книги из ГПНТБ / Динамика полета и конструкция крылатых летательных аппаратов

щие дополнительную физическую связь между рассматривае­ мыми девятью независимыми параметрами, и задать начальные условия.

Под начальными условиями задачи, связанной с определе­ нием движения КЛА, понимают задание кинематических пара­ метров движения и их первых производных в начальный момент

Уравнения, накладывающие дополнительную физическую связь на параметры движения, можно задавать по-разному. Например, можно задать закон отклонения рулевых поверхностей от вре­ мени, т. е.

В этом случае, решая систему уравнений (1.19) и (1.24), можно найти тот закон отклонения рулей, который обеспечит движе­ ние по траектории (1.43).

210

Можно поступать и по-другому. Например, в качестве доба­ вочных трех уравнений физической связи использовать наперед' заданный закон изменения от времени курсового угла ф, угла тангажа & и угла крена 7, т. е.

(1.44)

•В последнем случае закон движения центра тяжести и потреб­ ные отклонения рулей найдутся решением системы уравнений (1.19)

и (1.24).

Уравнения связи не ограничиваются приведенными здесь воз­ можными вариантами.

Задание дополнительных уравнений вида (1.42), (1.43) и (1.44) и т. д., накладывающих дополнительную физическую связь на пара­ метры движения и придающих этому движению при заданных на­ чальных условиях определенность, называется программированием движения. Программировать движение — это значит наложить на параметры движения физическую связь рассмотренных или других видов. „

В приведенных нами' программах движения, т. е. в уравнениях дополнительной физической .связи, в качестве независимой перемен­ ной служит время. .Как говорят, в этом случае программирование произведено по времени. Программировать можно не только по вре­ мени, но и по другим параметрам, скажем, по скорости, по высоте

ит. д. Например, программу (1.43) можно записать как:

г= г (Н),

<р = ? (И),

ь = ЧН),

т. е. вести программирование по высоте, ибо сама высота, в конеч­ ном счете, тоже является функцией времени.

Рациональный выбор той или иной программы является одним из сложных и трудных этапов при проектировании и расчете КЛА. Изложение вопросов, связанных с рациональным выбором опти­ мальной программы, выходит за рамки нашего курса и представляет весьма сложную вариационную задачу.

Не любая выбранная программа движения может быть осущест-' влена практически. Выбранная программа должна удовлетворять ряду требований, основными из которых будут следующие.

1. Установленная на КЛА аппаратура должна обеспечиват выполнение заданной программы. HanpHMejp, при задании про­ граммы движения в виде (1.44) надо устанавливать аппаратуру/ регистрирующую курсовой угол ф, крен 7 и угол тангажа. Та­ кой аппаратурой может быть система, использующая свойства

211

гироскопа: гирогоризонт и гирокомпас. Работа аппаратуры долж­ на обеспечивать отклонение рулевых поверхностей в необхо­ димом диапазоне и с потребной скоростью перекидки рулей по­ рядка 1 рад/сек и т. д.

2.Потребные для обеспечения заданной программы отклонения рулей должны лежать в пределах конструктивного диапазона их из­ менения. Потребные углы атаки и другие кинем этические величины, характеризующие положение КЛА по отношению к потоку, при осу­ ществлении программы должны лежать в допустимых пределах: на­ пример, угол атаки не должен превышать своего предельно допусти­ мого значения и т. д.

3.Возникающие в процессе движения по' заданной программе перегрузки КЛА должны быть меньше допустимых их значений, найденных из расчета на прочность конструкции КЛА и установлен­ ной на ней аппаратуры.

4.Аэродинамический нагрев частей КЛА в процессе движения по выбранной программе должен лежать в пределах допустимых норм. Это требование становится особенно актуальным в связи с большими скоростями КЛА.

5.Выбранная программа должна обеспечивать выполнение оп­ ределенных летно-тактических требований, предъявляемых к КЛА

.(например, получение максимальной дальности полета или обеспе­ чение выполнения маневра перед целью и т. д.).

6.Выбор программы и расчета по ней элементов движения (дальности, высоты, скорости, формы траектории и т. д.) далеко еще

недостаточен для того, чтобы полностью охарактеризовать движе­ ние КЛА. Особенность заключается в том, что аппаратура, установ­ ленная на КЛА, может обеспечивать выполнение программы при­ ближенно, т. е. с погрешностями. Погрешности, т. е. отклонения ре­ ального движения от расчетного идеального случая, могут быть увеличены за счет различных возмущений, связанных с неспокой­ ным состоянием атмосферы, с неустойчивой работой! двигателя if возмущениями в работе аппаратуры управления из-за искусственно создаваемых противником помех и т. д. Таким образом, необходимо, чтобы реальное движение незначительно отличалось от расчетного, т. е. идеального, и отклонения лежали в допустимых пределах. А это требование будет обеспечено тогда, когда движение устойчиво, т. е. КЛА и установленная на ней аппаратура управления сами способ­ ны устранять возникающие отклонения параметров движения из-за предусмотренных расчетом возмущений.

Вопросы устойчивости и отклонения кинематических параметров движения КЛА из-за возмущений будут более подробно рассмот­ рены в третьем разделе учебника.

Исключительно важное значение при реализации программы и обеспечении должной устойчивости движения КЛА имеет выбор тон или иной системы управления. ■

Система управления КЛА выполняет две функции: управление положением осей КЛА и управление траекторией его полета. Эти

212

функции, представляющие две стороны одной общей задачи, тесно связаны между собой.

Если дальность КЛА составляет несколько сот километров, то система управления КЛА может быть построена на принципе ис­ пользования излучения энергии (электромагнитной — радиосвязь или радионавигация, тепловой, световой'и т. д.).

При больших дальностях, когда аппаратура управления, рабо­ тающая на принципе использования излучения энергии, становится непригодной, применяют системы управления, основанные на прин­ ципе использования физических ориентиров, связанных с Землей или звездами (поле тяготения, магнитное поле Земли, астрономиче­ ский ориентир, т. е. определение местоположения относительно Земли по звездным координатам, закон распределения атмосфер­ ного давления по высотам и т. д.).

Кроме перечисленных выше вариантов, система управления КЛА может быть построена на использовании свойств гироскопа (гиро­ скопическая система) и инерционной аппаратуры (инерционная си­ стема). В первом случае используются пиросистемы (гировертикаль, гирокомпас, гирошироты и т. д.), позволяющие определить курсовой угол, угол тангажа, широту места, крен и т. д. Во втором случае инерционной системы управления имеются датчики перегрузок, оп­ ределяющие ускорение КЛА в любой момент времени. Затем по этим ускорениям интеграторы вычисляют скорость и координаты центра тяжести КЛА.

Системы управления беспилотными КЛА могут быть автоном­ ные и неавтономные.

К автономным, системам управления относятся те системы, в ко­ торых сигналы управления вырабатываются приборами, находящи­ мися на КЛА.

При неавтономной системе управления сигналы управления вы­ рабатываются аппаратурой, находящейся вне КЛА (на земле, на самолете-носителе, на корабле, на подводной лодке и т. д.).

Могут быть такие комбинированные системы, в которых часть сигналов управления вырабатывается аппаратурой, установленной на КЛА, а другая часть сигналов ‘управления (управляющей ин­ формации) поступает от приборов, расположенных вне КЛА.

Система управления может быть выполнена как автономная,- если в ней, например, использовать методы астронавигации или радиоастронавигации. В этом случае положение КЛА относительно Земли определяется по звездам оптическими приборами, установ­ ленными на КЛА. Оптические приборы воспринимают изображения звезд, по которым специальная вычислительная аппаратура опреде­ ляет положение КЛА. Выходные данные вычислительной аппара­ туры связаны с отклонениями рулевых поверхностей посредством дополнительной аппаратуры и, таким образом, обеспечивается полет по заданной траектории или же приближение к заданной точке про­ странства.

213

При автономной системе управления могут быть 'Использованы свойства пироокопа, позволяющие определить: утлы поворота КЛА в пространстве; магнитное поле Земли для выдерживания заданного курса; 'атмосферное давление для выдерживании необходимой вы­ соты полета. Инерциальная система управления также может быть выполнена как автономная. В последнем случае аппаратура может вычислить по ускорениям координаты центра тяжести и скорость по­ лета в любой момент времени.

Комбинированные системы управления построены, как правило, на принципе использования радиосигналов, посылаемых с Земли, самолета, корабля и т. д. В этом случае радиооигналы восприни­ маются приемной аппаратурой, установленной на КЛА, и затем но этим сигналам вычислительная аппаратура определяет положение летательного аппарата в пространстве. Выходные данные от вычис­ лительной аппаратуры поступают в систему приборов, связанных с отклонениями органов управления КЛА, и, таким образом, обеспе­ чивается движение по заданной траектории.

В тех случаях, когда цель поражения движется или же она на­ ходится на небольшом расстоянии от Поражающего объекта, т. е. от КЛА, для управления могут быть использованы различные системы самонаведения.

Система самонаведения должна иметь аппаратуру, позволяющую «ощущать» цель и следить за нею. Для того чтобы «чувствовать» цель и следить за нею и ее движением по отношению к КЛА, ис­ пользуют, как правило, отраженную от цели энергию (звуковую, световую, тепловую, электромагнитную).

Если система управления использует только излучение от цели и по нему формирует сигналы управления, то такая система назы­ вается автономной (пассивной) системой самонаведения.

В том случае, когда сигналы управления формируются по излу­ чениям, выработанным на земле или самим КЛА и отраженным от цели поражения, получаем соответственно полуактивную или актив­ ную систему самонаведения.

При командной системе наведения вся необходимая информация для управления КЛА передается из какого-нибудь внешнего источ­ ника (например, от наземной локаторной станции управления). При этом на КЛА должна иметься лишь аппаратура для приема этой информации и для исполнения команд.'

При наведении по лучу система управления удерживает КЛА на радиоили оптическом луче, который вырабатывается наземной станцией или самолетом-носителем и направлен на цель.

§ 1.6. ПОНЯТИЕ О МАНЕВРЕННОСТИ КРЫЛАТОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И КРИВЫЕ АТАК

Под маневренностью понимают способность' КЛА изменять за определенный промежуток времени скорость, высоту и направление полета, а также положение в пространстве.

214

КЛА считается более маневренным, если он выполняет заданный маневр за более короткий промежуток времени по сравнению с дру­ гим. При оценке маневра учитывается не только время совершения маневра, но и другие характеристики (протяженность маневра, воз­ никающие при этом перегрузки и др.), связанные с данным движе­ нием.

Маневренные качества особенно важное место занимают при ве­ дении воздушного боя истребителями, при наведении беспилотного автоматически управляемого КЛА на цель и уходе от поражающих средств противника. Для обеспечения движения КЛА по заданной программе необходимо, чтобы он обладал достаточной маневрен­ ностью.

Маневр КЛА может происходить по прямолинейной траектории (разгон и торможение), по плоской кривой (вираж, петля Нестерова и т. д.) или же по пространственной траектории (боевой разворот, спираль, кривые атак и т. д.). Некоторые характеристики наиболее часто встречающихся маневров будут рассмотрены в следующих главах.

Маневренные свойства КЛА определяются характеристиками си­ ловой установки, аэродинамикой КЛА, эффективностью рулей и ве­ личиной допустимых перегрузок.

Увеличение скорости при маневре (например, при разгоне) опре­ деляется прежде всего избытком тяги, т. е. разностью между тягой двигателя и лобовым сопротивлением. Уменьшение скорости при ма­ невре достигается дросселированием двигателя и применением спе­ циальных воздушных тормозов.

Изменение направления полета при маневре осуществляется из­ менением величины и направления действующих по нормали к век­ тору скорости сил. Для этого необходимо изменение положения КЛА по отношению к потоку (изменение угла атаки и угла сколь­ жения) и в ряде случаев может быть использован (особенно на больших высотах) поворот оси двигателя удв по отношению к кор­ пусу КЛА. В свою очередь, изменение положения КЛА по отноше­ нию к потоку осуществляется поворотом рулевых поверхностей. Следовательно, от эффективности рулевых поверхностей зависит та­ кая важная характеристика маневра, как способность КЛА быстро или медленно изменять направление полета.

Необходимо отметить, что с ростом высоты и скорости маневрен­ ные качества КЛА ухудшаются. Это вызвано, во-первых, уменьше­ нием аэродинамических сил из-за падения плотности воздуха и, вовторых, невозможностью осуществления при больших скоростях кру­ тых маневров с малым радиусом кривизны из-за возникающих при этом больших перегрузок.

Окончательное суждение о маневренных качествах КЛА устанав­ ливается в результате анализа данных летных испытаний.

Маневр применяется для атаки и поражения противника. В про­ цессе атаки противника центр тяжести КЛА описывает определен­ ную траекторию, которая называется кривой атаки.

215

В случае пилотируемого КЛА кривая атаки строится из условия ведения прицельного огня. У беспилотных автоматически управляе­ мых КЛА вид кривой атаки зависит от принятой системы наведения' и управления.

Рассмотрим кривую атаки для самого простейшего случая, когда КЛА (истребитель, самолет-снаряд и т. д.) атакует объект, который движется по прямолинейной траектории с постоянной скоростью Уц. Предположим, что вектор скорости атакующего в течение всего маневра на­ правлен на цель (фиг. 1.26) и

постоянен по величине. Кривую атаки можно по­

строить в земной неподвиж­ ной системе координат и в подвижной системе коорди­ нат, связанной с целью. Мы построим кривую атаки в под­ вижной системе координат. Тогда скорость атакующего относительно цели, т. е. от­ носительная скорость

У„ V - V u,

должна быть все время на­ правлена по касательной к кривой атаки (фиг. 1.26).

Кривую атаки можно по­ строить графически, т. е. шаг за щагом переходя от одной точки к следующей точке кри­

вой атаки. Но в принятом весьма простейшем случае урав­ нение кривой атаки можно записать аналитически.

Прекции вектора относительной скорости Уч на направление радиуса и на перпендикуляр к радиусу будут:

Разделив первое уравнение на второе, получим

Г УцБШф Y

216

Интегрируя от начальных полярных координат гв, ф0 до те* кущих их значений г и ф , получаем уравнение кривой атаки в следующем виде:

)

для всех (фиг. 1.26), лелчащик на пространственной кривой 5 (фиг. 1.27), то

Фиг. 1.27

получим поверхность, напоминающую конус. Такую же поверхность можно построить и для передней сферы (фиг. 1.27). Область, заилю* ченмая внутри указанной поверхности, называется областью воз-

ложных атак.

Не всякая кривая атаки, постро­ енная в таком математическом пла­ не, может быть практически осу­ ществлена. Надо, чтобы при. движе­ нии по этой кривой перегрузки были меньше допустимых, угловая ско­ рость КЛА была меньше предельно допустимого значения и т. д.

Остановимся на первых двух ог­ раничениях. Для получения области ограничения по перегрузке рассмот­ рим кривую атаки в горизонтальной плоскости.

При движении в горизонтальной плоскости центростреми­ тельная сила Rl( (фиг. 1.28) равна нормальному ускорению, умно­ женному на массу, т. е.

откуда угловая скорость

где пу. пр .доп — предельно допустимая перегрузка.

пр.доп

217

Следовательно, кривая атаки не должна проходить через заштри­

Окружность с радиусом Rl дает границу возможных кривых атак по шпр_доп. Все кривые атаки должны находиться вне этой области. При несоблюдении этого требования кривая атаки ста­ новится нереальной.

218

ГЛАВА If

ПРЯМОЛИНЕЙНОЕ ДВИЖЕНИЕ КРЫЛАТОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

§ 2.1. СИЛЫ И МОМЕНТЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА КРЫЛАТЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ. УРАВНЕНИЯ ДВИЖЕНИЯ

Движение по прямолинейной траектории является одним из ха­ рактерных движений любого КЛА. Прямолинейность траектории обеспечивается тем, что равнодействующая всех внешних сил, дей­ ствующих на КЛА, всегда направлена вдоль траектории, совпадаю­

9

С

Фиг. 2.1

щей с направлением начальной скорости. Если прямолинейность траектории обеспечивается со старта (вертикального или наклон­ ного), т. е. когда начальная скорость равна нулю, то необходимо, чтобы равнодействующая всех внешних сил совпадала с направле­ нием заданной траектории.

В дальнейшем будем предполагать полет происходящим в го­

зонтальный полет КЛА описывается двумя дифференциальными уравнениями:

= Р COS (а -(- <pje) — Q

( 2. 1)

219