Глава 8

СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

8.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Для обеспечения вывода космического объекта на заданную орбиту гиростабилизированная платформа системы управления ракеты-носителя должна быть определенным образом ориенти­рована в пространстве относительно направления земного ме­ридиана и координат пусковой установки, определяемых при геодезической подготовке пуска. Совокупность операций по ориентации ракеты-носителя или элементов ее бортовой системы управления перед пуском для получения заданных параметров полета называется наведением.

Дополнительной ориентации космического объекта относи­тельно наземной геодезической сети перед пуском, как правило, не требуется, так как он конструктивно связан с ракетой-носи­телем и его расположение по отношению к ракете известно.

Ракету-носитель и датчики системы управления при наведе­нии ориентируют относительно стартовой системы координат OXcYcZc (рис. 8.1), начало которой совпадает с центром массы РКС, установленной на пусковую систему. Ось OX0j указывает направление полета,. а ее положение определяется азимутом пуска Лп, ось OYc направлена вертикально вверх, а плоскость YcOXQ, касательная к траектории движения ракетно-космиче­ской системы в точке нахождения пусковой системы, называется плоскостью пуска.

Вследствие вращения Земли и других факторов траектория движения РКС является линией двоякой кривизны, поэтому она не совпадает с плоскостью пуска и отклоняется от нее.

С ракетно-космической системой связана так называемая связанная система координат OX1YlZl (рис. 8.2, а), начало ко­торой помещено в центре массы РКС. Ось ОХг совпадает с осью РКС, а направление остальных осей определяется распо­ложением рулевых органов, размещаемых в плоскостях стабилизации, которые обычно нумеруются римскими цифрами. Плоскость I—III, проходящая через продольную' ось ракеты и рулевые органы, называется основной плоско­стью симметрии.

233

Направление осей чувствительности гироскопических и инерционных датчиков системы управления определяет инер-циальную систему координат OXYZ (рис. 8.2, б), а плоскость XOY называется основной плоскостью стабилизации. К моменту пуска РКС оси связанной и инерциальной си­стем координат определенным образом ориентируют относительно осей координат пусковой установки. Необходимое взаимопо­ложение всех трех осей си­стем координат достигается вертикализацией, азимуталь­ным наведением и юстиров­кой гироплатформы ракеты.

Как ранее указывалось, вертикализацией ра­кеты называется совокуп­ность операций по доведе­нию ракетно-космической системы, установленной на пусковой системе, до строго вертикального положения. Наибольшее отклонение оси ракеты или элемента ее бор­товой системы управления от вертикального положения не должно превышать не­скольких угловых минут.

Рис. 8.1. Стартовая система координат

Вертикализация достига­ется поворотом опорной пло­скости пусковой системы во­круг двух взаимно перпен­дикулярных осей с помощью подъемных механизмов и проводится или непосредственно при установке или сразу же после установки ракеты.

Азимутальным наведением называется ориентиро­вание оси OY[ связанной системы координат и РКС, установ­ленной на пусковую систему, в горизонтальной плоскости для получения заданного направления полета. Оно осуществляется или разворотом ракеты в горизонтальной плоскости, или ори­ентированием отдельных элементов ее бортовой системы управ­ления.

Юстировка гироплатформы имеет своей целью сов­мещение основной плоскости стабилизации с основной плоско­стью симметрии. Она выполняется поворотом основания гиро­платформы относительно корпуса ракеты после ее установки на борт.

Для наведения ракетно-космической системы на стартовой позиции необходимо выполнить две подготовительные операции: геодезическую подготовку пуска и подготовку исходных данных,

234

При геодезической подготовке пуска определяют координаты пусковой системы и проводят ориентирование геодезических на-цравлений на стартовой позиции. Координаты пусковой системы вместе с координатами траектории полета РКС используют при подготовке исходных данных для пуска, а ориетированные гео­дезические направления — непосредственно для азимутального наведения.

Рис. 8.2. Системы координат:

а — связанная; б — инерциальная; 1 — двигатель стабилизации; 2 — датчик угла;

<? —гироскоп; 4 — акселерометр; 5 — контрольная призма

Ориентирование направлений — это определение азимута какой-либо прямой, принимаемой в качестве ориентир-ной линии; для РКС, как правило, ориентирование проводят от геодезической сети. При наведении на стартовой позиции выпол­няют большой объем разнообразных операций, связанных с определением направлений, измерением углов и разворотом приборов гироплатформы. Для уменьшения времени операции, по связанные с нахождением РКС на старте, проводят заранее, л также стремятся максимально автоматизировать саму систе­му наведения.

235

8.2. ОСНОВНЫЕ УСТРОЙСТВА СИСТЕМ НАВЕДЕНИЯ

По физическим принципам, положенным в основу работы элементов систем наведения, их устройства делят на оптико-ме­ханические, фотоэлектрические, электронные, электромеханиче­ские и гироскопические устройства. Оптико-механические уст­ройства применяют при определении азимута ориентирных на­правлений, фотоэлектрические— для измерения угла рассогла­сования, электронные и электромеханические — для выработки,

усиления и преобразования сигналов при измерении углов, дис­танционной их передаче и отработке угловых рассогласований, а гироскопические — главным образом в качестве измеритель­ных элементов систем управления или как гирокомпасы для обеспечения азимутального наведения.

Оптико-механические устройства. Примером оптико-механи­ческих устройств служат теодолиты, которые широко исполь­зуют для определения азимута ориентированных направлений и при вертикализации ракеты.

Для наведения РКС необходимо зафиксировать как положе­ние плоскости пуска, так и положение основной плоскости ста­билизации, фиксируемой обычно с помощью зеркал и зеркальных призм. Зеркала и призмы закрепляют на стабилизированной платформе при ее изготовлении и с большой точностью ориен­тируют относительно основной плоскости стабилизации ракеты.

Рис. 8.3. Прямоугольная призма

236

Наиболее широко используется прямоугольная зеркальная призма (рис. 8.3), особенностью которой является то, что све­товой луч, падающий на гипотенузную грань призмы в некото­рой плоскости Р, выходит из нее обратно в плоскости Q, парал­лельной плоскости Р. При этом в точках а и d луч преломляется на гипотенузной грани призмы, а в точках b и с — отражается от посеребренных граней призмы, составляющих ее катеты.

Благодаря этому свойству призму не требуется точно вертика-лизировать в плоскости YOX, так как если даже входной луч не будет лежать в плоскости XOZ, отраженный луч пойдет в обратном направлении в плоскости, параллельной плоскости его падения. Если измеряемый теодолитом угол рассогласова­ния между его визирной осью и перпендикуляром к ребру прямого угла призмы не равен нулю, то угол между падающим и отраженным лучами равен удвоенному углу рассогласования;

Рис. 8.4. Автоколлиматор:

/ — зеркало; 2 — объектив; 3 — сетка; 4 — лампа; 5 — окуляр; а — вид

поля зрения

если же угол рассогласования равен нулю, то при параллельно­сти падающего и отраженного лучей их изображения в верти­кальной плоскости окуляра совпадают, следовательно, и ось теодолита перпендикулярна ребру призмы.

Азимутальное положение контрольных элементов определя­ют по принципу автоколлимации, т. е. такого хода световых лучей, при котором они выходят из прибора параллельным пуч­ком и, отразившись от зеркальной поверхности, проходят эле­менты прибора в обратном направлении. Если поверхность зер­кала перпендикулярна визирной оси автоколлиматора (рис. 8.4.), прямое и автоколлимационное изображения его сетки со­впадают друг с другом. Используя принцип автоколлимации, можно решать и обратную задачу — устанавливать контроль­ное зеркало или призму гироплатформы по заданному азимуту, для чего следует повернуть ее относительно вертикальной оси и, наблюдая в автоколлиматор, добиться совмещения прямого и автоколлимационного изображений сетки.

Фотоэлектрические устройства. Источником световых сигна­лов в фотоэлектрических устройствах служат газосветные лам-

237

пы, лампы накаливания и лазеры. Для преобразования свето­вых сигналов в электрические применяют различные фотоэлект­рические приемники излучения (фотоэлементы, фотосопротив­ления, фотоумножители, фотодиоды и т. п.). Оптические системы этих приборов предназначены для создания параллельных пуч­ков света, фокусирования, разделения, соединения и изменения направления световых лучей.

Фотоэлектрические устройства используют для автоматиче­ского измерения малых углов рассогласования между основной плоскостью стабилизации РКС и плоскостью пуска, выработки электрических сигналов, зависящих от измеряемых угловых рассогласований, передачи ориентированных направлений в вер­тикальной плоскости и измерения азимутальных углов в боль­шом диапазоне их изменения.

В зависимости от назначения фотоэлектрические устройства делят на угломеры, синхронные передачи и датчики углов.

Угломеры решают первые две задачи и бывают двух типов— с внешним и внутренним источником светового сигнала; они со­стоят из источника излучения, оптической системы, приемника излучения, усилителя и преобразователя сигнала. Световой сиг­нал, получаемый от источника излучения, падает на контроль­ную призму, установленную на борту ракеты, и, отразившись от нее, воспринимается и анализируется угломером.

Угломеры могут работать в нулевом и измерительном режи­мах: при нулевом режиме сигнал рассогласования, вырабаты­ваемый угломером, подается на привод гироплатформы, -которая поворачивается до совмещения основной плоскости стабилиза­ции с плоскостью пуска; при измерительном режиме замеряется угол рассогласования и вырабатывается электрический сиг­нал, пропорциональный измеряемому углу.

Синхронные передачи предназначены для передачи ориенти­рованных направлений в вертикальной плоскости от основания пусковой системы, где расположены приборы наведения, до приборов на РКС

Угловые датчики служат для измерения больших углов по­ворота различных приборов и устройств, при этом диапазон их измерения достигает 360°.

Поляризационные устройства (разновидность фотоэлектри­ческих устройств) работают на поляризованном световом сиг­нале и используются в оптических синхронных передачах и ав­токоллимационных угломерах. По сравнению с фотоэлектриче­скими синхронными передачами эти устройства имеют большую точность. Их применение в угломерах позволяет путем расщеп­ления поляризованного светового пучка выделять сигнал рас­согласования в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, т. е. измерять углы отклонения визирной оси угломера от пер­пендикуляра к зеркальной поверхности в двух направлениях — азимутальном и вертикальном,

238

Световые лучи, испускаемые обычными источниками, не поляризованы, поэтому световой сигнал в поляризационных уст­ройствах предварительно преобразуется с помощью поляроидов, поляризующих и двоякопреломляющих призм. Для исключения помех от посторонних источников света поляризованный свето­вой сигнал модулируется поляризационным элементом, который меняет свои оптические свойства под действием электрического

или магнитного поля.

Усилительно-преобразовательные устройства служат для

усиления электрических сигналов, снимаемых с фотоэлектриче­ских приемников излучения и других чувствительных элемен­тов, имеющих малую мощность, недостаточную для непосредст­венного приведения в действие регулирующих и исполнитель­ных устройств, а также для преобразования сигналов. Наиболее распространены электронные, полупроводниковые и магнитные усилители.

Электронные и полупроводниковые усилители отличаются высокой чувствительностью, способны усиливать сигналы малой мощности, магнитные усилители позволяют получать большую выходную мощность сигнала и обладают высокой надежностью.

Из преобразовательных устройств в системах наведения наи­более широко применяют модуляторы и демодуляторы. Если чувствительный элемент работает на постоянном токе, а испол­нительное устройство на переменном, то в усилительном тракте происходит преобразование постоянного сигнала в переменный с помощью модуляторов. Более распространены системы, в которых с чувствительного элемента снимается переменный сиг­нал, так как сам световой поток модулирован, а исполнитель­ное устройство работает на постоянном токе; преобразование переменного сигнала в постоянный происходит с помощью де­модуляторов.

Индукционные синхронные передачи предназначены для ди­станционного измерения углов поворота различных элементов, дистанционного поворота самих элементов на определенные углы и синхронного вращения нескольких осей, механически не связанных друг с другом.

Индукционные синхронные передачи в отличие от фотоэлект­рических и поляризационных устройств не обладают свойством жесткости (однозначное пространственное соответствие между ориентацией датчика и приемника). Датчик и приемник индук­ционной синхронной передачи в согласованном положении мо­гут иметь любую пространственную ориентацию и не могут при­меняться для вертикальной передачи ориентирных направлений. Кроме того, индукционные синхронные передачи имеют более низкую точность по сравнению с поляризационными переда­чами.

Гироскопические устройства обычно применяют в качестве измерительных устройств в инерциальных системах управления

239

полетом. Работа систем наведения тесно связана с бортовыми ] гироскопическими приборами, так как задачей азимутального | наведения является ориентирование осей чувствительности этих j приборов относительно плоскости пуска. ]

Применение гироскопов основано на таких его свойствах, -как устойчивость, заключающаяся в стремлении сохранить неиз­менным положение оси вращения в пространстве, и прецессия, состоящая в том, что при прикладывании момента по одной из осей рамок карданного подвеса возникает вращение гироскопа вокруг другой оси подвеса. Этими свойствами обладает гиро­скоп с тремя степенями свободы (вращение вокруг собственной оси, горизонтальной оси и вертикальной оси карданного под­веса). При ограничении одной из степеней свободы гироскоп те­ряет и свойство устойчивости, и свойство прецессии.

Гироскопические устройства используют при наведении ра- • кетно-космических систем для сохранения ориентированных гео­дезических направлений, автономного определения азимутов ориентирных направлений и стабилизации в пространстве эле­ментов систем наведения при воздействии на них различных ме­ханических возмущений.

8.3. НЕАВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ

В неавтоматизированных системах наведения используют принцип визуального определения положения контрольного эле­мента РКС относительно наземной геодезической сети. Для при­мера рассмотрим метод наведения, основой которого является пе­редача опорного направления с помощью двухканальной авто­коллимационной зрительной трубы с установленным базовым углом (90°) между визирными линиями объективов обоих кана­лов (рис. 8.5).

Двухканальная визирная труба представляет собой две авто­коллимационные трубы, визирные оси объективов которых рас­положены под углом 90° друг к другу, при этом плоскости изображения обоих объектов специальными оптическими эле­ментами совмещены в поле зрения одного окуляра. В режиме автоколлимации работает только один канал, объектив которого направлен на контрольный элемент системы наведения — приз­му, объектив второго канала направлен на электровеху, задаю­щую определенное геодезическое направление. В центре поля зрения окуляра на сетке угловых единиц нанесен штрих, кото­рый необходимо совместить с автоколлимационным изображе­нием от контрольной призмы, при этом ребро контрольной призмы должно быть перпендикулярно визирной оси автоколли­мационной трубки. Второе изображение на сетке окуляра будет от электровехи. Отсчет между двумя изображениями в условных единицах—и есть тот угол, который должен быть учтен в фор­муле наведения.

г"

240

Рис. 8.5. Схема расположения аппаратуры визуальной системы наведения с использованием двухканальной

автоколлимационной трубы:

1 — злектровеха; 2 *- кронштейн; 3 «* контрольная призма; 4—прибор; 5— окуляр; а — вид в окуляре;!» II, III» IV — оси сим­метрии РКС

В визуальных неавтоматизированных системах наведения используется метод «угломер — призма — марка» (рис. 8.6), ос­нованный jpa совмещении в поле зрения угломера изображения двух рисок, расположенных в двух разноудаленных плоскостях.

Рис. 8.6. Схема расположения аппаратуры визуальной си­стемы наведения «угломер — призма — марка»:

1, 5 —- коллиматоры; 2 — угломер; 3 — пентапризма; 4t 10 — вехи; 6 — марка; 7 — призма; 8 — PKQ 9 — круговые направляющие

Ориентированные геодезические направления образуют два кол­лиматора и две вехи (для обеспечения наведения по любому ази­муту). Через пентапризму (пятиугольную призму) относительно этих направлений и с учетом направления (азимута) пуска уста* навливают направление «угломер — марка», перпендикулярное направлению пуска. Пентапризма обеспечивает разворот угла на 90° независимо от степени перпендикулярности луча к пло­скости грани призмы. Разворачивая ракету с установленной у

242

гироприбора призмой, добиваются совмещения ребра призмы с направлением «угломер — марка» и, таким образом, сводят на­ведение к совмещению в поле зрения угломера изображений ребра призмы и марки.

Все операции по наведению выполняют до заправки ракеты-носителя компонентами топлива, так как после заправки пребы­вание обслуживающего персонала в непосредственной близости от ракеты не разрешается. Поэтому визуальная система наведе­ния не может исключить те ошибки в наведении по азимуту, ко­торые возникают из-за деформации (скручивания) корпуса ра­кеты-носителя после заправки, и может быть использована в случаях, когда не требуется высокой точности наведения в плос­кости пуска.

8.4. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ НАВЕДЕНИЯ

Учитывая, что в процессе подготовки ракетно-космических систем на стартовой позиции все большее применение находит комплексная автоматизация, неавтоматизированные системы наведения уже не могут обеспечить заданных требований.

В современных ракетно-космических комплексах для азиму­тального наведения ракет применяют полностью автоматизиро­ванные системы, обеспечивающие автоматическую выдачу в си­стему управления полетом РКС необходимой информации. Эти системы могут быть двух типов: одноканальные и двухканаль-ные.

Одноканальная система наведения (рис. 8.7) включает в себя автоколлимационный угломер, следящий отра­жатель с приводом, призму, фиксирующую ориентирное геодези­ческое направление, усилительно-преобразовательный блок, бор­товую контрольную призму, привод гиростабилизированной платформы, телевизионную передающую установку и блок уп­равления системой наведения. Перед наведением выполняют геодезическую привязку положения визирной оси, а для перио­дического контроля положения угломера служит специальная призма.

С помощью следящего отражателя световые лучи, выходящие из объектива угломера, поворачиваются на 90° и под углом 25° к горизонту направляются на бортовую контрольную призму» На основе анализа отраженного от призмы светового потока вырабатывается управляющий сигнал, подаваемый на привод поворота гиростабилизированной платформы по азимуту. При отработке этого сигнала бортовая призма займет такое положе­ние, при котором перпендикуляр к ней будет перпендикулярен визирной оси угломера.

Бортовая контрольная призма не имеет фиксированного по­ложения относительно основной плоскости стабилизации ракеты и закреплена на стабилизированном основании гироплатформы

243

в подвесе, который может вращаться относительно гироплат-формы на 360°. Изменяя положение призмы по отношению к основной плоскости стабилизации, можно изменять направле­ние пуска при фиксированном положении визирной оси угло­мера.

Рис. 8.7. Одноканальная система наведения:

/ — контрольная призма; 2 — датчик угла прецессии; 3 — гироскоп; 4 — датчик момента; 5 — телевизионный приемник; 6 — телевизи­онный передатчик; 7 — объктив; 8 — отражатель; 9 — призма; 10 — усилитель сигнала азимутальной ошибки; И ~ блок управ­ления; 12 — усилитель мощности двигателя; 13 — автоколлима­ционный угломер

Для управления работой системы служит специальный блок управления, с которого подаются команды на следящий отража­тель при первичном «захвате» системой наведения бортовой призмы. Сигнал «захвата» вырабатывается в угломере и по­дается на блок управления. Для контроля за работой системы наведения при «захвате» бортовой призмы и в режиме отработки сигнала рассогласования следящей системой разворота гиро-

244

платформы служит телевизионная установка с передающей ка­мерой, размещенной на угломере. На передающую камеру по­дается часть светового сигнала рассогласования, вырабатывае­мого угломером. В угломере предусмотрен и непосредственный визуальный контроль точности наведения, для чего часть свето­вого потока из угломера подается в визирное устройство.

Двухканальная система наведения (рис. 8.8) включает два автоколлимационных угломера и две следящие

Рис, 8.8. Двухканальная система наведения:

1 — контрольные призмы; 2 — датчик момента; 3 — гироскоп; 4 — датчик угла прецессии; 5 — ориентирные пункты; 6 — даль­ний угломер; 7 — ближний угломер; 8 — усилители; 9 — привод

системы, одна из которых служит для поворота РК'С, а дру­гая— для поворота гиростабилизированной платформы.

Угломер первой следящей системы установлен в непосредст­венной близости к пусковому устройству и визируется по конт­рольной призме, закрепленной на поворотной части пускового устройства. Сигнал рассогласования, вырабатываемый ближним угломером, подается на привод поворота пусковой системы вме­сте с ракетой. Ближний угломер предназначен для грубого на­ведения и обеспечения работы дальнего угломера, а также для

245

наведения РКС при другом направлении пуска, для чего пуско­вое устройство имеет две контрольные призмы: одна соответст­вует азимуту наведения на основное направление, а вторая — на дополнительное направление.

Дальний угломер, входящий в следящую систему точного наведения, установлен в 130—150 м от пускового устройства. Световой поток, посылаемый этим угломером, направлен на бор­товую контрольную призму, закрепленную на гиростабилизиро-ванной платформе. Сигнал рассогласования, вырабатываемый угломером, после усиления поступает на привод поворота гиро-платформы, которая поворачивается по азимуту до совмещения основной плоскости стабилизации ракеты с плоскостью пуска.

Перед наведением ближний и дальний угломеры устанавли­вают таким образом, чтобы их визирные оси совпали с пло­скостью пуска. Для их ориентирования используют азимуты пуска Л0 и ориентированного геодезического направления А\. Угол наведения (угол между направлением плоскости пуска и направлением на ориентирный пункт)

ЬА = А0-АЬ

при этом, если его величина отрицательна, ее увеличивают на 360°.

Особенностью двухканальной системы является зависимость между азимутом пуска РКС и точкой расположения угломера, которая должна быть выбрана так, чтобы направление визирной

оси угломера при совмещении с плоскостью пуска одновременно совпадало и с направлением на контрольную призму. Это озна­чает, что плоскость пуска должна проходить через ось пусковой системы и место расположения угломера. Если направление пуска меняется, то точка расположения угломера должна пере­мещаться по дуге окружности.

В настоящее время при строительстве стартовой позиции и ее сооружений учитывают направление пусков, при этом пуско­вое устройство и угломер располагают так, чтобы исключить предварительное (грубое) наведение. Кроме того, современные системы управления обеспечивают изменение направления по­лета путем поворота контрольной призмы относительно гиро-платформы.

В тех случаях, когда система управления полетом в целях увеличения надежности имеет две или три автономные гироплат-формы, система наведения также должна иметь соответствую­щее число независимых каналов азимутального наведения.

Особое внимание специалистов привлекает метод наведения с помощью гироскопических компасов, ось которых обладает избирательностью по отношению к направлению на север бла­годаря действию направляющего момента, появляющегося из-за вращения Земли.

246

В режиме гирокомпаса могут работать бортовые гироскопи­ческие приборы системы управления (акселерометры, гиро­скопы). В этом случае наведение становится автономным и не требуется наличия ориентированных геодезических направлений и наземной аппаратуры на стартовой позиции. Недостатками этого метода наведения являются относительно большое время (20—40 мин), необходимое для определения направления на се­вер, и технические сложности, связанные с получением требуе< мых точностных характеристик гирокомпасов.

]