Файл: Лебедев А.А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов учеб. пособие.pdf

равнодействующая этих сил будет равна Y (s)~l/2 . Другими сло­ вами

4 х= 4 +Ѵ 2 = 4 Ѵ 2 ,

т. е. подъемная сила поворотных крыльев (или рулей) в биссек­ торной плоскости на 40% больше, чем в плоскостях той или иной пары крыльев (рулей).

При крестообразной схеме летательного аппарата приме­ няется, как правило, плоский разворот (без крена), благодаря чему быстродействие аппарата несколько повышается, а систе­ ма управления получается более простой.

Для некоторых типов летательных аппаратов (например, уп­ равляемых авиационных бомб и торпед) потребная маневрен­ ность в вертикальной плоскости больше, чем в горизонтальной. В этих случаях могут применяться схемы расположения крыль­ ев, показанные на рис. J.23: иксобразная схема с углом \|)<45° и схемы с разнесенными вертикальными крыльями.

Рис. 1.23. Схемы с Х-образным (а) и Н-образным (б) расположе­ нием крыльев

Известны также летательные аппараты с кольцевыми несу­ щими поверхностями.

5.5. ВЗАИМНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ ПОДВИЖНЫХ И НЕПОДВИЖНЫХ НЕСУЩИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Важным признаком, характеризующим аэродинамическую схему летательного аппарата, является расположение подвиж­ ных несущих поверхностей (органов управления) относительно неподвижных поверхностей и центра масс. Как уже упомина­ лось, по этому признаку различают четыре варианта: обычная схема, схемы «бесхвостка», «утка» и схема с поворотными крыльями.

Обычная схема (рис. 1.24). В этой схеме органы продольного управления находятся в кормовой части корпуса, позади центра масс. Отличительная особенность обычной схемы состоит в том, что для создания положительного угла атаки а требуется откло­ нить рули на отрицательный угол б.

Схема «бесхвостка» (рис. 1.25). Стремление увеличить пло­ щадь крыльев и в то же время сохранить небольшой размах их

55

приводит к сильному возрастанию бортовой хорды крыльев. В этом случае рули примыкают вплотную (или почти вплотную) к задней кромке крыльев и могут быть связаны с ними конст­ руктивно. Такая схема получила название «бесхвостка», по­ скольку самостоятельное хвостовое оперение в ней отсутствует. «Бесхвостка» является разновидностью обычной схемы.

Схема «утка» (рис. 1.26). В этой схеме рули высоты нахо­ дятся в носовой части корпуса, впереди центра масс. Рули на­ правления при крестообразном расположении крыльев также расположены спереди, а при плоском расположении крыльев —• сзади.

Отличие схемы «утка» от рассмотренных выше схем состоит в том, что для создания положительного угла атаки требуется отклонить рули на положительный угол.

Схема с поворотными крыльями (рис. 1.27). Если в схеме «утка» постепенно увеличивать площадь рулей и перемещать их назад, одновременно уменьшив и сдвинув назад неподвиж­ ные несущие поверхности, то в конце концов можно прийти к схеме с поворотными крыльями. В этой схеме крылья располо­ жены вблизи центра масс аппарата и выполняют одновременно функции органов управления; неподвижные же несущие поверх­ ности служат в качестве стабилизаторов.

Таким образом, схема с поворотными крыльями является разновидностью «утки», хотя и имеет специфические особен­ ности.

56

В отличие от рассмотренных ранее схем, в которых для со­ здания подъемной силы требовалось повернуть весь аппарат на угол атаки а, в схеме с поворотными крыльями в принципе можно обойтись и без углов атаки, так как подъемная сила воз­ никает непосредственно в результате поворота крыльев относи­ тельно корпуса. Такой способ создания подъемной силы заметно улучшает динамические свойства летательного аппарата.

§6. ВОЗМУЩАЮЩИЕ СИЛЫ И МОМЕНТЫ

Вреальном полете на летательный аппарат всегда дейст­ вуют возмущающие силы и моменты, обусловленные различны­ ми факторами.

При составлении математической модели полета и ее иссле­

лишь те из них, которые существенно влияют на решение дан­ ной задачи. Поэтому здесь ограничимся кратким обзором основ­

(веса аппарата, силы тяги двигателей, секундного расхода топ­ лива и др.) от номинальных значений, обусловлены главным об­ разом производственными погрешностями при изготовлении и сборке элементов и агрегатов, комплектующих аппарат, и раз­ бросом характеристик топлива. Эти отклонения и такие произ­ водственные погрешности, как эксцентриситет тяги основного двигателя, несимметрия аппарата, перекос корпуса и т. п., вы­ зывают появление случайных возмущающих сил (сил тяжести, реактивных и аэродинамических) и их моментов.

Атмосфера является другим источником возмущений. Откло­ нения параметров атмосферы от стандартных значений приво­ дят к появлению возмущающих аэродинамических сил и момен­ тов и к отклонению тяги от номинальной величины. Ветровые воздействия также вызывают возмущения аэродинамических сил и моментов. Атмосферные .возмущения представляют собой случайный процесс и описываются случайными функциями.

Все эти возмущающие силы и моменты приложены непосред­ ственно к летательному аппарату. Кроме них, всегда действуют возмущающие силы и моменты, возникающие в результате раз­ личных ошибок в отклонении органов управления. Обычные источники таких возмущающих воздействий — это шумы, по­ грешности в работе аппаратуры и отклонения параметров ап­ паратуры от их номинальных значений, приводящие к различ­ ным ложным сигналам в элементах системы управления и со­ ответственно к ложным отклонениям органов управления. В результате появляются возмущающие силы и моменты, кото­ рые являются, вообще говоря, случайными величинами.

57

Очень важным возмущающим воздействием (с точки зрения влияния на точность управления) являются шумы, поступающие на входы устройств измерения координат цели и летательного аппарата, приемников команд и других устройств. Эти шумы, называемые обычно флюктуационными, в общем случае описы­ ваются нестационарными случайными функциями. Они приво­ дят к случайным отклонениям органов управления (рис. 1.28) и, следовательно, к появлению соответствующих возмущающих сил и моментов.

Возмущающие факторы, воздействуя непосредственно на ле­ тательный аппарат и на процессы управления, в конечном счете приводят к ухудшению, летных характеристик и снижению точ­ ности управления.

§ 7. СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ПОЛЕТОМ

Управляемым летательным аппаратом называется объект, движущийся в пространстве и обладающий средствами изме­ нения направления движения.

Примерами управляемых летательных аппаратов могут слу­ жить самолет, управляемый снаряд, ракета для исследования верхних слоев атмосферы, ракета-носитель искусственного спут­ ника Земли, ракета для межпланетных полетов и т. д.

Под управляемым полетом понимается изменение направле­ ния движения летательного аппарата, а также изменение скоро­ сти движения в целях выполнения задачи полета.

Траектории полета пилотируемых летательных аппаратов могут быть самыми разнообразными, так как они произвольно

58

определяются летчиком. В случае же автоматически управляе­ мого летательного аппарата траектория должна быть подчинена определенным закономерностям или связям. Только при этом условии система управления полетом будет способна привести летательный аппарат в заданную точку, т. е. обеспечить его встречу с целью.

Все траектории беспилотных летательных аппаратов можно условиться делить на две группы:

1)программные траектории;

2)траектории наведения на цель.

Впервом случае летательный аппарат движется по заранее заданной траектории, причем в процессе полета эта траектория уже не может быть изменена. Такой метод сближения летатель­ ного аппарата с целью называется полетом по программе, а со­ ответствующая траектория полета — программной.

Во втором случае траектория полета заранее не определена. Направление полета летательного аппарата в каждый момент времени устанавливается в зависимости от направления и ско­ рости движения цели с таким расчетом, чтобы обеспечить встре­ чу летательного аппарата с целью. Существует целый ряд мето­ дов определения направления полета, обеспечивающих встречу летательного аппарата с целью. Их обычно называют методами наведения. В этом случае траектории полета можно называть

траекториями наведения на цель.

Система управления полетом представляет собой совокуп­ ность устройств, предназначенных для приведения в действие органов управления и обеспечивающих встречу летательного аппарата с целью или полет по заранее намеченной траектории.

Система управления полетом состоит из:

1)системы стабилизации;

2)системы наведения.

7.1, СИСТЕМЫ СТАБИЛИЗАЦИИ И НАВЕДЕНИЯ

Система стабилизации или, точнее, система угловой стабили­ зации — это группа устройств, расположенных на летательном аппарате и обеспечивающих сохранение требуемого углового положения или установившегося углового движения летательно­ го аппарата. Иногда эту группу устройств называют автоматом стабилизации.

Обычно беспилотный летательный аппарат стабилизируется относительно всех трех его координатных осей.

В некоторых системах управления полетом принципиально можно обойтись без стабилизации крена, однако с целью повы­ шения точности управления и улучшения условий пуска бёспилотные летательные аппараты и в таких случаях, как правило, снабжаются системой стабилизации угла крена или угловой ско­ рости крена.

59

Заметим, что при полете в достаточно плотных слоях атмос­ феры стабилизация беспилотного летательного аппарата отно­ сительно осей Оуі и Ozi в некоторых случаях может осущест­ вляться без применения автоматических устройств — аэродина­ мическими средствами путем придания летательному аппарату свойств статической устойчивости. Так как при вращении лета­ тельного аппарата вокруг продольной оси Охі аэродинамические силы практически не изменяются, то стабилизация крена не мо­ жет быть обеспечена с помощью аэродинамики. Для этой цели могут служить лишь автоматические системы стабилизации угла или угловой скорости крена.

Рис. 1.29. Система стабилизации с дифференцирующим гиро­ скопом (датчиком угловой скорости):

а — режим стабилизации; б — режим управления

Так как на летательный аппарат беспрерывно действуют возмущающие силы и моменты, автоматические системы стаби­ лизации, очевидно, должны быть системами замкнутого типа. В таких системах стабилизация осуществляется путем создания управляющих моментов, направленных на уничтожение возник­ шей ошибки (рассогласования).

Пример системы стабилизации можно видеть на рис. 1.29. Задача системы, в состав которой входят измеритель угловой скорости летательного аппарата и рулевой привод, состоит в том, чтобы независимо от действия возмущающих моментов сохра­

нить требуемое значение угловой скорости тангажа Ь, задавае­ мое сигналом наведения ия.

При наличии замкнутой системы стабилизации летательный аппарат с автоматической аппаратурой образуют единую дина­ мическую систему, в которой летательный аппарат является

60

•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