Метод исследования потенциальной эффективности применения экзоскелетов в боевой экипировке военнослужащих

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Метод исследования потенциальной эффективности применения экзоскелетов в боевой экипировке военнослужащих

Новак Константин Викторович,

Винокурова Юлия Сергеевна

кандидат экономических наук

Главный научно-исследовательский

испытательный центр робототехники

Министерства обороны Российской Федерации

Аннотация

Количественное описание совокупности свойств экзоскелетов не дает однозначного понимания эффективности их применения. Предварительная оценка эффективности экзоскелетов возможна на основе методов исследования операций (математического моделирования двусторонних боевых действий). Для этого разработан программно-моделирующий комплекс исследования потенциальной эффективности применения экзоскелетов, основанный на аналитическом описании процесса двусторонних боевых действий с помощью уравнений динамики средних (уравнения Ланчестера-Осипова), в которых результаты взаимодействия боевых единиц на каждом этапе не считаются случайными, а принимаются равными их средним значениям. Методология исследований объединяет методы исследования операций, математического моделирования, системного анализа, военной кибернетики, теории надежности, эргономики. Основным результатом исследования является математическое обеспечение программно-моделирующего комплекса исследования потенциальной эффективности применения экзоскелетов, разработанное на основе уравнений метода динамики средних. Результаты математического моделирования подтверждают актуальность разработки экзоскелетов военного назначения в интересах повышения эффективности боевых действий мотострелковых подразделений при выполнении профессиональных задач.

Ключевые слова: экзоскелет, боевая экипировка, эффективность применения экзоскелетов, уравнения динамики средних, уравнения Ланчестера-Осипова, моделирование боевых действий, программно-моделирующий комплекс, исследование операций, эффективность боевых действий, эффективность профессиональной деятельности

Abstract

The quantitative description of external skeletons' features doesn't provide the unambiguous understanding of effectiveness of their use. The preliminary assessment of their effectiveness can be carried out on the base of operations research method (mathematical modeling of bilateral military operations). For this purpose, the modeling research, used to study the potential effectiveness of external skeletons, has been developed; it is based on analytical description of the process of bilateral military operations with the help of Lanchester-Osipov equations, in which the results of interaction between the fighting units on each stage are considered not as random, but as equal to their average. The research methodology includes the operations research method, mathematical modeling, system analysis, military cybernetics, the reliability theory and human factors engineering. The authors develop the mathematical support for the modeling research complex, used to study the potential effectiveness of external skeletons, based on Lanchester-Osipov equations. The results of mathematical modeling prove the necessity to develop external skeletons, designed for military use, in order to improve the effectiveness of military operations of armored infantry units.

Keywords: operations research, modeling complex, tactical engagement simulation, Lanchester-Osipov equations, Lanchester laws, effectiveness of external skeletons, tactical gear, external skeleton, effectiveness of military operations, effectiveness of professional activity

Одним из перспективных направлений совершенствования экипировки является интеграция в ее состав новых элементов, способствующих повышению эффективности профессиональной деятельности. На сегодняшний день в рамках этого направления сформировалась идея создания интегрированного комплекса индивидуальной боевой экипировки, обладающего возможностью защитить военнослужащего от поражающих факторов огневого воздействия противника, а также повысить его физическую силу и выносливость. При этом задачи по увеличению физической силы и выносливости, а также расширению функциональных возможностей предлагается решать за счет использования в основе комплекса экипировки экзоскелетных конструкций (экзоскелетов) ^[1-3].

Анализ данных о мировых научных разработках в области создания экзоскелетов, показывает растущий интерес к созданию экзоскелетов военного назначения (рис. 1). Созданные и разрабатываемые экзоскелеты отличает большое многообразие конструкций, различных по принципам действия и конструктивному исполнению, применяемым приводам и источникам питания.

Рисунок 1 - Существующие экзоскелеты военного назначения

В Российской Федерации научные исследования в области создания экзоскелетов активизировались сравнительно недавно по инициативе МЧС (2007-2011 гг. - проект НИИ механики МГУ «Экзоатлет»). Началом работ по изучению возможностей использования экзоскелетных конструкций в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации (далее - ВС РФ) можно считать исследования, проводимые с 2009 г. по настоящее время в рамках создания перспективной экипировки военнослужащих.

К настоящему времени определено понимание общего функционала экзоскелетов, которое заключающееся в необходимости обеспечения полной защищенности человека от огня стрелкового оружия и легкого осколочного потока; возможности поочередного использования нескольких комплектов оружия с увеличенным боекомплектом; возможности перемещения в экзоскелете на расстояние не менее чем в три раза большее, чем без него ^[4]. Основные требования, предъявляемые условиями применения перспективного штурмового экзоскелета (экзоскелета «поля боя») представляются реализуемыми в случае исполнения экзоскелета в виде интегрированного комплекса индивидуальной боевой экипировки на основе активного экзоскелета с собственным энергоэффективным источником питания большой продолжительности работы (рис. 2).

На основе достигнутого научно-технического уровня зарубежных экзоскелетов военного назначения и возможностей отечественной промышленности можно прогнозировать значения основных тактико-технических характеристик отечественного перспективного образца (табл. 1).

Рисунок 2 - Возможный облик штурмового экзоскелета будущего (концепты и разработки)

экзоскелет боевая экипировка военнослужащий

Таблица 1 - Прогнозные значения основных тактико-технических характеристик штурмовых экзоскелетов ВС РФ

Данные, приведенные в табл. 1, основаны на предположении, что на прогнозируемый период (5-10 лет) основные характеристики экзоскелетов военного назначения, создаваемых предприятиями отечественного оборонно-промышленного комплекса, будут, как минимум, не хуже характеристик, соответствующих достигнутому на сегодняшний день мировому уровню ^[4-6].

Высокое количественное значение того или иного показателя (свойства) образца вооружения не дает однозначного понимания эффективности его применения и не может служить достаточным основанием для оснащения этим образцом ВС РФ. В этом случае для предварительной оценки эффективности образца целесообразно применять методы исследования операций (методы математического моделирования двусторонних боевых действий) ^[7-10].

В работе в целях предварительной оценки эффективности применения штурмовых экзоскелетов используются методы моделирования, основанные на аналитическом описании процесса двусторонних боевых действий с помощью уравнений динамики средних (уравнения Ланчестера-Осипова), в которых результаты взаимодействия боевых единиц на каждом этапе не считаются случайными, а принимаются равными их средним значениям ^[11].

Очевидно, что подобный подход требует существенных упрощений в части описания противоборствующих сторон и процесса боевых действий, но в то же время позволяет определить количество уцелевших единиц каждой стороны в любой момент времени, значения основных показателей, определяющих победу той или иной стороны, победившую сторону и количество сохранившихся у нее боевых единиц, а также время окончания боя (полного уничтожения проигравшей стороны).

При расчетах приняты следующие допущения:

численности сохранившихся боевых единиц противоборствующих сторон в каждый момент времени близки к своим средним численностям (математическим ожиданиям), что дает возможность не рассматривать подробности, связанные со случайным состоянием отдельно взятой боевой единицы, и рассматривать процесс боевых действий как детерминированный ^[11-12];

последовательность выстрелов, осуществляемых каждой единицей, участвующей в боевых действиях, представляется в виде пуассоновского потока событий ^[12];

поток выстрелов принят состоящим из «успешных» выстрелов, который также считается пуассоновским, выстрел считается «успешным» если он поражает боевую единицу противника ^[12];

исследуется бой двух сторон Х и Y, состоящих из однотипных боевых единиц;

стороны X и Y начинают боевые действия одновременно;

каждая боевая единица Х может стрелять по любой боевой единице противника Y и наоборот, одним выстрелом нельзя поразить более одной боевой единицы;

в любой момент времени суммарная боевая мощь каждой группировки пропорциональна не самому случайному числу сохранившихся боевых единиц, а его среднему значению (математическому ожиданию);

в любой момент времени скорость потерь одной стороны пропорциональна произведению числа боевых единиц другой на скорострельность каждой из них и на вероятность поражения ^[11];

бой полностью упорядочен, т.е. все боевые единицы разведаны и огонь ведется только по непораженным единицам.

Воспользовавшись уравнениями динамики средних, приведенными в ^{[11, 12]}, можно записать следующую систему дифференциальных уравнений, описывающую динамику боя сторон X и Y:

где исходное число боевых единиц стороны Х равно x ₀ и каждая из них с вероятностью P_x при каждом выстреле поражает боевую единицу противника, имея скорострельность _х (у стороны Y соответственно - y, P_y, _y).

Система уравнений (1), показывает, что скорость потерь одной стороны пропорциональна произведению числа боевых единиц другой на скорострельность каждой из них и на вероятность поражения единиц противника. Решение системы позволяет определить количество уцелевших единиц каждой стороны в любой момент времени.

В общем случае система (1) рассматривает случай, когда все боевые единицы сторон однотипны. Очевидно, что применение такой системы для моделирования боя современных подразделений, включающих в свой состав достаточно большое количество типов разнообразных боевых единиц, потребует учета их неоднородности.

В ряде работ предложен метод учета неоднородности боевых единиц через введение некоего элементарного кванта взаимодействия - минимальной неделимой единицы численности общего количества разнородных (гетерогенных) боевых единиц ^[13-15]: по Дюпюи (Dupuy, 1995), такой эталонной боевой единицы выступает безоружный, абсолютно неподготовленный человек, по Эверсону (Everson, 2007) - человек в рукопашной схватке.

Выбор эталонной боевой единицы зависит от вида рассматриваемых боевых действий и их масштаба. Так, в работе ^[16], моделирующей боевые действия в Корее, в качестве эталонной боевой единицы выбран танк. А для операций сухопутных войск в качестве таковой может быть принята, например, дивизия определенного типа ^[15].

Далее вводится понятие коэффициента соизмеримости К^соизм боевых единиц относительно выбранной эталонной единицы, и, таким образом, под «численностью» противоборствующих сторон понимается «эффективная численность» - сумма произведений численностей боевых единиц определенного типа на их коэффициенты К _i ^соизм:

где X - эффективная численность стороны X, Э _i - эффективная численность боевой единицы i -го типа; x_i - численность боевой единицы i -го типа; К _i ^соизм - коэффициент соизмеримости боевых единиц i -го типа относительно выбранной эталонной единицы.

Таким образом, введенные соотношения и допущения, позволяют приступить к моделированию боевых действий двух неоднородных группировок, состоящих из разнотипных боевых единиц.

В целях достижения приемлемой точности полученного результата принято решение ограничится ротным уровнем, т.к. дальнейшее укрупнение масштаба моделируемых подразделений неизбежно приведет к накоплению ошибок (погрешностей) связанных с отсутствием учета взаимодействия войск (сил) с другими подразделениями, подхода пополнений, полевого ремонта вооружения и военной техники, расхода боеприпасов и др.

В качестве объекта моделирования выбраны типовые подразделения: мотострелковая рота (на БМП-2) из состава бригад ВС РФ (сторона X) и мотопехотная рота армии США (сторона Y). Номенклатура и количество вооружения моделируемых сторон приведено в табл. 2 (^{[17, 18]}).

Таблица 2 - Номенклатура и вооружение моделируемых сторон

Использованные для дальнейших расчетов тактико-технические характеристики (ТТХ) вооружения приведены в табл. 3. Ввиду предполагаемого характера боя, как огневого боя с использованием стрелкового оружия, отсутствия применения тяжелой боевой техники невозможности однозначного сопоставления одной единицы РПГ, ПТРК или ПТУР одной боевой единице из штатного количества принято решение применение гранатометов учитывать опосредовано, через коэффициенты соизмеримости боевых единиц, а от учета применения ПТРК и ПТУР отказаться.

Таблица 3 - ТТХ вооружения моделируемых сторон

В целях приведения численностей моделируемых сторон к их эффективным численностям значения коэффициентов соизмеримости боевых единиц были вычислены методом экспертных оценок их шести боевых свойств ^[19]: применимости, боевой мощи, мобильности, живучести, точности стрельбы и надежности, после чего нормированы по выбранной эталонной боевой единице (табл. 4).

Таблица 4 - Расчетная соизмеримость боевых единиц моделируемых сторон

По результатам расчетов эффективная численность сторон составила: для стороны Х - 186 эталонных боевых единиц (э.б.е.), для стороны Y - 183 э.б.е.

Из системы дифференциальных уравнений (1) видно, что основным параметром определяющим победу той или иной стороны, кроме ее численности, является произведение P l, которое принято называть эффективной скорострельностью боевых единиц противоборствующих сторон ^[12].

За скорострельность l в расчетах приняты средние боевые скорострельности (наибольшее количество выстрелов, которое можно произвести в единицу времени из данного оружия без ущерба для материальной части и с учетом времени, необходимого для перезаряжания, изменения наводки и т.п. ^[20]) оружия, которое применяют в ходе боя стороны Х и Y: для стороны Х - 180 выстрелов в минуту, для стороны Y - 200 выстрелов в минуту.

Вероятности поражения противоборствующими сторонами боевых единиц противника приняты равными средним вероятностям поражения, свойственным используемому оружию, с учетом расчетных данных приведенных для стрелкового оружия в ^[21] и ^[22]. Дистанция стрельбы при расчетах вероятностей поражения выбрана равной 400 метрам ^[23]. P_x составляет 0,50, P_y - 0,58.

Система (1) с учетом вышеизложенных формульных зависимостей и расчетных значений будет выглядеть следующим образом:

Для оперативной оценки исхода боевых действий при известных эффективных скорострельностях можно использовать параметр Ф ^[11] определяемый по формуле (3).

где N - численность одной из сторон.

При заданных эффективных скорострельностях и численностях Х и Y побеждает та сторона, у которой значение параметра Ф больше. В данном случае, очевидно, что победит сторона Y (мотопехотная рота США), поскольку Ф _y > Ф _x. При этом количество сохранившихся единиц более сильной стороны Y по формуле (4) составит Y _ост =83 э.б.е. (45% начальной численности).

Построение модели того же боя с учетом применения ротой ВС РФ экзоскелетов военного назначения потребует внесения поправок, вызванных влиянием применения экзоскелета на компоненты (составляющие) системы дифференциальных уравнений (1).

Существует два пути учета этих поправок: выражение боевой единицы в экзоскелете через коэффициент соизмеримости - внесение поправки в эффективную численность роты ВС РФ, или внесение поправки в эффективные скорострельности противников.

Второй путь представляется более предпочтительным, так как позволит, в том числе ответить на вопрос сколько эталонных боевых единиц мотострелковой роты ВС РФ смогут эффективно противостоять мотопехотной роте США в случае применения ими экзоскелетов военного назначения.

При заданных штатных численностях сторон наибольшее влияние применение экзоскелетов будет оказывать на значения вероятностей поражения за счет повышения мобильности, живучести и ситуационной осведомленности боевых единиц. Ориентировочно значение прироста боевых свойств можно оценивать исходя из потенциального увеличения таких характеристик как максимальная скорость, развиваемая боевой единицей, максимальная площадь бронирования, увеличение скорости обмена и полноты информации о ходе боевых действий, а также, исходя из потенциального уменьшения убыли личного состава от кровопотери в результате срабатывания системы доврачебной помощи (экзоскелета) при ранениях (табл. 5).

Прирост в мобильности рассчитывается на основе отношения максимальной скорости бойца к его максимальной скорости в экзосклете (быстрее в 3 раза).

Прирост в живучести достигается за счет повышения площади бронирования и своевременной доврачебной помощи при ранениях. Прирост в бронировании рассчитан, исходя из средней общей площади тела человека в 2 м², площади покрытия современных средств индивидуальной бронезащиты - не более 0,63 м^{2 [24, 25]}, прогнозируемой площади бронирования экзоскелета - не менее 1,2 м². Санитарные потери, обусловленные кровотечениями, в настоящее время составляют порядка 25% всех боевых потерь ^{[26, 27]}. Допущение, что своевременная остановка кровотечений способна сократить санитарные потери как минимум на 20% общих потерь, а также прирост бронирования в 1,91 раза приняты как искомые поправки по живучести.

Таблица 5 - Значения боевых свойств эталонных боевых единиц, а также возможные значения их прироста в результате применения экзоскелетов военного назначения

Поправка повышения ситуационной осведомленности, за счет помехоустойчивой связи, системы визуализации боевой обстановки, а также оперативного обнаружения противника и целераспределения между боевыми единицами принимается равной 5% ^[28].

Учет полученных поправок организован на основе разложения вероятности поражения боевых единиц на четыре основные ее составляющие: вероятность успешного прицеливания, вероятность успешного попадания, вероятность успешного пробития брони, вероятность успешного нанесения ущерба противнику ^[29-31].

Очевидно, что повышение ситуационной осведомленности увеличит вероятность успешного прицеливания, высокая мобильность цели, наоборот, затруднит прицеливание и попадание. Аналогично, доля вероятности поражения, заключающаяся в успешном пробитии, будет снижена повышением бронирования, а доля успешного нанесения ущерба цели будет снижена снижением потерь от кровотечений при ранениях.

С учетом изложенного систему дифференциальных уравнений (1) можно записать в виде:

При этом количество сохранившихся единиц победившей стороны X составит Y _ост =144 э.б.е. (77,5% начальной численности).

Таким образом, на основе уравнений метода динамики средних проведено моделирование боевых действий между мотопехотной ротой США и мотострелковой ротой ВС РФ как с применением экзоскелетов военного назначения, так и с использованием штатного вооружения. Получены постоянные коэффициенты уравнений (2) и (5) - моделей боевых действий.

В результате исследований выявлено превосходство мотопехотной роты США над отечественной мотострелковой ротой в изолированном от внешней поддержки боевом столкновении с использованием штатного вооружения, что связано с большей точностью и скоростью огня мотопехоты США. Анализ огневых возможностей мотопехоты США свидетельствует, что на уровне роты она располагает большим количеством и номенклатурой оружия и средств связи при соизмеримой численности личного состава.

Вместе с тем, показано, что использование экзоскелетов военного назначения позволяет роте ВС РФ добиться победы, сохранив при этом не менее 77,5% своего начального боевого потенциала. Модель (5) позволяет утверждать, что применение экзоскелетов позволяет с высокой вероятностью нанести поражение мотопехотной роте США (применяющей свое штатное вооружение) в изолированном бою, силами не менее чем 60 эталонных боевых единиц, применяющих экзоскелеты военного назначения.

Вышеизложенные расчеты подтверждают актуальность разработки экзоскелетов военного назначения как одного из главных направлений повышения эффективности боевых действий мотострелковых подразделений при выполнении боевых задач.

Библиография

1. Воробьев А.А., Андрющенко Ф.А., Засыпкина О.А., Соловьева И.О., Кривоножкина П.С., Поздняков А.М. Терминология и классификация экзоскелетов // Вестник Волгоградского государственного медицинского университета. 2015. № 3 (55). С. 71-77.

2. Медведев В.Р., Богомолов А.В., Мурашев Н.В., Гамалий В.Н., Сидоров В.А. Техническое оснащение тактического и оперативного этапов медицинской эвакуации // Оборонный комплекс-научно-техническому прогрессу России. 2011. № 4. С. 95-103.

3. Солдатов Е.А., Юдин А.Б., Жигалов А.А., Стариков С.М. Основные направления создания и развития медицинской робототехники в интересах медицинской службы Вооруженных Сил Российской Федерации // Известия ЮФУ. Технические науки. 2016. № 2 (175). С. 230-240.

4. Новак К.В. Справочные данные по состоянию разработок в области создания экзоскелетов военного назначения. Доклад. М.: ГНИИЦ РТ МО РФ, 2016. 11 с.

5. Методическое обеспечение и результаты физиолого-гигиенических исследований авиационного бронежилета / А.А.Аверьянов [и др.] // Проблемы безопасности полетов. 2010. № 10. С. 30-35.

6. Математическая модель определения параметров контактной зоны ударного воздействия на тканевый авиационный бронежилет / А.А.Аверьянов [и др.] // Проблемы безопасности полетов. 2009. № 2. С. 11-20.

7. Максимов И.Б., Столяр В.П., Богомолов А.В. Прикладная теория информационного обеспечения медико-биологических исследований. М.: Бином, 2013. 311 с.

8. Новиков Д.А. Иерархические модели военных действий // Управление большими системами: сборник трудов. 2012. № 37. С. 25-62.

9. Прудский М.В. Математическое моделирование военных конфликтов // Управление экономическими системами: электронный научный журнал. 2016. № 3 (85). С. 7.

10. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Ушаков И.Б. Математическое обеспечение оценивания состояния материальных систем. Информационные технологии. 2004. № 7 (приложение). 32 с.

11. Чуев Ю.В. Исследование операций в военном деле. М.: Воениздат, 1970. 256 с.

12. Чуев В., Дугобай И. Модели двусторонних боевых действий. М.: Lambert Academic Publishing, 2014. 80 с.

13. Dupuy T. N. 1995. Attrition. Forecasting Battle Casualties and Equip-ment Losses in Modern War. Fall Church, VA: Nova Publication.

14. Everson M. 2007. The Clash of Civilizations. Proposed Clash Combat Sys-tem. Available at: http://home.akademie.de/~DToussaint/clash/ clash_combat.htm.

15. Митюков Н.В. Определение жертв войн через ланчестерские модели. // Историческая психология и социология истории, том 2, № 2. М. 2009.

16. Caldwell, B., Hartman, J., Parry, S., Washburn, A., Yungren, M. 2000. Aggregated Combat Models. Available at: http://www.nps.navy.mil /orfacpag/ resume Pages.

17. Байрамуков Ю.Б., Драбатулин Е.А. Общая тактика. Сухопутные подразделения армий иностранных государств. Красноярск: СФУ, 2011. 80 с.

18. Лебединец А.Н. Организация, вооружение и боевые возможности мотострелковых подразделений малого масштаба. Учебное пособие. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012.108 с.

19. Бонин Л.С. Боевые свойства и эффективность вооружения и военной техники // Военная мысль. 2005. № 1, С. 65-68.

20. Краткий словарь оперативно-тактических и общевоенных слов (терминов) / Под ред. Н.Н.Шкодуновича. М.: Воениздат, 1958. 324 с.

21. Шерешевский М.С., Гонтарев А.Н., Минаев Ю.В. Эффективность стрельбы из автоматического оружия. М.: ЦНИИ информации, 1979. 328 с.

22. Губин С.Г. Эффективность стрельбы из вооружения боевых машин и стрелкового оружия. Учебное пособие. Новосибирск: СГГА, 2012. 158 с.

23. Монетчиков С. Дистанции и цели для стрельбы из стрелкового оружия: опыт использования стрелкового оружия в годы Великой Отечественной войны. // Братишка, 2005..№12, С. 18-23.

24. Смирнов В., Средства индивидуальной защиты от стрелкового оружия. // voicesevas.ru: интернет-ресурс, URL: http://voicesevas.ru/news/ yugovostok/3557grazhdanskiesredstvaindividualnoyzaschity.html (дата обращения: 20.07.2016 г.).

25. Аналитическая справка «Сравнительные свойства отечественных и зарубежных средств индивидуальной бронезащиты». М-СПб: РАРАН, 2011. 13 с.

26. Кислова Ю.В., Богомолов А.В., Солошенко Н.В. Математическое моделирование реакций сердечно-сосудистой системы человека при кровопотере и гипотермии // Медицинская техника. 2006. № 4. С. 10-13.

27. Кукушкин Ю.А., Богомолов А.В., Солдатов С.К. Метод расчёта вероятности возникновения первичных травм вследствие воздействия воздушной ударной волны // Двойные технологии. 2016. № 1 (74). С. 68-72.

28. Хрипунов С.П., Чиров Д.С. Методический подход по обоснованию целесообразности применения интеллектуальных информационных технологий при синтезе моделей управления сложными организационно-техническими системами // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2016. Т. 14. № 1. С. 39-47.

29. Гусев Д.В., Климов Р.С. Программный комплекс априорного оценивания показателей качества профессиональной деятельности оператора эргатической системы // Программные системы и вычислительные методы. 2015. № 4. С. 374-389.

30. Хрипунов С.П., Чиров Д.С., Благодарящев И.В. Военная робототехника: современные тренды и векторы развития // Тренды и управление. 2015. № 4. С. 410-422.

31. Фёдоров М.В., Богомолов А.В., Цыганок Г.В., Айвазян С.А. Технология проектирования многофакторных экспериментальных исследований и построения эмпирических моделей комбинированных воздействий на операторов эрготических систем // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2010. Т. 8. № 5. С. 53-61.

Размещено на Allbest.ru