Файл: Лебедев А.А. Динамика полета беспилотных летательных аппаратов учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.04.2024
Просмотров: 215
Скачиваний: 16
чайных процессов, вычислительной математики, теории автома тического управления, вычисления на электронных машинах.
Настоящая книга охватывает круг вопросов, относящихся лишь к первым двум этапам исследования полета, т. е. в ней рассматривается только динамика самого летательного аппа рата.
§2. МЕСТО ДИНАМИКИ ПОЛЕТА
ВПРОЦЕССЕ РАЗРАБОТКИ КОМПЛЕКСА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Летательный аппарат является частью более сложной систе мы, называемой комплексом беспилотного летательного аппара та. Этот комплекс представляет собой совокупность самого ле тательного аппарата и всех прочих устройств, предназначенных для пуска аппарата и управления им, а также для проверочных работ и эксплуатации.
Так, например, комплекс управляемого снаряда, или ракет ный комплекс, складывается из ряда частей, совокупно выпол няющих задачу поражения цели. В комплекс входят:
1)снаряды, которые, в свою очередь, состоят из конструкции, двигательной установки с топливом, бортовой аппаратуры систе мы управления полетом, бортовой энергосистемы, боевой части
ивзрывателя;
2)внебортовая аппаратура управления полетом;
3)носители (самолеты, корабли, подводные лодки и т. п.);
4)пусковые установки;
5)испытательное, заправочное и подъемно-транспортное оборудование.
Задачи проектирования отдельных частей .ракетного комп лекса (например, самого аппарата, системы управления, пуско вой установки) взаимосвязаны и не могут быть решены незави симо друг от друга.
Основные этапы разработки ракетного комплекса. Ракетный комплекс разрабатывают на основании тактико-технических требований, которые определяют его назначение, технические и эксплуатационные характеристики, взаимодействие составных частей. К основным характеристикам управляемого снаряда можно отнести дальность и точность стрельбы, тип боевой части и ее вес, способ пуска, тип двигателя и компоненты топлива, число ступеней, тип системы управления полетом, боеготовность, надежность.
Процесс разработки ракетного комплекса включает в себя ряд этапов. На первом этапе проводят поисковые работы и предварительные исследования, рассматривают различные ва рианты комплекса. Задачами этого этапа являются оценка воз можности создания ракетного комплекса, удовлетворяющего заданным тактико-техническим требованиям, и получение ис
13
ходных данных для основного проектирования, а также оценка стоимости проведения всех работ и сроков их исполнения.
Итогом работ первого этапа является выпуск предэскизного проекта управляемого снаряда, где приводят предварительные материалы по баллистике (расчеты траекторий полета), аэроди намическим характеристикам, прочности, управляемости, устой чивости и т. д. Кроме того, в предэскизном проекте содержатся материалы по возможности использования имеющегося обору дования, а также существующих производственных мощностей.
Второй этап разработки — эскизное проектирование. Перед началом этого этапа уточняют отдельные тактико-технические данные ракетного комплекса и характеристики его основных частей.
В процессе эскизного проектирования глубоко изучаются все вопросы, связанные с созданием снаряда и других частей комп лекса. Кроме расчетов, используют материалы лабораторных исследований и экспериментальной отработки отдельных узлов, агрегатов и систем: приборов и агрегатов системы управления, наземного оборудования, отдельных узлов конструкции, двига телей (стендовые испытания) и т. д.
На следующем этапе создания ракетного комплекса разраба тывают чертежно-техническую документацию (технический проект) и изготавливают опытные образцы. Этот этап трудно отделить по времени от этапа эскизного проектирования, так как часть документации и даже изготовление отдельных узлов и систем проводят в период эскизного проектирования. В осо бенности это относится к аппаратуре й узлам, имеющим дли тельный технологический цикл изготовления.
Далее следует стендовая отработка опытных образцов (от дельных элементов и систем). Этот этап в той или иной мере также может совпадать по времени с предыдущими этапами.
На заключительном этапе происходит отработка и оценка опытных образцов путем летных испытаний. Этому этапу работ предшествует подготовка документации, необходимой для про ведения летных испытаний и, в частности, выпуск инструкций по всем видам работ, проводимым на полигоне. Особо следует отметить разработку вопросов баллистического обеспечения летных испытаний (выбор полигона, трасс стрельбы, районов падения снарядов и отделяющихся элементов их, выбор и обос нование программ управления полетом, расчет траекторий поле та и установочных данных системы управления).
Летные испытания опытных образцов предназначены для проверки соответствия фактических и заданных летно-техниче ских характеристик снаряда, аппаратуры управления, наземно го оборудования, определения путей совершенствования и т. д. Этот этап играет важную роль в создании ракетного комплекса. На основании результатов испытаний вносят необходимые из менения в конструкцию комплекса.
14
Роль динамики полета в процессе разработки ракетного комплекса. При создании ракетного комплекса и, в частности, самого управляемого снаряда большую роль играет решение задач баллистики, устойчивости полета, управляемости и точно сти стрельбы. По результатам этих расчетов определяют основ ные характеристики снаряда и его компоновку. При решении вопроса о возможности создания снаряда, удовлетворяющего за данным тактико-техническим требованиям, проводят большое число баллистических расчетов, на основании которых опреде ляют рациональные варианты компоновочной схемы, основные параметры снаряда, его вес, опорные траектории полета.
Вопросы управляемости и устойчивости решают путем иссле дования динамической схемы снаряда. Последнюю можно опи сать дифференциальными уравнениями возмущенного движе ния, коэффициенты которых определяются компоновочной схе мой и параметрами снаряда, а также параметрами движения по опорной траектории.
Рассматривая различные варианты решений, выбирают наи более рациональную динамическую и, следовательно, компоно вочную схему снаряда. При этом приходится преодолевать ряд противоречий. Может оказаться, что компоновочная схема, удовлетворяющая баллистическим, конструктивно-технологиче ским и эксплуатационным требованиям, не будет удовлетворять требованиям управляемости и устойчивости полета. Использова ние некоторых достаточно эффективных органов управления (управляющие камеры, газовые рули и т. п.) приводит к пони жению удельной тяги двигательной установки.
На этапе эскизного проектирования роль динамических ис следований еще более велика. На этом этапе требуется дать исчерпывающий ответ на вопрос о достаточности принятых ре шений для обеспечения заданной дальности и точности стрель бы, управляемости и устойчивости во всех возможных эксплуа тационных условиях, т. е. при всех условиях пуска, при различ ных метеорологических условиях, отклонениях параметров сна ряда и аппаратуры управления от номинальных значений и т. д.
В решении перечисленных выше вопросов ярко проявляется метод комплексной разработки, при котором комплекс рассмат ривается как единое целое. В процессе проектирования прлх<ъ дится находить рациональные компромиссные решения по мно гочисленным взаимосвязанным вопросам. Так, например, выбор способа управления влияет на компоновку и энергетику снаря да; выбор траекторий связан с весом и размерами снаряда, тем пературными и прочностными ограничениями, требованиями к точности стрельбы, типом системы управления и многими дру гими факторами; выбор места установки гироскопических при боров связан с вопросом обеспечения устойчивости упругого снаряда; выбор способа разделения ступеней — с требованиями, предъявляемыми к характеристикам двигательных установок.
15
Тесная взаимосвязь между различными вопросами проекти рования ракетного комплекса вынуждает вести проектирование в несколько этапов, согласуя на каждом из них полученные ре зультаты со всеми соисполнителями. Овобо тщательно подходят к выбору аппаратуры системы управления вследствие большой сложности ее изготовления и относительно высокой стоимости.
При решении задач динамики полета широко используют вы числительную технику. В частности, все баллистические расчеты проводят с помощью электронных цифровых вычислительных машин (ЦВМ).
При анализе устойчивости движения основным методом ис следования является моделирование возмущенного движения снаряда на электронных аналоговых вычислительных машинах (АВМ) , часто с использованием элементов или полного комп лекта реальной бортовой аппаратуры управления. Этот метод позволяет получить достаточно полное представление о реаль ных процессах, имеющих место в полете.
В последнее время для исследования устойчивости движения начинают широко использовать аналого-цифровые комплексы (АЦК), представляющие собой соединение аналоговой и цифро вой вычислительных машин с реальной аппаратурой системы управления полетом. Такой комплекс позволяет гораздо более оперативно, всесторонне и на высоком техническом уровне ре шать задачи динамики движения.
Кроме расчетов на ЦВМ и моделирования на АВМ, широко используют графо-аналитические методы исследования, особен но на этапе предварительного проектирования. Применение гра фо-аналитических методов требует существенного упрощения динамической схемы снаряда. Из ряда необходимых упрощений следует указать на линеаризацию уравнений движения и заме ну переменных коэффициентов этих уравнений постоянными (прием «замораживания» коэффициентов). Так, например, при предварительном исследовании устойчивости движения снаря да принимают отмеченные упрощения, чтобы затем использовать частотный метод или метод корневого годографа. Линеаризация уравнений при исследовании точности стрельбы дает возмож ность применить соответствующие методы теории вероятностей. В тех случаях, когда нельзя пренебречь нелинейными свойства ми снаряда или системы управления, используют такие прибли женные методы, как метод гармонического баланса или метод статистической линеаризации. Графо-аналитические методы по зволяют инженеру глубже проникнуть в сущность исследуемого явления, что облегчает последующее применение более точных методов с использованием ЦВМ, АВМ и АЦК.
ЧАСТЬ I
Уравнения движения, аэродинамические характеристики, траектории летательных аппаратов
П .ч;. ІГУБЛИНМАЯ— “ "ff
Ю-ТЕХІі'ИЧЕСЙдя
ГЛАВА I
УСЛОВИЯ ПОЛЕТА
И ОСОБЕННОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
КАК УПРАВЛЯЕМОЙ м ех а н и ч ес ко й си стем ы
Решение любой задачи динамики начинается с составления математической модели (динамической схемы) полета летатель ного аппарата, которая описывается более или менее сложными уравнениями движения. Математическая модель определяется, в первую очередь, поставленной задачей, в зависимости от кото рой исследователь выбирает ту или иную модель условий поле та, модель самого аппарата, модель сил и моментов, приложен ных к нему и т. д. От того, насколько рационально составлена математическая модель полета, зависит успех исследования. Ниже приводятся основные сведения об условиях полета и осо бенностях летательного аппарата как управляемой механиче ской системы, которые необходимо иметь в виду при составле нии математических моделей в задачах динамики полета.
§1. ДВИЖЕНИЕ, ФОРМА
ИГРАВИТАЦИОННОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ
Движение Земли
Земля совершает сложное движение, состоящее в основном из следующих составляющих.
1.Вращение вокруг своей оси с запада на восток с периодом
в 23 ч 56 мин 4,091 с = 86164,091 с среднего солнечного времени, или 24 ч= 86400 с звездного времени; угловая скорость враще ния при этом соответственно равна
й)3 = ----- —----- =7,2921 • ІО“5 рад/с.
86164,091
Вектор угловой скорости Земли «из направлен по оси враще ния от южного полюса к северному в соответствии с правилами знаков для правых систем координат.
19
2.Годичное обращение вокруг Солнца со средней скоростью движения по орбите 29,893 км/с.
3.Нутационные колебания земной оси с периодом около
18,6 года и амплитудой, не превосходящей 9,2".
4.Прецессионное движение относительно оси эклиптики с периодом 25 800 лет.
5.Движение вместе с солнечной системой относительна дру
гих звезд.
При исследовании полета летательных аппаратов все эти составляющие движения Земли, кроме суточного вращения, не. учитываются, так как их влияние чрезвычайно мало. Считается,, что центр масс Земли движется прямолинейно и равномерно и Земля вращается равномерно вокруг оси, направление которой не изменяется. Явления, связанные с вращением Земли, играют весьма большую роль в динамике баллистических ракет. Так, при расчете траекторий движения ракет приходится учитывать силы инерции, обусловленные суточным вращением Земли.
Вследствие своего вращения Земля представляет собой сплюснутый сфероид, у которого расстояние между полюсами меньше диаметра экватора. Это обстоятельство вместе с други ми отклонениями формы Земли от сферической и неравномер ное распределение масс внутри Земли затрудняют определение по величине и направлению силы притяжения Земли, действую щей на ракету.
Форма Земли
Земля представляет собой тело сложной формы. Поверхность Земли со всеми ее неровностями называется физической поверх ностью Земли. Физическую поверхность Земли практически не возможно описать математически, вследствие чего ее нельзя использовать в качестве поверхности, к которой относятся ре зультаты расчетов. За такую поверхность следует принять по верхность тела, которое бы наиболее близко подходило к Земле в целом по форме и размерам, а поверхность его выражалась доступной для практического использования математической за висимостью. Из геометрических тел, описывающих форму Зем ли, наиболее близко подходит к реальной Земле тело, получив шее название геоид. Чтобы дать определение этого тела, напом ним понятие об уровенной поверхности силы тяжести.
Как известно, суточное вращение Земли создает центробеж ную силу инерции, которая воздействует на тело, находящееся на поверхности Земли. Поэтому невозможно эксперименталь ным путем отделить центробежную силу инерции Рц от силы земного притяжения GT. Результирующий вектор этих сил G является вектором силы тяжести (рис. 1.1), направление кото рого в пространстве можно определить при помощи отвеса или уровня.
20