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

320

Перед пуском ракеты путем пропускания через электролит тока заряда на один из электродов,называемый рабочим, накосится оп­ ределенное количество хлористого серебра, соответствующее рас­ четному значению кажущейся скорости полета ракеты в момент вы­ ключения двигателя. На втором электроде, называемом складом, всегда имеется хлористое серебро (отсюда и название). Даже при заряде интегрирующих элементов на максимальную дальность полета ракеты на электроде-складе остается некоторое количе­ ство хлористого серебра.

Обычно заряд производят током обратной связи, пропорцио­

к электролиту будут одинаковы, а напряжение между электродами равно нулю.

В момент отрыва ракеты от пускового стола электролитиче­ ские интегрирующие элементы начинают разряжаться, причем на­ правление протекающего через них тока противоположно направ­ лению тока при заряде. Величина тока обратной связи (тока раз­ ряда) теперь уже пропорциональна не ускорению д силы тяжести, а измеряемому ускорению движения ракеты. Поскольку ускорение движения ракеты на активном участке траектории достигает 10^ и более, то время разряда интегрирующего элемента в полете будет значительно меньше времени заряда.

Как только все ранее нанесенное хлористое серебро с рабо­ чего электрода перейдет в раствор между электродами, возник­ нет скачок напряжения, равный примерно I в . Это свидетельст­ вует о том, что ракета достигла скорости, соответствующей за­ данной дальности. Скачок напряжения усиливается в магнитном или электронном усилителе и вызывает срабатывание реле Р,управ­ ляющего выключением двигателя. Обычно в цепь обратной связи последовательно включают два интегрирующих элемента. Один из

321

них выдает команду на уменьшение тяги, а второй - на полное выключение двигателя.

Недостаток двухэлектродного интегрирующего элемента состоит в том, что при интегрировании часть тока, пропорционального кажущемуся ускорению, проходит через усилитель скачка напря­ жения и не интегрируется. Для уменьшения погрешности интегри­ рования необходимо развязать цепи интегрирования и цепи управ­ ления командным реле.

Другим существенным недостатком электролитических интегри­ рующих элементов является большое время их предстартовой под­ готовки, обусловленное необходимостью тренировки и настройки интегрирующих элементов на заданную скорость. Поэтому в систе­ мах управления баллистических ракет применяют гироскопические интеграторы линейных ускорений.

§ 8 .4 . ГИРОСКОПИЧЕСКИЙ ИНТЕГРАТОР ЛИНЕЙНЫХ УСКОРЕНИЙ

Гироскопический интегратор линейных ускорений предназначен для измерения кажущейся скорости движения летательного аппара­ та. Измерение скорости основано на принципе интегрирования ускорения.

Чувствительным элементом прибора, реагирующим на ускорение, является неуравновешенный гироскоп (гиромаятник). Неуравнове­ шенный гироскоп представляет собой гироскоп с тремя степенями свободы, у которого центр тяжести гиромотора (центр тяжести системы нротор - внутренняя рама") смещен относительно оси внутренней рамы на величину Ъ (ри с.8 .9 ).

В основе работы гироинтегратора лежит свойство гироскопа прецессировать под действием момента внешних сил. При дейст­ вии момента Мх относительно оси х внутренней рамы гироскоп прецессирует относительно оси у наружной рамы с угловой ско­ ростью

где Н - кинетический момент гироскопа, равный произведению момента инерции I ротора на угловую скорость Q вращения ро­ тора.

Напомним, что гироскоп прецессирует таким образом, чтобы совместить по кратчайшему пути вектор угловой скорости О. соб-

322

ности или измерительной осью, так как прибор реагирует на со­ ставляющую ускорения по этой оси. При установке прибора на летательный аппарат его ось чувствительности ориентируется определенным образом. Так, например, при использовании гиро­ интегратора линейных ускорений в качестве чувствительного эле­ мента системы регулирования скорости ось наружной рамы распо­

на действительное, а на кажущееся ускорение. В самом деле, на маятник гироинтегратора, как и на маятник обычного акселеро­ метра, действуют силы инерции, пропорциональные кажущемуся ускорению. Только в обычном акселерометре силы инерции вызы­ вают отклонение маятника от исходного положения, а в гироско­ пическом интеграторе они вызывают прецессионное движение гиро­

32S

скопа с угловой скоростью, пропорциональной кажущемуся уско­ рению.

Таким образом, угловая скорость прецессии гироскопа прямо пропорциональна составляющей кажущегося ускорения летательно­ го аппарата по оси чувствительности гироинтегратора:

сO y=K W H .

Коэффициент пропорциональности

тг I

НН

должен быть постоянным, иначе прибор будет иметь погрешность, пропорциональную отклонению величины и от расчетного значе­ ния.

Ыасса тг гиромотора постоянна. Маятниковость I гироскопа стремятся сохранить постоянной при изменении температуры окру­ жающей среды подбором материалов, а также уменьшением радиаль­ ных люфтов подшипников подвеса внутренней рамы и осевых люф­ тов подшипников оси ротора. Постоянство кинетического момента H = J Q обеспечивается, как правило, применением синхронного электродвигателя, который получает питание от источника пере­ менного тока высокостабильвой частоты.

Поскольку угловая скорость прецессии гироскопа пропорцио­ нальна кажущемуся ускорению, то угол оС прецессии гироскопа, равный интегралу от угловой скорости, будет пропорционален

ний, направленных перпендикулярно к оси чувствительности гиро­

инерционные силы, обусловленные наличием ускорений, направлен­

ворот летательного аппарата, когда корпус гироинтегратора жест­ ко связан с корпусом летательного аппарата. Другой причиной

324

может служить наличие моментов трения и моментов токоподводов, действующих относительно оси наружной рамы. Эти моменты вызы­ вают прецессию гироскопа относительно оси внутренней рамы ,т,е. нарушают перпендикулярность осей собственного вращения и на­ ружной рамы гироскопа.

Ошибочным следует считать утверждение, что неперпендикулярность осей приводит к погрешности измерения скорости из-за того, что будет меняться составляющая кинетического момента гироскопа на направление, перпендикулярное оси чувствительно­ сти, или составляющая момента силы тяжести.

Необходимо иметь в виду, что гироинтегратор, как и любой другой маятниковый акселерометр, в полете не реагирует на ускорение силы тяжести. Изменение величины составляющей кине­ тического момента на направление, перпендикулярное оси чувст­

и плечо действия инерционной силы, пропорциональной кажущемуся ускорению ( l = l cosfi) . В результате при неизменном ускорении движения летательного аппарата угловая скорость прецессии ги­ роскопа сохраняется неизменной. Это следует из выражения для угловой скорости прецессии гироскопа

где 0 - угол отклонения оси собственного вращения гироскопа от плоскости, перпендикулярной оси чувствительности гироинте­ гратора.

Перпендикулярность осей гироскопа обеспечивается системой межрамочной коррекции, необходимыми элементами которой являют­ ся датчик угла, установленный по оси внутренней рамы, и датчик момента (стабилизирующий двигатель СД), который создает момент относительно оси наружной рамы при поступлении на него управ­ ляющего сигнала.

При отклонении оси собственного вращения гироскопа от плос­ кости, перпендикулярной оси наружной рамы, с датчика угла по­ дается сигнал на датчик момента. Последний создает момент от­

325

В качестве датчика угла могут быть использованы либо кон­ тактное устройство КУ (ри с.8 .9 ), работающее в режиме „да - нет", либо бесконтактный (например, индукционный) датчик угла. Для точных измерений скорости бесконтактный датчик угла являетсн более предпочтительным, так как он создает пренебрежимо малый вредный момент. Однако в этом случае для управления датчиком момента сигнал датчика угла необходимо усиливать.

разомкнутому состояниям контактов. При этом под действием дат­ чика моментов гиромотор совершает непрерывные колебания малой амплитуды (несколько угловых минут) относительно плоскости, перпендикулярной оси наружной рамы. Таким образом, в процессе работы прибора главная ось гироскопа совершает сложное движе­ ние. Непрерывно прецессируя относительно оси наружной рамы, она совершает колебания малой амплитуды и большой частоты от­ носительно оси внутренней рамы.

Колебательный режим работы 'благоприятно сказывается на уменьшении трения по оси внутренней рамы, так как разностный момент сил сухого трения при вращении в одном и другом направ­ лениях всегда меньше момента трения при вращении только в од­ ном направлении.

Уменьшение трения по оси внутренней рамы повышает точность измерения скорости, поскольку для реальных приборов угловая скорость прецессии гироскопа определяется выражением

где МТр - момент трения по оси внутренней рамы гироскопа. Второй член правой части приведенного выражения характе­

ризует инструментальную погрешность гироинтегратора, обуслов­ ленную влиянием момента трения по оси внутренней рамы гиро­ скопа.

Момент трения по оси наружной рамы гироскопа практически не влияет на точность измерения скорости. В самом деле, дей­ ствие момента трения и других вредных моментов по оси наруж­ ной рамы гироскопа вызывает прецессионное движение относитель­ но оси внутренней рамы. Однако при малейшем повороте внутрен­ ней рамы от исходного положения вступает в работу система меж­

326

рамочной коррекции, которая с помощью датчика момента прикла­ дывает момент относительно оси наружной рамы, компенсирующий действие вредных моментов по оси наружной рамы. Датчик момента будет прикладывать момент соответствующего знака до тех пор, пока главная ось гироскопа не займет положение, перпендикуляр­ ное оси чувствительности прибора, т .е . датчик момента (стабили­ зирующий двигатель) воспринимает на себя все вредные моменты, действующие по оси наружной рамы.

Заметим, что при отсутствии системы межрамочной коррекции, даже при наличии трения по оси наружной рамы, прибор будет правильно интегрировать ускорения, направленные по оси чувст­ вительности прибора. Погрешности будут возникать только при наличии ускорений, направленных по перпендикуляру к оси чувст­ вительности.

Недостаток контактного датчика угла, непосредственно управ­ ляющего работой стабилизирующего двигателя, состоит в том,что он создает дополнительный вредный момент по оси внутренней рамы (особенно при подгорании контактов), приводящий к повы­ шению погрешности измерения скорости. Поэтому, если требуется высокая точность измерения скорости, применяют бесконтактный датчик угла. В этом случае используется усилитель межрамочной коррекции. Сигнал с датчика угла сначала поступает на усили­ тель, а затем - на датчик момента.

Если гироинтегратор линейных ускорений установить на не­ подвижном основании так, чтобы ось чувствительности была вер­ тикальна, то скорость прецессии гироскопа будет определяться выражением

где д - ускорение силы тяжести.

Поскольку величина ускорения силы тяжести меняется с изме­ нением географической широты места, то и скорость прецессии гироскопа будет различной для различных широт.

Земля, как известно, имеет форму эллипсоида вращения, ось которого совпадает с осью вращения Земли. При решении многих задач навигации Землю принимают за шар с радиусом, равным 6371 км. Гравитационное поле Земли действует на все материаль­ ные частицы, притягивая их (согласно закону Ньютона) к Земле.

Кроме сил притяжения на все материальные тела, находящиеся

327

на поверхности Земли, действует центробежная сила инерции,обу­ словленная суточным вращением Земли. Центробежные силы пропор­ циональны квадрату угловой скорости вращения Земли и расстоя­

ими можно пренебречь.

Поскольку центробежные силы инерции на экваторе будут мак­ симальными, а на полюсе - равны нулю, то ускорение силы тяже­ сти имеет максимальное значение на полюсе (983,216 см/сек^) и

гироскоп прецессирует под действием момента силы тяжести, про­ порционального этому ускорению. Поэтому ускорение силы тяжести для места испытания прибора должно быть известно с большой точ­ ностью. Оно с учетом географической широты либо вычисляется по известным формулам, либо берется из специальных таблиц.Таб­

лица значений ускорений силы тяжести для различных широт (с ин­ тервалом 5°) приводится в § 1 .2 .

Так как для данного места ускорение силы тяжести во времени не меняется, то проверяется не скорость прецессии гироскопа, а постоянная времени прибора Т - время прецессии гироскопа на контрольный угол оСи под действием момента силы тяжести гиро­ мотора. Величина угла прецессии в данном случае определяется выражением

Ы.н

тг I

Н

откуда

В приведенных выражениях угол оС прецессии гироскопа измеря­ ется в радианах.

Обычно при проверках гироинтегратора измеряется время пре­ цессии гироскопа на определенное число оборотов и сравнивает­ ся с расчетным временем, определенным по формуле

328

где л - число полных оборотов гироскопа вокруг оси наружной раны;

с- постоянная прибора, равная величине кажущейся скоро­ сти, соответствующей одному обороту гироскопа вокруг оси наружной рамы.

Коэффициент с зависит только от параметров прибора и опре­ деляется выражением

с - Ш . тег

Отсюда видно, что постоянная прибора с является величиной, обратной коэффициенту пропорциональности:

Множитель 2 гг получен вследствие того, что угол прецессии выражается не в радианах, а в оборотах (поворот на угол в 360° составляет 2 тг радиан).

Отличие измеренной постоянной времени прибора от расчетной характеризует инструментальную погрешность прибора. Для удоб­ ства выполнения проверок расчетные значения постоянной времени гироинтегратора в зависимости от географической широты места испытания обычно приводятся в таблице. Погрешность гироинте­ гратора д V , выраженная в единицах скорости, может быть легко

выдачи команд на выключение двигателя ракеты при достижении ею заданной скорости (ри с.8 .1 0 ). Такой гироинтегратор исполь­ зовался на некоторых ракетах пФАУ-2".

Чувствительные элементом прибора является гироскоп с тремя