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

340

ском ракеты, изменение параметров акселерометра (плеча маят­ ника, магнитной индукции) существенно не повлияет на точность выдачи команды, поскольку за время от заряда до разряда инте­ грирующего элемента параметры акселерометра сильно не изменятся.

Качественная стабилизация центра масс ракеты на программной траектории может быть получена лишь в том случае, когда нет дрейфа нуля интегрирующего акселерометра, а его пороговая чув­ ствительность и коэффициент преобразования (передачи) по вели­ чине не выходят из допустимых пределов.

Сущность дрейфа нуля состоит в том, что при отсутствии ускорения по направлению оси чувствительности акселерометра появляется сигнал, который вызывает уход ракеты от программной траектории. Причиной дрейфа могут быть погрешности сборки ак­ селерометра, несбалансированность усилителя или неправильная установка акселерометра.

При проверке дрейфа нуля основание прибора тщательно горизонтируется и при отсутствии входного воздействия на маят­ ник и подвижную рамку акселерометра проверяется наличие напря­ жения на выходе акселерометра. Скорость дрейфа (скорость нара­ стания выходного напряжения) не должна превышать определенной величины.

Пороговая чувствительность акселерометра после горизонтирования основания может быть определена путем наклона основа­ ния на некоторый угол или путем подачи в обмотку подвижной рамки калиброванного тока, который, взаимодействуя с полем постоянного магнита, вызывает поворот подвижной системы аксе­ лерометра. Минимальная величина тока (наклон основания), со­ ответствующая определенному ускорению, при котором на выходе акселерометра появляется сигнал, характеризует пороговую чув­ ствительность акселерометра.

Коэффициент преобразования (передачи) интегрирующего ак­ селерометра характеризуется отношением скорости изменения вы­ ходного сигнала к величине входного сигнала. Величина коэффи­ циента преобразования может быть определена по времени нара­ стания выходного напряжения акселерометра до определенной ве­ личины при подаче калиброванного тока в обмотку подвижной рамки.

Работоспособность интегрирующего акселерометра во всем диапазоне, при подаче в обмотку подвижной рамки калиброванно­ го тока, можно контролировать по величине максимального выход-

341

ного напряжения. Когда маятник интегрирующего акселерометра отклонится до упора,рост выходного напряжения прекращается, а его величина не должна быть меньше допустимой для данного типа акселерометра.

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИБОРОВ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И МЕРЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ИХ НАДЕЖНОСТИ

§ 9 .1 . УСЛОВИЯ РАБОТЫ ПРИБОРОВ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К НИМ

Развитие ракетной техники, которое в последние годы стало особенно бурным, а также полеты экипажных и безакипажных кос­ мических кораблей и межпланетных станций привели к возникнове­ нию множества проблем, связанных с повышением точности, надеж­ ности, срока службы и снижения веса и размеров приборов систем управления.

Бортовые приборы систем управления работают в особых усло­ виях, значительно отличающихся от условий работы приборов на­ земного проверочно-пускового электрооборудования. Особенность

- наличием высокой разреженности окружающей среды, а также космическим излучением и радиацией.

Проектирование и изготовление приборов ведутся с обязатель­ ным учетом отмеченных условий работы. Выбираются наиболее ра­ циональные схемы построения приборов, которые могли бы обеспе­ чить требуемую точность и надежную работу. Для проверки кон­ структорских решений по обеспечению нужных эксплуатационных

342

регрузки, повышенную влажность, изменения по частоте и напря­ жению источников электрической энергии и т .д .

Немаловажную роль при проектировании играет успешное реше­ ние задачи по снижению стоимости систем управления и их чувст­ вительных элементов. По сведениям печати стоимость системы управления баллистической ракеты составляет 25% ее стоимости, причем самым дорогим элементом системы управления являются ги­ роскопические приборы [4 ] .

Причинами вибраций и колебаний на ракете в основном явля­ ются: работающее двигательное устройство, воспламенение топли­ ва в камерах сгорания, турбулентность атмосферы, порывы ветра, колебания, вызываемые аэродинамическими силами и жидким топли­ вом и связанные с ними вибрации всей конструкции.Вибрации и пе­ регрузки могут приводить к появлению дополнительных уходов ги­ роскопов вследствие неуравновешенности,возникающей при упругих деформациях деталей. Уходы снижают точность гироприборов и при­ водят к отклонениям ракеты от заданного направления полета.

Требования к точности гироприборов, устанавливаемых на ра­ кетах и других летательных аппаратах (ЛА), определяются в ко­ нечном итоге назначением ЛА и предъявляемыми к нему тактико­ техническими требованиями. При выборе гироскопического устрой­ ства для установки на ЛА учитывают необходимую точность вывода в район цели баллистических ракет и самолетов и, конечно, дли­ тельность полета. Чем больше время полета, тем, естественно, должны быть меньше уходы гироприбора т .е . выше его точность.

Поэтому для тактических ракет, которые имеют незначитель­ ную дальность полета и время полета которых составляет всего несколько минут, существенно, чтобы гироприборы выдерживали большие механические нагрузки от ускорений и вибраций в то вре­ мя, как скорости уходов допускаются порядка 10 град/чао. Раке­ ты дальнего действия требуют повышения точности по крайней ме­ ре на один порядок. Стратегические бомбардировщики, атомные подводные лодки, спутники и космические аппараты, время движе­ ния которых исчисляется несколькими часами, сутками и месяцами, нуждаются в установке на них для навигационных целей гиропри­ боров с точностью не ниже 0,01 град/час.

343

Одной из важнейших характеристик гироприбора является вреия его готовности к работе. У современных приборов высокой точ­ ности готовность к работе определяется не только временем раз­ гона ротора до его рабочих оборотов, но и временем, которое необходимо для такого прогрева элементов конструкции прибора, когда наступает оптимальная температурная динамическая баланси­ ровка. Поэтому отдельные приборы повышенной точности, выполнен­ ные на основе гироскопа в кардановом подвесе, имеют время го­ товности (начиная с момента включения электрического питания на гиродвигатель) около 15 - 30 мин. Приборы, использующиеся в менее точных системах управления и навигации, имеют время го­ товности, определяемое временем набора ротором номинальной ско­ рости вращения.

Различают летательные аппараты кратковременного и длитель­ ного действия,одноразового и многоразового применения. Гиропри­ боры, устанавливаемые на ДА длительного действия или многора­ зового применения (самолеты, спутники, космические корабли), должны иметь срок непрерывной работы, исчисляемый несколькими месяцами. Баллистическая ракета является летательным аппаратом одноразового действия. Однако к гироприборам, устанавливаемым на ней, в связи с вопросом повышения готовности ракеты к бое­ вому применению также предъявляются требования значительного срока службы. По сообщениям печати, гироприборы некоторых ти­ пов стратегических ракет непрерывно находятся в рабочем состоя­ нии с раскрученными роторами, т .е . находятся в дежурном режи­ ме и постоянной готовности к применению. При этом значительно снижается время подготовки ракеты к пуску, которое определя­ ется несколькими минутами и даже долями минут.

Так как гироприборы являются чувствительными элементами автомата угловой стабилизации и, кроме того, используются для стабилизации осей чувствительности навигационных акселероме­ тров, то от их надежности и точности будет зависеть работа си­ стемы управления в целом. Для обеспечения 50% вероятности успеш­ ного запуска ракеты необходимо, чтобы каждый узел и элемент ракеты имел надежность не ниже 99,9%, т .е . на каждую тысячу элементов должно быть не более одного неисправного [ 4 , 18].

Требуемую точность работы системы управления баллистиче­ ской ракеты можно проиллюстрировать примером. При дальности полета ракеты 8800 км в конце активного участка необходимо иметь скорость 6000 м /сек. Отклонение этой скорости, скажем,

344

за счет неточного определения ее величины приборами управления

Серьезной проблемой является проблема миниатюризации при­ боров систем управления, т .е . выполнения приборов небольших размеров и малого веса при заданной точности. Соображения веса

иразмеров подчас оказываются решающими при выборе прибора для установки его на ракету. Вес приборов, как и всей системы управ­ ления в целом, определяет сухой вес ракеты, т .е . вес конструк­ ции ракеты без ее боевой части. При проектировании ракеты стре­ мятся к уменьшению сухого веса, что приводит к снижению стар­ тового веса ракеты и ее размеров. Это достигается как облегче­ нием самой конструкции ракеты, так и установкой на нее прибо­ ров и элементов, которые при заданной точности и надежности обладают минимально возможным весом и размерами. Например, вес системы управления трехступенчатой ракеты пМинитмен" (США) на твердом топливе с дальностью полета более 10000 км составляет около 82 кг.

Совершенствование существующих приборов систем управления

иразработка принципиально новых образцов вызывают необходи­ мость разработки методики испытаний и проверок приборов. Успеш­ ное решение задачи испытаний позволяет обнаружить и выявить причины, вызывающие ошибки и отказы приборов, и, следователь­ но, направить усилия ученых и конструкторов на устранение этих причин. Проверки и испытания точных приборов требуют разработ­ ки специальной проверочной аппаратуры, что приводит к повыше­ нию стоимости эксплуатации приборов.

Общие требования к приборам систем управления с учетом условий их работы можно сформулировать следующим образом:

- высокая чувствительность и точность, при которых обеспе­ чивались бы уходы гироприборов не более 0,015 угл.мин/мин,точ­

345

-время непрерывной работы должно составлять несколько ты­ сяч часов;

-малое время готовности к работе, составляющее несколько минут и долей минут;

-незначительная потребляемая мощность;

-простота эксплуатации;

устанавливается прибор, определяют дополнительные, специфичныё требования к нему. Одновременное выполнение требований не пред­ ставляется возможным, так как выполнение одного требования за­ частую приводит к нарушению другого. Поэтому нередко идут на компромиссное решение: выполняют те требования, которые для данного прибора являются решающими.

§ 9 .2 . ПОНЯТИЕ О НАДЕЖНОСТИ. МЕРЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ ПРИБОРОВ ПРИ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ

Решающим требованием, которое предъявляется к приборам си­ стем управления, является требование их надежности и безотказ­ ности в момент применения по назначению. Полная автоматизация процесса управления полетом ракеты и повышение точности управ­ ления приводят к созданию весьма сложных систем управления с большим числом элементов. Так, например, на борту ракеты «Фау-2" было 30000 различных элементов, а на борту межконтинентальной ракеты пАтлас" (США) находится 300000 различных деталей. Подоб­ ное усложнение систем приводит к тому, что если не принять спе­ циальных мер, то чем сложнее аппаратура, тем менее надежной она будет. Отказ одного из элементов может привести к невыпол­ нению полетного задания, к гибели дорогостоящей ракеты или к еще более тяжелым и непредвиденным последствиям.

В настоящее время вопрос надежности работы приборов систем управления, как и всякого приборного оборудования вообще, пре­ вратился в сложную техническую проблему, от успеха решения ко­ торой зависит дальнейший прогресс ракетной техники. Стремление

347

функции. Так, при выходе из строя хотя бы одного из каналов стабилизации ГСП наступает ее полный отказ.

Внезапные 'отказы вызываются скрытыми производственными де­ фектами, некачественными материалами, а также резким изменением

замыкания, поломка и т .д . В теории надежности обычно отождест­ вляют понятия внезапного и случайного, а также постепенного и закономерного отказов. Постепенный или закономерный отказ опре­ деляется механическим или электрическим износом элементов си­ стемы и зависит от длительности эксплуатации, т .е . от срока службы аппаратуры. К постепенным отказам относятся, например, увеличение уходов гироприборов вследствие износа их опор и увеличения люфтов в опорах, понижение эмиссии электронных ламп, изменение емкости конденсаторов, величины сопротивлений, подго­ рание контактов реле и т .д . Так как постепенные отказы являют­ ся результатом износа и старения деталей и элементов, их можно предупредить, исключить, периодически проверяя приборы (аппара­ туру) и своевременно заменяя детали, близкие по своим параме­ трам к отказу.

Теория надежности, в основе которой лежат теория вероятно­ сти и математическая статистика, в основном рассматривает слу­ чайные отказы.

На надежность оказывает влияние значительное число факто­ ров, из которых следует отметить следующие: количество и ка­ чество элементов, деталей и узлов, входящих в состав прибора или системы, режим работы элементов, условия эксплуатации, транспортировка, хранение, качество технического обслуживания

идругие, большинство которых являются случайными и не могут быть учтены заранее. Поэтому полная оценка надежности может быть произведена несколькими количественными характеристиками надежности.

Выясним содержание количественных характеристик надежности

иих пригодность для оценки надежности.

Под вероятностью исправной работы понимают вероятность то­ го, что в заданном интервале времени не произойдет ни одного отказа. Эта характеристика обозначается P(t) и обладает следую­ щими свойствами:

349

Удобством пользования такой характеристикой надежности, как частота отказов, является то, что по ее величине и по извест­ ному числу эксплуатируемых приборов можно определить число при­ боров, которые могут стать неисправными на каком-то промежутке времени, т .е .

n(t) = a(t)N „at.

Приведенные количественные характеристики являются основ­ ными для определения надежности, но они не могут использовать­ ся для оценки надежности в процессе хранения ракет, в течение

которого возможны замены отказавших элементов и приборов новы­ ми. Эти-характеристики не позволяют определить заранее эксплуа­ тационные мероприятия по данной системе, например: время для восстановления работоспособности аппаратуры при ее отказе, не­ обходимое число осмотров и ремонтов в течение заданного време­ ни эксплуатации и хранения, стоимость эксплуатации и т .д . По­ этому для оценки надежности вводят коэффициенты надежности, из которых отметим коэффициенты профилактики, выиувдешюго

простоя, готовности, частоту профилактики, коэффициенты отка­ зов, расхода элементов (приборов) и стоимости эксплуатации.

Коэффициентом, или нормой профилактики Нр , называют отно­

Этот параметр позволяет не только судить о надежности аппара­ туры, но и характеризовать удобство ее эксплуатации. Поэтому