на рис. 3.4);
II — микропрофиль с небольшими ухабами глубиной 5—10 см.
Этот микропрофиль характерен для дорог со щебенчатым, гравий-
ным покрытием, а также для улучшенных грунтовых дорог в хо-
рошем состоянии. Встречается на трассах, проложенных поравнн-
III — микропрофиль с неровностями длиной 6—12 м и средней
высотой 10—15 см. Такой микропрофиль имеют грунтовые дороги,
интенсивно эксплуатируемые автомобильным транспортом и эпи-
зодически используемые для маршей ВГМ. Этот тип микропрофи-
ля, как правило, формируется на связных грунтах (глинистых,
суглинистых, супесчаных), находящихся в твердой консистенции
(кривая /// на рис. 3.4);
IV —микропрпфиль с преобладанием неровностей длиной 6—
12 м и средней высотой 15—25 см. Такой микропрофиль присущ
специальным трассам, предназначенным для повседневной
эксплуатации ВГМ; он формируется на связных грунтах полутвер-
дой консистенции и песчаных уплотненных грунтах (кривая IV на
рис. 3.4);
V —микропрофиль разбитых участков танковых трасс, проло-
женных по легко деформируемым грунтам. В нем явно преобла-
дают неровности длиной 6—12 м и высотой 25—50 см, а в некото-
рых случаях и больше (кривая V на рис. 3.4). Такой микропрофиль
формируется на песчаных рыхлых грунтах и связных грунтах плас-
тичной консистенции, а также образуется и на более твердых
84
грунтах в результате многократного прохождения машины и под
влиянием других факторов, например, разрушения полотна дороги
пересекающими ее временными водотоками.
Для определения типа микропрофиля производят специальные
измерения поверхности трасс.
Существуют следующие методы измерения:
непосредственное измерение высоты точек маршрута с помощью
геодезических инструментов и простейших приспособлений;
косвенные, основанные на применении специальных устройств,
записывающих сигналы специальных датчиков непрерывно (в ана-
логовой форме) или дискретно (с определенным шагом).
Наибольшее распространение получил метод определения пре-
вышений точек с помощью нивелира и нивелирной рейки. Наибо-
лее удобными являются нивелиры с самоустанавливающейся ли-
нией визирования. Кроме нивелира и нивелирной рейки при из-
мерении необходимо иметь шнур длиной 25—30 м с узелками че-
рез 1 м.
Измеряют высоту неровностей через 1 м, чтобы при минималь-
ной длине ее (3 м) получить не менее трех экспериментальных то-
чек. Трасса разбивается на однородные по характеру микронеров-
ностей отрезки. Чтобы получить представление о типе микропро-
филя, необходимо промерить участок длиной не менее 300 м Уве
личенис длины участка до 500—1000 м (при неизменном типе
микропрофиля) повышает точность статистических характеристик
на 1—2 %.
Поскольку на трассе движения гусеничных машин высота не-
ровностей под правой и левой гусеницами может быть разной, из-
мерения следует вести раздельно по правой и левой колеям.
Порядок работы при измерениях по двум колеям следующий:
между колеями трассы (дороги) укладывают натянутый шнур
так, чтобы первый узел на нем совпал с началом измеряемого от-
резка;
выбирают место установки нивелира в створе или несколько
в стороне от трассы с таким расчетом, чтобы можно было сделать
отсчеты по рейке для возможно большего числа точек (начиная
с первой);
устанавливают рейку последовательно в первую, вторую,
третью и т. д. точки (при установке рейки слегка ударяют о грунт,
погружая нижнюю часть на глубину слоя пыли) и снимают отсче-
ты по рейке для каждой точки;
после снятия отсчета для последней точки переходят на левую
колею и в том же порядке снимают и записывают отсчеты для то-
чек левой колеи.
Переносят шнур по ходу движения и укладывают так, чтобы
его первый узел совпал с последней точкой предыдущей укладки,
и работу продолжают. Когда возможность определять отсчеты по
рейке будет исчерпана по причине понижения рельефа или боль-
85
шой дальности наблюдения, выбирают для нивелира новое место,
устанавливают его и продолжают измерения.
После перестановки прибора высота визирной линии, от кото-
рой отсчитываются превышения точек по нивелирной рейке, в об-
щем случае, изменится. Для приведения измерений на всех отрез-
ках в единую систему необходимо отсчеты, полученные после пере-
становки прибора, изменить на разность отсчетов по последней
точке предыдущего отрезка (она же первая точка последующего),
взятых с предыдущей и последующей точек наблюдения. Метод из-
мерения высоты точек маршрута с помощью нивелира и нивелир-
ной рейки обеспечивает высокую точность, и результаты измерения
могут быть заложены в ЭВМ без предварительной обработки.
Непосредственное измерение высоты точек маршрута может
быть выполнено и более простым способом: с помощью шнура и
линейки с сантиметровыми делениями. При этом шнур натягива-
ется над отрезком трассы и относительно него линейкой замеряет-
ся высота точек.
Недостатком обоих методов непосредственного измерения высо-
ты точек маршрута является малая производительность (150—
200 м/ч), что вызывает необходимость механизировать процесс по-
лучения информации о микропрофиле. Косвенные методы записи
микропрофиля реализуются с помощью разного рода профиломет-
ров и профилографов.
До недавнего времени такие приборы разрабатывались для
измерения неровностей автомобильных дорог; в них нс учитыва-
лись особенности танковых трасс, отличающихся большим диапа-
зоном изменения размеров неровностей, большей извилистостью,
худшей проходимостью для колесных машин и более тяжелыми
условиями работы установленной на них аппаратуры. Так, инер-
ционные профилометры (например, прибор, разработанный Мо-
сковским автодорожным институтом, и профилограф фирмы «Дже-
нерал Моторе») могут быть использованы только для обмера мик-
ропрофиля с узким спектром частот. На дорогах с большим коли-
чеством неровностей различной длины инерционная масса раска-
чивается и дает значительные искажения записи.
Профилографы по принципу действия можно разделить на две
группы: основанные на измерении высоты неровностей и измеряю-
щие углы наклона.
К первой группе относятся приспособление для непрерывного
измерения мнкропрофиля и установка Научно-исследовательско-
го автомоторного института (НАМИ). В приспособлении базой из-
мерения служит рама длиной 7 м, и уже поэтому его нельзя ис-
пользовать для измерения микропрофиля танковых трасс, на ко-
торых неровности могут иметь длину до 25 м. Установка НАМИ
имеет в качестве базы отсчета направляющие рейки длиной 25 м,
закрепленные на жесткой ферме, что не позволяет использовать ее
на извилистых танковых трассах из-за громоздкости сооружения.
86
Из зарубежных профилометров, основанных на измерении угла
наклона неровностей, практический интерес представляет прибор
Мичиганского университета (рис. 3.5). В рабочем положении он
крепится к гусеничной машине / посредством рычага 4 и качаю-
щегося шарнира 2, имеющего две степени свободы. Уклон отно-
сительно плоскости, фиксируемой гироскопом 3, определяется па-
рой колес 5, установленных тандемом. В качестве прибора для из-
мерения пройденного пути применяется импульсный счетчик 6.
Рис. 3.5. Схема прибора Мичиганского университета для измерения высоты не-
ровностей:
I — гусеничная машина; 2 качающийся шарнир; 3 — гироскоп; 4 — рычаг; S колесi;
6 — импульсный счетчик
Оригинальные приборы для измерения микропрофиля танковых
трасс разработаны в нашей стране. Верехой Ю. Н., Корнило-
вым А. Н., Харитоновым Ю. П., Лебедевым Е. А. предложено
устройство, получившее сокращенное название ПРУНН (прибор
регистрации угла наклона неровностей). Устройство представляет
собой короткобазную пластину (6=0,6 м) с установленным на
ней трехстепенным гироскопическим датчиком При измерении
микропрофиля устройство буксируется по трассе с постоянной
скоростью не более 12 км/ч. Измерение пройденного пути осуще-
ствляется с помощью контактного датчика, обеспечивающего дис-
кретную регистрацию числа оборотов ведущего колеса буксирую-
щего тягача.
Считывание угла наклона с осциллограммы производится с по-
мощью читающего автомата. Высоту точек определяют посредст-
вом интегрирования на ЭВМ уравнений вида
z— | sin © (/) dl,
где z— высота точки; <р(/) — угол наклона; I — пройденный путь; S — длина
маршрута.
С помощью ПРУНН механизируется процесс получения инфор-
мации о микропрофиле, но процесс ее обработки остается относи-
тельно сложным.
87
В другом методе снятия характеристик микропрофиля исполь-
зуется комплект аппаратуры (рис. 3.6). также созданный группой
сотрудников головного института отрасли. Комплект представляет
собой платформу многоопорной гусеничной машины, подрессорен-
ную балансирными подвесками и оборудованную датчиками, поз-
воляющими производить синхронное измерение хода катков и
пройденный путь.
Рис. 3.6. Схема системы для измерения профиля грунтовых дорог:
/ — платформа; 2 балансирные подвески; 3 — датчик для измерения хода катков;
4 — датчик горизонта гироскопического типа; 5 регистрирующий прибор; 6 автоматн
Ческий измерительный преобразователь; 7 источник питания; Я — интегратор; 9 датчик
для измерения пройденного пути
При прохождении через неровность платформа, представляющая
собой динамическую систему, колеблется. Датчики, связанные с ба-
лансирами и платформой, выдают сигналы в автоматический изме-
рительный преобразователь, который решает уравнение
АЛ, = /?/ + ZeKsIna,, + TCOSa,,) — (slnau + 7COSau)|,
где \ht — производная от высоты профили в i-й момент времени; у/—угол ко-
лебаний платформы в i-й момент времени; <Хц. ан — угловые перемещения ба-
лансиров. I, In—конструктивные размеры платформы (расстояние между осями
вращения балансиров, на которые установлены датчики измерения хода катков,
н длина балансиров соответственно).
Полученный сигнал в виде производной от высоты профиля до-
роги поступает в интегратор, который вычисляет высоту неровно-
стей; результаты вычислений записываются на ленту регистрирую-
щего прибора. Специальные датчики выдают сигналы о ходе смеж-
ных катков гусеничного движителя, которые на выходе преобра-
зуются в аналоговые.
Профилометры, основанные на измерении угла наклона профи-
ля, имеют высокую производительность как на прямолинейных,
так и на криволинейных участках трасс.
По результатам инструментальных измерений трасс могут быть
определены, в первую очередь, средние длина и высота неровно-
88
стен — параметры, по которым определяется тип мйкропрофилЯ.
Для этого по экспериментальным данным изготавливается про-
фильный чертеж (рис. 3.7); на нем выделяются экстремальные точ-
ки; определяется высота каждой неровности, ограниченной сосед-
ними максимумами (минимумами) по длине и расположенной меж
ду ними точкой минимума (максимума) по высоте; средняя высота
определяется как среднее арифметическое полученных результатов
(табл. 3.3).
Таблица 3.3
Геометрические размеры неровностей реализации, приведенной на рис. 3.7
Экстремаль ные миннмаль ные точки Длина £• м Высота Н. см Экстремаль ные максималь- ные точки Длина /.. м Высота //. см
1. 2, 3 5 -18 2, 3, 4 3 10
3. 4, 5 3 —11 4, 5. 6 5 15
5, 6, 7 4 -10 6, 7, 8 3 13
7, 8, 9 4 -22 8. 9. 10 3 13
9, 10. 11 3 -12 10, 11, 12 4 11
11, 12, 13 а -13
Lt, - 3,8 и; Нс, (по абсолютным значениям) — 13,5 см.
Неровности взятой для примера реализации можно охаракте-
ризовать иначе. Например, можно считать, что между точками
экстремумов, обозначенных на рис. 3.7 цифрами 1, 8 и 13, заклю-
чена неровность длиной 24 м и высотой порядка 30 см; точками /,
2, 5 ограничена неровность длиной 8 м; между точками 7, 8 и 13
расположена неровность длиной 12 м и т. д.
Очевидно, что для описания высоты неровностей по всему спек-
тру микропрофиля (от 3 до 25 м) надо исследовать все возможные
сочетания экстремальных точек.
sy
Заметим, что высота неровностей микропрофиля танковых
трасс, вычисленная по значениям ординат микропрофиля, мало от-
личается от средней высоты, определенной с помощью профиль-
ного чертежа. Опытным путем установлено, что такое отличие не
превышает 2—3 %.
По средним значениям высоты и длины неровностей определя-
ется интегральный статистический показатель (в см2/м), называе-
мый интенсивностью микропрофиля:
/4 “ £ср = 0,785 .
Значения /4 для различных типов мнкропрофиля приведены
в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Интенсивность мнкропрофиля и средняя высота неровностей для различных
типов мнкропрофиля
Длина неров- ностей. м Средняя длина неров- ностей. м 1 И III IV V
"ср- см см’/м "ср- см’/м "ср1 СМ см’/м "ср- см см’/м //„. ср см см’/м
3-5 3.8 2.1 0,9 5.0 4.9 5.0 4.9 5.6 6.1 10,8 22,9
3-7 4,6 2,3 0.8 В. 2 5.9 7.6 9.1 8,3 10,8 15.6 38.2
3-9 5.3 2.5 0,8 6.8 6.0 9.4 11,6 12.7 21.1 22,7 67,4
3-11 5,9 2,7 0,8 7.3 6,0 10,4 12.1 15,9 28.4 26,0 75,8
3-13 6,5 2,9 0,8 7.7 5,8 11.1 12.1 17,1 28,7 28,4 79,1
3-15 7.1 3.0 0,8 7,9 5.4 11.4 11.3 17,9 27,9 29,0 73,3
3-17 7.7 3,1 0,7 8.0 5.0 11,5 10.4 18,3 26.3 29,4 67,8
3-19 8.3 3,0 0,7 8.0 4.6 11.7 9.8 18,5 24,4 29.7 62,9
3—21 8,8 3.1 0,6 8,0 4.2 П.7 9,0 18,5 22.4 29,9 58.5
3—23 9.1 3.1 0,6 8.0 3.7 П.7 8.3 18,5 20,7 30,0 54,3
В качестве наиболее информативной статистической характери-
стики мнкропрофиля используется спектральная плотность, кото-
рую можно получить при обработке результатов его измерения на
ЭВМ.
Числовой массив исходной информации необходимо предвари-
тельно скорректировать: из экспериментальных данных исключать
ординаты протяженных (более 25 м) подъемов и спусков. Для вы-
полнения этой операции всю реализацию необходимо разбить на
участки длиной 25 м с постоянным трендом в виде подъемов и
спусков. В этом случае каждый такой участок представляется в
виде уравнения
У (*) — У + * (<$) + «у (5 - 5),
90
где у — среднее значение высоты неровностей .тля участка; г($) — откорректи
рованный процесс г “ 0; av — коэффициент, определяемый по уравнению (1.10).
Дальнейшая обработка ведется с определением корреляционной
функции для единичной скорости (u = 1 м/с) и быстрого преобра-
зования с использованием формул (1.13, 1.14) или производится
непосредственное быстрое преобразование самой реализации.
При необходимости объединения спектральных плотностей оди-
наковых участков (типов дорог) используется «вес» реализаций:
где п/ — число точек каждой реализации.
При раздельной обработке микропрофилей правой и левой ко-
леи представляют интерес такие характеристики, как взаимная
корреляционная функция и взаимная спектральная плотность,
позволяющие оценить степень статистической связи по форму-
ле (1.15).
При движении со скоростью о = 1 м/с частота со = 1/L.
На рис. 3.8, а представлены графики S«(L) для различных ти-
пов мнкропрофиля, показывающие характер распределения дис-
персии по частоте. Основная часть дисперсии профиля соотвстст-
Рнс. 3.8. Спектральная плотность мнкропрофиля различного типа (I—V) по аргу-
ментам L (а) и <» (б)
вует неровностям длиной от 3 до 16 м (75 % для второго типа и
90 % для четвертого и пятого). Мода спектральной плотности
8-11 м
91
Для получения спектральной плотности при любой другой ско-
рости достаточно изменить масштаб по осям абсцисс и ординат
так, чтобы соблюдались соотношения:
% = <№ и SA(<%) =-J-[•(!)]•
Например, на рис. 3.8, б спектральная плотность представлена в
двух масштабах — при v = 1 м/с и v = 10 м/с.
Если известна спектральная плотность дисперсии 5А(ш), то
(SAZ.) ^SA(w)w’.
Различные типы микропрофиля встречаются на трассе череду-
ющимися отрезками длиной от нескольких десятков метров до де-
сятков километров. Как показали исследования, чаще других встре-
чаются отрезки длиной более 500 м: они составляют около 65 %
реализаций. Отрезки длиной от 200 до 500 м составляют около
20 % реализаций; 13 % составляют отрезки длиной от 100 до 200 м
и менее 100 м. Короткие отрезки (20—30 м) встречаются редко,
как исключение (не превышают 2 %).
В мирное время ВГМ эксплуатируются на трассах танкодро-
мов, стрельбовых и пробеговых трассах.
Трассы танкодромов — это участки местности, оборудованные
для обучения экипажей вождению ВГМ. В процессе обучения во-
дители приобретают навыки вождения, учатся преодолевать пре-
пятствия, ограниченные проходы, водные преграды и др. Состояние
трасс танкодромов постоянно контролируется; трассы периодиче-
ски выравниваются и, несмотря на интенсивную эксплуатацию,
как правило, находятся в удовлетворительном состоянии.
Скорость движения машин на трассах танкодромов в большин-
стве случаев меньше предельно возможной.
Стрельбовые трассы полигонов также специально оборудуют-
ся, периодически выравниваются и по характеру микропрофиля
похожи на трассы танкодромов. Пробсговые трассы предназначе-
ны для совершения учебных маршей, перемещения ВГМ с мест
дислокации в учебные центры и районы тактических учений. Они
проходят по проселочным, полевым и лесным дорогам, а в некото-
рых случаях по бездорожью*. На пробеговых трассах ВГМ дви-
жутся, как правило, с максимальной скоростью. Подготовка пробе-
говых трасс ограничивается мерами обеспечения безопасности
движения; микропрофиль поверхности остается таким, каким он
сформировался.
Танкодромы и учебные поля выбираются на местности, харак-
терной для соответствующих театров военных действий, и могут
существенно отличаться между собой по природным условиям. Со-
стояние поверхности движения зависит от способности грунтов де-
формироваться под воздействием гусеничного движителя и клима-
тических условий, определяющих влажность грунта.
* Пробеговые трассы не следует отождествлять с трассами, предназначен-
ными для оценки подвижности и формулировки ТТХ.
92
По влиянию на формирование микронеровностей сочетания
грунтовых и климатических условий грунты можно разделить на
две группы: легко деформируемые (характерные для европейской
части нашей страны) и трудно деформируемые (чаще всего встре-
чаются в горных районах и на такыровидных участках пустынь).
Влияние деформируемости грунтов на распределение суммарной
длины отрезков различных типов микропрофиля на трассах танко-
дромов и пробеговых трассах показано в табл. 3.5.
Таблица 3.5
Распределение суммарной длины отрезков различных типов микропрофиля
Тип микро- профиля Протяженность участков от длины трассы) С однородным мнкропрофилем
Легко деформируемый регулярно увлажняемый грунт Трудно деформируемый грунт
на трассах танкодромов на пробеговых трассах на трассах танкодромов на пробеговых трассах
1 — 2,6 7,7
11 14,6 26,8 61,5 66,9
111 53,8 40,2 34,2 23,1
IV 27,5 22,6 1.1 2,1
V 4,1 7,8 3,2 0,2
Экспериментально установлено, что на танкодромах нет микро-
профиля I типа. Микропрофиль V типа распространен мало. На
легко деформируемых грунтах преобладает микропрофиль III и
IV типов (около 81 %), а на трудно деформируемых грунтах — II
и III типов (около 95 %).
На пробеговых трассах преобладает мнкропрофиль II и III ти-
пов: на трудно деформируемых грунтах около 90 %; на легко де-
формируемых — около 67 %.
Важной характеристикой трассы является вероятность чередо-
вания на ней отрезков с различными типами микропрофнля
(табл. 3.6).
Из приведенных данных видно, что наиболее вероятна смена
одного типа микропрофнля смежным, большим или меньшим по
номеру. Смена микропрофиля 1 типа микропрофилем IV и V ти-
пов, а также микропрофилей IV и V типа микропрофилем I типа—
явление редкое (как исключение).
На реальных трассах более или менее четкая граница между
отрезками с различным типом микропрофнля обнаруживается как
раз в тех немногих случаях, когда тип микропрофнля сменяется
не смежным с ним типом (например, III тип меняется на V или на-
оборот). Смена же смежных типов, как правило, происходит по-
степенно; границей смены считаются середины переходных участ-
93
ков. Частота смены типов мнкропрофиля по пути движения может
быть охарактеризована числом границ, приходящимся на единицу
пути.
Таблица 3.6
Вероятность чередования отрезков с различным микропрофилем на трассах
Тип микро- Вероятность смены микропрофилем типа
профиля 1 II III IV V
1 — 0,875 0,737 0,125 0.237 0,0005 0,026 0,0005 0,0005
II 0,321 0,208 - 0.536 0,698 0,107 0.094 0.036 0,0005
ill 0,023 0,074 0,279 0 463 - 0,628 0,416 0,070
IV 0,0005 0,054 0,147 0,149 0,706 0,689 - 0,147 0,108
V 0,0005 0,0005 0,300 0,056 0,300 0.333 0,400 0.611 -
П р и м е ч а в знаменателе —• н и е. В числителе — вероятность для трасс для пробеговых трасс. танкодромов,
На трассах танкодромов среднее значение числа смен мнкро-
профиля на 1 км равно 1,2 с размахом от 0,3 до 2,4; на пробеговых
трассах эта величина несколько меньше — 1 случай на 1 км пути,
но с размахом от 0,3 до 4,1.
В мирное время примерно половина назначенного ВГМ ресур-
са расходуется на трассах танкодромов и полигонов и столько же
на пробеговых трассах, что позволяет определить обобщенные ха-
рактеристики типов микропрофиля трасс эксплуатации ВГМ
(табл. 3.7, 3.8).
Т а б л и ц а 3.7
Суммарная протяженность однородных по мнкропрофилю участков на трассах
эксплуатации ВГМ
Тин микро профиля Протяженность однородных участков (*) на грунте
легко деформируемом регулярно увлажняемом трудно деформируемом
1 1.3 3,8
II 20,7 64,2
III 47,0 28.6
IV 25,0 1.6
V 6,0 1.8
94
Таблица 3.8
Вероятность чередования типов микропрофиля на трассах эксплуатации ВГМ
Тип микро Вероятность смены мнкропрофнлем типа
профили 1 II III IV V
1 0,806 0,181 0,013 0,0005
II 0,265 — 0,617 0,100 0,018
111 0.049 0,371 — 0,522 0,058
IV 0,027 0.148 0,698 — 0,127
V 0,0005 0,178 0.317 0,505 -
Среднее число случаев смены отрезков микропрофиля различ-
ных типов на километр пути достигает 1,1 с размахом от 0,3 до 4,1.
В реальных условиях применения танков (со стрельбой) дви-
жение чаще происходит вне дорог, преобладают формы рельефа
малых размеров (небольшие холмы, бугры, курганы, гряды, впа-
дины, воронки, ямы, балки, промоины, овраги, русла, временные
водотоки и др.).
Примерами местности, на которой сохраняются естественные
формы рельефа, связанные с природными процессами (выветрива-
ние, действие текущих вод и др.), являются пространства неосвоен-
ных (целинных) земель: естественные луга и пастбища; поймы
больших рек и др. Все виды такой местности можно обобщить
термином «луговина».
На состояние местности вне дорог влияет хозяйственная дея-
тельность человека. В результате освоения земель и их многолет-
ней обработки естественные формы рельефа сглаживаются; на ос-
ваиваемых землях строятся осушительные каналы, арыки, дамбы,
дорожные насыпи. Освоенные земли выделим в отдельный вид
местности под общим названием «пашня», отнесем к ней сельско-
хозяйственные угодья и другую территорию, носящую следы мир-
ной хозяйственной деятельности человека.
В арсенале современных армий находятся мощные инженерные
машины и средства огромной разрушительной силы; в результате
применения которых существенно меняется микрорельеф местно-
сти на значительных пространствах. Приспосабливая местность
к ведению боевых действий, войска строят различного рода укры-
тия, окопы, траншеи, ходы сообщения, рвы, валы, дамбы и другие
инженерные сооружения. В ходе боевых действий из-за артилле-
рийского обстрела, взрывов мин, бомбовых ударов образуются во-
ронки различных размеров, нагромождения обломков разрушенных
сооружений, завалы. Поверхность таких участков земной поверх-
ности должна рассматриваться как особый тип местности, называ-
емый полем боя.
95
Исследование вероятностных характеристик микропрофнля
местности на бездорожьи выполнено отраслевой научно-исследо-
вательской лабораторией снегоходных машин при Горьковском
политехническом институте им. А. А. Жданова.
В отрасли работы по изучению местности вне дорог были вы-
полнены в 60-е гг. под руководством канд. техн, наук Г. М. Воро-
бейчика.
Надо заметить, что характеристики луговины, полученные обои-
ми коллективами в различных районах (в пойме реки Волги и на
необрабатываемых полях Приволжской возвышенности, в центре
и на западе европейской части СССР) хорошо согласуются между
собой.
Группой Г. М. Воробейчика было обработано 132 реализации,
в том числе: на луговине — 72, на пашне — 36, на поле боя — 24.
Вычислены следующие дисперсии высоты неровностей: для паш-
ни — 36.. .209 см2; для луговины — 38.. .362 см2; для поля боя —
398.. . 1127 см2.
В ходе обработки реализаций микропрофнля была определена
спектральная плотность распределения высоты неровностей для
каждого типа местности. По осредненным характеристикам типов
местности были найдены обобщенные характеристики неровностей
местности вне дорог в целом (рис. 3.9).
Рис. 3.9. Спектральная плотность неровностей
и — 1 м/с:
I на пашне; 2 на луговине; 3 — на поле боя; 4
- 239 см’)
лрн скорости движении ВГМ
обобщенная характеристика (а»
На основании рисунка можно сделать вывод, что изменение вы-
соты неровностей носит преимущественно низкочастотный харак-
тер. В отличие от танковых трасс, в спектральной плотности кото-
96
рых четко выделяется полоса частот, соответствующая длине не-
ровностей, соизмеримой с удвоенной базой машины (8—12 м),
спектральная плотность местности вне дорог — монотонно убыва-
ющая функция.
Расчетные коэффициенты, характеризующие вероятность встре-
чи машиной различных типов местности, для пашни — 0,595; для
луговины — 0,225 и для поля боя — 0,180.
3.3. СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Движение ВГМ обеспечивается, в частности, основными свой-
ствами опорной поверхности (несущая способность и сопротивле-
ние касательным деформациям), благодаря которым возникают
упорные реакции грунта при перемещении опорных элементов дви-
жителя.
Для ВГМ типичным является движение по грунтовым дорогам
и бездорожью, т. е. по естественным грунтам, поэтому особый ин-
терес представляют физико-механические свойства грунтов, опре-
деляющие жесткость поверхности движения.
Применительно к строительству различного рода сооружений
и, в частности, автомобильных дорог грунты подразделяются на
следующие группы: скальные, залегающие в виде сплошного мас-
сива или трещиноватого слоя; крупнообломочные — несцементиро-
ванные грунты, содержащие более 50 % обломков пород с разме-
ром частиц более 2 мм; песчаные — сыпучие в сухом состоянии
грунты, не обладающие свойством пластичности, содержащие ме-
нее 50 % частиц крупнее 2 мм, и глинистые — связные грунты,
обладающие пластичностью.
Важным признаком различия грунтов в каждой из перечислен-
ных групп (кроме скальных) является их гранулометрический
(микроагрегатный) состав, по которому можно ориентировочно
судить о физико-механических свойствах грунта. Основой класси-
фикации грунтов по гранулометрическому составу является содер-
жание в них фракций частиц определенного размера.
В частности, группа крупнообломочных грунтов включает в себя
щебнистый (галечниковый, если преобладают окатанные части-
цы) грунт, содержащий более 50 % частиц крупнее 10 мм, и
дресвяный (гравийный при преобладании окатанных частиц),
в котором более 50 % частиц крупнее 2 мм.
Песчаные грунты делятся на пять видов:
песок гравелистый — частиц крупнее 2 мм более 50 %;
п^сок крупный — частиц крупнее 0,5 мм более 50 %;
песок средней крупности — частиц крупнее 0,25 мм более 50 %;
песок мелкий — частиц крупнее 0,1 мм более 75 %.
К глинистым грунтам относятся супеси, в которых частиц
глинистой фракции (размером меньше 0,005 мм) содержится от 3
7 Зак. 26 с
97
до 12 %; суглинки, содержащие глинистой фракции от 12 до
20 %, и глины, в которых частиц глинистой фракции больше
25 %.
Частицы грунта, размер которых не превышает 200 мкм, отно-
сятся к пыли. Пыль способна длительное время парить в воздухе.
Наибольшей летучестью обладают частицы размером 1—50 мкм.
Содержание в грунте частиц этой фракции (табл. 3.9) определяет
его потенциальную пылеобразующую способность, которая особен-
но велика в сухих жарких районах.
Таблица 3.9
Содержание пыли в различных почвах
Тип почвы Содержание частиц пыли (%) размером. мкм
до 5 5 50 свыше 50
Песчаная 5-10 Ь —1.5 75-87
Супесчаная 9 21 10
Суглинистая (среднеподзолистая) 23 23 54
Суглинистая (подзолистая) 28 32 40
Суглинистая (черноземная) 37 53 10
Гранулометрический состав определяется методами лаборатор-
ного анализа грунта. Существует еще два классификационных
признака: плотность (относится к песчаным грунтам) и консн-
стентность (к глинистым). Плотность песчаных грунтов непосред-
ственно связана с пористостью и характеризуется индексом плот-
ности
^пл — (£max *)/(£m« £mln) «
где /Пл — индекс плотности; е — коэффициент пористости грунта, определяемый
отношением объема пор грунта к объему его скелета (твердых частиц); гт,д —
коэффициент пористости песчаного грунта в самом рыхлом его состоянии (для
максимально разрыхленной пробы грунта); Сщц, — коэффициент пористости грунта
в самом плотном его состоянии.
Индекс плотности определяется по данным зондирования грун-
тов.
По плотности песчаные грунты делятся на следующие кате-
гории:
очень рыхлый при = 0,2;
рыхлый при /пл = 0,2.. .0,33;
средней плотности при /пл = 0,33.. .0,66; 1
плотный при /цД= 0,66. .1,00;
очень плотный при /11Д = 1.
9b
Плотность глинистых грунтов определяется их консистенцией,
показателем которой служит относительная консистенция
8 = (UZ- irp)/U7I(,
где IF - реальная влажность грунта, %; IFP — влажность, соответствующая со-
стоянию грунта на границе раскатывания; IFn — число пластичности грунта, рав-
ное разности значений влажности в двух состояниях грунта: на границе текучес-
ти IFT и на границе раскатывания IFP
Различают следующие виды консистенции глинистых грунтов:
супеси
твердые при В < 0.;
пластичные при 0 В 1;
текучие при В > I;
суглинки и глины
твердые при В < 0;
полутвердые при 0 <В<0,25;
тугопластичные при 0,25 < В 0,50;
мягкопластичные при 0,5 < В < 0,75;
текучепластичные при 0,75 <8^1;
текучие при В > 1.
Показателями деформационных свойств нескальных (песчаных
и глинистых) грунтов являются модуль общей деформации и ко-
эффициент бокового (поперечного) расширения грунта.
Модуль общей деформации грунта Ео — это отношение сжима-
ющего напряжения к вызываемой нм относительной деформации
в пределах существования пропорциональности между напряже-
нием и деформацией грунта. Модуль общей деформации грунтов
отличается от модуля упругости твердых материалов тем, что от-
ражает не только упругие, но и необратимые пластические дефор-
мации. Значение модуля зависит от вида грунта, его влажности и
плотности.
Коэффициент бокового расширения ц0 представляет собой от-
ношение деформации бокового расширения к деформации сжатия
образца.
Модуль деформации грунта и коэффициент бокового расшире-
ния можно определить в лаборатории с помощью специального
прибора (стабилометра). Суть испытаний состоит в следующем:
образец грунта в топкой резиновой оболочке помещается в каме-
ру прибора, наполненную жидкостью. С помощью специальных
приспособлений через жидкость на образец воздействует всесто-
роннее давление, регистрируемое манометрами; затем подаетсл
осевая нагрузка увеличивающимися ступенями до разрушения об-
разца или потери им устойчивости Другим методом определения
модуля общей деформации является полевое испытание грунта по-
средством пробной нагрузки площадки. В ходе таких испытаний
регистрируется прилагаемое усилие и глубина погружения в грунт
штампа правильной геометрической формы (круг, прямоугольник)
площадью 5000 см2.
7*
9»
Зависимость модуля общей деформации от осадки штампа и
приложенного усилия имеет вид
£о = <>/>& (1
где So —общая осадка штампа (остаточная и упругая) в пределах линейной
зависимости между осадкой и давлением, см; р — давление на грунт, Па; Цо —
коэффициент относительной поперечной деформации (по экспериментальным дан
ным имеет следующие значения: для глин и суглинков твердых и полутвердых
0.1 .0,15, тугопластнчных — 0,20 . ,. 0,25, пластичных и текучепластачных —
0,30 .. . 0,40, текучих — 0,45 ... .0,50, супеси — 0,15 ... 0Д0; песков — 0,20. .. 0,25);
b — ширина прямоугольного штампа или диаметр круглого, см; ы — коэффициент
формы штампа, определяемый по табл. 3.10.
Таблица 3.10
Коэффициенты формы штампа
»» круглого штампа <» прямоугольного штампа при отношении сторон (длина/ширнна)
1 2 3 4 5 6
0,85 0,95 1,30 1,53 1,70 1,83 2,25
Значения модуля деформации песчаных и глинистых грунтов
приведены в табл. 3.11.
Таблица 3.11
Модуль общей деформации песчаных и глинистых грунтов, Н/см2
Вид грунта £0 при коэффициенте пористости •
0,41-0,5 0,51-0,6 0,61-0,7 0,71—0,8 0,81—0,95 0,96-1,1
Песчаные грунты: гравелистые и 4600 4000 3300
крупные средней крупно- 4600 кмю 3300
сти мелкие 3700 2800 2400 — —
пылеватые 14(H) 1200 1000 — — —
Глинистые грунты при влажности на границе раскатыва- ния, %: 9,5-12,4 2300 1600 1300
12,5—15,4 .3500 2100 1500 1200 — —
15,5-18,4 — 3000 1900 1300 1000 800
18,5-22,4 — — 3000 1800 1300 900
22,5—26,4 — — — 2600 1600 1100
26,5-30,4 — — — — 2200 1400
Примечание. Данные таблицы не распространяются на глинистые грун-
ты текучей консистенции.
100
Кроме модуля деформации для характеристики жесткости грун-
тов используется коэффициент упругой податливости Ко, равный
нагрузке на 1 см2 основания, необходимой для осадки штампа на
I см (табл. 3.12).
Таблица 3.12
Ориентировочные значения коэффициента упругой податливости оснований
Материал основания К,. Н/см*
Песок свеженасыпанный 1—5
Глина мокрая размягченная Песок слежавшийся Гравий насыпной Глина влажная 5-50
Песок и граний плотнослежавшнеся Щебень Глина малой влажности 50-100
Грунт песчано-глинистый искусственно уплотненный 100 -200
Известняк, песчаник, мерзлый грунт 200—1000
Твердая скала 1000—15000
Бетон и железобетон 8000-15000
Физико-механические свойства мерзлых грунтов существенно
отличаются от свойств, которыми они обладают в условиях поло-
жительных температур.
Образовавшийся лед цементирует частицы грунта, превращая
его в твердое тело. Жесткость мерзлого грунта тем больше, чем
ниже температура.
Для характеристи-
ки деформационных
свойств мерзлого
грунта пользуются
модулем упругости.
Рис. 3.10. Зависимость
модуля упругости от тем
пературы для различных
грунтов:
/ — песок; 2 — супесь; 3 —
глина; пылеватый грунт
На рис. 3.10 приводится график, которым можно воспользовать-
ся для определения ориентировочного значения модуля упругости
Е мерзлого грунта. При этом необходимо учитывать, что график
101
характеризует деформационные свойства поверхности при условии
промерзания грунта на значительную глубину.
При определенных обстоятельствах ВГМ движутся по автомо-
бильным дорогам с покрытием, модули деформации которых пред-
ставлены в табл. 3.13.
Таблица 3.13
Модуль деформации материалов покрытий дорог
Материал покрытия F.». Н ем*
Бетон 1610»—3510»
Асфальтобетонные покрытия 26 -30
Песчаный асфальтобетон 24
Грунтоасфальт 18
Черные щебенчатые смеси (с применением щебня 20-22
твердых каменных пород и вязкого битума)
Щебень из твердых каменных пород, уложенный 13
по принципу заклинки
Булыжник или колотый камень 10-16
Брусчатка 25-28
Изношенный клинкер 10-12
Металлургические шлаки и шлакобетон 9-13
В практике использования ВГМ не исключены случаи передви-
жения их по каменистым грунтам и почвам, содержащим на по-
верхности и в верхнем слое большое количество камней. Эти кам-
ни представляют собой валуны ледникового происхождения или
обломки местных пород. Каменистые почвы распространены в се-
верных областях СССР, горных районах Урала, Сибири, Дальне-
го Востока, Закавказья, Крыма, а также в Финляндии, Норвегии,
на юге Франции и др.
Наибольшее распространение валуны, как продукты леднико-
вых отложений, имеют в Карелии и на Кольском полуострове
(особенно в восточной его части); в меньшем количестве валуны
встречаются в Прибалтике, Псковской и Новгородской областях.
Гранулометрический состав грунтов в ряде географических
пунктов страны определяли участники специальных экспедиций
посредством вырезания проб с поверхности дорог в форме куба
10Х ЮХ Ю см (табл. 3.14).
Обобщенной характеристикой механических свойств грунта яв-
ляется сопротивление пснетрации /?к (в Н/м’), определяемое ме-
тодом пенетрацни (от англ, penetrate — проникать) по усилию и
глубине внедрения в грунт стандартного конуса с углом при вер-
где Pi, j. s— усилия внедрения конуса, Н; Л|. j — соответствующая каждому
усилию глубина погружения конуса, м.
102
Таблица 3.14
Гранулометрический состав грунтов в различных местах эксплуатации ВГМ
Место взятия пробы Вид грунта Гранулометрический состав грунта (•») с размерами частиц, мм
более 10 (галька) 10-2 (грзьиЛ. дресва) 2-0,05 (песок) 0,05—0,01 (пыль крупная) менее 0.01 (ПЫЛЬ мелкая и глина)
г. Вентспилс Песок мелкий — 97,0 1.0 2.0
» » 1.0 1.0 95,0 1.0 2.0
г. Добслс Песок мелкий 0.3 0,9 88,0 5.5 5,3
Песок пылеватый — 1.1 73,6 11,8 13.5
Супесь легкая — 4.2 ' 73,3 15,6 6,9
Супесь пылеватая — 3.0 54,3 17,3 25,4
Суглинок легкий 0,5 1.4 65,9 14.1 18.1
г. Адажи Песок средний — 2,0 94.0 1.0 3,0
» > — 3.0 92,0 3,0 2,0
Песок мелкий — 2.0 92,0 3,0 3.0
в » — - 97,0 1.0 2.0
г. Борисов Песок мелкий — — 94.9 1.9 3.2
Песок пылеватый — 0.5 «4.4 1,1 11.0
Супесь легкая — — 89.9 5,0 5,1
Супесь пылеватая 0.9 1.4 68,5 17.1 12.1
г. Бобруйск Песок мелкий — 0.2 95,3 1.6 2,9
» » — — 94.9 1,0 3,5
Песок пылеватый — 0.9 91,3 2.9 4.9
» » — 1.0 92,8 2.0 4.2
Супесь легкая крупная — — 88,4 6.9 4.7
г. Уречье Песок мелкий — 3.0 91,0 5.0 1.0
Песок пылеватый — 1.0 81,0 12,0 6.0
Песок средний — — 93,0 5,0 2,0
пос. Струги Песок мелкий — 1.0 90,0 8.0 1.0
Красные Песок средний — 1.0 94,0 4,0 1.0
Песок пылеватый — з.о 7«,0 14,0 5,0
103
Продолжение табл. 3.14
Место взятия пробы Вид грунте Гранулометрический состав грунта (%) с размерами частиц, мм
более 10 (галька) 10-2 (гравий, дресва) 2-0.05 (песок) 0,05-0.01 (пыль крупная) менее 0JJ1 (пыль мелкая и глина)
пос. Остер Песок мелкий — — 96.0 2.0 2.0
Песок пылеватый — — 91.4 4.2 4.4
» » ,— — 86.5 8.0 5.5
Супесь легкая крупная — — 91,1 4.3 4.6
г. Ново- Песок мелкий — — 96.4 1.7 1.9
Московск > » — — 97,0 1.0 2,0
> > — — 91,8 3.2 5,0
Суглинок легкий пылеватый — — 36,4 42,9 20,7
То же — — 34,4 41.5 24.1
г. Рустави Суглинок легкий 0.2 5.2 43,1 17,5 34,0
Суглинок легкий пылеватый — 0.3 18,8 38,3 42,6
Суглинок тяжелый 1.3 6.4 43,1 11.7 31,5
Суглинок тяжелый пылеватый (галеч- никовый) 22,2 7.3 18,3 25,4 26.8
Глина пылеватая — — 20,8 11.1 68,1
г. Ахалка- лаки Суглинок легкий пылеватый — 0,8 8.9 47,6 42,7
То же —— — 19,6 40.8 39.6
Глина пылеватая — 7,9 28,2 63,9
> » 2,9 1.2 6,0 15,8 74,1
г. Октембе- Супесь пылеватая 8,8 16,1 38,3 15,5 21,3
рян 7.8 27,3 39,1 11,0 14,8
Супесь тяжелая пылезатая — — 18,1 29,3 52,6
Суглинок легкий пылеватый 2.2 7,0 25,5 27,8 37,5
То же 4,5 6,1 17,1 23,8 48.5
г. Бахарден Песок мелкий .- — 99,9 0.1 -
г. Тсджен Барханы — — 99,8 0.2
Супесь тяжелая пылеватая — — 77,9 9.8 12,3
Суглинок легкий — — 77,1 34,1 9.3 13,6
Суглинок легкий пылеватый — — 24,3 41,6
Суглинок тяжелый —- — 21.4 29.8 48.8
104
Пенетрационные испытания грунта осуществляются легким
ручным пенетрометром. Параметры погружения в грунт рабочего
элемента (конуса) считываются с графика, вычерчиваемого само-
писцем на барабане прибора.
Показатель RK является объективной характеристикой дефор-
мационных свойств грунта, так как он инвариантен к глубине по-
гружения конуса; между показателем RK и модулем общей де-
формации грунта Ео существует линейная зависимость.
Возможности использования пенетрационного метода ограни-
чиваются свойствами грунтов. Согласно данным В. Ф. Разоренова,
пропорциональность между модулем Ео и R* имеет место при
RK > 50 кН/м2, что соответствует основному диапазону состояний
песчано-глинистых грунтов. Применение метода возможно и на
грунтах с верхним грязевым слоем, характерным для трасс эксплу-
атации ВГМ в переходные и дождливые периоды года: показатель
определяется в этом случае для нижележащего слоя.
Значения модуля общей деформации Е01 а следовательно, ве-
личины /?и, существенно зависят от влажности грунтов. Данными
о влажности грунтов располагают сетевые метеостанции, ведущие
агрометеорологические наблюдения. Зависимость модуля Ео от
влажности грунта близка к гиперболической; зависимость R, от
влажности грунта близка к линейной. Уточнить ее можно посредст-
вом пенетрационных испытаний контрольных площадок с различ-
ной влажностью грунта.
Сезонное изменение влажности грунтов может быть оценено
посредством сопоставления выборок измеренных и представляемых
метеостанцией значений влажности одних и тех же разновидностей
грунтов и сопоставлением данных о влажности однотипных грун-
тов разноудаленных метеостанций.
При использовании данных метеостанции необходимо учиты-
вать ее удаленность, рельеф местности, источник увлажнения и
другие факторы, определяющие сравнимость двух пунктов—метео-
станции и трассы.
Корреляцию показаний влажности суглинистых грунтов раз-
личных метеостанций иллюстрирует табл. 3.15 (наблюдения
1971—1972 гг.).
Примечательно, что участки, расположенные рядом и удален-
ные друг от друга на сотни километров, могут иметь близкие ко-
эффициенты корреляции при измерении влажности.
В случае ‘необходимости вид и состояние (плотность, влаж
ность) грунта могут быть определены по косвенным признакам
(полевое определение). Так, плотность оценивается по сопротив-
лению грунта заглублению лопаты. При этом существует следую-
щая градация грунта по плотности: рыхлый — лопата свободно
входит в грунт; уплотненный — лопата погружается в грунт на
штык нажимом ноги; плотный — лопата входит в грунт с трудом
и сразу углубить ее на весь штык не удается; очень плотный —
лопата в грунт не погружается. Столь же простыми признаками
8 Зак. 26 с
105
Таблица 3.15
Взаимозависимость показаний метеостанций о влажности суглинистых грунтов
Метеостанции. данные которых сопоставляются Расстояние между метеостанциями, км Коэффициент линейной корреля- ции значений влажности
Два угодья в районе пос. Струги Красные (Псковская обл.) 6,5 0,79
г. Любань — г. Пушкин 60 0,79
г. Волхов —г. Пушкин 92 0,79
г. Волхов—г Любань 109 0,73
пос. Сосново — г. Волхов 127 0,70
пос. Сосново —г. Любань 145 0,70
пос. Струги Красные — г. Пушкин 170 0.51
пос. Струги Красные — г. Сосново 270 0,60
Два угодья в районе г. Овруч 0,2 0,61
руководствуются при полевой оценке влажности грунта: при рас-
тирании пылит — сухой грунт; при сжатии образца грунта в руке
из нею сочится вода—сильно влажный грунт; в остальных слу-
чаях— влажный грунт. Полевая оценка вида грунта производится
по признакам, указанным в табл. 3.16.
Таблица 3.16
Полевая оценка вида грунта
Вид грунта Состояние грунта
при растирании пальцами (сухой) при наблюдении через лупу и про- стым глазом по способности скатываться в шнур на ладони (влаж ный)
Песчаный Глинистые частицы не чувствуются; ощущение песчаной массы Видны только песчаные частицы В шнур не ска- тывается
Супесчаный Преобладают крупные песчаные частицы; сухие комочки раздавливаются без труда Песчаные части- цы преобладают над глинистыми или пылеватыми Шнур скатать почти не удается
Суглинистый При растирании чув- ствуются песчаные ча- стицы, сухие комочки раздавливаются легко Ясно видны от- дельные песчинки средн порошка Длинного и тон- кого шнура нс по- лучается
Глинистый При растирании в сы- ром состоянии песчаных частиц не чувствуется; комочки раздавливаются с большим трудом Видны однород- ная тонкая по- рошкообразная масса, не содер жащая частиц крупнее 0,25 мм Дает прочный длинный шнур диаметром менее 1 м.ч. Шарики при сдавливании в лепешку не тре- скаются по краям
106
Поскольку состояние грунта зависит от степени его увлажне-
ния, целесообразна следующая градация погодных условий: снеж-
ный период, период весенней грязевой распутицы, период летней
и осенней распутицы. Для каждого географического района важ-
но установить средние календарные сроки начала и конца каждого
из этих периодов. Например, дорожно-синоптической службой, ко-
торая вела наблюдения в 1930—1935 гг. на территории европейской
части СССР, были получены следующие данные.
Начало весенней грязевой распутицы совпадает со сходом
снежного покрова и наступает: на юге Украины, вдоль Черноморско-
го побережья около 1 марта; на остальной территории Украины,
в Правобережье 1—10 марта; в Левобережье 10—25 марта; в Бе
лоруссии, Литве, Латвии, Курской и Воронежской областях в кон-
це марта; в Ленинградской, Калининской, Московской областях
1 — 15 апреля; далее к северо-востоку, в том числе в Вологодской
области и южной части Карелии в конце апреля.
Окончание весенней распутицы наступает: в южной части
Украины в третьей декаде марта; на остальной части Украины,
в южной части Белоруссии 1 — 15 апреля: южнее линии Таллин—
Великие Луки—Москва—Казань в третьей декаде апреля; севернее
этой линии в первой половине мая.
Начало периода осенней распутицы совпадает с началом осен-
них дождей: на Украине, в Южной Белоруссии — это конец октяб-
ря; севернее линии Бобруйск—Гомель—Курск—Воронеж — третья
декада октября; на линии Витебск—Калуга—Москва — 1 октября;
к северу от этой линии — вторая половина сентября. Неустойчи-
вость погоды характерна для южных и западных районов Совет-
ского Союза, но нередко наблюдается и на севере.
Окончание осенней распутицы совпадает с временем замерза-
ния малых рек и озер: на юге Украины — это конец декабря —на-
чало января; на линии Брест—Житомир—Полтава—Волгоград,
в Литве, на западе Латвии — около 20 октября; в Воронежской,
Орловской, западной части Смоленской и Ленинградской обла-
стей—первая декада октября; северо-восточнее линии Волхов—
Новгород—Смоленск—Саратов — вторая половина ноября.
Начало и конец снежного периода легко определяются для
каждого географического района с помощью справочника по кли-
мату СССР, где приведены данные об изменении высоты снежного
покрова по декадам.
Летний период —это время между концом весенней и началом
осенней распутиц.
3.4. ТОПОГРАФИЧЕСКАЯ ДАЛЬНОСТЬ ВИДИМОСТИ
Топографическая дальность видимости характеризуется рас-
стоянием от машины и далее в направлении движения, на котором
оператору с рабочего места открывается сплошная видимость по-
верхности, ограниченная топографическими факторами (рельеф,
закрытые повороты).
8*
107
Топографическую дальность видимости можно рассматривать
как функцию пути. По мере продвижения по трассе длина просмат-
риваемого участка может сокращаться, увеличиваться или оста-
ваться постоянной (рис. 3.11).
Рис. 3.11. Изменение дальности видимости вдоль трассы из-за перегибов скатов
(о) и закрытых поворотов (б)
На отрезках трассы от точки 1 до точки 2 дальность видимости,
ограничиваемая элементами рельефа, монотонно убывает. В точке
2 она скачком увеличивается и затем на отрезке до точки 3 по ме-
ре движения машины уменьшается (см. рис. 3.11, а) или остается
постоянной (см. рис. 3.11, б). На отрезке трассы от точки 3 до точ-
ки 4 на рис. 3.11, а дальность видимости остается постоянной, а на
рис. 3.11, б увеличивается сначала медленно, а затем (с точки 4)
быстрее.
В ходе полевого обследования трассы визуально или с по-
мощью короткобазных дальномеров (типа ДСП-30)* измеряется
дальность видимости Д/ с точек изменения ее характера (где даль-
ность видимости, например, после постепенного уменьшения начи-
нает увеличиваться, или становится постоянной, или снова начи-
нает уменьшаться или увеличиваться). По карте или профильному
* ДСП-30 — дальномер саперный системы Пашковского с базой 30 см. Поз-
воляет измерять расстояния от 50 до 400 м. Масса дальномера 2,2 кг.
108
чертежу измеряются отрезки lit заключенные между этими точка-
ми. Результаты полевого обследования трассы по дальности види-
мости отображаются вместе с другими характеристиками дорож-
ных условий графически на развертке (рис. 3.12) или в виде
табл. 3.17.
[ Г//7 • № ]оо Jo]200
1 1 । 1 1 1 1
О 100 200 300 400 500 600 700 800 5,м
Рис. 3.12. Отображение информации о дальности нндимостн на трассе (фрагмент
развертки):
Д дальность нндимостн. м: <5— расстояние от начала трассы, м (заштрихован участок,
на котором дальность видимости мепсе 50 м)
Таблица 3.17
Дальность видимости на различных трассах, м
Номер точки зямери Открытая трасса Полузакрытая трасса Закрытая трасса
Д/ 1, Д(
1 500 418 200 187 150 70
2 500 478 230 172 150 108
3 400 396 155 109 100 100
4 270 134 160 160 45 42
5 1:ю 130 150 120 90 96
6 400 162 НО 112 50 91
7 240 144 70 121 400 210
8 1<Х) 94 150 68 180 94
9 500 122 160 160 100 202
10 400 ПО 150 150 240 90
11 350 34-1 250 167 250 105
12 800 194 245 245 280 142
13 400 38 155 155 70 76
14 (Ю0 274 116 116 90 52
15 700 306 67 67 70 62
Обработка исходной информации производится с целью полу-
чения статистического распределения суммарной длины отрезков
109
Ln, в пределах каждого из которых дальность видимости равна
или больше заданного значения d (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Графическое определение величины Ly;
а - при Д, > Д1+, . dj < at; б-:при < Д/+, . dj < Д<+1
Условно примем, что в пределах каждого участка трассы /,
дальность видимости при движении изменяется по линейному за-
кону. По горизонтальной линии отложим длину отрезка в нача-
ле и в конце отрезка по вертикали отложим значения дальности
Д, и Д/+| , точки К и Р соединим прямой. Если полученный четы-
рехугольник пересечь на уровне d, линией тп, параллельной отрез-
ку li, то отрезок этой линии, ограниченный точкой пересечения ее
с линией КР с одной стороны и точкой п или т с другой, будет
равен искомой величине L.k
Если Д|>Д+|.^<Д< (см. рис. 3.13, о),
то
_ Д| — dj _ (Д/ — df} li
Ч ~ 1g а - Д, - Д1+| •
Если dj > Д(, то L(j = Q.
При Д<ДЖ (см. рис. 3.13, б)
. _ Д/ч-t — (Дьн — dj) ц *
Ч~ 1g а - Д/-Ду+1 ’
при dj > Д/+, Z47 = O.
Если Lij получается больше /„ принимается Li/=h.
Если Д, = Д/+| , т. е. дальность видимости в пределах участка
трассы /» не меняется, то при dj > Д, Ьц = 0, а при d/^Д,
£// — li.
Использование приведенных формул поясним на примере. По
данным, приведенным на рис. 3.12, определим длину отрезков, в
пределах которых дальность видимости равна или больше 50 м
(d = 50 м).
Исходные данные:
Д, = 110м, Л = 200 м;
Да =» Ю м ,
Да = 100 м
Д4 = 60 м ,
Z, 60 м;
Z, = 250 м ;
Z4 = 300 м .
ПО
Для первого участка (1 = 1, i + I = 2) £ц = 1 j|6*—10—
= 120 м; для второго (/ = 2, 14- 1 =3) £л = ^O-UOQ0 =33 м;
.. о • । , (100 - 50)250 ,11О .
для третьего (г = 3, i -j- 1 = 4) L31 = 1(J0 _ — =312 м (по-
скольку это больше /3, примем £3=250 м).
Суммарное значение длины отрезков, па которых дальность
видимости равна или более 50 м, ZL// = 403 м, что составляет
50 % длины исследованного участка.
Аналогичные расчеты можно сделать для других значении d, и
построить функцию распределения £,/, которая характеризует об-
зорность заданной трассы или местности.
Количественная характеристика трассы по условиям обзорности
должна содержать сведения и о распределении определенных зна-
чений дальности видимости. По этому признаку различают мест
ность и трассы открытые, закрытые и полузакрытые.
На открытой поверхности более 80 % участков с дальностью
видимости не менее 250 м, что типично для равнинной слабопсрс-
сеченной местности, лишенной древесной растительности (или с
небольшими рощами и кустарником), и с редко расположенными
населенными пунктами.
На закрытой поверхности дальность видимости вдоль трассы
не превышает 50 м; с лучших позиций просматривается нс более
25 % площади района. Это сильнопересеченная местность, покры-
тая лесами и кустарниками, с частыми оврагами, лощинами, бал-
ками.
Полузакрытые трассы и местность занимают промежуточное
положение между открытыми и закрытыми. Здесь хорошая обзор-
ность примерно на 50 % поверхности. Обычно это среднепересс-
ченные районы холмистой или равнинной местности, лесостепная
зона.
3.5. ИСКУССТВЕННЫЕ И ЕСТЕСТВЕННЫЕ ПРЕПЯТСТВИЯ
Препятствия и заграждения — это преграды на пути движения
ВГМ, вызывающие необходимость снижения скорости вплоть до
полной остановки. Их делят на преодолимые со снижением скоро-
сти или с использованием специального оборудования и на непрео-
долимые.
Наиболее серьезные трудности вызывает преодоление препятст-
вий, являющихся крупными линейными элементами местности: рек,
мелиоративных и судоходных каналов, оврагов, насыпей и выемок
автомобильных и железных дорог и др. Распределение их по терри-
тории зависит от рельефа местности, климатических особенностей
района, а также степени освоения территории. Например, речная
сеть гуще в горной и переувлажненной местности; овраги, балки,
глубокие лощины широко распространены на возвышенных прост-
ранствах лесостепной зоны, здесь они встречаются через 1,5—3 км.
111
на всхолмленных равнинах лесной зоны через 3—7 км, а на равни-
нах степной зоны через 7—20 км.
Серьезным препятствием на пути движения машины являются
также населенные пункты, особенно в условиях густо населенной
и хорошо обжитой местности, где среднее расстояние между насе-
ленными пунктами составляет 5—1 км и менее, а также мосты.
Количество их на дорогах определяется географическими особенно-
стями территории. Так, в засушливой полупустынной местности
один мост приходится в среднем на 3 км дороги, в равнинной степ-
ной— на 2 км, в болотистой — на 1 км, в горной и озерно-леси-
стой — на 0,5 км.
На дорогах к препятствиям относятся также дамбы, железно-
дорожные переезды, пересечения дорог, перекрестки населенных
пунктов, крутые (С40 м) и закрытые повороты.
Степень влияния рек, как препятствий, зависит от их числа в
данном районе, направления и свойств. Значение реки как водной
преграды определяется особенностями се долины, поймы, русла,
наличием мостов, плотин и других гидротехнических сооружений,
а также сезоном года и погодными условиями.
От характера склонов долины (крутизны, расчлененности, по-
крытия лесом) и поймы (заболоченности, наличия озер и стариц)
зависят проходимость ВГМ и объем инженерных работ по обору-
дованию подъездов к реке.
В горных районах реки вымывают узкие и глубокие долины,
доступные для ВГМ, в основном, в их нижнем течении. Долины
равнинных рек имеют, как правило, пологие склоны, ширина их
поймы достигает 10—20 км. Весной, осенью и после обильных
дождей летом проходимость ВГМ в поймах равнинных рек значи-
тельно ухудшается.
Русло и водный поток — основные элементы реки. Они харак-
теризуются шириной, глубиной, скоростью течения, характером
грунта, профилем дна, крутизной берегов, извилистостью и развет-
вленностью.
Ширина реки в большинстве районов земного шара — величина
переменная. Она зависит от режима питания реки, выпадения
осадков, сезона года и др. По ширине русла реки подразделяются
на узкие (до 60 м), средние (60—200 м) и широкие (>200 м).
Вторым важным параметром реки, определяющим вид перепра-
вы, является глубина. Она зависит от полноводное™ реки и ее ши-
рины; реки бывают мелкие (глубина до 1,5 м) и глубокие (глубина
более 1,5 м).
Между глубиной реки Н и шириной В существует связь, кото-
рая может быть выражена следующими эмпирическими форму-
лами:
Н=УВ12,75.
112
В табл. 3.18 приведена классификация рек по скорости течения.
Та бл и на 3.18
Классификация рек по скорости течения
Характер течения Скорость течения, м/с
равнинных рек горных рек
Слабое <0,5 <2,0
Среднее ОД—1,0 2,0-4,0
Быстрое 1,0—2.0 4,0—6,0
Очень быстрое >2,0 >6,0
Более 50 % рек непреодолимы для тапка из-за угла подъема
на выходе из реки в створе форсирования.
Плотность (густота) речной сети в разных районах земного ша-
ра неодинакова.
Например, на территории западной Европы, характеризующей-
ся умеренным влажным климатом, через каждые 5—10 км встреча-
ются водные преграды шириной до 20 м (80 %), через 40—50 км
шириной 20—50 м (16 %), через 100—200 км шириной 100 м и бо-
лее (4 %). До 80 % западно-европейских рек имеют максимальную
глубину 4 м (глубина более 6 м встречается только в нескольких
канала) и скорость их течения в среднем не превышает 1,5 м/с.
По результатам обследования 267 рек США но двум маршру-
там протяженностью 4840 км, средняя плотность рек составила
0,035 км 1.
В восточной части США реки встречаются в среднем через
22 км при минимальном расстоянии между ними 0,8 км и макси-
мальном Г05 км. В западных районах США среднее расстояние
между реками составляет 50 км, минимальное 6,5 км, максималь-
ное 555 км. Около 75 % рек имеют ширину менее 46 м, скорость
течения 0,66 м/с. Плотность рек США но группам ширины сле-
дующая:
ширина реки, м . . . . 6—15 15 30 30—45 > 45
плотность, км* .... 0.013 0,010 0,003 0.00b
Свыше 62 % рек в восточных районах США имеют уклоны бе-
регов более 50 % (29°) или обрывы высотой более 1 м.
Представление о распределении рек по территории Советского
Союза дает карта речной сети, составленная в масштабе
1 : 10 000 000 (в справочном издании о реках и озерах СССР).
Плотность речной сети выражается отношением общей длины во-
дотоков в пределах какой-либо территории к площади последней.
На территории СССР средняя плотность речной сети составляет
0,45 км-1, изменяясь от нуля в пустынях Средней Азин до 2 км 1
на Кавказе и в Карпатах.
113
На европейской территории страны наименьшая плотность реч-
ной сети (менее 0,1 км-1) наблюдается в засушливых районах степ-
ной части Крыма и на Прикаспийской низменности. Повышенное
значение плотности характерно для зоны избыточного увлажнения
(районы Прибалтики и Северо-Запада).
На азиатской территории СССР речная сеть распределяется
менее равномерно, чем на европейской. В Средней Азии она меня-
ется от нуля в пустынях до 1,5—1,8 км’’ в горных районах, в Ка-
захстане от 0,1 км’* в степной равнинной части до 0,4 км~* на
возвышенных участках.
На территории Западной Сибири и равнинного Алтая ясно вы-
ражено зональное изменение плотности речной сети: в степной зо-
не она составляет 0,1—0,2 км’1 , в лесной 0,3—0,4 км’* , к северу
от полярного круга возрастает до 0,7 км'1.
В Восточной Сибири и на Дальнем Востоке зональность в рас-
пределении речной сети не соблюдается, так как режим увлажне-
ния определяется орографией и близостью Тихого океана. В сухо-
степных районах Забайкалья плотность речной сети примерно
0,20 км 1, на большей части Средней Сибири 0,25—0,40 км1 , на
побережье Тихого океана она достигает 1,5 км 1.
Статистическое распределение основных параметров водных
преград можно получить полевым обследованием речной сети, одна-
ко этот способ слишком трудоемок. Есть камеральные способы по-
лучения характеристик водных преград по топографическим кар-
там. Исследования показывают, что существуют корреляционные
связи между размерами рек и плотностью речной сети, между ско-
ростью течения и грунтовыми условиями речного русла. Эти свя-
зи используются для получения показателей, которые невозможно
снять с топографической карты.
Американские специалисты, например, определили для CLLLX
следующее соотношение между плотностью водных преград на
единицу пути машины и коэффициентом площади водосбора (плот-
ностью речной сети):
V-1,02/^,
где N — плотность водных преград, км~‘; Dd = L/A — коэффициент площади
водосбора, км-1; L — длина реки, км; А —площадь водосбора, км?.
В США проводится также работа по количественной оценке ча-
стости препятствий на местноеги, что важно при моделировании
дорожных условии.
114
Глава 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
НА ПОДВИЖНОСТЬ ВГМ
4.1. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПРЯМОЛИНЕЙНОМУ ДВИЖЕНИЮ
Подвижность ВГМ в значительной степени зависит от состоя-
ния местности, по которой происходит движение. В настоящее вре-
мя теория танка учитывает следующие факторы внешней среды,
влияющие на быстроходность: сопротивление движению; микро-
профиль дороги; дальность видимости по направлению движения;
препятствия или другие объекты местности, заставляющие сни-
жать скорость движения.
Внешнее сопротивление прямолинейному движению ВГМ опре-
деляется тремя факторами: затратами энергии на образование ко-
леи, изменением потенциальной энергии машины на подъемах и
спусках, сопротивлением воздуха. Сопротивление воздуха, даже
при максимальной скорости движения, составляет лишь неболь-
шую долю от общего сопротивления (не более 5 %), поэтому в тя-
говых расчетах ВГМ оно не учитывается.
В современной теории быстроходных гусеничных машин сопро-
тивление прямолинейному движению, обусловленное прессованием
грунта в-колее, принято оценивать коэффициентом сопротивления
грунта frp—безразмерной величиной, представляющей собой ко-
эффициент пропорциональности между продольной результирую-
щей силой сопротивления грунта прямолинейному движению и сум-
мой нормальных (к поверхности пути) составляющих реакций
грунта.
При глубокой колее сопротивление перекатыванию гусениц уве-
личивается дополнительно из-за попадания грунта на беговую до-
рожку под опорные катки, а также между гусеницей и направляю-
щим колесом (при переднем расположении ведущих колес). Если
глубина колеи превышает клиренс, сопротивление увеличивается
вследствие деформации почвы днищем ВГМ. Коэффициент frp, оп-
ределяемый экспериментально, включает в себя эти составляющие.
Коэффициент суммарного сопротивления прямолинейному дви-
жению при наличии скатывающих сил на подъемах и спусках (без
учета сопротивления воздуха)
/с °=/cos а + sin а , (4.1)
где а — уклон трассы в градусах; fK —0,011 ... 0,028 — коэффициент
сопротивления качению катка по беговой дорожке гусеницы.
115
Коэффициент /с используется во всех тягово-динамических
расчетах для определения достижимой в конкретных условиях
(максимальной) скорости движения и необходимой силы тяги по
сцеплению с грунтом. Он является функцией параметров гусенич-
ной машины и дорожных условий, поэтому его определение всегда
сопряжено с экспериментами на местности.
Современные методы определения коэффициента сопротивле-
ния прямолинейному движению условно можно подразделить на
натурные и косвенные. Натурные методы предполагают использо-
вание в качестве инструмента измерений самой гусеничной маши-
ны. Обычно сопротивление движению оценивается при буксировке
испытуемой машины.
Сравнительно новым, но уже получившим признание и весьма
часто применяемым в исследованиях является метод сопоставле-
ния расхода топлива двигателем на одной и той же передаче при
одинаковой скорости движения по обследуемой трассе и по бетону:
Л = /о + 13,6 (Q - Q0)J/G,
где f0 — коэффициент сопротивления движению по бетону (принимается равным
0,02); А — 1/£,; gi — удельный индикаторный расход топлива, кг/(кВт-ч); Т)тр,
Чгус — коэффициенты полезного действия соответственно трансмиссии и гусени-
цы (для танков Т-64А, Т-72, Т-80 принимается Ц,₽== 0,95... 0,97, т)гус—0,96);
у — плотность топлива, кг/м*; Q, Qo — путевой расход топлива на иссле-
дуемой трассе и эталонной (по бетону) соответственно, л/км; G — вес гусенич-
ной машины, Н.
«Энергетический» метод определения коэффициента суммар-
ного сопротивления движению прост в техническом отношении и
производителен. Расход топлива регистрируется обычно дискретно
с помощью импульсных датчиков, что упрощает обработку исход-
ных данных. По данным специальных экспериментов, погрешность
метода нс превышает 5 %. Выделение составляющей сопротивле-
ния грунта прямолинейному движению /гр может быть осуществле-
но при наличии данных по а исследуемой трассы и /к.
Косвенные методы определения /гр. не требующие использова-
ния гусеничной машины, принципиально возможны благодаря
сравнительно малой толщине сжимаемого под движителем маши-
ны активного слоя грунта. Практически любой из этих методов
основывается на полевом определении физико-механических ха-
рактеристик грунта, функцией которых является величина /гр.
Формирование сопротивления грунта прямолинейному движе-
нию ВГМ происходит в его верхнем так называемом активном
слое. Так как массив грунта может быть неоднороден по вертика-
ли, то важно предварительно оценить долю участия отдельных
слоев грунта в сопротивлении движению гусеничной машины, для
чего необходимо определить функцию распределения энергии прес-
сования грунта по глубине. При этом полагают, что осадка штампа
(гусеницы) на деформируемом грунтовом основании зависит от
сжатия столба грунта только под подошвой штампа.
116
Так как распределение напряжений в вертикальном столбе
грунта
’M’+f-srFL <4-2)
а деформация элементарного слоя dh на глубине Л
bdh^ dh = -£-dh,
г: гр
то элементарная работа прессования единичной площади этого
слоя
им = -£-м= и *У* ,7 м,
fcrp сГр (<Ра3 4- й7)’
где а—напряжение в слое грунта на глубине й, кПа; q— давление на
поверхности грунта, кПа; Л — глубина расположения точки, в которой определя-
ется напряжение, см; а — параметр, равный для двухслойных систем 1. а для
однослойных 0.G3; d— диаметр круга, равновеликого площади штампа, см;
ХГр — относительная деформация грунта, т. е. отношение деформации к диамет-
ру штампа (или диаметру круга, равновеликого площади штампа); ЕГР — модуль
общей деформации грунта при отсутствии сдвигов, кПа.
Работа сжатия всех слоев вертикального столба грунта до глу-
бины h при единичной площади
= = + И-3)
о
где постоянная интегрирования С»—0, так как при й — 0 1Д—0.
Когда в качестве штампа выступает пара опорный каток—гу-
сеница, контактное давление па грунт с учетом коэффициента кон-
центрации нагрузки выражается формулой
где — среднее по максимумам давление под опорными катками. кПа; G —
вес гусеничной машины, Н; п—число опорных катков па один борт; Ь — шири-
на гусеницы, см; /—шаг трака, см; Lon — длина опорной поверхности, см; i—
параметр грунта, принимаемый равным для влажной грунтовой целины 1/3, для
влажных торфяников 1/2.
В этом случае эквивалентный диаметр
d — . 2 т/ bt I_—____Г
у 0ГЬ(П-1) I •
Для ходовой части с п = 6 (катки необрезниенные), />=54 см,
/ = 16,4 см, L = 424 см, G — 37,3 Н и i = 1/3 получим соответст
веино — 201 кПа, d = 44 см. Функция распределения энер-
гии при этих условиях для однородного грунта (а=0,63) пред-
ставлена кривой / на рис. 4.1.
Закон распределения напряжений (4.2) справедлив для одно-
родных по глубине грунтов и не зависит от их влажности и плот-
ности, Сопротивление движению гусеничных машин формируется
117
в основном в самых верхних слоях грунта: так, слой толщиной в
20 см воспринимает около 70 % всей энергии колееобразования,
а слой в 40 см — около 90 %.
Рис. 4.1. Распределение энергии прессования грунта по глубине Л для танка
Т-64 А:
I однородный грунт; 2 двухслойный грунт (по нижней горизонтальной шкале отклады
вается й в долях ширины гусеницы й)
Для исследования влияния на энергию прессования послойной
неоднородности грунта введем в (4.3) известный из механики
грунтов эквивалентный модуль деформации, т. е. модуль дефор-
мации такого однородного массива грунта, осадка которого под
действием одной и той же нагрузки равна осадке двухслойной си-
стемы.
Если Е\, hi — модуль деформации и толщина верхнего слоя
грунта, а Ег— модуль деформации нижележащего грунта, то
£ -_________________Ё!_____________
где п0 VEt'Es.
В этом случае поверхностная энергия прессования грунта зави-
сит от глубины:
* ( a’d’ + ft’ + 77 arCt& 77) ‘
Функция распределения энергии прессования по глубине двух-
слойного грунта (кривая 2) показывает, что и для неоднородных
грунтов значимость самых верхних слоев в восприятии энергии
прессования очень высока.
118
Функции распределения энергии прессования грунта по глуби-
не позволяют:
определить активную толщину слоя грунта, влияющую на со-
противление прямолинейному движению машины;
оценить погрешность прогноза сопротивления движению на не-
однородном по глубине грунте по данным измерений его характе-
ристик только в поверхностном слое;
определить средневзвешенные деформационные характеристи-
ки двухслойного грунта с учетом значимости каждого слоя.
В косвенных методах определения коэффициента сопротивле-
ния прямолинейному движению обобщенные характеристики грун-
та определяются посредством внедрения в него штампов заданных
размеров и формы. Косвенный метод применяется при описании
условий эксплуатации и испытаний транспортных гусеничных ма-
шин в различных районах. В основной расчетной формуле коэффи-
циент сопротивления грунта прямолинейному движению является
функцией обобщенной характеристики грунта — удельного сопро-
тивления пенетрации R*:
(4.4)
где /о — 0,02; П — экспериментальный коэффициент пропорциональности (на-
пример, для танка Т-64А 11 = 0,98-10*)
Между коэффициентом сопротивления грунта прямолинейному
движению гусеничной машины, основными конструктивными пара
метрами ВГМ и пенетрационной характеристикой грунта R* су-
ществует следующая зависимость:
/ s- / ц_______к(* — _- 1
гр ° л’и/м(4оп/|/(я-1)П' ’
где k — коэффициент пропорциональности.
Для определения k необходимо пенстрационные испытания
грунта совместить с Натурными испытаниями ВГМ. Коэффициент
линейной корреляции величин (frp—/о) и 1//?к по данным совме-
щенных испытаний натурным и косвенным методом составляет
0,93; погрешность определения величины (frp—fo) при доверитель-
ной вероятности 0,9 не превышает 11 %.
Определение показателей /?К| и /?к2 на двухслойном грунте
в пределах активной глубины осуществляется послойно. Средне-
взвешенное значение показателя определяется с учетом функции
распределения энергии прессования грунта движителем машины
(см. рис. 4.1):
RH = F(ht)RKi+[\-F(ht)]RK2.
Обычно пснетрационные испытания грунта по маршруту дви-
жения машин проводятся отдельными сериями на визуально одно-
родных участках трассы. Каждая серия испытаний включает в се-
бя несколько измерений величины R* по левой и правой колеям.
119
Затем вычисляется среднее значение этого показателя и коэффи-
циент /гр по формуле (4.4).
Определение суммарного коэффициента сопротивления движе-
нию косвенным методом предполагает проведение инструменталь-
ной профильной съемки трассы. С учетом подъемов и спусков и
значений / на отдельных участках текущие значения коэффициен-
та суммарного сопротивления вычисляются по формуле (4.1).
Сопротивление движению изменяется как по пути, так и во вре-
мени. В первом случае это связано с видом и состоянием грунта
(влажность, плотность) на разных участках трассы, изменением
уклонов, дорожных покрытий; во втором — с изменением свойств
грунтов в зависимости от погодных условий. В обоих случаях воз-
можно постепенное или же скачкообразное изменение коэффициен-
та сопротивления. Наиболее резкие изменения характерны для го-
ристой местности, где коэффициент fc попеременно принимает от-
рицательные и положительные значения. Существенное изменение
сопротивления происходит также при переходе ВГМ с грунтовой
дороги на дорогу с искусственным покрытием, при прохождении
брода пли участков с местным переувлажнением грунта, между
такыром и барханными песками (в районах пустынь), на границе
вспаханных и невспаханных земель, мерзлых и оттаявших грунтов,
при выпадении большого количества осадков и т. д.
Ориентировочные данные о значениях frp на различной поверх-
ности движения обобщены Е. В. Калининой-Ивановой:
дорога с твердым покрытием (асфальт, бетон) .... 0,01—0,02
сухая грунтовая улучшенная дорога, булыжная дорога,
такыр, мерзлая дорога без снежного покрова . . 0,03—0,04
сухая грунтовая проселочная дорога, сухая полевая нака-
танная дорога, мерзлая дорога с небольшим снежным
покровом........................................0,04—0,06
сухой луг, влажная грунтовая дорога, целина, снежная
укатанная дорога, влажный песок..............0,06—0,09
грязная грунтовая дорога, сухое болото, сырой луг, снеж-
ная пахота (сухая), дорога с рыхлым снегом . . . 0,09—0,12
дорога с густой грязью, сухой глубокий песок (барханы),
сырое болото, снежная целина................0,12—0,25
Получить сведения об изменении fc на заданном маршруте не
представляет каких-либо затруднений. Для учета сезонных изме-
нений целесообразно использовать данные агрометеорологических
наблюдений сетевых метеостанций за влажностью грунтов, имея
в виду, что между модулем общей деформации грунта Ео, влаж-
ностью грунта и /гр существует тесная связь.
Покажем это на конкретном примере. В процессе испыта-
ний танка Т-64А на легкосупесчаных грунтах пробеговых
трасс близ городов Бобруйска и Борисова получена линей-
120
пая зависимость между коэффициентом /гр и влажностью
грунта на глубине 10 см (рис. 4.2):/гр=0,016+ 0,009 1Г. (4.5)
Имея данные пятилетних наблюдений о характере изменения
оценке нагруженности
элементов конструкции на
конкретных трассах. При-
меры обобщенных харак-
Рнс. 4.3. Экспериментальная за
висимость влажности супесча-
ного грунта W в районе распо-
ложения трассы (а) и коэф-
фициента сопротивления грун-
та /ГР (б) от месяца года для
танка Т-64А:
/ г. Борисов; 2 — г. Бобруйск
б
теристик пробеговых трасс и танкодромов в виде реализаций от-
дельных параметров (в том числе коэффициента frp ) показаны
на рис. 4.4 и в табл. 4.1. При описании дорожных условий
121
Дорожная ситуация на трассе L L f
на обочине Сосновый лес t
Тип грунта; значения frp, р пылеватый. сУпесь легкая крупная f^V2Z;^Qfi5 frp=0fQ58; ф=0,50 Песок JK Супесь легкая крупная М frn^058; ф=0,50
Дальность видимости, м 200 320 400 500 450 500 400 420 200 100 500 350 I L I I . I 1 1 III
Тип микро- д— профиля у— —
План трассы А 67°; 1-300 А 84°, 1-1865
И: 220\ 220\ | А 20°, 1=630
р/?5|
Уклоны, % —0,54 л-0,32 Л-0,73 [ +o,3z +7,J/ -0,18 -2,46 Л-0,43 —1,28 I 0,1 I 7 — 0,07 -0,17
Высота над уровнем моря,м 134,3 1 I 33,7 К I I 14,7 К 1 16,6 1< 17,6 1* 1 _ 1 44,3 И I I 13,9 Z I ' 39,4 V I I 41,2 К I I 1 187 1 ' 1 138,7 1 I 38,4 I
Расстояние от начала трассы, м 500 1000 1500 2000 2$00
Рис. 4.4. Развертка участка пробеговой трассы, проложенной на местности с легко деформируемыми регулярно
увлажняемыми грунтами
Таблица 4.1
Обобщенные характеристики пробеговой трассы, проложенной на местности с легко деформируемыми регулярно
увлажняемыми грунтами
Расстояние от начала трассы, м Высота над уровнем моря, м Уклон, % Азимут прямолиней- ных и ра- диус (/?, м) криволи- нейных уча- стков Тип микро- про- филя Дальность видимости вдоль трассы, м Тип грунта, значения ко- эффициентов /гр" Дорожная ситуация
на обочине трассы на трассе
0 134,3 —0,54 А 67е III 200 Песок пылеватый /гр = 0,122 Ф = 0,65 Сосновый лес Нет препятствий
300 133,7 +0,32 *п = 500 II 320 Супесь легкая крупная /гр = 0,058 Ф = 0,50 То же Колея проходит целине по
440 134,7 +0,73 А 84° II 400 То же > Развилка
675 136,6 +0,32 А 84° III 500 » » Нет препятствий
985 137,6 4 1,51 А 84э III 450 » > Перекресток
1440 144,3 -0,18 А 84° IV 500 Песок пылеватый /гр = 0,122 Ф = 0,65 » Нет препятствий
1620 143,9 —2,46 А 84° IV 400 Супесь легкая крупная /гр = 0,058 Ф = 0,50 > »
2220 2290 141,2 —1,28 -1,28 А 843 = 220 IV IV 200 » » > > Развилка
2510 2525 138,7 -0,07 —0,07 А = 220 20° IV IV .500 » > » » Нет препятствий э
движения на постоянно эксплуатируемых трассах переменные
(сопротивление грунта) и постоянные (влияние уклонов) слагае-
мые внешнего сопротивления прямолинейному движению целесооб-
разно представлять отдельно (рис. 4.5). Подекадные данные о ко-
эффициенте fr9 приводятся для каждого однородного по грунту
участка трассы.
Рис. 4.5. Пример построения графика изменения fc с указанием дат измерений
Форма представления данных по коэффициенту сопротивления
прямолинейному движению в виде функции распределения его зна-
чений по пути является традиционной и дает возможность нагляд-
ного сравнения по этому параметру дорожных условий движения
-0,08 -0,04 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0,20 ft
Рис. 4.6. Функция распре-
деления значений ft в лет-
ний период в различных
районах (общая протяжен-
ность маршрутов 650 км):
/ — Закавказье (250 км); 2 —
Белоруссия (200 км); 3 — У край
на (100 км); 4 Средняя Азия
(100 км); 5 — Прибалтика
(50 км); 6 — средняя по этим
районам
в различных районах эксплуатации (рис. 4.6). Кроме того, обобще-
ние данных в виде функций распределения позволяет получить све-
дения о вероятности тех или иных интервалов значений коэффици-
ента на отдельных маршрутах или их совокупности, что важно при
моделировании пробеговых трасс.
124
Обработку исходных данных по коэффициенту /с. как и их ста-
тистическое обобщение практически удобно производить через
равномерные интервалы: для значений коэффициента через 0,02;
для отрезков пути через 50 м (рис. 4.7, табл. 4.2).
Суммарный коэффициент сопротивления прямолинейному дви-
жению и его составляющие (/, /гр, /0) необходимо учитывать
при тяговом расчете ВГМ, так как они влияют на скорость движе-
ния машины. По fc, например, производят разбивку передач транс-
миссии по скоростям; по frp рассчитывают удельную силу тормо-
жения машины. Значения /=fK-f-frp, влияющие на КПД трансмис-
сии, учитываются при проектировании подвески и амортизаторов
ВГМ.
Таблица 4.2
Матрица вероятностей значений коэффициента fc по интервалам длины
отрезков пути
Длина
отрезков
пути, м
0-0,03
0.02—
0,04
Вероятность интервалов значений /с
0,04-
0,08
О,De-
О. 10
о.ю-
0,12
0,14—
(>,16
0,16- 0,18—
0,18 0.20
0...50
50..100
100...150
150...200
200... 300
300... 400
0,000
0,003
0,000
0,000
0,000
0,000
0,001
0,011
0,008
0,000
0,000
0000
0,000
0,002
0,090
0,120
0,140
0,050
0,002
0,007
0.041
0,080
0,071
0,030
0,000
0,001
0,021
0,021
0,014
0,000
0.001
0,016
0,015
0,024
0,040
0,002
0,000
0.019
0,026
0.057
0,043
0,020
0,000
0,000
0,007
0,011
0,000
О,(ХМ
0,000
0,000
0,000
0,000
0.000
0,001
0,000
0,001
0,000
0,000
0,000
0,000
Отношение /гр//0 входит в формулу критерия проходимости, по
расчетным значениям которого можно сравнивать образцы проек-
тируемых ВГМ с серийными машинами, принятыми в качестве эта-
лонных,
125
При расчете подвижности и проходимости ВГМ может исполь-
зоваться как детерминированное, так и стохастическое представле-
ние информации о коэффициенте /с. Первое предпочтительнее при
прямом сравнении условий районов эксплуатации и испытаний, вто-
рое — в конструкторских расчетах.
4.2. СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОВОРОТУ
Как известно, длительное строго прямолинейное движение гусе-
ничной машины на местности является маловероятным. Даже при
нейтральном положении органов управления поворотом всегда име-
ет место самопроизвольный увод с курса. Случайное или система-
тическое отклонение машины от курса происходит из-за разного
буксования левой и правой гусениц, а также сдающих элементов их
привода, несовпадения проходимых гусеницами расстояний. Все
это обусловлено, в свою очередь, неоднородностью механических
свойств опорного основания, хаотичным расположением неровнос-
тей, перераспределением статических и динамических нагрузок на
гусеницы. Движущаяся гусеничная машина под влиянием внешних
и внутренних сил постоянно находится в состоянии поворота, но
разделение движения ВГМ на прямолинейное и криволинейное ус-
ловно. Условна и граница такого разделения. Логично считать дви-
жение прямолинейным, если механизмы поворота не включены
в действие. При анализе подвижности или тяговых возможностей
ВГМ эта граница может соответствовать порогу значимого сниже-
ния скорости движения машины по условиям устойчивости и зано-
са, а также по возрастанию потребной для совершения поворота
мощности двигателя. Геометрическая прямолинейность трассы не
обязательно предполагает прямолинейное движение ВГМ и не ис-
ключает необходимости периодической корректировки направления
движения. Экспериментально установлена зависимость числа вклю-
чений органов управления поворотом на единицу пути не толь-
ко от кривизны дороги, но и от скорости движения (рис. 4.8). Зави-
симость построена для танка Т-64Л с семискоростными бортовыми
коробками передач (БКП) при движении по трассам с шириной
проезжей части 6—8 м. В экспериментальных исследованиях участ-
вовали попеременно четыре водителя различной квалификации. По-
лученные результаты свидетельствуют о релейном характере рабо-
ты ступенчатого механизма поворота на криволинейных участках
трассы. ВГМ с бесступенчатым механизмом поворота проходит те
же криволинейные участки трассы быстрее, поворот в этом случае
происходит плавно без резких переходов от прямолинейного дви-
жения к криволинейному, характерных для гусеничных машин со
ступенчатым механизмом поворота.
Криволинейное движение ВГМ сопряжено с преодолением до-
полнительных составляющих сопротивления движению, обуслов-
ленных поперечными и вращательными перемещениями траков
опорных ветвей гусениц при повороте. Ширина колеи, образуемой
126
при этом каждой гусеницей, увеличивается. Из-за повышенной де-
формации (сдвига и смятия) материала основания и трения увели-
чивается затрачиваемая на передвижение гусеничной машины
мощность. Для современных ВГМ характерно снижение скорости
движения на поворотах. Причинами снижения скорости могут яв-
ляться кинематические свойства механизма поворота, обеспечива-
ющего на криволинейных участках замедление отстающей гусени-
цы и сохранение скорости забегающей; недостаточные тяговые
127
возможности силовой установки; угроза заноса; соблюдение безо-
пасности движения на закрытых поворотах при наличии встречно-
го потока машин; обеспечение плавности хода при наличии на
трассе неровностей и др.
а &
Рис. 4.9. Схема (а) и план скоростей
(б) при равномерном повороте ВГМ
Подробное описание схемы
сил и плана скоростей при рав-
номерном повороте ВГМ приве-
дено в гл. 6 т. 5 настоящей моно-
графии. В упрощенной схеме,
приведенной на рис. 4.9, приня
ты следующие'обозначения: F =
= F2+F, = f rp G—суммарная си-
ла сопротивления поступательно-
му движению гусеничной маши-
ны (F2, — силы сопротивле-
ния поступательному движению соответственно забегающей
и отстающей гусениц); Р = Р2+Р(—суммарная сила тяги
гусениц (Р2, Р| — силы тяги соответственно забегающей и отстаю-
щей гусениц); Т — сила торможения отстающей гусеницы, обес-
печиваемая механизмом поворота; р — относительный радиус по-
ворота машины, выраженный в долях половины ширины колеи
В/2; qr — относительное плечо силы сопротивления грунта посту-
пательному движению машины, выраженное в долях половины
ширины ее колеи S/2; <?ж—относительное плечо силы тяги двига-
теля, выраженное в долях половины ширины колеи машины В/2;
Ртш—относительный фиксированный радиус поворота, обеспечи-
ваемый механизмом поворота при определенной скорости движе-
ния; vf, Vp, vT — соответственно скорости точек приложения сил
F, Р, Г; и2, и,, vc — соответственно переносные скорости забегаю-
щей и отстающей гусениц, а также центра тяжести машины;
О — центр поворота.
При бесступенчатом механизме поворота, а также при ступенча-
том на фиксированных радиусах поворота поворачивающий мо-
мент создается силой Р, плечо приложения которой определяется
положением точки, сохраняющей скорость прямолинейного движе-
ния машины до поворота. Поворачивающий момент ступенчатого
механизма поворота на промежуточных (нефиксированных) радиу-
сах определяется силами Р и Т. Причем плечо силы Т численно
равно рИ|П.
Сила сопротивления поступательному движению F остается
практически неизменной при любом радиусе поворота и может
быть принята равной сопротивлению прямолинейного движения.
Поэтому момент сопротивления повороту определяется относитель-
ным плечом qr приложения силы F.
128
Внешнее сопротивление движению на повороте может быть оха-
рактеризовано коэффициентом сопротивления повороту fno„ , кото-
рый связан с коэффициентом сопротивления прямолинейному дви-
жению fc следующей зависимостью:
f f — 7л P — Pmin \ /4
/по- /с1 p 4 Чл Чл P(nln p + ь \ '
Второе слагаемое в скобках определяет долю увеличения коэф-
фициента сопротивления прямолинейному движению за счет потерь
мощности в тормозе механизма поворота.
Для бесступенчатых механизмов поворота и для всех случаев,
когда p = pmln.
<<-7>
Изменение коэффициента сопротивления движению при переходе
от прямолинейного движения к повороту с заданным радиусом оп-
ределяется здесь соотношением qr и qn.
Параметры рт|П и qt, являющиеся кинематическими характе-
ристиками механизмов поворота, постоянны для каждой ВГМ. От-
носительный радиус поворота р и плечо qr силы сопротивления
движению изменяются вместе с изменением кривизны траектории
движения и физико-химических характеристик опорного осно-
вания*:
<7— , и k
q 2/гр В "°*’
где ц — коэффициент сопротивления повороту гусеничной машины с заданным
относительным радиусом р (коэффициент пропорциональности между поперечны-
ми касательными реакциями основания на смещение траков и нормальными си-
лами давления гусениц); Lo„ — длина опорной поверхности гусениц; ifi — ширина
колеи машины; лаоа— коэффициент, учитывающий смещение центра давления и
полюсов поворота гусениц.
Коэффициент ц при различных радиусах находится по эмпири-
ческой формуле, предложенной А. О. Никитиным:
Р-40 Ип,„/(37+ 3р).
где рт.х — максимальное значение коэффициента ц при р —= 1. определяемое
экспериментально.
Формулы (4.6) и (4.7) могут быть приведены к виду, удобному
для практического применения:
/ fc ( 1 20Иглах___ fon 1, I P Pmln \ к,
/,w, p-r7xV ’ (37 + 3p)/CB B +
у I 20|1miX A.on t _______ ,, I
A 1(37 + 3 p)/c В nnB
f ~^c L 20 Hmax ^-on h I
~ P f 7.1 I' (37 + 3p)/c
• Кристи M. К., Красненькое В. И. Новые механизмы трансмиссий. М.: Ма
шиностроенне, 1967.
9 Зак. 26 с
129
Представление обобщенного сопротивления движению в виде
коэффициента /по, позволяет оценить тяговые возможности маши-
ны при повороте.
Поворот ВГМ на местности сопровождается сложным взаимо-
действием гусеничного движителя с несущим опорным основанием.
Возникающее со стороны основания сопротивление повороту
включает в себя целый комплекс составляющих, варьирующихся в
зависимости от грунтовых условий и конструкции машины. Это
обстоятельство затрудняет аналитическое выражение момента со-
противления повороту в зависимости от физико-механических ха-
рактеристик опорного основания, параметров конструкции, кривиз-
ны траектории и скорости движения ВГМ. В настоящее время ис-
пользуются эмпирические величины и зависимости, обобщающие
особенности взаимодействия движителя с несущим основанием.
Основной такой величиной является экспериментальный коэффици-
ент сопротивления повороту ц, представляющий собой коэффици-
ент пропорциональности в формуле для определения момента соп-
ротивления повороту
Для экспериментального определения на местности коэффици-
ента ц служит обычно сама гусеничная машина. Применяемые при
этом способы широко известны. Метод динамометрирования веду-
щих колес является наиболее совершенным. Измерения моментов
на ведущих колесах, проводимые непрерывно в процессе движения
машины, позволяют определить момент сопротивления повороту и
коэффициент р на любом участке дороги при любом радиусе по-
ворота.
Разработан также косвенный (без привлечения к измерениям
самой гусеничной машины) метод определения момента и коэффи-
циента сопротивления повороту ц в полевых условиях, основанный
на физическом моделировании взаимодействия с грунтом единич-
ного трака гусеницы с учетом реальных нагрузок на него, кривиз-
ны и скорости его перемещения. Моделирование осуществляется
без изменения свойств среды (грунта) и угловой скорости поворо-
та на легком передвижном стенде — нагрузочно-сдвигающей уста-
новке (НСУ) с моделью трака конкретной ВГМ (рис. 4.10).
Стенд НСУ монтируется на бампере автомобиля и имеет при-
вод от его трансмиссии.
Влияние занижения линейной скорости перемещения трака на
ц в модельных экспериментах учитывается коэффициентом Его
значения устанавливаются при вариациях скорости перемещения
модели трака вплоть до фактических ее значений в натурном про-
цессе. Измерения производятся при установившихся режимах ра-
боты НСУ. Нагребающее действие опорных катков воспроизводит-
ся устанавливаемым на модели трака щитком.
130
При экспериментальном определении коэффициента р при за-
мене опорной поверхности гусеницы на единичный, уменьшенный в
размерах трак приняты следующие допущения:
Рис. 4.10. Схема нагрузочно-
сдвигающей установки:
I - звено гусеницы; 2 мехянизм
вертикального нагружения; 3
датчик положения; 4 — кронштейн;
.5 механизм радиального нагру
женим; 6 подвеска; 7 тенаовал;
8 датчик момента; 9 датчик
угла поворота; 10 - автомобиль
ГАЗ 66 05; II — датчик угловой
скорости; 12 редукторы; 13 — си
ловой привод
силовое взаимодейст-
вие с грунтом единичного
трака такое же, как и
при наличии соседних
траков;
влияние уменьшения
размеров трака на осадку
грунта несущественно;
принятый масштаб мо-
делирования не превыша-
ет предельного;
вертикальная и продольная касательные нагрузки, площадь на-
гребания опорных катков распределены между опорными траками
равномерно;
отсутствует занос ВГМ;
влияние кривизны траектории (выпуклость, вогнутость) при пе-
ремещении трака по отношению к вектору силы тяги несущест-
венно.
На НСУ (расстояние между моделью трака и осью вращения ме-
ханизма соответствует положению трака в опорной полуветви гусе-
ницы. Под действием радиальной силы (тяги) перемещение верти-
кально нагруженной модели трака при вращении НСУ происходит
по спирали от крайнего положения к оси вращения. Суммирова-
нием моментов сопротивления грунта по отдельным положениям
трака определяется общий момент сопротивления и затем с учетом
масштабных коэффициентов — коэффициент pmix.
Например, для линейного масштаба моделирования, равного 5,
Птах
2000 | (-♦ /Л| 4- т2 4-... + тг) 4- 4 U(£vb4t* i /,м
где т0. mi, тг...тг — моменты сопротивления грунта при отдельных заннма
гмых последовательно положениях модели трака; о)0 — угловая скорость поворо-
9*
131
та ВГМ; Lo, — опорная длина гусеницы; /»— шаг трака; м, и — индексы, обо-
значающие принадлежность параметра модели или натуре; /| — расстояние до
положений т0, mt ...; b — ширина трака.
Для определения коэффициента сопротивления, соответствую-
щего различным радиусам поворота ВГМ, необходимо найти сум-
марное внешнее сопротивление, соответствующее действительному
смещению единичных опорных траков реального гусеничного дви-
жителя, которое рассчитывается с учетом масштабного коэффи-
циента.
Зависимость момента сопротивления грунта от смещения мо-
дели трака определяется при медленном равномерном вращении
НСУ. Влияние скорости поворота устанавливается путем варьиро-
вания режимов вращения. Точность метода определения коэффи-
циента сопротивления повороту с помощью НСУ подтверждается
при сравнении полученных результатов с результатами натурных
испытаний БМП-1. Средняя относительная погрешность экспери-
ментального определения коэффициента не превышает 10 %. Экспе-
римент проводился на различных песчаных грунтах. Этот метод
определения ц может применяться и на других грунтах, кроме
сильно сминающихся при погружении в них модели трака (при
сдвиге уступа грунта устанавливаемым на модели щитком).
Полученные зависимости коэффициента ц от радиуса поворота
ВГМ (рис. 4.11) в основном соответствуют принятой в теории эм-
пирической зависимости (заштрихованная область) и лишь на
влажных грунтах отличают-
ся от нее, что указывает на
необходимость ее дальней-
шего экспериментального
уточнения.
Рис. 4.11. Зависимость относи-
тельного значения коэффициента
И от радиуса поворота R на песке
с различной влажностью U7 и по-
ристостью е:
/ — песок средний (IF — 43 Ч , • —
0.64); 2 — песок средний рыхлый
(ЯГ - 6,3 •*); 3 — задернованный песок
мелкий (IF — 10,5 Ч. • —0.82): 4 — пе-
сок средний слабозадернованный плот-
ный очень влажный: 5 — песок сред-
ний уплотненный очень влажный
Для экспресс-оценкн условии поворота ВГМ применяется
табл. 4.3.
Для существующих и проектируемых машин данные табл. 4.3
позволяют определить возможность поворота с заданным радиусом
на той или иной поверхности движения; условия, в которых возмо-
жен поворот с любым радиусом; диапазоны, в которых скорость
движения лимитируется заносом.
В критических случаях значения ц очень большие: например,
при выходе машины с поворотом из глубокой мерзлой колеи или
132
Таблица 4.3
Значения коэффнцисша сопротивления повороту для поверхностен
различного вида и состояния
Вид поверхности итах ”ри Различных состояниях материала основания
рыхлый уплотнен- ный ПЛОТНЫЙ очень ПЛОТНЫЙ мерзлый НЫЙ
Бетон Асфальт Булыжная дорога 0,3-0,45 0,3-0,5 0,6-0,8
Гравийный НЫЙ) 1 (дрссвя- грунт - - - 0,7—0,9 - —
сухой — 0.5 0,65 — — —
Песок влажный 0,65 0.8 0,7—0,8 — — —
очень влажный — — — — 0.7
сухая — — — — — —
Сулесь влажная — — — — 0.4 0,7 —*
очень влажная — — — — — —
Суглинок сухой 0,6-0.8 — — 0.7-0.9 — 0.8-10
Торф влажный - 0.5 -0.9 — — —
Снежный покров высотой 5-15 см — 05 0,4-0,5 0.2-0.4 — —
при повороте в вязком грунте. Необходимо, однако, указать на то,
что сила тяги в этом случае ограничивается сцепными возможнос-
тями гусеницы, характеризуемыми коэффициентом сцепления. Воз-
можность совершения поворота по сцеплению гусеницы с грунтом
определяется соотношением
. 2(?-Лр)
где ф—коэффициент сцепления.
При наиболее неблагоприятном по нагрузке на конструкцию со-
четании параметров (ф=1,0; /гр «0; отношение £/В=1Д) макси-
мальный коэффициент сопротивления повороту достигает значения
1,3, которое и следует рассматривать в расчетах как предельное.
Необходимая для расчетов информация о коэффициенте ртах
может представляться в виде функций его распределения по пути.
При расчете скорости движения ВГМ кроме сведений о состоянии
грунта (коэффициенты frp ицИ|Х) необходимо иметь сведения
о кривизне трассы.
133
4.3. СЦЕПНЫЕ СВОЙСТВА ГРУНТОВ
Возникновение упорных реакций грунта при касательных пере-
мещениях опорных элементов движителя определяется сцепными
свойствами грунтов, которые тем выше, чем больше упорные реак-
ции грунта и чем меньше относительное смещение гусеницы, при
котором эти реакции достигают максимальных значений. От сцеп-
ных свойств грунта зависит степень реализации тяги двигателя.
Физическая природа сцепления на различных поверхностях дви-
жения неодинакова. На дорогах с твердым и гладким покрытием
оно обусловлено внешним трением между грунтозацепами опорных
траков гусениц и материалом покрытия (например, на мерзлых или
каменистых грунтах и на льду, когда грунтозацепы не внедряются
в опорное основание). Если же давление на грунтозацепы гусениц
ВГМ достаточно для их внедрения в мерзлый грунт или лед, сцеп-
ление определяется уже не только коэффициентом трения, но и
прочностью материала основания. Для конкретной ВГМ или их се-
мейства значение коэффициента сцепления ф на льду зависит от
температуры льда и глубины погружения грунтозацепов в лед.
Экспериментальное определение коэффициента сцепления со льдом
БМП и танка Т-64А проводилось на специально подготовленном
льду при температуре воздуха 7... 12 °C (табл. 4.4).
Таблица 4.4
Экспериментальные значения коэффициента сцепления на льду
ВГМ Коэффициент сцепления
максимальный при буксовании f при заторможен- ных гусеницах Тторм поперечною сцепления *поп
БМП 0,184 0,075 0,039
Танк Т-64А 0,214 0,19 0,072
Сцепные свойства твердомерзлых грунтов могут быть почти
в два раза хуже, чем немерзлых, .и зав.исят от их вида, плотности,
состава и температуры. Сцепление конкретной гусеничной машины
можно оценить по виду грунта и обобщенному показателю его
прочности
ЛГ=2,85Л/',
где N' - показатель динамического зондирования грунта заостренным наконеч-
ником с углом при вершине 30° и площадью основания 0,5 см*, определяемый
как необходимое число ударов грузом для погружения наконечника на глубину
10 см.
Экспериментальное исследование зависимости коэффициента
сцепления БМП от обобщенного показателя прочности мерзлого су-
песчаного грунта, проведенное в Читинской области, показало, что
134
при больших значениях W коэффициент «р стабилизируется и ста-
новится равным коэффициенту трения пары сталь—грунт
(рис. 4.12). Для отдельных семейств ВГМ такие зависимости стро-
ятся с учетом различных видов мерзлого грунта, разделяемых хотя
бы укрупненно: песок, супесь, суглинок, глина.
Рис. 4.12. Зависимость коэф-
фициента сцепления <р БМП от
обобщенного показателя проч-
ности мерзлого грунта V
Устойчивое твердомерзлое состояние грунта в условиях почти
полного отсутствия снежного покрова характерно в СССР для За-
байкалья. Незначительное количество снега за зимний период (ме-
нее 10 см) выпадает также в Средней Азии. Однако песчаные
грунты в этом районе из-за малой влажности почти не изменяют
своих механических свойств, переходя в так называемое сыпуче-
мерзлое состояние. В холодном и умеренном макроклиматических
районах страны также имеет место промерзание грунта, что долж-
но приниматься в расчет конструкторами ВГМ.
Невысокие сцепные свойства имеют торфяные грунты, обычно
сопутствующие болотам. Несущая способность торфяного грунта
достаточна для удержания ВГМ на поверхности, но машины часто
застревают в болоте из-за значительного возрастания сопротивле-
ния движению, превосходящего тягу по сцеплению. Эксперимен-
тальные значения коэффициента ср при 100%-ном буксовании
ВГМ следующие:
Т-62 Т-64А Т-72 Т-80 БМП-1
в низинном травяном болоте
(с развитым дерновым
покровом, сильно разло-
жившимся торфом) глу-
биной 0,8-0,9 м . . . 0.14 0,28 0,20 0,21-0,25
на торфяной залежи (с разви-
тым дерновым покровом)
глубиной до 1 м .... — — — — 0,34—0,38
В основном ВГМ эксплуатируются на маршрутах и трассах,
проложенных по обломочным рыхлосвязанным грунтам, к которым
относятся песчано-глинистые почвы. По распространенному мне-
нию специалистов, формирование сцепления гусеницы со связными
(глинистыми) и несвязными (песчаными) грунтами соответствует
гипотезе о разрыве связи между неподвижной массой грунта и ча-
стицами, захваченными звеньями гусеницы. В соответствии с эти-
125
ми представлениями и с учетом буксования гусениц коэффициент
сцепления
+ + Н-8)
где Сгр — связность (удельное сцепление) грунта; q0 — среднее давление дви-
жителя на грунт; Ф —угол внутреннего трения; b — ширина гусеницы; Лг» —
высота грунтозацепа; /-(о) —функция буксования.
Если высота грунтозацепа Лг, ->0, то коэффициент сцепления ф
становится численно равен коэффициенту трения стали о грунт.
При максимальном значении коэффициента сцепления функция
буксования в (4.8) принимает определенные значения: 1—для
связных грунтов; 0,83...0,86 — для несвязных. Следовательно,
можно утверждать, что сцепные свойства рыхлосвязанных грун-
тов определяются двумя прочностными параметрами — сцеплением
и углом внутреннего трения. Эти параметры зависят от вида и сос-
тояния (влажности, плотности) грунта и определяются по резуль-
татам пенетрацнонных испытаний:
Сгр = Л1е/Ккр,
где Мс — максимальный момент сопротивления грунта вращательному срезу
крыльчатым наконечником пенетрометра, Н-см; Лжр — постоянная крыльчатого
наконечника, см’.
Угол внутреннего трения определяется отношением Cr(t/RK,
где /?к — сопротивление пепетрацнн грунта (рис. 4.13).
Рис. 4.13. График для определения
угла внутреннего трения связных
грунтов
Для песчаных грунтов па-
раметры Сгри Ф определяются
посредством уменьшения нор-
мативных значений из СНиП
11Б.1—62 (строительных норм
и правил) на среднеквадратич-
ное отклонение (табл. 4.5).
Обусловливающее тягу по сцеплению сопротивление грунта ка-
сательным деформациям качественно различно для песчаных и
глинистых грунтов. На глинистых грунтах оно в основном зависит
от степени увлажнения. Максимальные касательные напряжения на
глинистых грунтах твердой консистенции возникают при относи-
тельно небольших деформациях, однако они не могут быть реали-
зованы при разрушении верхнего слоя грунта, что учитывается
ограничением «сверху» расчетного коэффициента сцепления ф его
максимальным табличным значением. На размокших глинистых и
136
Таблица 4.5
Нормативные (в числителе) и расчетные (в знаменателе) значения параметров
Сгр и Ф для песчаных грунтов
Пески
Коэффициент гравелистые и крупные средней крупности мелкие пылеватые
<Г,. ♦ Сгр ф Сгр ф Сгр ф
0,41-0,5 0,02 43 41 0,03 40 Ж 0,06 0,01 38 Ж 0.08 0,02 36 Ж
0,51 0.6 0,01 40 Ж 0.2 38 Ж 0,04 0,06 0,01 34 32
0,61 -0.7 — 38 36 0,01 35 33 0,02 32 Ж 0,04 30 28
0,71 - 0.8 - - — — — 28 26 0,02 26 24
суглинистых грунтах с верхним грязевым слоем гусеница погружа-
ется в нижележащие слои грунта. Погружение сопровождается вы
давливанием грязи и повышенным буксованием. Гусеница залипа-
ет, но грязь не удерживается в достаточной степени на ее наруж-
ной поверхности, и грунтозацепы траков внедряются в нижележа-
щий (более прочный) слой грунта, касательное сопротивление ко-
торого сдвигу и сцепление его с машиной определяются параметра-
ми Ф и Сгр по результатам пенетрационных испытаний. Этот ме-
тод, как показал опыт, успешно применяется при обследовании
маршрутов движения и местности наряду с методом определения
Ф по тяге реальной машины. Средняя относительная погрешность
пенетрационного определения <р не превышает 10 % при среднеква-
дратичном отклонении погрешности 7 %.
Рис. 4.14 Функции распреде-
ления коэффициента сцепления
Ф в летний период (общая про-
тяженность маршрута 650 км)
в различных районах:
/ — Средняя Азия (100 км); 2
Белоруссия (200 км); 3 — Прибил
гика (50 км); 4 средняя по этим
районам; 5 — Украина (100 км);
6 — Закавказье (200 км)
Информация о коэффициенте сцепления необходима при оценке
возможности движения машины на местности, и в частности, при
10 Зэк. 26 с
137
оценке возможности преодоления подъемов. Полевая оценка сцеп-
ных свойств грунтов с использованием табличной информации тре-
бует систематизации наименований поверхности движения. Пос-
кольку в литературе сведения по этому вопросу разноречивы, а ка-
кие-либо нормативно-технические документы в настоящее время
отсутствуют, предполагается пользоваться классификацией, приве-
денной в табл. 4.3.
При моделировании условий движения ВГМ на местности мо-
жет быть использована информация о распределении коэффициен-
та ф, полученная во время летних экспедиций в районы эксплуата-
ции ВГМ (рис. 4.14).
4.4. ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕДЕНИИ
О МИКРОПРОФИЛЕ. ДАЛЬНОСТИ видимости
И ПРЕПЯТСТВИЯХ ПРИ ОПРЕДЕЛЕНИИ СКОРОСТИ
ДВИЖЕНИЯ ВГМ
На равнинных прямолинейных отрезках дороги с максималь-
ным сопротивлением прямолинейному движению при отсутствии
препятствий скорость движения ВГМ может достигнуть максималь-
ных значений, указанных в ТТХ. На трассах, дорожные условия ко-
торых отличаются от идеальных, скорость ограничивается плав-
ностью хода, тягой или другими факторами.
На танковых трассах в зависимости от их состояния скорость
ВГМ колеблется от 15—20 км/ч (на разбитых трассах) до
35—40 км/ч (на трассах хорошего состояния), на автомобильных
дорогах с твердым покрытием она достигает 60—65 км/ч.
Макропрофиль, включая подъемы и спуски, необходимо учиты-
вать при оценке сопротивления движению. Однако при спусках, ко-
гда коэффициент сопротивления движению принимает отрицатель-
ные значения, скорость движения ограничивается опасностью оп-
рокидывания, заноса и невозможности торможения танка в необхо-
димый момент. Обычно скорость движения на спуске принимается
равной скорости движения на подъеме того же уклона. По этой
причине макропрофиль должен рассматриваться как разновид-
ность препятствий, уменьшающих скорость движения ВГМ.
Рельеф местности, характеризуемый крутизной скатов (см.
табл. 3.1), влияет на возможность передвижения машин в задан-
ных направлениях. Очень пологие скаты крутизной до 5° легко
преодолеваются гусеничными машинами. Скаты со средней крутиз-
ной 10—20° преодолеваются с затруднением. Крутые скаты с кру-
тизной 201—30° с трудом преодолеваются гусеничными машинами
и только на малых скоростях, а скаты крутизной более 30° являют-
ся практически недоступными для всех видов гусеничных машин.
От крутизны скатов зависят возможная и допустимая скорости
движения машин. Так, например, скорость движения танков по це-
лине при сухом твердом грунте на подъем крутизной 3—5° состав-
ляет 15—12 км/ч, при крутизне 6—10° снижается до 12—10 км/ч,
при крутизне 16—20° не превышает 6—4 км/ч.
138
Серьезным препятствием движению являются крутые спуски.
Спуск по скатам крутизной до 25° осуществляется при торможении
двигателем, а при спуске по более крутым скатам (25—45°) необ-
ходимо торможение двигателем и тормозами одновременно.
Скорость движения зависит и от условий видимости на маршру-
те. Недостаток информации о дорожной ситуации вынуждает во-
дителя руководствоваться худшими из возможных обстоятельств
дорожной обстановки и формировать режим движения не всегда
оправдываемыми мерами предосторожности. При этом скорость
движения уменьшается вплоть до минимальной.
На скорость движения влияют и такие факторы, как ширина
трассы, состояние дорожного полотна, интенсивность движения,
квалификация водителя и др. При различных сочетаниях этих фак
торов степень влияния условий видимости на скорость движения
различна, но существуют некоторые общие правила, которым под-
чинено формирование оптимальных режимов движения при конк-
ретной обзорности. В частности, опытным путем установлено, что
Рис. 4.15. Распределение отрезков с раз-
личной дальностью видимости (отноше-
ние суммарной длины отрезков к про-
тяженности трассы S) на трассах:
/ — открытых; 2 — полузакрытых; 3 — за-
крытых
для обеспечения безопасности
движения при ограниченной
видимости средняя скорость
движения танка (км/ч) должна
быть нс более половины просмат-
риваемого расстояния (м). Так,
при дальности видимости 20 м
скорость движения не должна
превышать 10 км/ч, при видимос-
ти 30 м — 15 км/ч и т. д. При
дальности видимости свыше 50 м
водитель имеет возможность вы-
бирать для движения в пределах
трассы лучшие участки (с более
твердым и сухим грунтом, по воз-
можности ровные и прямолиней-
ные), своевременно подготовиться к предстоящему изменению ско-
рости, переключению передачи, выполнению поворота и др. Види-
мость трассы на расстоянии более 300 м используется водителем
для общей ориентировки в дорожной обстановке.
Отсюда следует, что количественная характеристика трассы по
условиям обзорности должна содержать сведения о распределении
отрезков, на которых дальность видимости изменяется от 0 до
250 м (рис. 4.15).
10*
139
На открытых трассах практически нет участков, на которых
скорость движения машины ограничивалась бы дальностью види-
мости, а на закрытых — таких участков более 15 %. Кривые рас-
пределения дальности видимости позволяют ответить на вопрос,
какую часть на трассах различных типов составляют отрезки, на
которых трасса впереди просматривается водителем с рабочего
места на определенное расстояние (например, на 200 м). Поль-
зуясь рис. 4.15, найдем: на открытых трассах — 90 %, на закры-
тых— 17 %, на полузакрытых— около 72 %.
Статистические характеристики трасс по условиям видимости
используются при общей опенке дорожных условий и возможных
режимов движения в различных районах. При расчетах скорости
движения на конкретно заданной трассе используются реализации
дальности видимости типа развертки, на которой выделяются от-
резки с дальностью видимости, ограничивающей скорость движе-
ния (см. рис. 3.12).
Существенно уменьшают скорость движения ВГМ искусствен-
ные и естественные препятствия.
По данным контрольных испытаний, перед крутыми и закрыты-
ми поворотами и в населенных пунктах скорость ВГМ снижается
до 15—25 км/ч, перед бродами, дамбами, переездами, мостами ог-
раниченной ширины и грузоподъемности — до 5—10 км/ч.
По данным В. А. Маринина и Ф. П. Шпака, средняя плотность
препятствий, вызывающих снижение скорости ВГМ до 15—25 км/ч,
в европейской части СССР составляет 0,481 км-1; плотность пре-
пятствий, снижающих скорость машин до 5—10 км/ч, равна
0,091 км"’. Общая протяженность одиночных препятствий состав-
ляет 4 % от длины маршрута, длина трассы в населенных пунк-
тах — 11 %, длина поворотов — 8 %.
По способу преодоления машинами реки делятся на преодоле-
ваемые вброд без специальной подготовки (глубиной до 1,2 м) и
более глубокие, преодолеваемые по дну с применением оборудова-
ния для подводного вождения танков (ОПВТ). При расчете ско-
рости движения машин это деление весьма существенно, так как
мелкие реки преодолеваются на первой передаче сходу, а на глубо-
ких реках дополнительно затрачивается время на установку спец-
оборудования.
Из климатических факторов наибольшее влияние на скорость
ВГМ оказывает снег: он забивает смотровые приборы и прицелы,
воздухозаборники силовой установки, гусеничный движитель. Так,
по данным НАТИ, при движении ВГМ по снежной целине, когда
температура окружающего воздуха выше —5 °C, происходит заби-
вание гусеничного движителя снегом. Распор гусеницы, в свою
очередь, приводит к значительному (в некоторых случаях более
чем на 150 %) возрастанию сопротивления движению.
140
Целинный снег ограничивает подвижность ВГМ уже при глуби-
не в несколько десятков сантиметров. При метровой и более тол-
щине снежного покрова движение машины становится весьма за-
труднительным или даже невозможным. В зимний период малодос-
тупными для эксплуатации ВГМ вне дорог являются не только
районы с мощным снежным покровом, но и районы, в которых
имеются значительные отложения снега в складках местности из-
за интенсивного перемещения его ветром.
Предельная глубина снежного покрова, преодолеваемая танком
в горах при крутизне скатов менее 5° — 60 ... 70 см; при 5 .. . 10°
40... 55 см; при 10... 15°—30... 45 см; при 15... 20 ° — до 25 см.
В горных районах марши ВГМ могут прерываться сходом снеж-
ных лавин на дороги. Расчистка завалов требует обычно длитель-
ного времени и применения специальных технических средств.
На постоянно эксплуатируемых трассах снег, как правило, нс
является помехой, так как при прохождении машин он постепенно
уплотняется. После прохода нескольких машин стабилизируется и
сопротивление снега их движению. Однако если уплотнение снега
гусеничными машинами происходит постепенно с перерывами, в те-
чение которых частицы снега успевают смерзаться, то его плот
ность, прочность и сопротивление деформации стабилизируются
лишь после приблизительно 80 проездов ВГМ.
141
Глава 5 УЧЕТ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ КОМПЛЕКСОВ
ВООРУЖЕНИЯ ТАНКОВ
5.1. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ
НА НЕКОТОРЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОГНЕВОЙ МОЩИ ВГМ
Огневая мощь является важнейшим боевым свойством танков
и БМП, характеризующим их способность поражать противника
в заданных условиях боевого применения (совокупность оператив-
но-тактических условий, внешней среды и способов использования
вооружения экипажами машин).
Разработана структурная схема условий боевого применения,
в которой параметры условий каждого уровня зависят от парамет-
ров условий только более высоких уровней (рис. 5.1).
Погодно-климатические и топографические условия влияют не
только на показатели огневой мощи танков и БМП, но и на такти-
ку, приемы и способы использования их вооружения.
Верхним (нулевым) уровнем является театр военных действий
(ТВД), под которым понимается определенный географический
район, в котором с достаточной вероятностью возможно ожидать
ведения активных боевых действий противостоящими группировка-
ми в случае возникновения военного конфликта. Ориентация на тот
или другой ТВД при проектировании ВГМ накладывает определен-
ный отпечаток на их тактико-технические характеристики. При
этом во внимание принимаются как факторы стратегического
и оперативно-тактического характера, так и внешняя среда, специ-
фическая для данного ТВД.
В группе погодно-климатических условий основную роль игра-
ет сезон года (лето, весна—осень, зима), характеризующийся опре-
деленными температурой воздуха, атмосферным давлением, влаж-
ностью воздуха и скоростью ветра.
От сезона года зависит продолжительность периодов суток, тип
погоды, а также фон земной поверхности. Период суток (день, су-
мерки, ночь) характеризуется распределением естественной осве-
щенности, а тип погоды — облачностью, осадками, средней проз-
рачностью атмосферы и определяемой этими факторами метеоро-
142
логической дальностью видимости (МДВ). Принято рассматривать
следующие типы погоды: ясно, дымка, облачно, туман, осадки
(дождь, снег).
1ЯА
| Atme [ ^Лгма осень | [ Зена
HtU |
/latoim- \ ,______-— , ________i___
K'^!n!ueKl | A'Mi | [
! [ Нем
Ttmtpa -
fmtat к
условие
ОгмгпиЛоХ |Л*
токтвУюше \
ЦСМвЧЯ 1 ______
сутан ' ]
vrrma | (СлосМ cnye^tv ~|
Оягдвту *]
| 6ПС
I I I MaJetiuK
Рис. 5.1. Структурная схема условий боевого применения, влияющих на огневую
мощь ВГМ
rtn/tefujtg
Средние значения основных параметров погодно-климатических
условий, учитываемых при проектировании ВГМ, приведены
в табл. 5.1.
К топографическим условиям, образующим два уровня, относят-
ся тип ландшафта и тип рельефа местности. Ландшафт определя-
ется почвенным покровом и растительностью, влияющими на фоно-
вые условия разведки цели из танка или БМП. Для массирован-
ного применения ВГМ благоприятной является равнинная и хол-
мистая местность. В горной местности действия танков и БМП воз-
можны по отдельным направлениям (вдоль ущелий, по долинам
143
Средние значения основных параметров погодно-климатических условий
Таблица 5.1
Параметр Значение параметров в зависимости от сезона, периода суток и погоды
Лето Весна—осень Зима
Вероятность се- зона Температура воздуха, °C Давление воз- духа, Па Скорость ветра, м/с 0,4 20 0,99992-105 3 0,4 5 1,01325 5 •10ь 0,2 -5 1.02658 10^ 3
День Сумерки Ночь День Сумерки Ночь День Сумерки Ночь
Вероятность пе- риода суток Освещенность, лк 0,6 4,8-10* 0,25 6 0,15 2,5-10 -4 0,4 4,2 10* 0,2 6 0,4 2,5-10-3 0,3 3,6-10* 0,15 6 0,55 2.5-10-’
Ясно Дымка Пас- мурно Туман Дожд ь Ясно Дымка Пас- мурно Туман Дождь (снег) Ясно Дымка Пас- мурно Туман Снег
Вероятность оп- ределенной пого- ды МД В, км Разброс МДВ, км 0,25 30 7 0,4 12 4 0,2 9 3 0,05 1.5 0,5 0,1 6 2 0,25 30 7 0,3 12 4 0,2 9 3 0,05 15 05 0,2 6 2 0,25 30 7 0.3 12 4 0,2 9 3 0,1 1,5 0,5 0,15 6 2
рек и т. п.). Особое значение в этом случае приобретает дальность
прямой видимости целей, в том числе расположенных высоко на
склонах (рис. 5.2).
Рис. 5.2. Распределение вероят-
ности дальности прямой види-
мости цели при наблюдении из
танка в различных топографи-
ческих условиях:
/ — равнинная местность; 2 — сла-
бопересеченная; 3 сильнопересе-
ченпая
Средние значения основных параметров топографических усло-
вий приведены в табл. 5.2 и 5.3.
Таблиц а 5.2
Вероятность определенного ландшафта в зависимости от сезона
Ландшафт Лето Весна—осень Зима
Лес 0.2 02 0.2
Трава (снег) 0.4 0.1 0.4
Почва 0,1 0,4 0,1
Дорога 0,1 0,1 0,1
Небо 0,2 0.2 0,2
Таблица 5.3
Значения основных параметров рельефа местности различного типа
Параметр Рельеф местности
равнинный ХОЛМИСТЫЙ горный (низкие и средние горы)
Вероятность 0,50 0,40 0,10
Средняя высота, м 100 250 1000
Среднее превышение соседних экстремумов, м 15 100 500
Средний угол крутизны скатов, градус 0.5 2 10
145
Специфическими условиями внешней среды, сопровождающими
боевые действия, являются пыледымовые, световые и другие поме-
хи. Эти факторы практически всегда присутствуют на поле боя. По
своей природе они являются искусственными факторами и могут
быть как случайными, хаотичными, так и организованными.
Пыледымовые помехи образуются, главным образом, при раз-
рывах снарядов, мин и других боеприпасов, при движении боевой
техники, при пожарах, дымовых завесах, при стрельбе собственно-
го оружия танков, БМП и др. Эти помехи ухудшают общую проз-
рачность воздушной среды, а также могут приводить к полному на-
рушению видимости цели на определенное время при наблюдении
в оптические и электронно-оптические приборы.
Световые помехи образуются, в основном, при вспышках выст-
релов, разрывах, а также при использовании на поле боя различ-
ных осветительных средств. Эти помехи проявляются, главным об-
разом, в ночных условиях и вызывают потерю на некоторое время
видимости цели при наблюдении в электронно-оптические приборы
некоторых типов вследствие засветки их полей зрения.
В ряде случаев световые помехи являются положительными
факторами, например, вспышки выстрелов демаскируют цель, а ис-
пользование осветительных средств повышает уровень освещен-
ности в ночных условиях.
Опыт боевого применения танков и БМП показывает, что внеш-
няя среда влияет на следующие три составляющие огневой мощи:
время поиска, быстродействие комплекса вооружения и точность
стрельбы.
Поисковые возможности танка или БМП характеризуют способ-
ность экипажа с помощью приборов наблюдения получать инфор-
мацию о месте расположения цели в пространстве (обнаружение
цели в процессе ее поиска) и ее принадлежности к определенному
типу (идентификация цели в процессе ее опознавания). При лю-
бом принципе действия приборов наблюдения (оптические, элект-
ронно-оптические, тепловизионные, радиолокационные) получение
указанной информации возможно только при определенном превы-
шении шума полезным сигналом.
В оптическом диапазоне электромагнитных волн полезным сиг-
налом является яркость цели, а сигналом шума—яркость фона. Раз-
ность этих величин составляет контраст цели с фоном. При этом
условием видимости является превышение видимого контраста це-
ли с фоном над порогом контрастной чувствительности глаза.
В тепловом диапазоне полезным сигналом и сигналом шума яв-
ляются значения температуры поверхности цели и окружающей
среды, а условие видимости цели в этом случае определяется пре-
вышением разности этих температур (температурного контраста)
над порогом чувствительности тепловизора.
Аналогичные понятия вводятся и для других диапазонов
электромагнитных волн. В зависимости от превышения контраста
над порогом чувствительности системы глаз — прибор процесс по-
146
иска и опознавания цели протекает с большей или меньшей интен-
сивностью. Иными словами, на обнаружение цели и ее нндентифи-
кацию требуется определенное время.
Таким образом, влияние внешней среды на поисковые возмож-
ности ВГМ состоит в формировании контраста цели с фоном в ди-
апазоне работы прибора наблюдения, что в конечном итоге опреде-
ляет время поиска и опознавания цели.
Основными параметрами, влияющими на контраст цели с фо-
ном, являются прозрачность внешней среды, зависящая от тина по-
годы и наличия пыледымовых помех, и естественная освещенность
поверхности земли, определяющаяся периодом суток и сезоном года.
Кроме того, на контраст цели с фоном влияют различные меры,
принимаемые противником с целью маскировки: окраска машины
под цвет фона местности, искажение температурных полей цели,
применение поглощающих покрытий и др.
Основным способом уменьшения отрицательного влияния ука-
занных факторов на поисковые возможности ВГМ является ис-
пользование при проектировании приборов наблюдения принципа
комплексировання, при котором предусматривается параллельная
работа нескольких приборов в различных спектральных областях
электромагнитных волн с выдачей информации на общее видео-
контрольное устройство.
Наряду с достаточным контрастом для обнаружения и иденти-
фикации цели необходимо, чтобы ее видимые угловые размеры
(или размеры характерных деталей) превосходили порог разреши
ющей способности системы глаз—прибор. Влияние внешних усло-
вий в данном случае проявляется через параметры макро- и микро-
профиля местности. С одной стороны, макропрофиль экранирует
часть проекции цели, уменьшая ее видимые угловые размеры, а
с другой стороны, микропрофиль и свойства грунта влияют на па-
раметры колебаний корпуса ВГМ и установленных в нем прибо-
ров наблюдения. Эти колебания ухудшают разрешающую способ-
ность системы глаз—прибор, что, в свою очередь, уменьшает интен-
сивность и увеличивает время поиска и опознавания цели.
Основным показателем быстродействия комплекса вооружения
танков и БМП является среднее время подготовки и производства
выстрела. Этот показатель формируется из времени выполнения
отдельных операций с учетом их возможного совмещения. Внеш-
ние условия влияют на продолжительность отдельных операций,
главными из которых являются:
обнаружение цели стреляющим членом экипажа после целеука-
зания;
наведение прицельной марки на цель и измерение ее дальности
уточнение наводки.
Продолжительность этих операций, требующих визуального на-
блюдения за целью через прицел, увеличивается вследствие умень-
шения коэффициента пропускания атмосферы из-за метеоявлеиий
147
и пыледымбвых помех, перерывов в наблюдении, вызванных пыле-
дымовыми помехами, засветкой поля зрения электронно-оптическо-
го преобразователя ночных прицелов, полным экранированием цели
неровностями рельефа и растительностью, а также вследствие вы-
хода зрачка глаза наблюдателя за пределы зрачка прибора при ко-
лебаниях корпуса ВГМ на неровностях микрорельефа. Кроме того,
микрорельеф местности, прозрачность атмосферы и пыледымовые
помехи могут вызывать значительное снижение вероятности досто-
верного измерения дальности цели лазерным дальномером, поэто-
му требуется многократное повторение данной операции, а это уве-
личивает ее продолжительность.
На остальные операции подготовки выстрела параметры внеш-
них условий прямого влияния не оказывают.
Точность стрельбы характеризует способность комплекса во-
оружения ВГМ обеспечивать доставку средств поражения в задан-
ную область пространства. При стрельбе прямой наводкой эта об-
ласть совпадает с видимой проекцией цели на вертикальную плос-
кость, перпендикулярную плоскости стрельбы. Влияние парамет-
ров внешней среды на точность стрельбы проявляется в изменении
траектории полета снаряда относительно заданной.
Основным показателем точности стрельбы является вероят-
ность попадания в цель с первого выстрела, которая, в свою оче-
редь, определяется размерами и формой проекции цели, а также
погрешностями наведения, которые обусловлены множеством фак-
торов и, в частности, параметрами внешних условий.
Физическая сущность влияния внешней среды на точность
стрельбы заключается в изменении составляющих и суммарной по-
грешностей выстрела. Как правило, в этом случае погрешности воз-
растают, и точность стрельбы падает, хотя в некоторых случаях
совместное влияние нескольких факторов может вызвать их умень-
шение.
Такие параметры внешней среды, как температура, влажность
и давление воздуха, являются медленно изменяющимися фактора-
ми, влияющими на математическое ожидание погрешности выст-
рела. Для уменьшения этих величин необходимо повышать точ-
ность датчиков указанных параметров и алгоритмов вычисления
углов прицеливания, реализованных в баллистических вычисли-
телях.
Погрешность выстрела, зависящая от скорости ветра, имеет две
составляющих: постоянную, которая характеризует точность изме-
рения скорости ветра в месте расположения ВГМ, и переменную,
вызванную флуктуациями силы и направления ветра по траекто-
рии полета снаряда, которая характеризует непоказательность из-
меренного значения. Первая составляющая проявляется в виде
математического ожидания, а вторая — в виде среднеквадратично-
го отклонения погрешности. Для уменьшения второй составляющей
необходимы принципиально новые датчики ветра, позволяющие из-
мерять его скорость по всей длине траектории полета снаряда.
148
Совокупность воздействия температуры воздуха, прямого сол-
нечного излучения, ветра, осадков и ряда других факторов приво-
дит к появлению статической кривизны ствола пушки, которая
смещает центр группирования точек попаданий снарядов относи
тельно точки прицеливания. Для уменьшения этого фактора при-
меняются теплозащитные покрытия стволов и специальная техно-
логия их изготовления.
Колебания корпуса ВГМ, вызванные неровностями микропро-
филя, способствуют возникновению погрешностей вибрационного
рассеивания и увеличению погрешностей стабилизации пушки,
проявляющихся в виде среднеквадратичных отклонений и увеличи
вающих эллипс рассеивания.
Приведенные примеры влияния параметров внешней среды на
показатели огневой мощи ВГМ не исчерпывают все стороны этого
вопроса. Так, например, ошибки измерения параметров метеоусло-
вий могут привести к ошибочному определению времени полета
снаряда, что при дистанционном подрыве уменьшит вероятность
поражения цели, т. е. снизит не только точность стрельбы, но и
могущество действия снаряда и др.
Правильный учет параметров внешней среды при проектирова
нии комплексов вооружения танков и БМП позволяет сохранить
показатели их огневой мощи на заданном уровне в любых услови-
ях боевого применения.
5.2. ДАЛЬНОСТЬ ВИДИМОСТИ ЦЕЛИ
Под видимостью принято понимать возможность визуального
наблюдения удаленных объектов. В настоящее время создаются
технические средства разведки, расширяющие возможности челове-
ка по обнаружению цели и обеспечивающие круглосуточное наблю-
дение за противником при любых метеорологических условиях.
Это стало возможным за счет использования широкого спектра
электромагнитных волн от видимого до сантиметрового диапазона,
определяющего основные характеристики конкретных приборов
(дальность действия, разрешающую способность, помехозащищен-
ность). Оптико-механические приборы, работающие в более ко-
ротковолновой части спектра, характеризуются меньшей дальнос-
тью действия, низкой помехозащищенностью, но имеют высокую
разрешающую способность. У приборов ночного видения, теплови-
зоров и радиолокационных средств по мере увеличения длины вол-
ны возрастает дальность действия, улучшается помехозащищен-
ность, но ухудшается разрешающая способность.
Как физическая величина видимость может быть охарактеризо-
вана либо степенью различимости характерных элементов объекта
наблюдения, либо дальностью видимости, т. е. расстоянием, на ко-
тором объект может быть обнаружен.
119
Степень видимости V объекта представляет собой отношение
наблюдаемого контраста К к порогу контрастной чувствительности
е человеческого глаза:
V=K/i. (5.1)
За порог контрастной чувствительности зрения принимается на-
именьший наблюдаемый контраст объекта, позволяющий выделить
его на окружающем фоне. В различных режимах наблюдения зна-
чение е даже для одного наблюдателя не остается постоянным.
Так, например, при удалении объекта от наблюдателя в полевых
условиях, т. е. при фиксированном зрении, когда глаз непрерывно
следует за объективом и реагирует на его исчезновение, е|1СЧ =0,02.
При нефиксированном зрении, т. е. в режиме поиска и обнаруже-
ния цели, еигч =0,04. Если принять максимально допустимый конт-
раст за единицу, то возможная степень видимости 0^У^50.
Порог распознавания типа обнаруженного объекта
ер = (3...4)е(цч. (5.2)
Степень видимости объектов позволяет также оценить степень
их маскировки М, так как между величинами V и М существует
обратная зависимость:
V - ЛТ-'. (5.3)
Для того чтобы определить какие характеристики внешней сре-
ды и как именно влияют на эффективность приборов наблюдения
и средств маскировки, необходимо проанализировать процесс об-
наружения наземных объектов. Потенциальные возможности сов-
ременных приборов в основном ограничены характеристиками си-
гналов разрешаемого участка земной поверхности (фона) и поме-
хами на трассе распространения волны. Процесс обнаружения
ВГМ средствами технической разведки состоит в выделении сигна-
лов цели на фоне мешающих сигналов земной поверхности, кото-
рые носят случайный характер. Появление цели, ее координаты, ра-
курсы и углы места являются для наблюдателя также случайными
событиями. Поэтому процесс обнаружения может быть адекватно
описан лишь с применением методов математической статистики.
Решение о наличии или отсутствии цели принимается с той или
иной вероятностью, определяющей качество обнаружения. Если
обозначить через A, Ai условие и решение «цель есть», а В, В\ со-
ответственно условие и решение «цели нет», то возможны четыре
варианта совмещения случайных событий «решения» и «условия»:
Л|Д — правильное обнаружение;
В\А — пропуск цели;
А[В — ложная тревога;
В\В — правильное необнаруженис.
Если каждому ошибочному решению присвоить некоторый весо-
вой коэффициент (стоимость ошибки), то систему обнаружения
150
можно охарактеризовать средней стоимостью или средним риском
(математическим ожиданием стоимости) ошибочных решений:
^-г(ПР(^А) + г10Р(Д,5),
где Р(В\А), P(AiB) — вероятности совместного осуществления событий BtA,
Д|В; г0| — стоимость пропуска цели; г10 — стоимость ложной тревоги.
Ввиду того, что в задачах обнаружения Р(А) и Р(В) практи-
чески всегда неизвестны, невозможен и расчет вероятностей сов-
мещения P(BtA) и Р(А\В). Поэтому при создании и испытаниях
средств обнаружения и маскировки используют условные вероят-
ности, которые являются качественными показателями обнаруже-
ния. Условные вероятности отражают физический смысл процесса
обнаружения и позволяют определить или задать характеристики
прибора обнаружения вне зависимости от частной, конкретной си-
туации.
Качественными показателями обнаружения при условии нали-
чия цели являются условные вероятности правильного обнаруже-
ния Pn=P(Ai/A) и пропуска цели Pn=P(Bt/A), а при отсутствии
цели условные вероятности ложной тревоги Pa = P(Ai/B) и пра-
вильного необнаружения P„ = P(BJB).
Очевидно, что
рп д_рп = рл + рл_ 1.
Обработка информации производится по выбранным критери-
ям с учетом аналитических зависимостей, позволяющих обнару-
жить цель на разных фонах и в различных условиях.
Максимальная дальность видимости цели ограничивается гео-
графическим, физическим и топографическим пределами и метео-
рологическими условиями.
Открытая местность улучшает возможность наблюдения и за-
трудняет маскировку; на закрытой местности, наоборот, наблюде
ине затруднено, а маскировка практически обеспечивается пол-
ностью Полузакрытая местность затрудняет условия наблюдения
и способствует маскировке.
Влияние топографической дальности видимости на поиск цели
исследуется по крупномасштабным топографическим картам пос-
редством построения профиля (вертикального разреза) местности
в направлении визирования, с помощью съемки местности с приме
нением геодезических инструментов и по результатам аналитичес-
ких расчетов с разработкой математической модели рельефа мест-
ности.
Параметрами, характеризующими условия топографической ви-
димости, являются:
предельная дальность видимости /пр. т. е. расстояние по прямой
от точки наблюдения до такой точки, где наземная цель наблю-
даться не может (для каждого профиля местности I пр имеет единс-
твенное значение, зависящее от рельефа, высоты и расположения
151
местных предметов, а также выбора позиции наблюдения. При ну-
левой высоте точки наблюдения на открытой равнинной и холмис-
той слабо- и среднепересеченной местности /пр колеблется от 7 до
12 км; с увеличением высоты точки наблюдения от 0 до 25 м /пр
возрастает в 1,5—2 раза, затем увеличивается незначительно, по-
скольку начинает сказываться кривизна Земли);
дальность непрерывной видимости /я, т. е. расстояние по прямой
от точки наблюдения до первой точки местности, за которой наб-
людение цели прерывается (этот параметр на открытой местности
достигает 2 км и при подъеме точки наблюдения до 100 м увеличи-
вается в 1,4—1,7 раза);
протяженность видимых (/.) и закрытых (/,) участков, опре
деляемая посредством разбивки профиля местности вдоль линии
визирования на наблюдаемые и закрытые от наблюдения участки
(от этих параметров зависит продолжительность пребывания дви-
жущейся цели в поле зрения прибора наблюдения; обычно бывает
от 1 до 10 видимых участков и такое же количество невидимых;
с подъемом точки наблюдения количество и размеры видимых
участков увеличиваются, а невидимых — уменьшаются).
Разработка математической модели рельефа местности обычно
сводится к набору достаточно большого статистического материа-
ла по топографическим вертикальным профилям местности различ-
ных районов. По результатам обработки этого материала строят-
ся гистограммы, которые аппроксимируются либо степенной функ-
цией, либо полиномом. Такие модели используются только для
конкретных условий, и, кроме того, параметры законов распределе-
ния вероятностей дальности видимости на их основе не могут быть
выражены через числовые характеристики в явном виде. Некото-
рые исследователи пытаются обойти эти затруднения, используя
несколько распределений, состыкованных для различных началь-
ных условий. Так, например, А. Д. Зорькин предлагает при высоте
точки визирования от 0 до 25 м использовать экспоненциальный
закон, а при высоте от 25 до 200 м — нормальный.
Можно предложить аналитическую модель, базирующуюся на
допущении о том, что координаты неровностей рельефа распреде-
лены по нормальному закону с параметрами oti, 0t. а высота точки
наблюдения с параметрами аг, 0г- При этом определение закона
распределения вероятностей дальности видимости сводится к на-
хождению плотности вероятности длины плоского вектора, компо-
ненты которого независимы и распределены нормально. Кроме то-
го, следует учитывать, что линия визирования может находиться
равновероятно в любом ракурсе наблюдения в пределах от 0 до 2л.
С учетом правил преобразования случайных величин плотность
вероятности распределения дальности видимости примет вид
(5-4)
где а V af 4- a|; 'л (0| + &)/2; /0 — функция Бесселя нулевого порядка от
мнимого аргумента.
152
Из рис. 5.3 видно, что при малых значениях отношения а/fi за-
кон распределения переходит в экспоненциальный, а при больших—
нормализуется, что полностью совпадает с моделью, предложен-
ной А. Д. Зорькиным, и показывает, что выражение (5.4) обобща-
ет известные результаты. Таким
образом, при выработке требова-
ний к средствам технической раз-
ведки топографические характе-
ристики дальности видимости
можно задавать в виде числовых
характеристик закона распреде-
ления (5.4), что позволяет опреде-
лить их влияние на эффектив-
ность приборов наблюдения (с
учетом предельной дальности ви-
димости )и приборов управления
оружием (с учетом непрерывной
дальности видимости).
w(l)
0,8
0,6
0,4
0,2
Рнс. 5.3. Плотность вероятности распре-
деления топографической дальности ви-
димости Г.
/Р-
•/?
49
Физический предел дальности видимости определяется:
демаскирующими признаками объекта (размеры, форма, яр-
костный и цветовой контраст, интенсивность излучения и способ-
ность отражать электромагнитную энергию);
принципом работы и характеристиками средств технической
разведки;
излучательными и отражательными характеристиками подсти-
лающей поверхности (наземного фона);
поглощающими характеристиками среды распространения
электромагнитных волн, т. е. влиянием атмосферы.
Изучение аномалий распространения электромагнитных волн
в атмосфере позволяет учесть (^граничения, накладываемые свой-
ствами среды, при разработке приборов обнаружения. Ослабление
мощности электромагнитной волны в атмосфере обусловлено пог-
лощением ее газовыми компонентами и аэрозольным рассеянием
(изменение направления .распространения волны).
Максимальная дальность действия радиолокационной станции
(РЛС) в свободном пространстве с учетом затухания волн
/т.ж /ою.х-Ю-оо5в'">«. (5.5)
где /0 т«» — дальность действия РЛС в свободном пространстве при отсутствии
затухания, км; а—суммарный коэффициент затухания радиоволн за счет погло-
щения и рассеяния, дБ/км.
153
Это уравнение является трансцендентным и может быть реше-
но методом последовательных приближений либо графически. Для
облегчения решения целесообразно представить (5.5) в виде сле-
дующей зависимости
<5-6>
где Ki •» /щах/^о max
Зная значения а и /втах по графику, приведенному на рис. 5.4,
можно определить отношение Ki, позволяющее найти /тах для
конкретных условий.
Рнс. 5.4. Относительное уменьшение дальности действия РЛС за счет затухания
радиоволн в атмосфере
Дождь, туман, пыль являются помехами для использования
дальномеров с лазерным излучателем. Отражение света от дожде-
вых капель, тумана, пыли, создает помехи, а иногда и выработку
ложных измерений дальности. Неправильные измерения дальности
лазерным дальномером могут явиться следствием отражения луча
от рядом стоящих предметов, деревьев, кустов и др.
5.3. ОПТИЧЕСКИЕ И РАДИОЛОКАЦИОННЫЕ ФОНЫ МЕСТНОСТИ
Чтобы обнаружить цель на каком-то фоне, необходимо знать
признаки, характерные для сигналов цели и фона, по которым их
можно отличить друг от друга. Вероятность правильного обнару-
жения тем больше, чем больше число отличительных признаков и
чем больше их известно заранее. Обычно заранее известна только
вероятность наличия тех или иных признаков, особенно фонов, ко-
торые, как правило, бывают случайными. Помехи, создаваемые си-
гналами фона, в основном определяются уровнем отражения или
излучения разрешаемого участка подстилающей поверхности (на-
земного фона).
154
Обнаружение цели основано на различных критериях, миними-
зирующих ошибочность принятого решения. Вероятность ошибоч-
ных решений зависит от закона распределения мешающего сигна-
ла фона. Проиллюстрируем это на простейшем примере, предло-
женном Я. Д. Ширманом.
Пусть нужно обнаружить постоянный сигнал а на фоне поме-
хи п, когда на вход прибора поступает суммарный сигнал у =
= a-j-n, либо сигнал помехи у = п. Сигнал помехи распределен по
нормальному закону с нулевым средним и дисперсией о2. При от-
сутствии сигнала цели плотность вероятности сигнала фона
(57>
а при наличии сигнала цели —
ех₽ [-(Г2^"]
(5.Н)
(так как добавление постоянной составляющей а смещает центр
распределения, но не изменяет рассеяния).
Введем понятие отношения (или коэффициента) правдоподобия
Л, под которым понимается отношение плотностей вероятностей
одной и той же реализации у при двух условиях: когда на входе
прибора обнаружения присутствуют сигналы цели и помехи и ког-
да присутствует только сигнал помехи. Этот параметр показывает,
какую гипотезу при наличии двух взаимоисключающих условий
(наличия или отсутствия цели) следует считать более правдопо-
добной. Так, решение о наличии сигнала цели принимается, если
отношение правдоподобия превышает пороговое значение Ло, в про-
тивном случае принимается решение о его отсутствии. Отношение
правдоподобия
(5.9)
где т) — а1/®* — отношение «сигнал—помеха».
Зависимость Л (у) для а>0 (рис. 5.5) показывает, что условие
Л(</)>Ао эквивалентно условию у>уо, а условие A(i/)<A0 —ус-
ловию у<Уо\ величину у0 будем поэтому называть порогом. Тогда
при а>0:
1, если у>уо (цель есть);
О, если у<.Уо (цели нет).
^ОПТ (у)
где ЛОпт(//) — оптимальное решение о наличии или отсутствии цели.
155
Условные вероятности правильного обнаружения Рп и ложной
гревоги Рл имеют смысл попадания случайной величины у в ин-
тервал уо<У<.<х> (рис. 5.6) при условии «сигнал—помеха» или
Рис. 5.5. Зависимость
коэффициента прав
доподобия А(^) от
уровня сигнала у
°нс. 5.6. Условные плотности вероятностей:
I — <1/1. отсутствие сигнала цели: 2 ^ц+ф <*>.
наличие сигнала цели
«помеха» и соответствуют заштрихованным площадям под кривы-
ми 2 и / соответственно. При заданном уровне помех условная ве-
роятность ложной тревоги Рл зависит только от порога у0:
р.- J J Cxp(-4)’rfS 4-|‘ -ф(т-)Ь <510>
где Ф- J exp -jj-J dS — интеграл вероятности (рис. 5.7).
Таким образом, порог можно выбирать непосредственно по за-
данной вероятности ложной тре-
воги, что позволяет обойтись без
априорных данных о наличии или
отсутствии сигнала цели при
проектировании аппаратуры.
Условная вероятность правиль-
ного обнаружения Р„ соответст-
вует площади под кривой №(|)ф (у)
правее абсциссы у0:
Рис. 5.7. График интеграла вероятности
P.-f UZ.44,(y)rfy--±= f exp(-^)dS = 4-[l-®(^)]
k 1 ' (у» - «)
156
или, в силу нечетности Ф(х) = —Ф(—х), окончательно имеем
(5.Ч)
При заданном уровне помех величина Ра зависит не только от
порога уо, но и от сигнала цели. Вместе с тем величина Рл при
заданном пороге у0 зависит и от вида закона распределения сигна-
ла наземного фона. Так, если имеет распределение сигнала фона
с длинным правым «хвостом», то при том же пороге у0 значение
Рл возрастает, т. е. для сохранения заданного уровня Рл при каж-
дом виде распределения сигнала наземного фона необходимо уста-
навливать свой порог обнаружения.
Аналитическое описание фонов значительно затруднено. Пред-
принимаются попытки разработать статистические методы описа-
ния фонов, аналогичные описанию случайного электрического шу-
ма во времени, с использованием спектра мощности шума, т. е. за-
висимости среднего квадрата напряжения шума от частоты.
Земная поверхность излучает отраженный и рассеянный сол-
нечный свет, а также собственный тепловой поток. Достигая по-
верхности земли, лучи солнца частично поглощаются, а частично
отражаются в окружающее пространство. Отражение, при кото-
ром угол отражения равен углу падения потока, принято называть
зеркальным. Равномерное отражение во всех направлениях, неза-
висимое от направления падающего потока, называется диффуз-
ным или рассеянным. Наземный фон обычно формируется обеими
составляющими, которые характеризуются коэффициентом отра-
жения р, представляющим собой отношение отраженного потока
к падающему. Для монохроматического потока вводится понятие
спектрального коэффициента отражения рл.
При Х<3...4 мкм большая часть излучения земной поверхнос-
ти обусловлена отраженной энергией, интенсивность которой зави-
сит от положения солнца, облачности и коэффициента отражения
фона. Экспериментальные данные показывают, что диффузное от-
ражение от реальных земных поверхностей неортотропно. Поэтому
альбедо фона зависит как от условий освещенности (положения
солнца), так и от направления визирования. Напомним, что аль-
бедо определяется отношением потока излучения, отраженного по-
верхностью в полусферу, к падающему потоку. Хорошо известно,
что альбедо имеет минимальное значение в полуденные часы (при
большой высоте солнца). Согласно результатам измерений
К. Я. Кондратьева, для почвы и растительного покрова спектраль-
ное альбедо в зависимости от положения солнца может изменять-
ся почти вдвое.
Зависимость коэффициента отражения от различных фоновых
образований крайне разнообразна. По В. В. Шаронову, можно вы-
делить следующие характерные группы:
157
нейтральная— лишенная ярко выраженного хода по спектру
(это снег, характеризующийся практически незаметным возраста-
нием р с увеличением длины волны; асфальтовые дороги и некото-
рые горные породы);
желто-красная — при которой происходит монотонное повыше-
ние р от фиолетового к красному, фон при этом может иметь цвет
от серого (характерного для первой группы) до желто-красного
(это поверхности, лишенные зеленой растительности: обнаженные
почвы, пески, выжженные солнцем луга й болота, зрелые посе-
вы и др );
зеленая — характеризующаяся сложным видом кривой коэф-
фициента отражения: при Х = 0,4...0,5 мкм р меняется мало (не-
значительное повышение), начиная с 1 = 0,5 мкм наступает быст-
рый подъем, и при X = 0,55 мкм р достигает максимума, что опре-
деляется зеленым цветом растительности, затем р снижается, до-
стигая минимума при Х=0,68.. .0,69 мкм, что соответствует полосе
поглощения хлорофилла; от Х«=0,7 мкм происходит крутое возрас-
тание р, достигающее максимума при 1 — 0,8 мкм; абсолютное зна-
чение р на этом участке спектра очень велико и достигает 0,6.
У различных видов растительности ход кривой коэффициента
отражения разный. Так, для свежей сочной травы кривая крутая
с большими значениями перепадов, такая же кривая характерна
для молодой листвы берез и осин, для хвойных же пород она более
плавная.
Большинство наземных ландшафтов характеризуется наличием
различной растительности одновременно, и их классификация про-
изводится по преобладающему фону (цвету).
Рис. 5.8. Зависимость спек-
тральных коэффициентов отра-
жения р различных видов на-
земного фона от длины волны
излучения Л:
/ снежный ландшафт; i — зеле-
ная растительность; 3 сухая рас-
тительность; 4 — Песчаник; 5 суг-
линок; 6 чернозем; 7 — болото
Согласно Фаасу, мож-
но выделить три основные
группы реального назем-
ного фона;
нейтральный — с пре-
обладанием компонентов
с нейтральной отража-
тельной способностью
(зимний ландшафт);
желтый (панхроматический) — с преимущественно выжженой
растительностью, обнаженными почвами и горными породами и
средним коэффициентом отражения, монотонно возрастающим по
спектру;
158
зеленый (ортохроматический) —с абсолютным преобладанием
зеленой растительности (луга, кустарники, леса и др.), при этом
средний коэффициент отражения имеет максимум в зеленой части
и минимум при Х=0,68.. .0,69 мкм; значение р в красной области
спектра достаточно высоко.
Зависимость средних значений спектральных коэффициентов
отражения различных видов наземного фона от длины волны излу-
чения показана на рис. 5.8.
Собственное тепловое излучение наземного фона определяется
коэффициентом излучения и температурой. Под коэффициентом
излучения понимается отношение яркости данного источника излу-
чения к яркости черного тела при одинаковой температуре. Спект-
ральная кривая излучения наземных фонов соответствует кривой
излучения черного тела при температуре рассматриваемого фона.
Средние значения коэффициентов излучения различных видов на-
земного фона приведены в табл. 5.4.
Таблица 5.4
Коэффициенты излучения наземного фона в различных
спектральных диапазонах
Покрыв
Листья:
сухие
спрессованные
зеленые
Хвойные зеленые ветки
Трава сухая
Древесная кора
Песок (разный)
Коэффициенты мэлученнм в
спектральных интервалах, мкм
1.8 . . . 2.7 3 ... 5 8 . . . 13
0.82 0.94 0.96
0.58 0,87 0,92
0.67 0.90 0,92
0.86 0.96 0,97
0.62 0,82 0,88
0.75. .. 0,78 0.87. .. 0,90 0,94 . .. 0.97
0,54 . .. 0,62 0,74. .. 0.82 0,93. ..0.98
При статистических методах описания теплового излучения на-
земного фона приходится иметь дело с двухмерными спектрами,
так как фоновые ситуации случайны в пространстве и во времени.
Учитывая, что коэффициенты излучения наземного фона при
длине волны 2—14 мкм близки к единице, тепловое излучение фона
можно считать функцией температуры. При этом излучение опреде-
ляется распределением температуры по поверхности, и фон может
быть рассмотрен как двухмерное случайное поле яркости.
Рассмотрим излучающую плоскость с распределением лучистос-
ти (энергетической яркости) В (у, z). Координаты у и г некоторой
159
точки в прямоугольной системе координат выберем так, чтобы
плоскость YOZ была перпендикулярна заданному направлению.
Л. 3. Криксуновым показано, что, применяя преобразование Фурье,
можно перейти к новым переменным, которые обратны периодам
гармоник, описывающих распределение лучистости фона вдоль на-
правлений у и z. Эти переменные по аналогии с частотой в обще-
принятом смысле, когда функция зависит от времени, называют
пространственной частотой.
Распределение лучистости можно представить как бесконечное
множество различных гармонических составляющих, что позволя-
ет использовать понятие пространственно-частотного спектра.
На практике все многообразие наземного фона классифициру-
ется на так называемые типовые ансамбли. При этом предъявля-
ются определенные требования к допускаемым значениям парамет-
ров фоновых ситуаций, входящих в каждую группу ансамбля.
В целях упрощения математических преобразований при анали-
зе и исследованиях случайную функцию лучистости полагают ста-
ционарной и распределенной по нормальному закону. Многочис-
ленные исследования подтверждают правомерность таких допуще-
ний, особенно при относительно небольших углах визирования.
Одновременные реализации лучистости наземного фона получа-
ют экспериментально построчным сканированием участка фона.
Полагая процесс стационарным и эргодическим, корреляционную
функцию можно получить по одной реализации случайной функции
В (у, z) при достаточно большой площади, в которой она задана.
Затем, пользуясь преобразованием Фурье, можно определить
спектр Хинчнна—Винера. В ка-
честве примера на рис. 5.9 приве-
дены одномерная корреляционная
функция яркости /С(г) лесного
массива и ее спектр S(<o). Для
стационарных и изотропных слу-
чайных функций лучистости на-
земного фона переход к двухмер-
ному пространственно-частотно-
му спектру может быть осуществ-
лен введением постоянного мно-
жителя 2л, что позволяет считать
Рис. 5.9. Одномерная корреляционная
функция яркости лесного массива К (г)
(/) и ее спектр $(о>) (2)
кривые, приведенные на рис. 5.9, одномерными разрезами искомых
функций. Полное двухмерное изображение функций получается при
вращении одномерных разрезов относительно оси ординат.
Как упоминалось выше, по отражающим свойствам наземные
фоны делятся на группы, для каждой из которых можно построить
160
зависимость средних значений спектрального коэффициента отра-
жения р от длины волны (см. рис. 5.8). Эти зависимости являются
исходными для расчета контраста при проектировании приборов
наблюдения и средств маскировки, а также при их испытаниях
с целью оценки эффективности. Типизация фонов по их отража-
тельным характеристикам может быть укрупненной (по всей тер-
ритории) или частной (по району проведения испытаний). Следу-
ет учитывать и в том и в другом случае вероятность попадания
ВГМ на типовой фон. В первом приближении (с определенными
допущениями) такая вероятность может быть рассчитана посредст-
вом определения относительных площадей, приходящихся на долю
каждого типового фона в данном районе. Коэффициенты излучения
(см. табл. 5.4), дополненные реализациями лучистости наземных
фонов, характеризуют их оптические свойства, которые учитывают-
ся при разработке радиолокационной аппаратуры.
Радиолокационное отражение от наземных фонов имеет более
длинноволновую область спектра электромагнитных волн и направ-
лено в сторону излучения зондирующего сигнала, причем отраже-
ние от земной поверхности зависит от параметров радиолокацион-
ной аппаратуры. Отражающие свойства любой радиолокацион-
ной цели (в том числе и наземного фона) количественно оценива-
ются эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР), т. е. площадью
поперечного сечения такого фиктивного отраженного потока, уста-
новленного в месте расположения цели, которое изотропно рассеи-
вает всю падающую на него энергию и создает в точке приема та-
кую же плотность потока, как и реальная цель. Использование по-
нятия ЭПР весьма удобно. Так, в случае отражения от шара, ра-
диус которого больше длины волны зондирующего сигнала, ЭПР
в точности совпадает с силуэтной площадью. Однако в подавляю-
щем большинстве случаев ЭПР тел сложным образом зависит от
их размеров и, как правило, изменяется с длиной волны. Поэтому
площадь, равная ЭПР тела, не может быть определена по геомет-
рическим размерам тела. Тем не менее формальное математическое
определение ЭПР широко используется в радиолокации:
3 =Hm4KZ’ljbltl1 (5.12)
I Фпал I
где |фо,р| — плотность потока отраженного поля в точке приема на расстоянии
I от тела; |4>П1Д| — плотность потока падающей плоской волны поля в месте
расположения тела.
ЭПР измеряется в квадратных метрах. На практике часто ис-
пользуется и относительная ЭПР, выраженная в децибеллах:
U6|=101ga[M2].
11 Зак. 26 с
161
Для пересчета используется график, приведенный на рис. 5.10,
или основное уравнение радиолокации
Рар (4 *)’/•
3 “
= х/«,
(5.13)
где Path Ра» — принимаемая и излучаемая мощность; G — коэффициент усиления
антенны радиолокатора; площадь антенны.
Это уравнение свидетельствует о зависимости ЭПР от пара-
метров радиолокатора. Радиолокатор принимает в каждый момент
времени отраженный сигнал от разрешаемого участка поверхности
(рис. 5.11). Рассмотрим формирование ЭПР наземного фона при
Рис. 5.10. График взаимосвязи ЭПР,
измеренной в квадратных метрах и
децибелах
Рис. 5.11. Формирование разрешае
мого участка поверхности (фона) в
вертикальной и горизонтальной пло-
скостях
облучении поверхности земли антенной радиолокатора под углом
места 0. Определим геометрические размеры поверхности, участ-
вующей в формировании отраженного сигнала, считая, что стан-
ция работает в импульсном режиме. Если ширина главного лепест-
ка диаграммы направленности антенны по уровню половинной
мощности равна фоь, то при среднем расстоянии до отражающего
участка Zcp ширина последнего определяется как произведение
/Срфо,:>- Длина участка будет равна -у1 sec 0, где с — скорость рас-
пространения электромагнитных волн, ти—длительность зондиру-
ющего импульса, 0 — угол места. Тогда геометрическая площадь
разрешаемого участка наземного фона
5 = 4,?..,^ sec В. (5.14)
Выражение (5.14) показывает, что параметры радиолокатора и
дальность лоцируемого участка наземного фона влияют на пло-
щадь разрешаемого участка, а следовательно, и на его ЭПР.
162
С целью исключения этого влияния на практике пользуются удель-
ной ЭПР (со), обычно равной эффективной поверхности рассеяния
одного квадратного метра распределенной цели. Вводя эту величи-
ну в формулу (5.14), можно найти истинное значение ЭПР опре-
деленного наземного фона в интересующих условиях.
Наиболее существенным фактором, влияющим на удельную
ЭПР наземного фона, является степень его шероховатости. В соот-
ветствии с критерием Рэлея, поверхность считается гладкой, если
выполняется условие
Л81пН<Х/8, (5.15)
где Л — высота гребня неровности.
Для радиолокаторов сантиметрового диапазона большая часть
наземных фонов является шероховатой поверхностью, диффузно
отражающей радиоволны. В этом случае, в отличие от оптическо-
го диапазона длин волн, часть поверхностей является зеркально
отражающей. Наземный фон состоит из отражателей малопод-
вижных и хаотически перемещающихся под действием ветра. От-
ражение от земной поверхности, покрытой растительностью или
песками, состоит из ярко выраженного постоянного сигнала (ко-
герентная составляющая), и сигнала, флюктуирующего по ампли-
туде и фазе (некогерентная составляющая).
Учитывая, что ЭПР пропорциональна мощности или квадрату
огибающей отраженного сигнала, вначале рассмотрим закон рас-
пределения вероятностей огибающей. Пусть наземный фон состо-
ит из множества произвольно расположенных независимых хаоти-
ческих отражателей и содержит в своем составе элемент, дающий
стабильный отраженный сигнал, амплитуда которого превосходит
суммарный сигнал от других элементов (блестящая точка). Это
случай слабо флюктуирующего фона. Если же стабильный сигнал
отсутствует, то фон является сильно флюктуирующим. Огибающая
результирующего сигнала от такого фона описывается уравнением
Еф = л cos ш/ ! cos (<ot — ?ft) , (5.16)
где а — амплитуда сигнала блестящей точки; Еф* — амплитуда сигнала Л-го эле-
мента; ф* — фазовый сдвиг Л-ro элемента.
Б. Р. Девин показал, что при таком представлении отраженно-
го сигнала двухмерное распределение вероятности величии Еф и ср
для суммарного сигнала имеет следующий вид:
lyz/к- \ £Ф ( £ф + “а — 2вЕфСО5Ч>\
uz(£*'P) = 2<ire'<P(.--------гр--------)> (5->7)
где аир — параметры закона распределения вероятностей, характеризующие
регулярную (когерентную) и среднюю случайную (некогерентную) составляю-
щие соответственно.
1Г
163
Интегрируя (5.17) по фазе, получаем плотность распределения
вероятности огибающей отраженного сигнала:
Д+£)/о(^). (5.18)
где /о — функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента.
Выражение (5.18) представляет собой закон Райса или, как его
часто называют в литературе, обобщенный закон Рэлея. Если ста-
бильная составляющая отсутствует, т. е. Л=0, то
(5.21)
и плотность вероятности огибающей в этом случае
= (5.19)
Учитывая, что Оф = Ко£ф . из (5.18) методом преобразования
случайных величин получаем
ехР ( “ ’ (5'20)
где Оф—ЭПР фона.
Между экспериментальными значениями ЭПР (математическим
ожиданием т и дисперсией а2) и параметрами закона распределе-
ния ее вероятностей существует следующая функциональная зави-
симость:
а2 = У т2 з*;
~ 1
Когда коэффициент вариации ЭПР лежит в пределах от нуля
до единицы, распределение (5.20) удовлетворительно описывает
ЭПР реальных наземных фонов.
На практике иногда имеют место более сильные флюктуации
амплитуды отраженного сигнала, которые можно объяснить слож-
ностью структуры земной поверхности и неравномерным распреде-
лением растительности. Для такого фона отраженный сигнал на
входе приемной антенны РЛС представляет собой совокупность
соизмеримых сигналов большой амплитуды и отраженных от эле-
ментарных отражателей. Экспериментальные данные (рис. 5.12,
5.13) показывают, что удельные ЭПР наземного фона существенно
зависят от шероховатости поверхности, угла облучения, длины
волны зондирующего сигнала, плотности растительного покрова.
Гладкими можно считать поверхности с непрерывной структу-
рой, у которых среднеквадратичное отклонение высоты неровностей
164
много меньше длины облучающей волны (дороги с бетонным и ас-
фальтовым покрытиями). Для гладких поверхностей характерна
зависимость Оо от угла падения волны. Особенно заметно возраста-
ет Оо при углах места, близких к вертикальным.
Рис. 5.12. Распределение плот-
ности вероятности удельной
ЭПР некоторых наземных фо-
нов:
I — кустарник; 2 — мелкая поросль;
3 — опушка леса
К неровным поверхностям относятся участки местности, покры-
тые травой, пахота и др. Для неровных поверхностей о0 практичес-
ки нс зависит от угла падения волны, т. е. значения а0 для них зна-
чительно больше, чем для гладких.
Рис. 5 13. Зависимость удельной ЭПР некоторых фонов от угла облучения Н при
длине волны зондирующего сигнала Л. = 0,8 см (а) и Л - 3,2 см (б):
•' — равнина с зеленой трааой; 2 неоднородная поверхность (болото, лесок, кустарник);
I лпстаенный лес; 1 дорога с гравийным покрытием; 5 — дорога с асфальтовым покры-
тием; 6 - дорога с бетонным покрытием
165
Лес отражает радиоволны как поверхность с однородной шеро-
ховатостью. Неоднородные поверхности (луг с кустарником, трава
с оголенными участками почвы и др.) имеют смешанную шерохо-
ватость.
На удельную ЭПР оказывают влияние такие параметры, как
длина волны облучения и высота растений (рис. 5.14). Пшеница
высотой всего 1,25 см представляет собой неровную поверхность
в миллиметровом диапазоне волн облучения, а для 3-см диа-
пазона является гладкой поверхностью. С другой стороны, пшени-
ца высотой 5 см является неровной поверхностью в этом же диа-
пазоне.
Рис. 5.14. Влияние длины волны к и высоты растений на удельную ЭПР при раз-
личных углах облучения Н;
I — А — О.И см (высота растений 1.25 см); 2 X — 3 см (высота растений 1.25 см); 3 -X —
--3 см (высота растений 5 см)
При углах места, отличных от скользящих, в среднем удельная
ЭПР наземного фона может быть аппроксимирована обобщенным
экспоненциальным распределением. При углах места, близких
к скользящим, может использоваться показательное распределе-
ние.
5.4. ВЛИЯНИЕ РЕФРАКЦИИ В ПРИЗЕМНЫХ СЛОЯХ
АТМОСФЕРЫ НА ТОЧНОСТЬ ПРИЦЕЛИВАНИЯ
На рис. 5.15 показан ход луча в приземных слоях атмосферы.
Пунктирными линиями на рисунке обозначены сечения изотерм и-
Рнс. 5.15. Ход луча света в приземных слоях атмосферы в дневные часы
166
ческих поверхностей (поверхностей равных температур), разделя-
ющих атмосферу у земли на т слоев малой толщины; hp—высота
точки расположения прицела Р, hc — высота точки наводки (це-
ли) С.
Слои воздуха между изотермическими поверхностями имеют
различную температуру t и различные показатели преломления п.
Луч света, отраженный от цели в направлении линии СР, перехо-
дя из слоя с меньшим значением п в слой с большим значением
этого показателя, преломляется и, искривляясь вверх, распростра-
няется по некоторой световой кривой САВД (при т->оо САВД -
кривая), не попадая в объектив прицела. В объектив прицела по-
падает луч, исходящий от точки С в направлении СМ и распрост-
раняющийся но кривой CMNP. В результате наводчик видит цель
в точке С', расположенной на касательной к кривой CMNP из точ-
ки Р, т. е. ниже действительного се положения. Угол СРС' являет-
ся погрешностью угла прицеливания из-за рефракции Де,. В дан-
ном случае погрешность отрицательна (видимое положение точки
прицеливания ниже ее действительного положения). Если с увели-
чением высоты температура повышается и, следовательно, показа-
тель преломления воздуха уменьшается, луч света искривляется
вниз и видимое положение цели будет выше ее действительного
положения, т. е. погрешность прицеливания будет положительной.
Изучая влияние преломления лучей в приземных слоях атмос-
феры на точность измерения расстояний дальномерами, К. Броке
нашел эмпирическую формулу, позволяющую учесть погрешность
из-за рефракции при расположении линии визирования на высоте
от 0,5 до 2 м над землей:
Де,=0,185Л, (5.22)
где Аег — погрешность угла прицеливания из-за рефракции, угл. мин; S — даль-
ность наблюдения, км; к— коэффициент рефракции.
Обычно танковый прицел расположен на высоте 2 м от уровня
земли, если машина находится вне укрытия, и на высоте 1 м —в
укрытии (окопе). На цели высотой 2 м точка прицеливания выби-
рается в середине, т. е. на высоте 1 м над поверхностью земли, ес-
ли цель вне укрытия, и на высоте 0,5 м, если цель в открытом окопе.
Экспериментально было определено влияние времени года и
суток на погрешность прицеливания (рассчитанную на 1 км даль-
ности, табл. 5.5) при стрельбе из танка, расположенного в окопе и
вне его на равнинной местности; коэффициенты рефракции были
взяты из таблиц К- Брокса при безоблачном небе.
167
Т а б л и u a 5.5
Погрешность угла прицеливания для равнинной местности в средних
географических широтах
Время года Погрешность угла прицеливания (в угл. мин на 1 км дальности) я различное время суток, ч
0 2 4 б в 10 12 14 1б 18 2П 72
Зима (декабрь, январь, февраль) - - - 0.4 —0.2 03 -0.1 -0.5 - -
0.5 —0,3 -0.4 —0.2 0.6
Лето (июнь, июль, .1 HI у< 1 ) Весна — осень (март, апрель, май. сентябрь, октябрь, ноябрь) — 0.6 -0.2 0,5 —0.6 0.6 -0.5 —04 0 1 —0,4 -
0.8 0.3 0.1 0,9 -I.U —08 —0,6 -0.1 0.6
- - - 0.2 0.0 -0.4 -0.5 -0.3 0.0 0.2 -
0.1 <^.1 (),о 0,7 0.5 0,0 0.3
Примечание. В числителе — танк вне окопа (слой воздуха высотой от
2 до 5 м); в знаменателе — танк в окопе (высота от I до 0.5 м).
Экспериментально была определена погрешность рефракции для
дневного танкового прицела при дальности цели 2 100 м в услови-
Рнс. 5.16. Зависимость углового сме-
щения точки прицеливания из-за реф-
ракции на дальности 2100 м от вре
мени суток:
I — по расчету дли средней полосы; 2 —
экспериментальные данные для южной
пустыни
ях южной песчаной пустыни
(рис. 5.16); измерения произ-
водились 28 сентября 1981 г.
Для сравнения на рисунке при-
ведена кривая, рассчитанная
для той же дальности и высо-
ты визирной линии по форму-
ле 5.22 и отображающая су-
точное изменение погрешности
из-за рефракции в средней по-
лосе. Полученные данные по-
казывают, что характер изме-
нения погрешности угла при-
целивания из-за рефракции в течение суток для различных типов
местности практически одинаков. Однако абсолютное значение по-
168
грешности в полуденные часы в условиях южных песчаных пустынь
в 1,5—2 раза больше, чем в средних широтах на местности, покры-
той низкорослой растительностью.
Рефракция проявляется не только в смещении наблюдаемой
точки, айв виде быстрого колебательного движения изображения,
вызванного турбулентными конвекционными потоками воздуха
при отрицательном температурном градиенте. Амплитуда колеба-
ния изображения в вертикальном направлении около одной мину-
ты, в горизонтальном в среднем на */з меньше.
Частота колебаний изображения утром меньше (около 1 Гц),
к полудню увеличивается (до 8 Гц). Дрожание изображения не
вызывает систематической ошибки в определении направления на
наблюдаемую точку, хотя в определенной мере затрудняет пользо-
вание приборами.
На основании сказанного можно сделать вывод о том, что воп-
росы влияния рефракции на точность прицеливания и ее учета при
стрельбе требуют дальнейшей разработки. Необходимо установить
закономерности влияния на рефракцию различных сочетаний фак-
торов, выполнить экспериментальные работы на местности, полу-
чить необходимый статистический материал по температурным гра-
диентам в приземных слоях атмосферы степных и пустынных зон
южных широт; рассчитать таблицы погрешностей угла прицелива-
ния для этих зон.
В настоящее время возможен учет влияния рефракции на точ-
ность прицеливания лишь при безоблачном небе на равнинной
местности (с помощью табл. 5.5).
5.5. МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ ПОЛЕТА СНАРЯДА
В ПРИЗЕМНЫХ СЛОЯХ АТМОСФЕРЫ
На полет снаряда в приземных слоях атмосферы существенное
влияние оказывают атмосферное давление, температура и влаж-
ность воздуха, скорость и направление ветра. От давления, темпе-
ратуры и влажности зависит плотность воздуха, распределение ко-
торой в стандартной атмосфере необходимо учитывать в аэродина-
мических расчетах при проектировании специальных систем ВГМ,
при определении скорости снаряда и траектории его полета. Пара-
метры, характеризующие вектор скорости ветра, необходимы для
баллистических расчетов полета снаряда и разработки программ
ввода поправок; относительная влажность вместе с давлением и
температурой воздуха является одним из важных параметров,
влияющих на работу двигателя реактивного снаряда.
Расчеты показывают, что с изменением влажности плотность
воздуха меняется незначительно. При стрельбе влияние влажности
учитывается поправкой, добавляемой к температуре воздуха, при
этом получают условную, так называемую виртуальную, темпера
ТУРУ» с учетом которой плотность влажного воздуха можно рассчи-
тать по формуле (2.2).
12 Зак. 26 с
169
При подготовке исходных данных для стрельбы используются
таблицы стрельб, составленные для нормальных метеорологи-
ческих условий: атмосферное давление //=750 мм рт. ст.
(100 кПа); температура воздуха 7, =15 °C; скорость ветра ш = 0.
Определяя отклонения конкретных условий от этих значений
по таблицам стрельб, можно найти поправки, которые вводятся
в установки при стрельбе.
Значения метеорологических факторов и их отклонения от таб-
личных неодинаковы в различных районах Земли в разные моменты
времени и характеризуются только статистическими показателями.
Например, значения средних годовых характеристик распределе-
ния отклонений метеорологических факторов от их табличных зна-
чений в Европе следующие:
для атмосферного давления математическое ожидание
М(А//)=0 и срединное отклонение Е(Л//) = 10 мм рт. ст.;
для температуры воздуха М(Д7) =—12,6 °C, Е(Д7)=9,8 °C;
для скорости продольного (иаЛ) и поперечного w ветра M(wx) =
= М(w) =3,5 м/с, E(wx) =E(w) =2,7 м/с.
Необходимые для определения установок при стрельбе прямой
наводкой значения атмосферного давления и температуры воздуха
в приземном слое атмосферы в .районе действий ВГМ могут быть
получены по данным регулярных измерений, выполняемых специ-
альными метеорологическими подразделениями ракетных войск и
артиллерии.
Скорость боковой слагающей ветра определяется в районе
действия подразделений на момент, непосредственно предшеству-
ющий выстрелу, с помощью специальных датчиков ветра.
Реализации скорости ветра на различных участках местности
приводятся в табл. 5.6, а соответствующие им участки местности,
на которых проводились измерения скорости ветра, схематически
изображены на рис. 5.17. Анализ представленных в табл. 5.6 дан-
ных свидетельствует о недостаточной точности вводимой в танко-
вый баллистический вычислитель (ТБВ) поправки на ветер, полу-
ченной в месте расположения датчика на ВГМ, а не на траектории
полета снаряда.
Результаты измерений метеорологических параметров оформ-
ляются в виде бюллетеня «Метеосредний», представляющего собой
цифровую шифрограмму. «Метеосредний» сразу же после его по-
лучения метеостанцией по каналам связи передается во все штабы
и подразделения, нуждающиеся в информации о метеоусловиях.
170
Таблица 5.6
Изменение скорости ветра на различных участках местности (см. рис. 5.17)
Точка на рисунке Характеристика местности и скорость ветра (м'с) на участках
“ ' 1 6 1 • г д
/ Наветренная сторона лесопосадки вдоль шос- се: 2,9 Вдоль лесопо- садки у дороги, подветренная сто- рона; 2.7 Параллельно на- правлению б на расстоянии 200 м; 3,4 Вдоль лесопосадки у железной дороги, мест- ность пологохолмнстая; 1.0 Вершина холма: 3,4
2 Открытое поле; 4,0 650 /; м от 2,2 точки 650 /; м от 3,7 точки 525 м от точки /, дно лощины, ниже точки / на 2 м; 0,8 Склон холма, подвет- ренная сторона, ниже точки / на 2 м; 2,5
3 Открытое поле; 3,6 650 2; м от 2,3 точки 650 2; м от 3,5 точки 775 м от точки 2, склон холма, выше точ- ки 2 на 3 м; 1,8 Подножие холма, под- ветренная сторона, ниже точки 2 на 2 м; 2,3
4 Берег речки, в 50 м по направлению движения— лес; 4,2 700 3; м от 2,9 точки 700 з- м от 3,7 точки 40 м от точки 3, гре- бень холма, выше точки 3 на 1 м; 2,4 550 м от точки 3, ров- ный участок с редким мелким кустарником; 2,5
5 Край леса, подветрен- ная сторона; 1,4 — — 1060 м от точки 4, окраина населенного пункта, подветренная сторона; 1.0 635 м от точки 4, пе- рекресток просеки с лес- ной дорогой; 1,3
6 — — — — 815 м от точки 5, про- сека; 0,9
Значения цифр, составляющих этот бюллетень, порядок исполь-
зования содержащихся в нем данных приводятся в наставлениях
по стрельбе.
Рис. 5.17. Направление ветра в верхних слоях атмосферы и изменение его скоро-
сти в приземных слоях над участками местности (ad), на которых выполнялись
измерения (все размеры в метрах)
5.6. ВОЗМУЩАЮЩИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ТАНКОВЫЕ СТАБИЛИЗАТОРЫ
При движении по неровной поверхности угловые и линейные
колебания корпуса машины затрудняют пользование приборами и
механизмами, снижают эффективность комплекса танкового воору-
жения. Защита аппаратуры и приборов от влияния колебаний кор-
пуса машины достигается применением стабилизирующих уст-
ройств, компенсирующих углы наклона корпуса машины и обеспе-
чивающих сохранение заданного направления визирных осей опти-
ческих приборов и направляющих каналов стволов оружия.
Управляющими сигналами для стабилизаторов являются ли-
нейные преобразования углов наклона корпуса машины, диапазо-
ны и скорость изменения которых используются при расчете ста-
билизирующих устройств.
Из многих причин, влияющих на параметры колебания корпу-
са движущейся машины (конструкция шасси, состояние поверх'
172
ности движения и грунта, скорость движения и др.), профиль пути
движения является определяющим. Экспериментально установле-
но (рис. 5.18), что значения угловых колебаний корпуса машины
зависят от высоты неровностей профиля, в частности, максималь-
ные значения дисперсии этих величин приходятся практически на
одни и те же частоты колебаний. Следовательно, по характеристи-
кам рельефа местности можно оценивать параметры возмущающих
воздействий на входе стабили-
зирующих устройств для за-
данных скоростей движения и,
таким образом, более полно
учитывать внешние условия,
в которых должны функцио-
нировать проектируемые или
испытываемые системы стаби-
лизации.
Рис 5.18. Спектральная плотность
высоты неровностей танковой трассы
(/) и продольно-угловых колебаний
корпуса движущейся машины (2):
-------- при скорости 18 км/ч;
-----при скорости .30 км ч
Для расчетов характеристики трасс должны быть представле-
ны в виде, показанном на рис. 5.19. На войсковой стрельбовой
Рис 5.19. Спектральная плотность высоты неровностей трасс:
/ — стандартной; 2 — воЛсковоЛ стрельбовой
173
трассе отрабатываются упражнения курса стрельб из танка; стан-
дартная трасса предназначена для определения характеристик
стабилизирующих устройств в ходе войсковых испытаний машин.
В отличие от рассмотренных ранее типов дорожных микропрофи-
лей при расчете стабилизирующих устройств используются сведе-
ния о микропрофиле местности (пахота, стерня убранных полей
и др.).
Во время предварительных (заводских) и полигонных испыта-
ний стабилизирующие устройства проверяются на так называемой
типовой трассе, представляющей собой прямолинейный участок
дороги, на котором расположены в определенном порядке искус-
ственные неровности (вал, воронка, выбоины, несимметрично рас-
положенные на двух колеях и др.).
Рис. 5.20. Трасса типовая:
/ — воронки. 2 - трамплин; .7 односторонние выбоины; 1 — щит
Типовая трасса, предусмотренная специальными нормативны-
ми документами, регламентирующими испытания стабилизирую-
щих устройств, показана на рис. 5.20.
174
Глава 6. ВНЕШНЯЯ СРЕДА
В РАСЧЕТАХ НАДЕЖНОСТИ
Расчет показателей надежности танка базируется на изучении
внешних условий эксплуатации, от которых зависит интенсивность
процессов накопления повреждений в его составных частях. Физи-
ческая природа этих повреждений для транспортной машины: из-
нашивание под воздействием абразива (грунта и пыли), усталост-
ное разрушение металлических деталей из-за изменений нагрузки
и температуры воздуха и грунта, старение полимеров и резины,
засорение фильтрующих элементов пылью и продуктами соедине-
ния элементов применяемых масел и топлив с водой и воздухом,
а также поломка деталей из-за случайных выбросов нагрузок.
Некоторые характеристики внешней среды, влияющие на на-
дежность ВГМ, рассмотрены в предыдущих главах этого тома, на-
пример, микропрофиль танковых трасс, влияющий на колебания
танка и обусловливающий накопление усталостных повреждений
в торсионных валах, и температурный режим гидравлических амор-
тизаторов.
В настоящей главе приведен дополнительный материал, необхо-
димый для расчета показателей надежности составных частей
ВГМ.
6.1. АБРАЗИВНОСТЬ ГРУНТОВ
Если не говорить иока о частицах пыли, способных поднимать-
ся в воздух, абразивная агрессивность грунта влияет только на
детали ходовой части, находящиеся с ним в контакте при движе-
нии машины. В экстремальных условиях абразивный износ снижа-
ет ресурс венцов ведущих колес, гусениц, гидроамортизаторов, ме-
таллических ободов опорных катков в несколько раз.
Информация об абразивности грунтов представляет двоякий
практический интерес: с одной стороны, она нужна для выработки
обоснованных технических требований к ресурсу подвергающихся
абразивному изнашиванию элементов конструкции, с другой —для
прогноза ресурса этих элементов в конкретных условиях эксплуа-
тации и планирования поставки запасных частей.
175
Абразивная способность грунта определяется, во-первых, абра-
зивной способностью слагающих его частиц и, во-вторых, «актив-
ностью» их абразивного воздействия на конструкцию. Абразивная
способность частиц зависит от их размера, твердости, временного
сопротивления раздавливанию и формы. Активность абразивного
воздействия зависит от агрегатного состояния грунта: грануло-
метрического его состава, плотности, влажности, степени закреп-
ленности частиц. Интенсивность изнашивания материала конструк-
ции до некоторого предела прямо пропорциональна размеру зерен
абразива, после чего не повышается. Предельный размер зерна,
при превышении которого интенсивность изнашивания стали пере
стает увеличиваться, составляет 100 мкм. Эти данные получены
в лабораторных опытах по истиранию образцов о закрепленные
абразивные частицы; в естественных условиях их аналогом явля-
ются монолитные мерзлые грунты, на которых наблюдается повы-
шенный износ грунтозацепов гусениц. Глинистые частицы (размер
частиц менее I мкм) обладают незначительным абразивным дей-
ствием. Оно повышается с увеличением содержания в грунте пыле-
ватых частиц (размер от 1 до 50 мкм). Максимальное абразивное
действие у песка (размер зерен 0,05—2 мм). На абразивные свой-
ства частиц в условиях скольжения влияет их твердость. Зависи-
мость, характеризующая влияние твердости на абразивность час-
тиц, имеет две критические точки, соответствующие соотношению
твердостей абразивного зерна и стали: первая точка //а/М
= 0,7... 1,1; вторая — HJHZ « 1,3... 1,7.
При HJHC ^(0,7 ... 1,1) абразивное действие на сталь прак-
тически отсутствует; при (0,7... 1,1) < (1,3... 1,7) абра-
зивное действие нарастает с увеличением твердости зерен; при
X 1,3... 1,7) абразивное действие не зависит от твердости
зерен.
Из высокотвердых минералов, входящих в состав пылеватых и
песчаных частиц, наиболее распространен кварц. Зерна кварцево-
го песка царапают стали как отожженные, так и закаленные на
высокую твердость, с отделением стружки. По содержанию песка
с частицами более 0,01 мм и, следовательно, по абразивной агрес-
сивности в СССР различают три группы почв: I — малоабразив-
ные (содержание песка до 80 %); II — супесчаные и песчаные
средней абразивности (80—95 % песка и незначительное количест-
во каменистых включений); III — высокоабразивные (95—100 %
песка). Существующие картографические материалы не дают пря-
мой информации о содержании кварца в верхних слоях земли. По-
этому о его количестве и, соответственно, абразивной агрессивно-
сти прунта судят по косвенным данным —по грунтовым (почвен-
ным) картам, считая, что чем ближе грунт к глине, тем его абра-
зивность меньше, а чем ближе к песку, тем абразивные свойства
выше. Грунтовые карты для некоторых районов эксплуатации
транспортных машин уточнялись в последнее время в ЛГУ
176
им. А. А. Жданова на кафедре физический географии под руковод-
ством проф. А. Г. Исаченко; примеры таких карт показаны на
рис. 6.1.
Как уже говорилось, на абразивную активность частиц грунта
сильно влияет его агрегатное состояние. Это влияние неодинаково
на различные элементы движителя. Мерзлый монолитный грунт
создает экстремальные условия по износу грунтозацепов траков:
интенсивность их изнашивания часто превышает 4 мм/1000 км.
Влияние агрегатного состояния и вида грунта на износ режу-
щего инструмента землеройных машин, исследованное специалис-
тами ГОСНИТИ, оценивается коэффициентом абразивности, опре-
деляемым как отношение значений скорости изнашивания в оцени-
ваемом и эталонном (глинистом) грунтах (табл. 6.1).
Таблица 6.1
Относительная абразивность грунта в зависимости от его вида и агрегатнрго
состояния
Вид грунта
Коэффициент абразивности
Глинистый
Песчаный
Суглинистый
Супесчаный
Глинистый мерзлый
Песчаный с большим включением гравия
Суглинистый мерзлый
1,00
1,20-1,54
1,54-2,27
1,54-2,27
2,36-3,17
2,54 - 3.04
3.08 - 5,70
По данным ОКБ Газстроймашина, интенсивность изнашивания
режущих органов замлеройных машин в талых глинистых и мерз-
лых песчаных грунтах может отличаться в десятки и сотни раз.
П. У. Бахтин отмечает, что интенсивность изнашивания при сколь-
жении в связных грунтах пропорциональна их плотности и твердо-
сти, зависящих от фиксации зерен кварца в мелкоземе. В рыхлых
супесчаных и песчаных почвах, где мало глинистых частиц, основ-
ную связующую роль играет влажность. Так, например, макси-
мальный абразивный износ на супесчаных почвах соответствует
влажности 14 %. Изменение агрегатного состояния грунта, как
это известно из практики, происходит непрерывно. Меняется его
влажность, от механических воздействий со временем грунт уплот-
няется (консолидируется) или разрыхляется (набухает), промер-
зает или оттаивает. Одновременно меняется и абразивное воздей-
ствие грунта: на одни детали ходовой части ВГМ оно усиливается,
177
178
Щебнистые наносы, подсти-
лаемые плотными породами
валунные суглинки.места-
ми прикрытые маломощны-
ми супесями
Пески и супеси со щебнем
и.Валу на ми
Лессовые и лессовидные
глины и тяжелые суглинки
Глины и тяжелые
суглинки
Средние и легкие
суглинки
Пески ( местами
супеси)
Горы
Лессовые и лессовидные
средние и легкие суглинки
Рис. 6.1. Грунтовые карты некоторых районов СССР:
а Белоруссия и Украина; 6 — Прибалтика
179
а на другие — ослабляется. Так, например, мерзлый грунт, кото-
рый приводит к быстрому изнашиванию грунтозацепов, не опасен
для венцов ведущих колес, металлических ободов опорных и
поддерживающих катков, так как в данном случае абразивный ма-
териал почти не поступает в их зоны трения. На рыхлых песчаных
грунтах наблюдается обратная картина: износ грунтозацепов здесь
незначительный, тогда как для других составных частей ходовой
части ВГМ эти условия являются весьма трудными из-за захвата
песка гусеничной лентой и экскавации его в виде абразивной про-
слойки к местам трения. Влажный незакрепленный песок лучше
удерживается на поверхности трущихся деталей, чем сухой: слой
абразива в месте контакта становится более насыщенным, изнаши-
вание деталей резко интенсифицируется. Поэтому на влажных пес-
ках Белоруссии и Прибалтики ходовая часть ВГМ изнашивается
более интенсивно, нежели на сухих песках Каракумов, хотя по ми
нералогическому и механическому составу эти пески различаются
между собой незначительно.
Влияние толщины абразивного слоя между опорным катком и
движущимся контртелом изучено Г. М. Сорокиным и А. С. Доб-
ренко. Экспериментально установлено первоначальное возрастание
скорости изнашивания деталей при увеличении толщины слоя аб-
разива, а затем быстрая ее стабилизация. Качественно эта картина
не меняется при различных удельных нагрузках.
Количественной мерой абразивного воздействия грунта на де-
таль является интенсивность (или скорость) ее изнашивания. Нео-
динаковое абразивное воздействие одного и того же грунта на
разные детали ходовой части определяется видом изнашивания
деталей, свойствами их материала и передаваемыми нагрузками.
Вид изнашивания деталей обусловлен характером относитель-
ного их движения (качение, скольжение, сочетание качения со
скольжением, скольжение с периодическим разобщением поверх-
ностей трения, их соударением и др.). Ударно-абразивное изнаши-
вание качественно отличается от изнашивания при скольжении.
На ударно-абразивный износ указывают следы в виде кратеровид-
ных лунок на соударяющихся поверхностях. Если материал дета-
лей вязкий, происходит его выдавливание зернами абразива с от-
делением частиц. Хрупкий материал выкалывается по мере разви-
тия микротрещин. При скольжении твердые карбидные включения
на поверхности изнашивания ведут себя как резцы: абразивные
частицы их обтекают; при ударе же они выкалываются в первую
очередь. При скольжении максимальная износостойкость соответст-
вует максимальной твердости материала, при ударе эта зависи-
мость сохраняется лишь до определенного предела. Изнашивание
трущихся через абразив деталей зависит от соотношения их твер-
дости и степени закрепленности абразива.
180
Относительная интенсивность абразивного изнашивания мате-
риала детали
где /„, Л — интенсивность изнашивания материала оцениваемой и эталонной
детали, йкм/км; Л/м, Л/,— линейный износ материала оцениваемой и эталонной
деталей за одну и ту же наработку, мкм.
Относительная износостойкость детали
• = 1 /“м • (6.2)
При сравнительных испытаниях твердость эталона должна быть
ниже твердости абразива (кварца); сравниваемые детали должны
работать в одних и тех же условиях. В этом случае относительное
изнашивание и относительная износостойкость будут зависеть
в основном только от твердости абразива и материала оценивае-
мой детали. Влияние остальных свойств абразива будет одинако-
вым на испытуемый и эталонный материал. Эталонами могут слу-
жить, например, детали, не упрочненные методами термообработ-
ки, наплавки.
Представление информации об абразивности грунтов в виде от-
носительных величин позволяет объективно оценивать эффектив-
ность конструктивных мероприятий по повышению износостойкос-
ти деталей ходовой части, а также задавать технические требова-
ния иа износостойкость применительно к конкретным грунтам, не-
зависимо от изменения их агрегатного состояния. Данные об ин-
тенсивности изнашивания и коэффициенте ш, позволяют оцени-
вать ресурс исследуемых элементов.
Наибольший практический интерес представляют тяжелые аб-
разивные условия (неблагоприятный географический район, небла-
гоприятное время года), которые могут быть приняты за эталон-
ные. Если условия повторных испытаний отличаются от эталонных,
пересчет их результатов осуществляется по формуле:
, д/м д/0
/ м
9 ДА А/, ’
(6.3)
где —интенсивность изнашивания деталей в эталонных (тяжелых) условиях;
А/и — линейный износ детали при испытаниях, мкм; Л/о — линейный ИЗНОС эта-
лонной детали в эталонных условиях, мкм; Л/, — линейный износ эталонной де-
тали при испытаниях, мкм; AS — наработка машины за испытания, км.
Значения Д/м, А/„ AS необходимо определять в ходе каждых
испытаний, а значение /Мо достаточно определить один раз.
Коэффициент <% можно пересчитать на новый эталон:
«И М)
где — отношение интенсивности изнашивания второго и первого эталонов па
грунте данного вида; А/,2— линейный износ второго эталона.
181
В процессе накопления информации об абразивном износе ходо-
вой части на грунтах определенного вида испытания эталонной и
серийной деталей производятся, если не известна относительная из-
носостойкость последней в рассматриваемых условиях. Если же
она известна, наблюдения ведутся только за эталонной деталью.
Результаты испытаний эталонной детали всегда могут быть пере-
считаны на соответствующую ей деталь любой модификации, лишь
бы был известен коэффициент <*>и, который может быть определен
для грунта любого состояния. Измерение износа деталей целесооб-
разно проводить дифференцированно, по периодам различного ув-
лажнения грунта в данном конкретном районе. Гистограмма рас-
пределения интенсивности изнашивания эталонной детали строится
применительно к конкретным виду грунта н периоду эксплуатации.
Распространяется она на те районы, где именно этот вид грунта
превалирует, с учетом дат наступления и окончания соответствую-
щего периода.
Для прогноза абразивной агрессивности грунта определенного
района в заданное время необходимы следующие данные: об ин-
тенсивности изнашивания эталонной детали при различной влаж-
ности оцениваемого грунта, коэффициенте <ом и о подекадном из-
менении влажности верхних слоев грунта. Влажность грунта и из-
нос деталей определяются в процессе испытаний ВГМ через каж-
дые 500—2000 км наработки машины: нижняя граница соответст-
вует максимальной интенсивности изнашивания, верхняя — мини-
мальной. Интенсивность изнашивания грунта различной влажнос-
ти определяется в результате решения системы линейных уравне-
ний типа
2 - Д/>7,/-1,2......т , (6.5)
где So — наработка машины в </-м диапазоне; i, / —число диапазонов влажно-
сти грунта и интервалов наблюдений; /, < — интенсивность изнашивания эталон-
ной детали в t-м диапазоне влажности грунта; Л/, > — абсолютный линейный из-
нос эталонной детали в /-и интервале наблюдения.
Данные о подекадном изменении влажности грунта получают с
близлежащей сетевой метеостанции. По результатам испытаний
строят график изменения средней интенсивности изнашивания эта-
лонной детали по декадам и наносят на него кривые интенсивнос-
ти изнашивания серийной детали.
Накопление подобной информации при постепенном расшире-
нии географических зон наблюдений позволит в конечном счете по-
лучить сведения об абразивности грунтов, достаточные для реше-
ния многих практических задач.
в.2. ПЫЛЕОБРАЗУЮЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ГРУНТОВ
Влияние пылн на эксплуатационные параметры машин весьма
заметно. При большой запыленности воздуха ухудшаются условия
182
работы экипажа, возрастает вероятность аварий. Пыль является
причиной:
абразивного изнашивания трущихся поверхностей;
газоабразивного изнашивания проточных частей и лопаток
турбин, компрессоров и изменения их размеров (в результате на-
пекания частиц пыли);
загрязнения поверхностей деталей, ухудшения условий их ох-
лаждения и разрушения покрытий;
загрязнения топлива и масла, а также смотровых приборов;
резкого сокращения дальности видимости, а следовательно, сни-
жения скорости движения машин, значительного увеличения дис-
танции между ними;
засорения дыхательных путей, раздражения слизистых оболо-
чек органов дыхания и зрения у членов экипажа.
Пыль вызывает необходимость увеличения частоты обслужива-
ния фильтров. Адсорбируя влагу, пыль способствует коррозии ме-
таллических поверхностей. Характерным местом скопления пыли
являются шарикоподшипники. Повышенный износ и заклинивание
шарикоподшипников — следствие попадания в них пыли. Заклини-
вание золотниковых пар, повышенный износ прецезионных дета-
лей, нарушение регулировки агрегатов гидравлической и топлив-
ной систем нередко также являются следствием попадания пыли
в рабочую жидкость и топливо.
Пыль откладывается на сопловых аппаратах турбин, а также
в компрессорах ГТД и спекается под влиянием температуры.
Эрозия лопаток компрессора снижает его КПД, уменьшает запас
устойчивости по помпажу. Пыль ускоряет износ лабиринтных уп-
лотнений, оставляет царапины на поверхности оптического стекла
и ухудшает его прозрачность. Под действием пыли увеличивается
электрическое сопротивление контактов, происходит <залипание>
реле и переключателей, резко снижается точность приборов, уве-
личивается вероятность их отказов.
Пыль и песок способствуют износу элементов рабочих пар с
возвратно-поступательным движением, применяющихся в стрелко-
во-пушечном вооружении, и могут привести к их заклиниванию.
Ресурс поршневых двигателей при работе в условиях запыленного
воздуха нередко уменьшается в несколько раз.
Пыль способна длительное время парить в воздухе, что опреде-
ляется скоростью оседания ее частиц (табл. 6.2).
183
Таблица 6.2
Скорость оседания частиц пыли различного размера
Размер частиц, мкм Скорость оседания частиц (см.с) при их плотности, гем' Размер частиц. МКМ Скорость оседания частиц <см, с) при их плотности, г/см'
2.0 2.5 3.0 2.0 2.5 3,0
5 0,15 0.18 0.23 50 14 15 20
7 0,3 0.4 0.5 75 27 32 37
8 0.4 0.5 0.6 150 62 52 80
10 0,6 0,7 0,9 175 70 60 92
15 1.3 1.7 2,0 200 80 90 102
20 2,4 3,0 3.6 250 95 106 120
30 5,4 7.0 8.0 300 108 120 136
40 9.2 12.0 13,5
Наибольшей летучестью, как известно, обладают пылевые час-
тицы размером 1 — 50 мкм. Процент содержания в грунте частиц
этой фракции определяет его потенциальную пылеобразующую спо-
собность (табл. 6.3).
Гранулометрический состав почв Таблица 6.3
Массовая доля (М) в грунте размером фракций, мкм частиц
Тип почвы 1 1-5 5-10 10—50 50-250 пыше 250
Песчаная 4.8 0,8 0.6 7.0 33,4 53,4
Супесчаная 9.0 — 4.5 16,9 53,8 15,8
Суглинистая подзолистая 22 5.8 12,7 19.7 22,9 16,9
Лессовая среднеазиатская 9.2 8,6 32,4 — 39,1 10,7
Чернозем суглинистый 28,2 8.7 13,7 39,3 10.1 —
Чернозем глинистый .35,7 18.6 3.9 28,5 - 13,3
Запыленность воздуха над трассой движения зависит от влаж-
ности грунта, толщины слоя и дисперсного состава пыли, скорости
и периодичности движения гусеничных машин, конструкции их хо-
довой части, направления и скорости ветра, типа местности (от-
крытая или закрытая). При интенсивном движении машин пыле-
вой слой быстро формируется даже на таких грунтах, в которых
доля пылеватых частиц невелика. Происходит это в результате раз-
рушения структуры верхнего слоя грунта и естественной много-
184
кратной сортировки частиц в процессе их подъема в воздух и
оседания.
Запыленность воздуха .резко уменьшается с высотой. Для трак-
тора ДТ-54, занятого на обработке почвы, получены, например,
следующие данные:
высота над землей, м..................0.5 1.0 1,5 2.0
запыленность воздуха, г/м’........... 4,8 4,2 2,4 0,6
Таким образом, при увеличении высоты от 0,5 до 2 м запылен-
ность воздуха уменьшилась в 8 раз.
При движении колонны из 5—10 автомобилей по дороге с
мощным пылевым слоем (5—10 см) запыленность воздуха состав-
ляет в среднем 1—1,5 г/м3. На дорогах со слоем пыли 1—2 см за-
пыленность воздуха, создаваемая такой же колонной, составляет
не более 0,5 г/м3. Максимальная запыленность воздуха при дви-
жении автомобилей не превышает 1,8 г/м3, наиболее часто встреча-
емая— 0,4 г/м3. Эти же значения запыленности имеют место при
движении тракторов.
По данным И. М. Егорова, при движении ВГМ по пыльным до-
рогам запыленность воздуха за кормой машины на высоте 0,25 м
от земли достигает 8,0 г/м3, а на высоте 2 м не превышает 0,5 г/м3.
На уровне крыши МТО, т. е. на высоте забора воздуха для двига-
теля, максимальная запыленность воздуха редко превышает 4 г/м3,
а ее среднее значение обычно составляет 2 г/м3. Большие значения
запыленности воздуха были зарегистрированы в Каракумах (аб-
солютный максимум около 13 г/м3). В пустыне Юма (штат Ари-
зона, США), согласно некоторым иностранным источникам, запы-
ленность воздуха сравнительно невысока: при движении колонны
легких танков она составляет 0,07 г/м3, при движении колонны тя-
гачей— 0,175 г/м3, вдоль колонного пути танков — около 1,3 г/м3.
При движении гусеничных машин по сухому песчаному грунту
запыленность воздуха составляет 0,5 г/м3. Запыленность воздуха
на входе в воздухоочиститель танка Т-64Л в реальных условиях
эксплуатации составляет 2—6 г/м3 на Украине и достигает 13 г/м3
в Средней Азии.
Представляют интерес данные о запыленности воздуха в раз-
личных точках над корпусом танка Т-62, полученные Ф. Н. Нико-
новым (эксперименты проводились в Средней Азин при скорости
движения 35 км/ч): наименьшая запыленность (0,13—0,2 г/м3)
наблюдалась в центре переднего листа крыши, наибольшая
(6,5—9,51 г/м3)—в шлейфе за башней на расстоянии 0,5—1 м.
185
Наблюдаемые по сезонам года или даже в течение лета изме-
нения в пылеобразовании связаны с различной увлажненностью и
температурой грунтов (рис. 6.2).
Рис. 6.2. Результаты длительного наблюдения за внешней средой в районе
г. Самарканда:
/ — изменение среднесуточной температуры воздуха <и в течение года; 1 — запыленности
воздуха на входе в воздухоочиститель танка Т-62; 3 изменение минимальной температу
ры грунта <г в течение года: 4 — распределение числа дождливых дней N по месяцам
Установлено, что износ деталей цилиндро-поршневой группы
двигателя пропорционален содержанию в пыли кварцевых частиц.
Ниже приведено содержание кварца в пыли различного типа
(в %):
песчаная пыль...............................................92—98
супесчаная .................................................80—90
суглинистая.................................................. 75
лессовая .............................................. • 70
черноземная.................................................. 68
Коэффициент пропуска пыли воздухоочистителем зависит, как
известно, от дисперсного состава пыли. По данным В. Е. Маева
(HATH), распределение частиц пыли по размерам, поверхности и
объему подчиняется логарифмически нормальному закону
(рис. 6.3).
В настоящее время нашли применение следующие методы оп-
ределения дисперсного состава пыли:
индивидуальное изучение частиц (микроскопический и ультра-
микроскопический анализы);
18G
механическое разделение частиц (ситовый анализ и фильтра-
ционный способ);
седиментация (дробное оседание, отмучивание, накопление
осадка, весовые пробы седиментационного градиента и измерение
плотности столба суспензии);
динамические методы (гидро- или аэродинамические).
Рис. 6.3. Распределение частиц
пыли различных почв по раз-
мерам:
/ гакыры пустыни (Каракумы в
районе г. Ашхабада); 7 — чернозем
(Ташкентская обл.); 3 — лессовая
почва (Европейская часть СССР);
4 серозем (Андижанская обл.);
i — почва горных районов (Кав-
каз); < - супесчаная почва; 7
почва штата Калифорния. США;
Л — почва штата Аризона. США;
9—почва Ливийской пустыни:
10 - песчаная (Ташкентская обл.);
II песчаная (Ферганская обл.)
Измерение запыленности воздуха производится:
методом осаждения, основанным на осаждении пыли под дейст-
вием собственного веса в осадочных камерах;
отделением пыли с помощью циклонов в центробежных или
инерционных установках;
способом экранирования: на пути запыленного потока ставится
экран в виде пластинки (металлической или стеклянной, покрытой
липкой жидкостью), на которую оседает пыль;
кониметрическим способом, относящимся к методу инерционно-
го осаждения (запыленный воздух направляется в трубу для ув-
лажнения. Насыщенный парами воды он проходит через узкую
щель и мгновенно расширяется; давление и температура его пада-
ют, капельки конденсата осаждаются на пылинки, которые, увлаж-
нившись, ударяются об экран и прилипают к нему. Количество и
состав пыли определяются при исследовании экрана под микрос-
копом. Недостатки способа: низкая точность, избирательность, не-
пригодность для применения в воздухопроводах);
электрофильтрацией (запыленный воздух ионизируется посто-
янным током напряжением около 90 кВ, подведенным к элементам
осадительной камеры. Вместе с ионами воздуха к стенка.м камеры
притягиваются частички пыли. Метод эффективен при малых ско-
ростях воздушного потока; установка громоздкая; так как встряхи-
вание недопустимо, установка может работать только в стационар-
ных условиях);
187
фотоэлектрическим способом, основанным на изменении осве-
щенности фотоэлемента в зависимости от степени запыленности
воздуха, проходящего между фотоэлементом и источником света
(метод требует тщательной тарировки, при этом не определяется
фракционный состав пыли; погрешность метода достигает 10 %);
методом ультрам-икроскопии, позволяющим определить число и
заряд пылевых частиц без извлечения их из воздушной среды, а
также их размеры в диапазоне 0,05—6 мкм;
способом фильтрации, при котором воздух с помощью вентиля-
тора дозированно пропускается через так называемый абсолютный
фильтр. Запыленность в этом случае
- АО/«?иГ),
где AG — разность значений массы фильтра до и после пропускании воздуха;
Qv объемный расход воздуха, м*/с: Т — время фильтрации, с.
Отбор проб запыленного воздуха для фильтрации при скорости
ветра более I м/с производится в трех направлениях: по ветру,
против ветра и перпендикулярно ему. Объем воздуха необходимо
приводить к нормальным условиям (температура 20 °C, атмосфер-
ное давление примерно 100 кПа).
Для расчета износа деталей цилиндро-поршневой группы дви-
гателя и некоторых деталей ходовой части (например, уплотнения
штока гидроамортизатора), а также оценки условий видимости на
трассах движения важно иметь для основных районов эксплуата-
ции сведения о средней и максимальной запыленности воздуха по
сезонам года на разной высоте от земли (скажем, 0,5; 1,0; 1,5 и
2,0 м) при движении одиночной машины и колонны машин. Для
расчета систем воздухоочистки и прогноза износостойкости дета-
лей двигателя необходимы, кроме того, данные о дисперсном сос-
таве пыли и содержании в ней кварца. Информация о дисперсном
составе пыли может обобщаться в виде интегральных кривых рас-
пределения размеров частиц пыли. Значительный интерес пред-
ставляют данные о средней запыленности воздуха в моторно-транс-
миссионном и обитаемых отделениях ВГМ в различных климати-
ческих зонах. Эти данные позволяют оценить условия функциони-
рования и ресурс уплотнений штоков силовых цилиндров, золотни-
ков и других кинематических звеньев при абразивном действии пы-
ли. Сведения о запыленности воздуха используются при выборе ус-
ловий проведения стендовых ресурсных испытаний агрегатов ВГМ.
Информация о возможной запыленности воздуха в обитаемых от-
делениях нужна для обеспечения защиты экипажа от вредного вли-
яния пыли с учетом существующих медицинских норм.
6.3. ЖЕСТКОСТЬ ГРУНТА
Состояние поверхности движения оказывает механическое воз-
действие на детали ВГМ (особенно ходовой части), увеличивая их
нагруженность и вынуждая водителя изменять режим движения.
188
Элементом ходовой части, на который поверхность движения ока-
зывает непосредственное влияние, является подвеска.
Подвеска предназначена для смягчения толчков и ударов, воз-
никающих при движении по неровностям дороги, и гашения энер-
гии происходящих при этом колебаний корпуса машины. Характер
таких толчков, ударов и колебаний зависит от скорости движения
машины, размеров встречающихся неровностей, а также от жест-
кости поверхности дв.ижения и ее деформационных свойств. При
движении по мягкой поверхности колебания корпуса машины и
связанные с этим толчки и удары частично гасятся (смягчаются)
податливостью поверхности дороги. Колебания при движении по
жесткой поверхности почти полностью воспринимаются упругими
элементами подвески и при определенных условиях могут приво-
дить к ее пробоям, вынуждающим ограничивать скорость движе-
ния по параметрам плавности хода.
Неровности малой длины и высоты, которые на мягких поверх-
ностях легко сминаются гусеницами, не оказывая практически ни-
какого влияния на иагруженность ходовой части, на жестких по-
верхностях движения вызывают высокочастотные колебания дета-
лей подвески и, создавая наиболее тяжелые условия для работы
ее демпфирующих элементов, уменьшают их долговечность.
Неровности жесткой поверхности в пределах ширины гусеницы
при определенных сочетаниях их размеров и взаимного расположе-
ния могут вызвать пиковые нагрузки деталей гусеничного обвода,
привести к сверхпредельным осевым смещениям, перекосам эле-
ментов движителя, к сбросу гусеницы и механическому поврежде-
нию деталей.
Таким образом, жесткость поверхности движения должна учи-
тываться при решении задач обеспечения необходимой плавности
хода, подвижности машины, при конструкторских расчетах дета-
лей ходовой части и оценке ее надежности.
На необходимость учета деформируемости поверхности движе-
ния при расчетах элементов ходовой части гусеничных машин об-
ратили внимание еще в 40-х годах.
В 1947 г. была опубликована статья М. Н. Щукина «О расчете
некоторых деталей ходовой части», в которой автор предложил
методику расчета отдельных деталей гусеничного движителя с уче-
том жесткости поверхности движения, одновременно сетуя на от-
сутствие данных «... о действительной величине податливости кат-
ка и препятствия, необходимых для расчета усилий, действующих
на подвеску в различных условиях наезда на препятствие».
В 1963 г. в статье «Некоторые вопросы конструирования и расче-
та гусеницы» В. Д. Волков и Л. С. Развалов привели математичес-
кие зависимости для расчета деталей резино-металлических шарни-
ров с применением теории изгиба балок, лежащих на упругом ос-
новании (грунт, слагающий поверхность движения машины). Ана-
лизом механических свойств грунтов при движении колесных и гу-
сеничных машин занимаются в настоящее время в Челябинском
1S9
политехническом институте. Ведутся также научно-исследователь-
ские работы по созданию методов учета жесткости поверхности
движения при конструировании деталей ходовой частя и оценке ее
надежности.
Жесткость поверхности движения определяется модулем общей
деформации и коэффициентом упругой податливости, значения ко-
торых для различных грунтов приведены в табл 3.11 и 3.12, а для
различных материалов покрытий дорог в табл. 3.13. Значения ко-
эффициентов упругой податливости используются при определении
изгибающих моментов, нагружающих детали гусеничного дви-
жителя.
Микронеровности жесткой поверхности, как уже отмечалось,
вызывают высокочастотные колебания элементов движителя, опор-
ных катков и связанных с ними деталей, что должно учитываться
при конструировании подвески и оценке ее долговечности. Чтобы
учесть все типы профиля автомобильных дорог с покрытием, замер
высоты неровностей нужно выполнять с шагом (интервалом дис-
кретности) 0,2—0,5 м (табл. 6.4).
Таблица 6.4
Характеристики мнкропрофиля дорог (данные НАМИ)
Шаг Пнспспсня Уравнение для расчета нормирован
Дорожное покрытие иэмер - д». см* ной спектральной плотности
ине. м при единичной скорости движения
Булыжное в удовлет-
ворительном состоянии
0.2 1.83-5.24 S* (<») -
Булыжное с впадинами
и буграми
Асфальтовое
Цемеитобстонное
0.1
ОД
0.5
6,23—10.7 S*
0.135 0.096 (п.» 4.04)
(*•») ~ (U24 о.25 + (о.» г 3,9о)* + 0.64
0,61 1.60 S*(«o)
0.054 0.024 («* + 0.36)
<•>» 4- 0,04 *" (<•>'—О,Зо)г f 0.00.16
0.048
0.25 -1.54 S* (<•») - ( >3 0,0225
Примечание. « — круговая частота.
При сравнительной оценке ресурса ВГМ в различных дорожно-
климатических условиях рассчитывается накопленное значение па-
раметра, определяющего предельное состояние сборочной единицы
или детали. Для упругих элементов подвески — это накопленные
усталостные повреждения, для демпфирующих элементов накоп-
ленная ими теплота.
190
Уровень накопленных усталостных повреждений упругих эле-
ментов можно выразить в долях от их циклической долговечности
(числа циклов до разрушения), определяемой на стендах по экви-
валентной кривой дли заданного уровня неразрушения. Так, если
по результатам стендовых испытаний для торсионного вала полу-
чена циклическая долговечность и известно, что при некото-
рых условиях движения вал такого образца подвергается нагру-
жению п9 эквивалентных циклов на единицу пути, то по линейно-
му закону накопления повреждений уровень накопленных повреж-
дений вала на единицу пути определяется отношением т, а
долговечность гамма-ресурсом S-, = Значение п, зависит
от скорости движения и высоты неровностей. Следовательно, уро-
вень накопленных повреждений и долговечность торсионного вала
5Т являются функциями скорости движения и высоты дорожных
неровностей.
В настоящее время разработан метод количественной оценки
мощности, поглощаемой демпфирующими элементами систем под-
рессоривания, устанавливающий зависимость между этой мощ-
ностью, скоростью движения ВГМ и уровнем перегрузки от интен-
сивности воздействия дорожного профиля.
Зная количественные характеристики микропрофиля можно оп-
ределить при заданных отрезках пути и скорости движения маши-
ны мощность, расходуемую на нагрев амортизатора, и температу-
ру его нагрева.
Эксплуатация машин на каменистых грунтах также связана с
риском повреждения деталей гусеничного движителя. Особенно
опасны часто встречающиеся на севере нашей страны валунные по-
ля. Внезапный наезд машины частью опорной площади гусеницы
на валунный камень может закончиться сбросом гусеницы, повреж-
дением резиновых шин опорных катков, разрушением других дета-
лей движителя. Скрытый под снегом, сыпучим песком или травя-
нистой растительностью и не замеченный вовремя водителем ва-
лун достаточных размеров, попав между гусеницами, может выз-
вать деформацию днища, вывести из строя важные системы внут-
ри машины. Такое повреждение, вызываемое пиковыми нагрузка-
ми, относится к классу мгновенных. Статистика мгновенных пов-
реждений используется при определении фактического ресурса
сборочных единиц движителя в различных районах эксплуатации
машин.
Состояние поверхности движения и свойства грунтов необходи-
мо учитывать не только при расчете деталей ходовой части, но и
при проектировании других составных частей ВГМ. Так, коэффи-
циенты сопротивления движению используются в расчетах КПД
трансмиссии и тяговой характеристики ВГМ, гористость местности
(высота и угол подъемов — спусков) учитывается в расчетах гидро-
системы ВГМ, предназначенной для охлаждения и смазки двигате-
ля и трансмиссии.
191
Коэффициент сцепления гусениц с грунтом учитывается при
расчете допустимых изгибных колебаний танковой пушки в про-
цессе стрельбы.
Интенсивность микропрофиля, определяющая вибрацию корпу-
са ВГМ и импульсные ударные воздействия на членов экипажа,
учитывается при эргономическом обеспечении новых образцов, в
частности при разработке устройств подрессоривания сидений тан-
кистов.
Спектральные плотности распределения микропрофиля исполь-
зуются для расчета подвески, решения задач плавности хода и
других вопросов, связанных с подвижностью машины и надеж-
ностью ее систем и механизмов. По статистическим характеристи-
кам распределения типов микропрофиля на трассах эксплуатации
ВГМ возможно моделирование случайных реализаций трасс, ис-
пользуемых при стендовых испытаниях отдельных систем и де-
талей.
6.4. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ
Климатические условия существенно влияют на надежность и
режим работы машины. Поэтому обоснование тактико-технических
требований к новым машинам, оценка их эффективности, анализ
результатов испытаний, проектирование, создание и доводка ма-
шин по заданным требованиям, обоснование режимов испытаний
на надежность становятся невозможными без знания климатичес-
ких условий, в которых будет эксплуатироваться техника.
Чтобы правильно учесть воздействие климатических условий
на детали и машины в целом, необходимо знать закономерности
распределения климатических параметров в суточном, сезонном и
годовом ходе, а также территориальную изменчивость их средних
и экстремальных значений.
Особенно агрессивно воздействуют на технику температуре и
влажность воздуха.
В технических заданиях (ТЗ) на разработку новых образцов
или их составных частей необходимо указывать, для каких клима-
тических условий эксплуатации или хранении они предназначены.
При составлении ТЗ на разработку образцов общеклиматического
исполнения выбираются наиболее тяжелые возможные сочетания
климатических факторов.
В настоящее время в технических расчетах обычно используют-
ся экстремальные или средние месячные и годовые значения тем-
пературы, относительной влажности и солнечной радиации.
Тепловое воздействие, испытываемое техникой в условиях тро-
пического климата, складывается из воздействия температуры на-
ружного воздуха, грунта, солнечной радиации и тепловыделений
при функционировании образцов.
Результаты испытаний и опытной эксплуатации автомобилей в
жаркой зоне СССР показали, что при температуре наружного воз-
192
духа 40.. .42 °C поверхность песчаного грунта прогревается до
68.. .72 °C, дорожное асфальтовое покрытие - до 85 °C, а темпе-
ратура отдельных деталей и агрегатов автомобиля в 2—2,5 раза
превышает температуру наружного воздуха.
При низкой температуре окружающего воздуха затруднен пуск
двигателя, требуется его подогрев.
Системы охлаждения, подогрева и кондиционирования должны
обеспечивать нормальные условия для двигателя и экипажа ВГМ.
Экстремальные значения климатических параметров не отража-
ют объективно закономерности изменения климата. Экстремаль-
ные значения наблюдаются чрезвычайно редко (1 раз в
25—50 лет), а гарантийный срок эксплуатации образцов техники
около 10 лет. Вероятность попадания техники в то место, где тем-
пература в данный момент имеет экстремальное значение, ничтож-
но мала, но тем не менее экстремальные значения необходимо учи-
тывать с целью обеспечения безотказности техники.
Использование средних значений в расчетах приводит к непра-
вильным конструкторским решениям, так как средние значения
в природе встречаются крайне редко, их вероятность не превыша-
ет 0,05. Являясь для классической климатологии нормальными,
в технической климатологии они малопригодны, поскольку слабо
отражают реальные метеорологические условия. В реальных усло-
виях отклонения от них бывают большими и длительными. Поэто-
му при проектировании и эксплуатации техники необходимо ис-
пользовать вероятностно-статистические методы расчета климати-
ческих параметров.
Средние значения удобны краткостью выражения общих зако-
номерностей изменения климата и используются для качественных
оценок. По вероятностным характеристикам и климатическим но-
мограммам, рассчитанным по средним значениям, раскрываются
структурные особенности климата.
Все возможные значения климатических параметров можно
учесть лишь с помощью вероятностных характеристик. Важна так-
же разработка комплексных показателей, прежде всего темпера-
туры и относительной влажности.
Методы расчета и анализа климатических параметров опреде-
ляются целями и задачами исследования. Стандартные приемы об-
работки параметров и технической климатологии в основном не-
приемлемы. Необходимо использовать климатические номограммы.
Комплексные характеристики климата представляют собой
i—d-диаграммы*, психометрические диаграммы, сетчатые номо-
граммы. С помощью диаграмм температурно-влажностные харак-
теристики учитываются по 3—5 параметрам, а с помощью сетчатых
номограмм определяются не только сами комплексы температуры
и относительной влажности, но и плотность распределения комп-
лексов и каждого параметра в отдельности.
* Подробнее об этом см. т. 7 настоящей монографии.
13 Зак. 26 с
193
Часто расчет ведется на так называемые нормальные климати-
ческие условия, в качестве которых принимаются определенные
значения атмосферного (барометрического) давления, температу-
ры, влажности воздуха и других параметров. Отклонение значе-
ний этих параметров от нормальных учитывается с помощью спе-
циальных поправок.
Например, известно, что температура воздуха, атмосферные
осадки, естественная конвекция воздуха являются причиной тепло-
вого изгиба ствола пушки. Техническая подготовка изготовленных
пушек (приведение их к нормальному бою, выверка прицела с пуш-
кой) производится для нормальных условий стрельбы (температу-
ра воздуха 15 °C, давление 100 кПа, скорость ветра 0 м/с); при
пристрелке пушек в процессе испытаний и во время эксплуатации
ВГМ учитываются отклонения фактических значений климатичес-
ких параметров от нормальных и табличных.
Мощность кондиционеров для обитаемых отделений танков,
средства индивидуального обогрева танкистов рассчитываются на
экстремальные значения температуры воздуха внутри машины.
От температуры и давления воздуха зависит коэффициент из-
бытка воздуха, т. е. мощность двигателя. Давление воздуха необ-
ходимо учитывать при расчете эжектора системы охлаждения лви
гателя, а температуру — при расчете топливной системы силовой
установки, системы пуска двигателя, упругой характеристики гид-
ропневматической подвески, поверхности охлаждения и массы
амортизатора и др. Расчет, как правило, ведется на заданные
экстремальные значения климатических параметров, а результаты
испытаний для сравнения приводятся к нормальным условиям.
В соответствии с нормированными значениями температуры,
давления, влажности воздуха и других параметров разрабатыва-
ются приборы комплекса управления огнем, навигационная и ра-
диоаппаратура; для этих же условий устанавливается гарантий-
ный срок их службы.
194
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1 Абаулин В. И. Внешнее проектирование танкового и противотанкового
вооружения. МИзд. ЦКБ МОП. 1967 373 с
2. Бабков В. Ф., Безрук В. М. Основы грунтоведения и механики грунтов
М.: Высшая школа, 1976. 327 с.
3. Бахтин II. У. Физико-механические и технологические свойства почв. М.:
Знание, 1971. 64 с.
4 Беккер М. Г. Введение в теорию систем местность—машина. М.: Маши-
ностроение, 1973. 520 с.
5 Бендат Дж., Пирсол А. Измерение и анализ случайных процессов. М :
Мир, 1974. 463 с
6. Добренко А. Г. О природе абразивности грунтов. — В кн.: Износ и долго-
вечность оборудования и инструмента. М.: Недра, 1978. 95 с.
7. Ермолаев А. Д.. Игнатенко В. В., Коболов А. И. Военная топография.
Пособие для танкистов. М : Военнздат, 1969. 168 с.
8 Забавников Н. А. Основы теории транспортных гусеничных машин. М.:
Машиностроение, 1975. 448 с.
9. Иваньков П. А., Захаров Г. В. Местность и ее влияние на боевые дейст-
вия войск. М.: Военнздат, 1969. 207 с.
10 Климатический справочник Западной Европы/Под ред. А. Н. Лебедева.
Л.: Гидрометеоиздат, 1979. 678 с.
11. Коваленко В. В., Шевкунов В. И. Метеорологическая подготовка стрельбы
артиллерии. Л : Изд. Военной артиллерийской академии нм. М. И. Калинина.
1975, 84 с.
12. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.; Сов.
радио, 1978. 400 с.
13. Параметры тропического климата для технических целей/Под ред.
А. Н. Лебедева, В. Н. Лашкова. Л.: Гидрометеоиздат, 1973. 515 с.
14 Радиационные характеристики атмосферы и земной поверхностн/Под
ред. К. Я. Кондратьева, Л.; Гидрометеоиздат, 1969. 564 с.
15 Распространение оптических волн в атмосфере/Под ред. В. Е. Зуева.
Новосибирск: Наука, 1975. 254 с.
16. Справочник по климату Антарктиды/Под ред. И. М Долгина, Л. С. Пет-
рова. Т. 2. Л.: Гидрометеоиздат, 1977 493 с.
17 Хан Г., Шапиро С. Статистические модели в инженерных задачах. М.:
Мир, 1969. 395 с.
18. Хрущов М. М.. Бабнчев М. А. Абразивное изнашивание. М.: Наука, 1970.
252 с.
19 Якушенков Ю. Г. Теория и расчет оптико-электронных приборов М :
Советское радио, 1980. 390 с.
13*
195
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие........................................................... 3
Глава 1. Математические методы описания внешней среды................. 7
1.1. Использование теории случайных процессов..................... 7
1.2. Прикладные задачи теории вероятностей и математической ста-
тистики ....................................................... 19
Глава 2. Общие сведения о климатических факторах, воздействующих
на ВГМ............................................................... 29
2.1. Климатические условия....................................... 29
2.2. Климатические районы земного шара........................... 34
2.3. Снежный покров.............................................. 57
2.4 Некоторые оптические свойства атмосферы...................... 60
Глава 3. Поверхность движения........................................ 75
3.1. Макропрофиль (рельеф) земной поверхности.................... 75
3.2. Микропрофиль поверхности движения........................... 80
3.3. Свойства грунтов............................................ 97
3.4. Топографическая дальность видимости........................ 107
3.5. Искусственные и естественные препятствия.................. 111
Глава 4. Влияние внешней среды на подвижность ВГМ................... 115
4.1. Сопротивление прямолинейному движению...................... 115
4.2. Сопротивление повороту..................................... 126
4.3. Сцепные свойства грунтов................................... 134
4.4. Особенности использования сведений о микропрофиле, дальности
видимости и препятствиях при определении скорости движения
ВГМ............................ ................................. 138
Глава 5. Учет внешней среды при проектировании комплексов воору-
жения танков........................................................ 142
5.1. Влияние параметров внешней среды на некоторые показатели
огневой мощи ВГМ................................................. 142
5.2. Дальность видимости цели................................... 149
5.3. Оптические и радиолокационные фоны местности............... 154
5.4. Влияние рефракции в приземных слоях атмосферы на точность
прицеливания..................................................... 166
5.5. Метеорологические условия полета снаряда в приземных слоях
атмосферы ....................................................... 169
5.6. Возмущающие воздействия на танковые стабилизаторы .... 172
Глава 6. Внешняя среда в расчетах надежности...................... 175
6.1. Абразивность грунтов....................................... 175
6.2. Пылеобразующая способность грунтов . . . . i............... 182
6.3. Жесткость грунта..................................... . . 188
6.4. Климатические параметры.................................... 192
Список литературы .................................................. 195
196