Thiết kế hệ quang cho kính quan sát ngày đêm cho trưởng xe trên tăng T54б và t55

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