книги из ГПНТБ / Карпухин А.В. Приборы систем управления ракет учебное пособие

280

тоны, нейтроны и электроны. Эти частицы обладают собственным кинетическим моментом (моментом количества движения), для под­ держания которого не требуется затрат внешней энергии. Таким образом, кинетический момент ротора обычного классического ги­ роскопа в кардановом подвесе в атомном гироскопе заменяется моментом количества движения вращающихся элементарных частиц.

Вследствие вращения и наличия электрического заряда элемен­ тарные частицы обладают как механическим, так и магнитным мо­ ментом. Эти моменты придают частицам свойства, присущие гиро­ скопам: устойчивость в пространстве и способность к прецессии.

Под воздействием постоянного магнитного поля создается определенная ориентация векторов магнитного и механического моментов элементарных частиц. После достижения ориентации маг­ нитное поле отключается и в течение некоторого времени, назы­ ваемого временем релаксации, направление векторов момента ко­ личества движения элементарных частиц остается неизменным. Это состояние вещества аналогично состоянию свободного трехстепен­ ного гироскопа, у которого ротор приведен в быстрое вращение, Время релаксации определяется тепловым взаимодействием частиц вещества.Оно существенно увеличивается при понижении темпера­ туры вещества и при использовании жидкого гелия в качестве ра­ бочего вещества.

Наиболее серьезная трудность, связанная с созданием атом­ ных гироскопов, заключается в том, что посторонние магнитные поля (после прекращения действия ориентирующего поля) вызывают так называемую ларморову прецессию частиц.

Ядерные гироскопы могут быть использованы как скоростные или интегрирующие гироскопы. Съем сигнала осуществляется опти­ ческим способом с помощью пучка поляризованного света, плос­ кость поляризации которого жестко связана с корпусом прибора. При прямолинейном движении корпуса прибора сила света пучка неизменна. Если корпус гироскопа вместе с вращающимся основа­ нием разворачивается, положение пучка по отношению к ориенти­ рованным частицам вещества меняется и это приводит к изменению силы света, пропускаемого через вещество. Изменение силы света, которое оказывается пропорциональным скорости разворота, фикси­

руется электрической счетной схемой,вырабатывапцей выходной сигнал. Разработка ядерных гироскопов связана с большими трудностя­

281

Р А З Д Е Л П. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ И ИНТЕГРИРОВАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

ИЗМЕРИТЕЛИ УСКОРЕНИЙ

§7 .1 . ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОБ ИНЕРЦИАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ

Внастоящее время под навигацией понимают способы и сред­ ства определения местоположения и управления движением объекта по заданной траектории (маршруту).

Для управления движением объекта необходимо в любой момент времени знать его местоположение, которое определяется текущи­ ми координатами в системе координат, определенным образом ори­ ентированной относительно Земли или мирового пространства. Кро­ ме того, необходимо знать величину и направление скорости дви­ жения объекта, а иногда и другие навигационные параметры, ха­ рактеризующие движение объекта.

Одним из первых методов навигации было определение место­ нахождения по наземным ориентирам. Позднее нашла применение, особенно в мореходной практике, ориентировка по звездам и пла­ нетам. При малых скоростях движения объектов можно было обой­ тись достаточно простыми средствами навигации.

Методы и средства навигации определяются главным образом назначением и свойствами объекта, для которого они предназна­ чены.

Увеличение скоростей и дальностей полета современных лета­ тельных аппаратов предъявляет высокие требования к средствам навигации как в смысле быстродействия, так и в смысле точности.

Для управления движением летательных аппаратов широкое приме­ нение находят автоматические навигационные системы высокой точ­ ности.

282

Разнообразные методы навигации классифицируют по многим признакам. Из них наиболее характерным является принцип по­ строения данной системы навигации. С этой точки зрения методы навигации можно классифицировать следующим образом [ б ] :

-инерциальная навигация;

-комбинированные методы навигации.

Большие преимущества перед другими методами имеют автоном­ ные методы навигации, которые обладают хорошей помехозащищен­ ностью, скрытностью работы и практически неограниченной даль­ ностью действия.

Кавтономным методам навигации относятся:

-инерциальный метод, основанный на измерении и интегри­ ровании ускорений движущегося объекта, поскольку скорость есть интеграл от ускорения, а пройденный путь, определяющий коорди­

наты объекта, есть интеграл от скорости;

-астрономический метод определения координат местополо­ жения объекта по угловым размерам и направлениям на различные небесные тела;

-комбинированные методы.

Кавтономным комбинированным методам можно отнести метод

сиспользованием курсовых приборов и бортовых радиосредств.

рости, использующий эффект Допплера. Сущность эффекта Доппле­ ра состоит в том, что изменение частоты отраженного радиосиг­ нала зависит от относительной скорости излучающего объекта (летательного аппарата) и отражающего предмета (Земли).

Другим автономным комбинированным методом является астроинерциальный метод, сочетающий в себе астрономический и инер­ циальный методы навигации.

Требования скрытности, помехозащищенности и автономности, что особенно важно для летательных аппаратов военного назна­ чения, наиболее полно удовлетворяют инерциальные системы на­ вигации .

Применение инерциальных систем навигации на летательных аппаратах стало возможным после значительных успехов, достиг­

283

нутых в производстве различных элементов инерциальных систем: гироскопов, акселерометров и счетно-решаицих устройств, к точ­ ности которых предъявляются весьма высокие требования.

Инерциальный метод навигации основывается на интегрирова­ нии основного уравнения классической механики, называемого вторым законом Ньютона, который формулируется следующим обра­ зом: сила, действующая на материальное тело, сообщает ему уско­ рение, пропорциональное величине силы и имеющее направление силы.

Математическое выражение второго закона Ньютона имеет вид

в состоянии абсолютного покоя. Инерциальной системой коорди­ нат считают систему отсчета, относительно которой всякое мате­ риальное тело при отсутствии приложенных к нему сил находится в состоянии покоя или совершает равномерное прямолинейное дви­ жение .

С достаточной точностью за неподвижную инерциальную систе­

планеты. Они перемещаются относительно друг друга со скоростью движения Земли по орбите (около 30 км /сек). Некоторые звезды движутся относительно Солнца со скоростями около 300 км /сек. Однако звездное небо кажется неподвижным вследствие огромной удаленности звезд . До ближайших звезд расстояние составляет около 800000 миллиардов километров. При этом годовое угловое перемещение звезды не превышает долей угловой секунды.

На подвижном объекте оси инерциальной системы координат материально воспроизводятся, как правило, с помощью гироско­ пических приборов (гиростабилизированных платформ), а измере­ ние ускорений осуществляется акселерометрами.

286

V = W t .

Графически ее изменение характеризуется прямой, угол наклона которой пропорционален ускорению. Пройденный путь s при этом ныражается формулой

что графически соответствует параболе.

Для второго случая ускорение нарастает по линейному закону

стью определения параметров движения объекта, могут с одинако­ вым успехом использоваться как на пилотируемых, так и на бес­ пилотных летательных аппаратах.

Измерение ускорений движения летательного аппарата осущест­ вляется с помощью акселерометра.

Существует большое разнообразие конструктивных разработок акселерометров. Чувствительным элементом любого акселерометра является масса (иногда называется сейсмической или инерцион­ ной, определенным образом связанная с корпусом прибора.

Название «сейсмическая масса" связано с сейсмографом - прибором, регистрирующим колебания почвы, вызванные землетря­ сениями, взрывами и другими причинами. В качестве чувствитель­ ного элемента сейсмографа используется аналогичный элемент.

Название «инерционная масса", по-видимому, является неудач­ ным, так как любая масса является инерционной.

Принцип действия акселерометра основан на измерении пере­ мещения чувствительного элемента относительно корпуса прибора или на измерении сил, действующих на чувствительный элемент, при ускоренном движении объекта, на котором установлен аксе­ лерометр.

287

В зависимости от вида кинематической связи чувствительного

вают линию, перпендикулярную плоскости, проходящей через ось вращения и центр масс маятника.

Рис.7 .3 Рис.7.4

В качестве выходного сигнала акселерометра обычно исполь­ зуется какой-либо параметр (перемещение, угол поворота маятни­ ка, ток обратной связи ), однозначно связанный с измеряемым ускорением.

Если выходной сигнал акселерометра прямо пропорционален

пропорционален интегралу или двойному интегралу по времени от измеряемого ускорения, акселерометры называют соответственно

- механические подвесы (на подшипниках качения или сколь­ жения, на пружинах);

-гидравлические подвесы (гидростатические или гидродина­ мические);

-электромагнитные подвесы.

288

§ 7 .2 . ИНЕРЦИАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ БАЛЛИСТИЧЕСКИХ РАКЕТ

Для того чтобы акселерометры измеряли ускорения движения летательного аппарата в заданных направлениях, их нужно стаби­ лизировать таким образом, чтобы направление осей чувствитель­ ности не менялось во время движения летательного аппарата. Ста­ билизация акселерометров осуществляется с помощью гироскопиче­ ских приборов (гирогоризонт, гировертикант, гиростабилизированная платформа). Эти приборы материально воспроизводят оси инер­ циальной системы координат, относительно которых измеряется угловое положение летательного аппарата. Таким образом, гиро­ приборы используются для управления угловым движением летатель­ ного аппарата и одновременно позволяют измерять ускорения в заданных направлениях с помощью стабилизируемых ими акселеро­ метров.

Параметры, измеряемые позиционными и интегрирующими аксе­ лерометрами, могут быть использованы для управления движением центра масс летательного аппарата относительно инерциальной системы координат или относительно программной траектории.

Так, например, показания однократно и двукратно интегрирую­ щих акселерометров используются для ликвидации отклонения цен­ тра масс баллистической ракеты от программной траектории в бо­ ковом направлении и по нормали к заданной траектории.

Интегрирующие акселерометры, особенно гироскопические, ис­ пользуются для измерения и регулирования скорости движения ле­ тательного аппарата вдоль программной траектории. Такие аксе­ лерометры Могут быть использованы и для управления выключением двигателя баллистической ракеты при достижении ею заданной ско­ рости в конце активного участка траектории.

Рассмотрим более подробно систему стабилизации центра масс баллистической ракеты в боковом направлении (ри с.7 .5 ).

Для управления движением центра масс баллистической ракеты относительно программной траектории в боковом направлении не­ обходимо знать либо линейное отклонение, либо скорость ухода центра масс ракеты от программной траектории. Часто управление осуществляется и по тому и по другому параметру.

Акселерометр стабилизируется с помощью гироприборов таким образом, что его ось чувствительности направлена по оси z n , перпендикулярной плоскости стрельбы, и он измеряет боковое

289

ускорение центра масс ракеты WZn . Выходной сигнал акселеро­ метра, пропорциональный ускорению, в интеграторе ускорений пре­ образуется в сигнал, пропорциональный скорости, а затем в ин­ теграторе скорости - в сигнал, пропорцио­ нальный боковому отклонению ракеты от программной траектории.

Первое интегрирование ускоренияWz обычно осуществляется в интегрирующемп акселерометре - акселерометре с гибкой обратной связью, который одновременно выполняет функции измерителя и интегра­ тора ускорений.

Интегрирование скорости осуществля­ ется с помощью пассивного или активного интегрирующего устройства. В качестве пассивного интегрирующего устройства мож­ но использовать интегрирующий контур на элементах RС . Иногда для получения сиг­ нала, пропорционального линейному откло­ нению летательного аппарата от програм­ мной траектории, используется двукратно интегрирующий акселерометр.

В зависимости от выбранного закона управления на вход усилителя подается либо один сигнал, пропорциональный боко­ вому отклонению летательного аппарата от программной траектории, либо в определен­ ном соотношении два сигнала, пропорцио­

нальные скорости бокового отклонения и линейному отклонению летательного аппарата от программной траектории.

После усиления сигнал поступает на исполнительные органы - рулевые машины рулей направления или рулевые двигатели.

Обычно используются те же рули, что и для стабилизации ра­ кеты по углу рыскания. При отклонении рулей изменяется направ­ ление продольной оси ракеты, а следовательно, и направление тяги двигательной установки. Это приводит к тому, что после некоторого переходного процесса ракета возвращается на програм­ мную траекторию.

В общем случае для управления движением центра масс лета­ тельного аппарата необходимо сравнивать измеренные и програм-