Высокоточное параметрическое уравнение траектории тяжелой точки в воздушной среде с квадратичным сопротивлением при продольном и боковом ветре

 pdf (394K)

Проективно-двойственные переменные использованы для описания геометрии движения точечной массы в движущейся системе наблюдения, связанной с воздушной средой, характеризующейся квадратичным по скорости законом для лобового сопротивления. Через обратный переход к неподвижной системе и обратное преобразование Лагранжа выведены степенные формулы для абсолютных координат и времени: $x(b)$, $y(b)$, $z(b)$ и $t(b)$, $b = \rm{tg}\, \Theta$ — наклон относительной траектории, в области малых углов вылета $\Theta_0 < 15^{\circ}$. Выражения используют ключевые параметры движения: $b_0 = \rm{tg}\, \Theta_0$, $\Theta_0$ — угол вылета, $R_a$ — вершинный радиус кривизны траектории и $\beta_0$ — отношение квадрата разворотной скорости к квадрату предельной скорости. Малое отклонение полученных аппроксимаций от классических интегральных выражений обусловлено эффектом автоподстройки, заключающемся в уменьшении параметра $\beta_0$ с ростом начального наклона траектории $b_0$. Для стартовых сил сопротивления, не превышавших $1.15$ $\rm{m\,g}$, и скоростей ветра, меньших 40 м/с, и в вышеуказанном интервале углов вылета абсолютные погрешности составляли величины порядка дециметров, а относительные не превышали десятых долей процента. Ввиду того, что численная реализация формул «почти» алгебраическая, они могут быть внедрены в простейшие баллистические калькуляторы как используемые для стрельбы в условиях ветра, так и с движущегося орудия/по движущейся мишени.

Ключевые слова: квадратичный закон сопротивления, скорость ветра, снаряд, проективно-двойственные координаты, баллистический, малоугловая область, движущееся орудие, траектория, параметрическое уравнение
Цитата: Вестник Удмуртского университета. Математика. Механика. Компьютерные науки, 2015, т. 25, вып. 4, с. 534-543
DOI: 10.20537/vm150410

The high-precise parametrical equation for the trajectory of a point mass projectile in medium with quadratic drag under head-, tail- or side wind conditions

Precise trajectory equation is deduced by using dual-projective variables for a heavy projectile motion in medium with quadratic in speed longitudinal wind. By integration by parts there were received the power type formulas for low angle trajectories with initial slopes $\Theta_0 < 15^{\circ}$. They use the following key parameters of motion, namely $b_0 = \rm{tg}\,\Theta_0$, with $\Theta_0$ as an angle of throwing, $R_a$ as the top curvature radius and $\beta_0$ as dimensionless speed square in the highest point of the trajectory. These formulas for the coordinates and time $x(b)$, $y(b)$, $z(b)$ and $t(b)$ with $b = \rm{tg}\, \Theta$ being the current slope of the trajectory display strongly the effect of self-improving of accuracy due to diminishing of $\beta_0$ with the $b_0$ growing. Their precision when compared to exact integral formulas occurs to consist of 0.1-0.3 %% and this takes place in wide range of wind speeds up to $40\,mps$ and with starting drag forces of $1.15$ $\rm{m\,g}$ value. Due to their simplicity and quasi-algebraic type the formulas may be easily implemented in ballistic calculator, especially for the guns shooting as they moving at high speeds and in moving targets.

Keywords: quadratic air drag, head/tail/side wind, projectile, dual-projective coordinates, ballistic, direct fire angle, moving gun, trajectory, parametrical equation
Citation in English: Bulletin of Udmurt University. Mathematics, Mechanics, Computer Science, 2015, vol. 25, issue 4, pp. 534-543

Журнал индексируется в Scopus

Журнал входит в базы данных zbMATH, MathSciNet

Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index (RSCI) на платформе Web of Science

Журнал включен в перечень ВАК.

Электронная версия журнала на Общероссийском математическом портале Math-Net.Ru.

Журнал включен в Crossref