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

нейтрального положения, то обгорание его незначительно. Шар­ нирные моменты дефлекторов малы.

Однако по сравнению с газовыми рулями дефлекторы обла­ дают менушей эффективностью. Кроме того, зависимость управ­ ляющего момента от угла отклонения дефлектора имеет нели­ нейный характер.

Разновидностью дефлекторов являются сопловые насадки. Они более эффективны, но при отклонении таких насадков воз­ никают большие шарнирные моменты.

Качающиеся двигатели. Этот способ создания управляющих моментов с успехом может применяться для летательных аппа­ ратов с Ж РД, камера которых устанавливается на карданном подвесе. При отклонении камеры в какой-либо плоскости вместе с ней отклоняется газовая струя и вектор силы тяги.

Качающиеся сопла. Отклонение газовой струи при неподвиж­ ной камере двигателя может быть достигнуто отклонением сопла или его части. В этом варианте требуется надежная герметиза­ ция соединения подвижной и неподвижной частей сопла, рабо­ тающего в условиях высоких давлений и температур.

Вдув или впрыск в сопло. Путем вдува газа или впрыска жидкости внутрь сопла через его боковую стенку также можно добиться отклонения газовой струи и возникновения управляю­ щего момента. Достоинством такого способа является отсутст­ вие подвижных элементов двигателя или его сопла.

Общий недостаток дефлекторов, сопловых насадков, качаю­ щихся сопел и камер — это невозможность создания управляю­ щих моментов крена при наличии одного сопла или одной каме­ ры. Кроме того, все рассмотренные выше устройства, включая и газовые рули, действуют только при работающем двигателе. При пассивном же полете действие этих органов управления прекращается.

Струйное управление. Указанных выше недостатков лишены так называемые системы струйного управления. В этом случае

работают в импульсном режиме, хотя в принципе можно обес­ печить и непрерывный режим их работы.

5.4.ОСОБЕННОСТИ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ СХЕМ С ПЛОСКИМ

ИПРОСТРАНСТВЕННЫМ РАСПОЛОЖЕНИЕМ КРЫЛЬЕВ

Летательные аппараты традиционно сложившейся самолет­ ной или двухкрылой схемы имеют два крыла, плоскости кото­ рых параллельны плоскости XiOzi или составляют с ней неболь­ шой угол, называемый углом поперечной Ѵ-образности.

При такой схеме маневр в вертикальной плоскости обычно выполняется путем изменения угла атаки корпуса а, от которо­

51

го зависит величина подъемной силы аппарата. Управляющие моменты, необходимые для изменения угла атаки, создаются рулями высоты. Значительно реже для той же цели применяют поворотные крылья, которые являются одновременно и устрой­ ствами для создания подъемной силы и органами управления..

X\Oz\ при этом очень мала, так как корпус и вертикальное опе­ рение не могут создать значительной боковой силы. К этому на­ до добавить, что для создания положительного угла ß приходит­ ся отклонять рули направления (расположенные в хвостовой части летательного аппарата) на отрицательный угол 6Н, вслед­ ствие чего боковая сила рулей вычитается из общей боковой силы.

При наведении аппарата на точечные цели, в особенности быстродвижущиеся (например на самолет), необходимо приме­ нять координированный разворот, хотя такой способ разворота усложняет работу системы управления.

52

При плоском расположении крыльев применяются различ­ ные схемы оперения (рис. 1.21). Наибольшее распространение получили варианты а, б и в, в которых имеется горизонтальное и вертикальное оперения. Горизонтальное оперение может на­ ходиться как в кормовой, так и в носовой части корпуса, а вер­ тикальное — только в кормовой части, так как в противном слу­ чае летательный аппарат не будет обладать статической устой­ чивостью пути.

д)

Рис. 1.21. Различные варианты оперения, применяемые при плоском расположении крыльев

Для маневренных управляемых снарядов чаще всего приме­ няются схемы с крестообразными крыльями, расположенными во взаимно перпендикулярных плоскостях. В зависимости от поперечной ориентировки можно различать плюс- и иксообразные схемы.

Оценим величину подъемной силы таких летательных аппа­ ратов. Очевидно, что если к аппарату с горизонтально располо­ женными крыльями добавить аналогичную вертикальную пару крыльев, то подъемная сила от этого не изменится, независимо от того, вызвана ли она наличием угла атаки корпуса а или поворотом крыльев на угол б. Другими словами, можно на­ писать

Здесь индекс «+ » относится к плюсообразной схеме. Рассмотрим теперь иксобразную схему и сравним ее с само­

летной схемой. Отклонение корпуса на некоторый угол атаки а в вертикальной (биссекторной) плоскости ңожно представить

53-

то как первая, так и вторая пары крыльев создадут подъемные

при -г-образной или Х-образной ориентировке крестообразных крыльев, но и при любой промежуточной ориентировке их про­

изводная Су остается неизменной и равной сі аналогичной двухкрылой схемы. Следовательно, в каком бы направлении

Рис. 1.22. К определению подъемной силы летательного аппарата с Х-образными крыльями:

а — п р и а # 0; б — п р и 6 ф 0

мы ни отклоняли продольную ось корпуса (на один и тот же угол), величина нормальной силы будет одинаковой. Учитывая это свойство, схемы с крестообразным расположением крыльев часто называют аэродинамически осесимметричными схе­ мами *.

Иная картина возникает, если подъемная сила создается путем поворота крыльев относительно корпуса на угол б.

Обозначим подъемную силу двухкрылой схемы через У<5).

* При больших углах атаки свойство аэродинамической осесимметрии крестокрылых летательных аппаратов исчезает вследствие нелинейного харак­ тера зависимости су(а).

54

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