Thiết kế hệ quang cho kính quan sát ngày đêm cho trưởng xe trên tăng T54б và T55

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 93 THIẾT KẾ HỆ QUANG CHO KÍNH QUAN SÁT NGÀY ĐÊM CHO TRƯỞNG XE TRÊN TĂNG T54Б VÀ T55 Nguyễn Thu Cầm1*, Nguyễn Văn Thư1, Nguyễn Mạnh Thắng2, Nguyễn Hồng Hanh1 Tóm tắt: Trên cơ sở sơ đồ chức năng hệ quang kính quan sát hỗn hợp ngày đêm POD54 của Ba Lan trang bị cho tăng T54Б,T55. Chúng tôi đã tiến hành phân tích, tính toán và thiết kế ra hệ thống quang học có sơ đồ tương tự song các tham số kết cấu hoàn toàn mới cho kính trưởng xe HN.QS-TX54. Các kết quả mô phỏng quang sai trên Zemax cho thấy chất lượng ảnh của hệ quang được thiết đảm bảo tốt. Kết quả này mở ra khả năng chế tạo kính trưởng xe HN.QS-TX54 có chất lượng quan sát hoàn toàn tương đương với kính trưởng xe POD54, đáp ứng yêu cầu để trang bị cho xe tăng của quân đội ta. Từ khóa: Quang điện tử, Hệ thống quang học, Hệ quang kính trưởng xe. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ T54Б, T55 là dòng xe tăng chủ lực của ta, do Liên Xô viện trợ trong những năm kháng chiến chống Mỹ cứu nước. Với khả năng cơ động cao, hoả lực mạnh nên rất hiệu quả trong chiến thuật tấn công đánh nhanh, thọc sâu. Phương tiện quan sát nguyên bản cho người chỉ huy trên tăng gồm có: Kính quang học ТПКУ dùng cho tác chiến ban ngày, kính hồng ngoại chủ động ТКН-1С dùng cho tác chiến ban đêm. Cả hai kính ngày đều được lắp chung trên cùng một bộ gá trên tháp pháo. Do sử dụng hai kính riêng lẻ nên khi chuyển trạng thái chiến đấu từ ngày sang đêm tỏ ra bất tiện vì mất thời gian thay thế. Các đời xe tăng về sau người ta khắc phục nhược điểm này bằng cách hợp nhất hai loại kính trên thành một kính duy nhất vừa có khả năng quan sát ban ngày, vừa có khả năng quan sát ban đêm. Như dòng xe tăng Т- 62, Т-72 có kính ngắm hỗn hợp ngày đêm ТКН-3Б. Dòng xe tăng T90 trở lên có kính trưởng xe hỗn hợp ngày đêm theo nguyên lý ảnh nhiệt ТКН-4С. Đối với dòng xe tăng T54B và T55, trong những năm gần đây, một số nước đã đi theo hướng nâng cấp, cải tiến, hiện đại hóa, trong đó, trưởng xe được trang bị kính quan sát hỗn hợp ngày đêm. Trong những năm vừa qua chúng ta đã được đối tác Israel cải tiến nâng cấp thử 01 xe tăng T54Б có trang bị kính quan sát hỗn hợp ngày đêm POD54 do Ba Lan thiết kế chế tạo [1-3]. Kênh quan sát đêm của POD54 được trang bị bộ biến đổi quang điện thế hệ 3, tài liệu kèm theo của kính này chỉ có thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng [1]. Mặt khác, trong thời gian vừa qua được sự đầu tư của Bộ Quốc phòng theo chủ trương nâng cao khả năng tác chiến ban đêm, chúng ta đã có một số nghiên cứu ứng dụng cho lực lượng tăng Thiết giáp trong tác chiến ban đêm. Cụ thể như đề tài cấp Tổng cục Kỹ thuật nghiên cứu cải tiến kính trưởng xe TKN-1C và kính ngắm pháo thủ TPN-1-22-11 trên xe tăng T54B (T55) sử dụng bộ biến đổi quang điện thế hệ 2+, đề tài cấp Bộ Quốc Phòng nghiên cứu cải tiến kính ngắm bắn hỗn hợp ngày đêm 1PN-22-M2 trên xe chiến đấu bộ binh BMP-1 sử dụng bộ biến đổi quang điện thế hệ 3 và đã được trình bày trong công trình nghiên cứu [4], nhiệm vụ cấp Bộ Quốc phòng nghiên cứu thiết kế kính lái đêm cho xe thiết giáp M113 sử dụng bộ biến đổi quang điện thế hệ 2+ và đã được trình bày trong công trình nghiên cứu [5]. Các đề tài này bước đầu thành công đã phần nào khẳng định được khả năng làm chủ công nghệ thiết kế và gia công chế tạo các loại kính quan sát, ngắm bắn ngày đêm đêm dùng cho lái xe, trưởng xe và pháo thủ sử dụng các loại bộ biến đổi quang điện thế hệ mới với trình độ công nghệ và trang thiết bị hiện có trong nước. Vật lý N. T. Cầm, N.V.Thư, N.M.Thắng, N.H.Hanh, “Thiết kế hệ quang xe tăng T54Б và T55.” 94 Trên cơ sở các công trình nghiên cứu [4, 5] về thiết kế hệ quang cho các loại khí tài quan sát và ngắm bắn ban đêm và sơ đồ nguyên lý hệ quang trong [1], chúng tôi đã tiến hành tính toán và thiết kế ra mẫu kính ngắm mới HN.QS-TX54. 2. PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ HỆ QUANG KÍNH TRƯỞNG XE POD54 2.1. Cấu tạo và nguyên lý làm việc Hệ thống quang học của kính trưởng xe POD54 gồm kênh ngày và kênh đêm như được thể hiện trên hình 1 [1]. Hệ quang của kính này chung nhau kính bảo vệ (7), lăng kính đầu máy (11) và thị kính (2). Phần kênh ngày có 02 nhánh giống nhau, mỗi nhánh gồm: vật kính (4), kính lọc (3), lăng kính bình hành (8), lăng kính penta mái nhà (6), kính vạch (9), thị kính (2). Trong sơ đồ hệ quang này, chùm sáng đi từ mục tiêu qua kính bảo vệ (7) và phản xạ trên mặt huyền lăng kính (11) và đổ vào hệ thống quang học kênh ngày, qua hệ thống quang học trên giúp ta quan sát rõ mục tiêu. Phần kênh đêm có một nhánh duy nhất gồm có: vật kính (1) cấu tạo từ 6 thấu kính, bộ biến đổi quang điện thế hệ 3 (15). Hệ quang sau bộ biến đổi quang điện gồm: lăng kính AP-180, lăng kính chia chùm (5), các gương đổi chiều (12), gương lật (12a) và toàn bộ hệ quang kênh ngày. Chùm ánh sáng yếu đi từ mục tiên qua kính bảo vệ (7) và phản xạ trên mặt huyền lăng kính (11), sau khi qua vật kính kênh đêm (1) dựng ảnh lên photocathode của bộ biến đổi quang điện (15); ảnh của mục tiêu với cường độ sáng yếu được bộ biến đổi quang điện biến thành ảnh nhìn thấy trên màng huỳnh quang của nó. Hệ quang sau bộ biến đổi quang điện phóng đại ảnh này và qua đó ta quan sát thấy mục tiêu trong đêm tối. Như vậy, chúng ta thấy rằng về bản chất toàn bộ kênh quan sát ngày chỉ là một bộ phận của hệ quang sau bộ biến đổi quang điện của kênh đêm. Việc chuyển đổi từ kênh ngày sang đêm và ngược lại được thực hiện bằng việc thay đổi vị trí gương lật 12a như trên hình 1. 2.2. Phân tích sơ đồ nguyên lý các kênh quan sát Từ cấu tạo và nguyên lý làm việc của kính trưởng xe POD54, ta thấy rằng sơ đồ nguyên lý của kênh ngày như trên hình 2. Hình 2. Sơ đồ nguyên lý hệ quang kênh ngày của kính trưởng xe POD54. 1. Vật kính kênh ngày; 2. Lăng kính bình hành khai triển; 3. Lăng kính penta mái nhà khai triển; 4. Kính vạch; 5. Thị kính. 5 4 3 1 2 Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ quang kính trưởng xe POD54. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 95 Đối với kênh đêm, sơ đồ nguyên lý của kính trưởng xe POD54 được thể hiện như trên hình 3. Hình 3. Sơ đồ nguyên lý hệ quang kênh đêm của kính trưởng xe POD54. 1. Vật kính kênh đêm; 2. Bộ biến đổi quang điện; 3. Lăng kính AP-180 khai triển; 4. Lăng kính chia chùm khai triển; 5. Thấu kính trung gian; 6. Hệ quang kênh ngày. 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ 3.1. Xây dựng các tham số đầu vào 3.1.1. Các thông số của kính HN.QS-TX54 Các thông số của kính trưởng xe HN.QS-TX54 được lấy giống như các thông số của kính POD54 như trên bảng 1 [1]. Bảng 1. Các thông số của kính trưởng xe POD54. Thông số Kênh ngày Kênh đêm Độ phóng đại, lần 4,5 4,5 Trường nhìn, độ 9,9 8 Đường kính đồng tử ra 5 5 Cự li đặt mắt 24 24 Cự li quan sát, mét (với mục tiêu xe tăng) - 700 3.1.2. Các thông số của kênh ngày Thông thường đối với các hệ quan sát, tiêu cự thị kính được chọn trong giới hạn từ 20 mm đến 30 mm [2]. Vì vậy, đối với kính trưởng xe cần thiết kế, chúng tôi chọn tiêu cự thị kính f'tk=26 mm. Khi đó với độ phóng đại Г = 4,5 lần, vật kính kênh ngày sẽ có tiêu cự f'vkn= Г×f'tk =26×4,5=117 mm. 3.1.3. Các thông số của kênh đêm Để đáp ứng cự li quan sát không nhỏ hơn 700 mm với mục tiêu xe tăng. Trong hệ quang của kính trưởng xe sử dụng bộ biến đổi quang điện thế hệ 3, chúng tôi chọn vật kính kênh đêm có tiêu cự: f'vkd = 85,5mm, số khẩu độ f '=1,6. Khi đó hệ quang sau bộ biến đổi quang điện có tiêu cự là: f'hq= f'vkd/ Г =19 mm. 3.2. Tính toán, thiết kế hệ quang 3.2.1. Tính toán thiết kế hệ quang kênh ngày Kênh ngày của kính trưởng xe HN.QS-TX54 là hệ vô tiêu Kepple sử dụng hệ đảo ảnh bằng lăng kính. Phương pháp tính toán thiết kế hệ Kepple sử dụng hệ đảo ảnh bằng lăng kính theo phương pháp quang sai bậc 3 được trình bày chi tiết trong [7]. Trên cơ sở các 1 2 3 4 5 6 Vật lý N. T. Cầm, N.V.Thư, N.M.Thắng, N.H.Hanh, “Thiết kế hệ quang xe tăng T54Б và T55.” 96 thông số đã xác định ở mục 3.1.2, sử dụng phần mềm Zemax chúng tôi thiết kế ra hệ quang kênh ngày như trên hình 4. Hình 4. Sơ đồ hệ quang kênh ngày kính trưởng xe HN.QS-TX54. 1. Vật kính kênh ngày; 2. Lăng kính bình hành khai triển; 3. Lăng kính penta mái nhà khai triển; 4. Kính vạch; 5. Thị kính. 3.2.2. Tính toán thiết kế hệ quang kênh đêm Hệ quang kênh đêm được chia làm hai phần: Hệ quang vật kính và hệ quang sau bộ biến đổi quang điện. Giữa hai phần này không có sự thông suốt của các tia sáng đi từ không gian vật tới không gian ảnh, bởi vậy việc tính toán thiết kế cho mỗi phần là riêng biệt. Đối với hệ quang vật kính. Kết quả thiết kế trên phần mềm Zemax cho ra sơ đồ hệ quang như trên hình 5. Hình 5. Sơ đồ hệ quang vật kính kênh đêm kính trưởng xe HN.QS-TX54. Đối với hệ quang sau bộ biến đổi quang điện, quá trình tính toán thiết kế phức tạp hơn bởi phần này chứa toàn bộ hệ quang kênh ngày. Trong quá trình thiết kế chỉ có thể sử dụng các tham số của thấu kính trung gian để làm biến tối ưu. Kết quả thiết kế trên phần mềm Zemax cho ra sơ đồ hệ quang như trên hình 6. Hình 6. Sơ đồ hệ quang sau bộ biến đổi quang điện kênh đêm kính trưởng xe HN.QS-TX54. 3.3. Kết quả mô phỏng quang sai trên Zemax 3.3.1. Hệ quang kênh ngày Quang sai kênh ngày (hệ vô tiêu Kepple) được đánh giá trên cơ sở sử dụng thấu kính lý tưởng có tiêu cự tương đương mắt người quan sát. Kết quả như trên các hình từ hình 7 đến Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 97 hình 12. Ta nhận thấy rằng kích thước ảnh điểm (Spot) (ở hình 9) của hệ quang kênh ngày rất nhỏ nên phù hợp với yêu cầu tính toán thiết kế đặt ra. Cụ thể, tại vị trí tâm bán kính RMS = 7,601 mm, tại vị trí biên với góc 2,5o thì bán kính RMS = 14,529 mm. Loạn thị và méo gối của hệ quang kênh ngày cũng rất nhỏ. Loạn thị nhỏ hơn 0,33 mm. Méo gối cũng rất nhỏ, chưa đến 1% trên toàn trường nhìn (hình 11). Sắc sai lớn nhất của hệ quang kênh ngày là 125,9929 microns, giá trị này nhỏ hơn nhiều so với giá trị tới hạn là 200 microns (hình 12). Hình 7. Cầu sai hệ quang kênh ngày. Hình 8. Quang sai tia của hệ quang kênh ngày. Hình 9. Spot của hệ quang kênh ngày. Hình 10. Sai sóng của hệ quang kênh ngày. Hình 11. Loạn thị và méo gối hệ quang ngày. Hình 12. Sắc sai hệ quang kênh ngày. Vật lý N. T. Cầm, N.V.Thư, N.M.Thắng, N.H.Hanh, “Thiết kế hệ quang xe tăng T54Б và T55.” 98 3.3.2. Hệ quang kênh đêm Hàm MTF của vật kính kênh đêm như trên hình 13. Từ hình 13 ta thấy, hàm MTF đạt được của hệ quang ở tần số 100 cặp vạch đạt k = 0,199 (ở biên trường nhìn) và k = 0,26 (ở tâm trường nhìn). Hình 13. Hàm MTF của vật kính kênh đêm. Quang sai hệ quang sau bộ biến đổi quang điện được thể hiện như trên các hình từ hình 14 đến hình 19. Hình 14. Cầu sai hệ quang sau BBĐQĐ. Hình 15. Quang sai tia hệ quang sau BBĐQĐ. Hình 16. Spot hệ quang sau BBĐQĐ. Hình 17. Sai sóng của hệ quang sau BBĐQĐ. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Kỷ niệm 55 năm Viện KHCNQS, 10 - 2015 99 Hình 18. Loạn thị và méo ảnh sau BBĐQĐ. Hình 19. Sắc sai vị trí sau BBĐQĐ. Từ hình 14 đến hình 19 ta thấy, kích thước điểm ảnh (Spot) của hệ quang sau bộ biến đổi quang điện tương đối nhỏ. Loạn thị và méo gối của hệ quang kênh đêm cũng rất nhỏ. Loạn thị nhỏ hơn 0,33 mm. Méo gối cũng rất nhỏ, chưa đến 1% trên toàn trường nhìn (hình 18). Sắc sai lớn nhất của hệ quang kênh đêm là 94,8887 microns, giá trị này nhỏ hơn so với giá trị tới hạn là 100 microns (hình 19). Trên hình 20 và hình 21 là sơ đồ kết cấu hệ quang và mô hình 3D kính trưởng xe được thiết kế. Hình 20. Kết cấu hệ quang kính trưởng xe. Hình 21. Mô hình 3D kính trưởng xe. 4. KẾT LUẬN Trên cơ sở sơ đồ nguyên lý hệ quang kính quan sát hỗn hợp ngày đêm POD54 với độ phức tạp cao và không có các tham số về kết cấu, chúng tôi đã tiến hành tính toán và thiết kế thành công hệ quang cho kính quan sát hỗn hợp ngày đêm HN.QS-TX54 có các tham số chiến kỹ thuật hoàn toàn giống như kính nguyên bản POD54. Kết quả đạt được này Vật lý N. T. Cầm, N.V.Thư, N.M.Thắng, N.H.Hanh, “Thiết kế hệ quang xe tăng T54Б và T55.” 100 đánh dấu bước tiến mới trên tiến trình làm chủ công nghệ thiết kế chế tạo các thiết bị quan sát và ngắm bắn ngày đêm hoàn toàn bằng công nghệ trong nước. Điều này mở ra khả năng thay thế và cải tiến các kính trưởng xe cũ trên xe T54, T55 bằng kính trưởng xe quan sát hỗn hợp ngày đêm HN.QS-TX54 nhằm nâng cao hiệu quả quan sát và chiến đấu cho bộ đội. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Kính quan sát ngày, đêm của trưởng xe POD54, “Thuyết minh kỹ thuật và hướng dẫn sử dụng” Przemyslowe centrum optyki, Warsaw (2009), tr. 4-23. [2]. М.М. Русинов, “Техническая опткика” Ленинград Машиностроение (1979), стр. 379-401. [3]. Н. П. Заказнов, С. И. Кирюшин, В. И. Кузичев, “Теория оптических систем,” Москва Машиностроение (1992), стр. 218-225. [4]. N. T. Cầm, N. N. Sơn, “Thiết kế cải tiến hệ quang sau bộ biến đổi quang điện cho kênh đêm kính pháo thủ 1PN-22-M2” TC. Nghiên cứu KHCNQS, số Đặc san VLKT’13 (8/2013), tr. 83-89. [5]. N. T. Cầm, N. H. Hanh, N. T. Dũng, “Cải tiến kính lái đêm M19 trên xe thiết giáp M113” TC. Kỹ thuật Tăng thiết giáp, Tên lửa-Khí tài đặc chủng, số 17 (8/2014), tr. 17-21. [6]. Л. А. Запрягаева, И. С. Свешинкова, “Расчет и проектирование оптических систем” Москва Логос (2000), стр. 63-77. ABSTRACT DESIGNING THE OPTICS OF DAY AND NIGHT OBSERVATION SYSTEM FOR COMMANDER ON THE TANKS T54Б AND T55 Based on the optical system of the day and night periscopes POD54 which made in Poland was equipped for the tanks T54Б and T55. We analyzed, calculated and designed a new optical system for the commander’s observation of the HN.QS-TX54 similar to POD54’s optical system but all configuration parameters were new. All results of the simulation based on Zemax software showed that the optical system had good image quality. These results will open up the possibility of manufacturing HN.QS-TX54 system which completely observed equivalent POD54 system, so it can be equipped for our Army tanks. Keywords: Optoelectronic, Optical system, Commander’s observation. Nhận bài ngày 15 tháng 07 năm 2015 Hoàn thiện ngày 17 tháng 08 năm 2015 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 09 năm 2015 Địa chỉ: 1 Viện Vật lý Kỹ thuật - Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; 2Viện Khoa học và Công nghệ quân sự; *Email: nguyenthucam2003@yahoo.com.