книги из ГПНТБ / Лебедев А.А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов учеб. пособие

•одним из элементов этой системы. При. этом динамические свой­ ства замкнутой системы стабилизации в заметной степени опре­

дающих закон движения центра масс летательного аппарата и обеспечивающих полет по этому закону путем соответствующе­ го изменения нормальных и тангенциальных управляющих сил. Другими словами, систему наведения можно определить как си­ стему управления движением центра масс летательного аппара­ та путем изменения управляющих сил. Соответственно под на­ ведением будем понимать управление движением центра масс летательного аппарата.

Чтобы осуществить наведение, необходимо изменять направ­ ление вектора скорости летательного аппарата. Так как направ­ ление вектора в пространстве определяется двумя координата­ ми, то для наведения летательного аппарата необходимо и до­ статочно, чтобы система наведения состояла из двух каналов.

Часть устройств системы наведения может быть расположе­ на на самом летательном аппарате (бортовая аппаратура си­ стемы наведения), другая часть может находиться вне его, т. е. на земле, корабле, самолете и т. д. (внебортовая аппаратура си­ стемы наведения).

Система наведения выполняет обычно следующие функции: 1) получает и обрабатывает информацию о движении цели

.и летательного аппарата, на основании которой вырабатывает

сигналы наведения;

2)передает сигналы наведения на борт летательного аппа­ рата, если первая функция выполняется внебортовой аппара­ турой;

3)преобразует сигналы наведения в нормальные управляю­ щие силы.

Последняя функция выполняется группой устройств, которую

условимся называть системой управления нормальными (управ­ ляющими) силами.

В § 5 было отмечено, что возможны два способа изменения нормальных управляющих сил: непосредственный (без поворо­ та корпуса) и путем поворота корпуса относительно вектора ско­ рости летательного аппарата.

При непосредственном способе создания нормальных управ­ ляющих сил система управления нормальными силами и систе­ ма стабилизации являются обычно независимыми (в том смысле, ■что они не имеют общих устройств).

Если нормальные управляющие силы создаются путем изме­ нения углового положения летательного аппарата, то можно

61

различать две схемы стабилизации и управления нормальными силами.

В первой схеме, наиболее простой, используется аэродина­ мическая стабилизация углов атаки и скольжения, а управление нормальными управляющими силами осуществляется с помощью рулевого привода, преобразующего сигналы наведения в откло­ нения органов управления. Система управления нормальными силами получается при этом разомкнутой.

Во второй схеме два канала замкнутой автоматической си­ стемы стабилизации используются для управления нормальны­ ми управляющими силами. Другими словами, система управ­ ления нормальными силами и соответствующие два канала си­ стемы стабилизации состоят из одних и тех же устройств, т. е~ тождественны. Такая система выполняет одновременно следую­ щие функции:

1)преобразует сигналы наведения в нормальные управляю­ щие силы;

2)стабилизирует при воздействии возмущений угловое по­ ложение летательного аппарата, задаваемое сигналами наве­ дения.

Этим функциям автоматической системы соответствуют два: режима ее работы: режим управления и режим стабилизации.

Вкачестве примера рассмотрим систему стабилизации угло­ вой скорости тангажа, приведенную на рис. 1.29. Работа этой системы в режиме стабилизации уже описывалась выше (см. рис. 1.29, а). В режиме управления (см. рис. 1.29, б) сигнал на­ ведения изменяется как функция времени uH(t), задавая непо­

средственно требуемое значение угловой скорости тангажа ■&(t) и косвенно —■нормальные силы

Р — — + Г ^ т І / Г .

57,3 1

Задача системы в режиме управления состоит в том, чтобы,, несмотря на воздействие возмущающего момента, создавать требуемые нормальные управляющие силы. Следует иметь в виду, что режимы управления и стабилизации представляют со­ бой модели или расчетные схемы реального сложного процесса,,

вполне точен. В американской литературе такая система назы­ вается обычно с и с т е м о й у п р а в л е н и я . Так как в отечест­ венной литературе понятие системы управления имеет более ши­

* См. гл. VIII, XI.

62

рокий смысл, а точное определение система угловой стабилиза­ ции и управления нормальными силами слишком громоздко, приходится обычно пользоваться термином система стабили­ зации.

Таким образом, когда нормальные управляющие силы созда­ ются посредством изменения углового положения летательного

.аппарата, два канала системы стабилизации являются структур­ ными элементами системы наведения. Эти два канала системы •стабилизации, используемые для управления нормальными си­

жить некоторую ошибку е, посылая в систему управления нор­ мальными силами соответствующие сигналы. За ошибку систе­ мы наведения е принимается обычно отклонение какой-либо •функции параметров движения летательного аппарата от зна­ чений этой функции, соответствующих требуемому движению. Так, например, при наведении летательного аппарата методом •совмещения за ошибку системы наведения принимается линей- <яое отклонение аппарата от линии «пункт управления — цель».

В замкнутую систему наведения входит в качестве одного из звеньев объект управления: либо сам летательный аппарат, либо система стабилизации — самостоятельная замкнутая си­ стема, в состав которой входит летательный аппарат. Хотя летательный аппарат и система (аппаратура) наведения как технические изделия существенно отличаются друг от друга, они вместе составляют единую динамическую систему. Поэтому под системой наведения будем понимать автоматическую систему,

кон изменения скорости полета путем соответствующего измене­ ния тангенциальных управляющих сил. Так как для решения ряда задач наведения управление скоростью не требуется, то этот канал часто отсутствует в составе системы управления по­ летом многих летательных аппаратов.

Каналы управления скоростью могут быть как разомкнуты­ ми, так и замкнутыми. Летательный аппарат входит в состав замкнутого капала управления скоростью как объект управ­ ления.

Система управления полетом, как следует из вышеизложен­ ного, представляет собой сложную автоматическую систему, со­ стоящую в общем случае из систем стабилизации и наведения. Поскольку мы условились рассматривать летательный аппарат как элемент этих систем, то логично теперь в отличие от опре­ деления на стр. 59 понимать под системой управления полетом

63

7.2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ НАВЕДЕНИЯ

Системы управления полетом обычно классифицируют по ти­ пу системы наведения. Это объясняется тем, что системы стаби­ лизации у большинства беспилотных летательных аппаратов:

1)программные системы наведения;

2)системы наведения, получающие информацию от цели.

В программных системах наведения управляющим воздейст­ вием служит сигнал, вырабатываемый программным механиз­ мом. Этот сигнал определяет требуемую траекторию полета, отклонения от которой система наведения стремится уничто­ жить. Программа полета задается перед пуском летательнога аппарата в зависимости от координат цели. Какая-либо инфор­ мация о координатах цели во время полета в систему наведения не поступает, и траектория летательного аппарата, заданная перед пуском, в процессе полета не может изменяться. По этой причине наводить летательные аппараты по программе можна только на неподвижные цели.

Напротив, системы наведения, имеющие устройства для по­ лучения информации о положении цели, могут изменять в тече­ ние полета траекторию летательного аппарата в соответствии с движением цели. Благодаря этому такие системы могут наво­ дить летательные аппараты как на неподвижные, так и на дви­ жущиеся цели. В рассматриваемом случае параметры движения цели или ее координаты служат управляющим воздействием для системы наведения.

Приведенная классификация систем наведения принимает во< внимание лишь самые общие свойства этих систем. Если в осно­ ву классификации положить принцип действия системы наведе­ ния, определяющий, на основании какой информации выраба­ тывается сигнал наведения и какие физические явления исполь­ зуются для определения координат цели и летательного» аппарата, то приходим к следующему общепринятому разделе­ нию систем наведения:

1)автономные системы;

2)системы самонаведения;

3)системы теленаведения;

4)комбинированные системы.

Рассмотрим краткую характеристику этих классов систем наведения.

64

Автономные системы

Автономные системы наведения в процессе полета летатель­ ного аппарата не получают никакой информации ни от цели, ни от командного пункта, ни от какого-либо другого искусственно­ го источника информации (например, от радиомаяка), что и объясняет название этих систем. Положение цели относительно поверхности Земли предполагается известным. Аппаратура на­ ведения, целиком размещенная на борту летательного аппара­ та, определяет его местонахождение относительно земной по­ верхности, вычисляет отклонения от заданной траектории поле­ та и в соответствии с этими отклонениями вырабатывает сигна­ лы наведения.

Системы самонаведения

В системах самонаведения устройства, находящиеся на бор­ ту летательного аппарата, получают информацию непосредст­ венно от цели.

Рис. 1.30. Система самонаведения

Блок-схема системы самонаведения показана на рис. 1.30. Для получения сигнала ошибки ие координатор цели определяет положение цели относительно системы осей, связанных с коор­ динатором и ориентированных в пространстве определенным образом в зависимости от принятого метода наведения. Сигнал ошибки преобразуется затем в сигнал наведения ин, поступаю­ щий в систему управления нормальными силами, в результате действия которых изменяется направление вектора скорости по­ лета и, следовательно, положение цели относительно осей, свя­ занных с координатором.

Системы самонаведения можно назвать полуавтономными, так как для них характерно отсутствие связи между летатель­ ным аппаратом и командным пунктом при наличии связи с целью.

Системы теленаведемия

В системах теленаведения бортовые устройства получают информацию (командные сигналы или опорные сигналы) от ис­

точника, находящегося вне летательного аппарата: с командно­ го пункта, радиомаяков и т. п.

Системы теленаведения в свою очередь можно разбить на три подкласса:

1)командные системы наведения;

2)системы наведения по лучу;

3)радионавигационные системы.

точки зрения возможны два способа наведения. В первом спо­ собе координаты летательного аппарата и цели определяются относительно осей, связанных с командным пунктом (наведение в координатах командного пункта); во втором — координаты цели определяются относительно осей, связанных с летательным аппаратом (наведение в координатах летательного аппарата).

Измерение координат цели и летательного аппарата относи­ тельно командного пункта производится с помощью устройств, называемых координаторами.

Координаты летательного аппарата и цели используются для определения отклонения летательного аппарата от требуемой теоретической траектории, а затем для формирования сигнала наведения.

Вычисление параметров теоретической траектории, определе­ ние отклонения летательного аппарата от этой траектории и выработка сигналов наведения выполняются с помощью устрой­

1)(Координаторы цели и л етател ьн о го аппарата;

2)устройство выработки команд; .

3)устройства радиотелеуправления;

4)система управления нормальными силами.

66

Всю аппаратуру, предназначенную для определения коорди­ нат дели и летательного аппарата, выработки и передачи сигна­ лов наведения, часто называют станцией наведения.

Устройства радиотелеуправления состоят из блоков, располо­ женных на станции наведения (шифратор, передатчик сигналов наведения) и на борту летательного аппарата (приемник сиг­ налов наведения, дешифратор).

Рис. 1.31. Командная система наведения в координатах командного пункта («н — сигнал наведения)

При наведении в координатах командного пункта для пра­ вильного выполнения команд, передаваемых со станции наведе­ ния на борт летательного аппарата, необходимо обеспечивать совпадение осей системы координат на станции наведения и на борту. Эта задача, характерная для рассматриваемых систем на­ ведения, решается системой стабилизации крена.

С и с т е м а н а в е д е н и я по л у ч у

Всистеме наведения по лучу сигналы наведения вырабаты­ ваются на борту летательного аппарата по измеренным отклоне­ ниям аппарата от оси луча радиолокатора, который перемещает­ ся в пространстве в соответствии с принятым методом наведения.

Взависимости от способа управления перемещением луча системы наведения по лучу могут быть двух вариантов: одно­ лучевые и двухлучевые.

Воднолучевой системе наведения (рис. 1.32) координатор цели (луч) непрерывно следит за целью, а координатор на бор­ ту аппарата определяет его отклонение от оси этого радиолуча.

В двухлучевой системе один луч используется для определе­ ния координат цели, которые поступают в устройство выработки команд. Последнее вырабатывает сигналы, управляющие пере-

Рис. 1.32. Однолучевая система наведения по лучу

Рис. 1.33. Двухлучевая система наведения по лучу

мещением второго луча радиолокатора, вдоль оси которого движется летательный аппарат. На рис. 1.33 приведена блоксхема двухлучевой системы наведения.

Р а д и о н а в и г а ц и о н н ы е с и с т е м ы

К системе наведения по лучу примыкают радионавигацион­ ные системы наведения. Несколько наземных станций наведения передают синхронизированные сигналы, задающие определен­ ным образом траекторию летательного аппарата. Бортовая ап­ паратура наведения, сравнивая эти сигналы, определяет откло­ нение летательного аппарата от заданной траектории и выраба­ тывает сигналы наведения, корректирующие движение аппарата.

68

Комбинированные системы

Выбор системы наведения определяется тактическими сообра­ жениями применения летательного аппарата, техническими воз­ можностями каждой системы наведения (главным образом даль­ ностью действия и точностью наведения) и техническими харак­ теристиками пусковых устройств. Часто для того чтобы удовлет­ ворить сложным тактико-техническим требованиям, применяют комбинированные системы наведения.

Вкомбинированных системах различные системы наведения используются последовательно или параллельно во времени.

Впервом случае на разных этапах движения летательного аппарата применяют различные системы наведения. Так, напри­ мер, для зенитного управляемого снаряда возможно следующее комбинирование систем наведения:

1)автономное наведение на начальном участке траектории;

2)наведение по командам или по лучу на среднем участке;

3)самонаведение на конечном участке.

Во втором случае различные системы наведения используют одновременно. Примером может служить система наведения бал­ листической ракеты, у которой управление движением в верти­ кальной плоскости осуществляется автономно, а отклонения от этой плоскости устраняются путем наведения по лучу.

§ 8. ОСНОВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

КАК ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

При полете летательного аппарата с работающим двигателем состав аппарата непрерывно изменяется. Происходит отбрасыва­ ние продуктов горения, благодаря чему возникает реактивная сила тяги, а в том случае, когда двигатель воздушно-реактивный, в него поступают все новые и новые частицы воздуха.

Обычно конструктивные параметры летательного аппарата и параметры его движения существенно изменяются в течение по­ лета. Изменения параметров движения связаны с большим се­ кундным расходом топлива и перемещением аппарата с перемен­ ной скоростью в атмосфере, плотность которой с высотой резко падает. В результате большого расхода топлива изменяются та­ кие характеристики аппарата, как масса, моменты инерции и положение центра масс. Изменение высоты полета и плотности атмосферы в сочетании с резким изменением скорости движения ракеты приводят к специфическому характеру изменения величи­ ны скоростного напора и числа М. С изменением числа М изме­ няются и аэродинамические характеристики летательного аппа­ рата.

У многоступенчатых ракет, кроме указанных изменений непре­ рывного характера, имеют место также скачкообразные изме­ нения параметров ракеты, связанные с отделением отработав-

69

■шей ступени. Скачкообразные изменения параметров могут иметь место как в моменты времени разделения ступеней, так и в мо­ менты отделения элементов конструкции ракеты.

В полете имеют место изменения секундного расхода массы, вызываемые изменением режима работы двигателя, а также различными случайными факторами. Наиболее значительные из­ менения секундного расхода происходят на переходных режимах работы двигателя (включение, переключение на меньшую тягу, полное выключение).

В результате изменения параметров летательного аппарата и параметров его движения в процессе полета существенно из­ меняются динамические свойства летательного аппарата как объекта управления (эффективность органов управления, реак­ ция на отклонение органов управления и др.).

Летательный аппарат вместе с системой управления образует замкнутую динамическую систему, процессы в которой (движе­ ние аппарата, упругие колебания корпуса и колебания жидкого топлива в баках, преобразования электрических сигналов, от­ клонения органов управления и др.) описываются сложной сис­ темой дифференциальных уравнений.

Эта система имеет очень высокий порядок и является нелиней­ ной стохастической системой уравнений. Действительно, если даже рассматривать летательный аппарат как абсолютно твер­ дое тело, то его движение характеризуется шестью степенями свободы и описывается системой дифференциальных уравнений 12-го порядка.

Упругие свойства конструкции и наличие свободных поверхно­ стей жидкого топлива значительно повышают число степеней свободы. Многочисленные элементы системы управления, влияю­ щие на характер полета, еще больше повышают число степеней свободы динамической системы, образуемой летательным аппа­ ратом и аппаратурой управления.

Нелинейность уравнений движения обусловлена рядом входя­ щих в них нелинейных зависимостей. Среди них можно' отме­ тить, например, зависимости аэродинамических сил и моментов от параметров движения, ограничения отклонений органов уп­ равления, характеристики с насыщением и зонами нечувствитель­ ности элементов системы управления и др.

Наконец, стохастический характер дифференциальных урав­ нений обусловлен воздействием на процесс полета многочислен­ ных случайных возмущений.

Очевидно, что любые попытки абсолютно полного учета всех перечисленных особенностей движения летательного аппарата, даже при использовании ЦВМ, не могут увенчаться успехом. Поэтому решение любой задачи исследования движения лета­ тельного аппарата инженер начинает с составления или обосно­ вания рациональной математической модели полета. Эта модель должна удовлетворять двум противоречивым требованиям: она

70