Радиоуправление летательными аппаратами

При управлении самолетами, особенно военного назначения, также

приходится решать целый комплекс разнообразных задач — взлет, выведение в

район цели, пуск против цели управляемого снаряда (ракеты) и управление

этим снарядом, предотвращение столкновений с другими самолётами,

возвращение на аэродром, посадку и другие. При управлении летательными

аппаратами часто приходится, кроме того, решать задачи радиопротиводействия

(создания помех радиосредствам противника) и огневого противодействия

(например,

уничтожения радиолокаторов противника снарядами с пассивными головками

самонаведения).

Из приведенного выше краткого обзора следует, что характер задач

радиоуправления в большой мере зависит от вида управляемого аппарата и его

назначения. Так, например, при управлении аппаратами невоенного назначения

отпадают задачи радиопротиводействия и подрыва боевой части; при управлении

снарядами отсутствует задача посадки летательного аппарата и т. п. Однако

для большинства управляемых летательных аппаратов характерно наличие

управления их движением. Это управление в общем случае заключается в

управлении перемещениями центра масс аппарата и его поворотами вокруг

центра масс, т. е. в управлении полетом и ориентацией. При этом управление

ориентацией аппарата может требоваться как для обеспечения надлежащего

управления его полетом, так и иметь самостоятельное значение (например, при

необходимости обеспечить определенное положение корпуса летательного

аппарата относительно Земли).

Радиоуправление движением летательных аппаратов и морских судов часто

называют также радионавигацией.

Термин навигация возник впервые применительно к морским судам и под

радионавигацией понималось вначале вождение с помощью радиосредств морских

судов. С появлением самолетов термины «навигация» и «радионавигация»

были распространены и на вождение самолетов. В связи с появлением

космических кораблей эти термины были распространены и на вождение

космических кораблей. Поэтому в настоящее время под радионавигацией

понимают обычно вождение с помощью радиосредств морских, воздушных и

космических кораблей. Для всех этих управляемых объектов характерно наличие

на борту объекта человека (пилота), который может принимать

непосредственное участие в управлении.

Термин радиоуправление, наоборот, начал впервые широко использоваться

лишь применительно к управлению по радио беспилотными объектами —

снарядами. В дальнейшем, в соответствии с развитием техники управления и

кибернетики, существенно расширившей понятие «управление», термин

радиоуправление начал применяться не только к беспилотным, но и к

пилотируемым аппаратам.

Следует отметить, что в последние годы развитие техники управления

движением летательных аппаратов привело к тому, что оба термина —

радиоуправление и радионавигация в значительной мере утратили свой четкий

смысл. Действительно, еще сравнительно недавно все системы управления и

навигации можно было достаточно четко разделить на два класса — такие, в

которых радиосредства не применяются для управления, и такие, в которых эти

средства применяются. При этом, как правило, в тех системах управления, в

которых радиосредства применялись, они играли доминирующую роль.

Для повышения качества управления применяется комбинация

(комплексирование) радиосредств с другими, например инерциальными приборами

управления. При этом классы систем, в которых радиосредства совершенно не

применяются или, наоборот, являются доминирующими, постепенно сужаются.

Особенно это относится к управлению пилотируемыми аппаратами, т. е. к

навигации. Поэтому в настоящее время более правильно говорить не о

радионавигации, а просто о навигации и под радионавигационными приборами

(средствами) понимать не приборы для радионавигации, а радиоприборы для

навигации. Соответственно в общем случае следует говорить не о средствах

радиоуправления, а о радиосредствах (и других средствах) управления.

Для управления ориентацией летательных аппаратов радиосредства

применяются в значительно меньшей мере, чем для управления их полетом.

Краткая характеристика способов управления полетом

Принципы рулевого управления

Управление полетом аппарата осуществляется изменением его

скорости V т. е. сообщением аппарату ускорения W (рис. 1.4).

[pic]

При этом изменение модуля скорости V осуществляется созданием

касательного ускорения Wz , а изменение направления вектора скорости

созданием поперечного ускорения Wп. Поперечное ускорение в декартовой

системе координат определяется своими составляющими Wx и Wy, а в полярной

системе координат модулем Wп и полярным углом ?. Управление величиной и

направлением ускорения W осуществляется при помощи рулевых органов. Так

как

W=F / m ,

где F — результирующая сила, приложенная к аппарату, имеющему массу m, то

управление ускорением W достигается изменением результирующей силы F.

Изменение силы F осуществляется путем изменения силы тяги Т

(создаваемой реактивным или каким-либо иным двигателем) и (или)

результирующей

аэродинамической силы R (создаваемой воздушным потоком, обтекающим

аппарат). Рулевые органы, управляющие силой R, называются воздушными

рулями и позволяют получить эффективное управление лишь при полете с

достаточной скоростью в достаточно плотных слоях атмосферы.

В некоторых случаях управление величиной скорости аппарата на основном

участке его траектории не требуется и осуществляется управление лишь

направлением полета. При этом достаточно иметь рулевые органы,

управляющие лишь поперечным ускорением Wп.

Рулевое управление может быть декартовым, полярным или смешанным. При

декартовом управлении рули высоты, поворота и "разгона — торможения"

управляют соответственно составляющими Wx , Wy и Wz полного ускорения

W в декартовой системе координат (рис. 1.4). При полярном рулевом

управлении один из рулевых органов управляет модулем ускорения W (в

некоторых системах этот рулевой орган может, кроме того, изменять

направление вектора

W на противоположное). Остальные рулевые органы обеспечивают требуемое

направление вектора W.

Примеры воздушного рулевого управления приведены на рис. 1.5 и 1.7.

[pic]

На рис. 1.5 приведена схема полярного рулевого управления. При отклонении

руля глубины РГ вверх (на рис. 1.6 по часовой стрелке) набегающий на руль

воздушный поток создает момент Мрг, поворачивающий корпус летательного

аппарата вокруг оси yp против часовой стрелки (рис.1.6).

[pic]

Поворот корпуса вокруг оси yp прекращается, когда вращающий момент,

создаваемый воздушным потоком, обтекающим корпус (и действующий в данном

случае по часовой стрелке), уравновешивает вращающий момент Мрг,

создаваемый рулем глубины. При этом установившееся значение угла ?a

между продольной осью ракеты и вектором ее скорости Vv (называемого углом

атаки) оказывается примерно пропорциональным углу поворота руля ? (при

небольших значениях углов).

Результирующая "аэродинамическая сила R, создаваемая набегающим на

корпус летательного аппарата воздушным потоком, может быть разложена на

составляющие Y и Q. При этом величина нормальной составляющей Y,

называемой подъемной силой, пропорциональна углу ?a (при малых углах ?a ).

Подъемная сила Y создает поперечное ускорение Wп , пропорциональное этой

силе. Следовательно, отклонение руля глубины РГ на некоторый угол ?

создает

в установившемся режиме поперечное ускорение Wп, модуль которого

пропорционален углу отклонения руля. Если руль глубины повернется на такой

же угол ? , но в противоположном направлении (т. е. против часовой

стрелки), то корпус аппарата повернется также в противоположном направлении

(по

часовой стрелке), и подъемная сила Y, а следовательно, и ускорение Wп

изменят свое направление на противоположное. При этом, если ось ур, жестко

связанная

с крылом аппарата, горизонтальна, то ускорение Wn всегда будет расположено

в вертикальной плоскости.

Если требуется создать ускорение Wn в другой плоскости, то корпус

аппарата поворачивается вокруг своей продольной оси zp на некоторый угол,

называемый углом крена и создаваемый рулем крена РК. (При повороте руля

крена набегающий на лопасти PK этого руля воздушный поток создает вращающий

момент, поворачивающий корпус вокруг оси zР.)

Например, если с помощью рулей крена установится угол крена, равный 90°, то

отклонение руля глубины будет создавать ускорение Wп уже не в

вертикальной, а в горизонтальной плоскости. Таким образом с помощью рулей

глубины и крена может быть получено требуемое значение величины и

направления

поперечного ускорения Wп аппарата.

На рис. 1.7 приведена схема симметричного декартового рулевого

управления. При этом составляющие поперечного ускорения в вертикальной и

горизонтальной плоскостях, Wx и Wy , создаются соответственно с помощью

руля высоты РВ и руля поворота РП. Принцип действия каждого из этих рулей

аналогичен описанному выше принципу действия руля глубины. При отклонении

руля высоты корпус аппарата поворачивается вокруг оси yр и создается

подъемная сила, а следовательно, и поперечное ускорение в вертикальной

плоскости. Отклонение руля поворота РП вызывает поворот корпуса аппарата

вокруг оси xР и создание подъемной силы и поперечного ускорения в

горизонтальной плоскости.

При декартовом управлении руль крена выполняет лишь вспомогательную

функцию—стабилизацию крена аппарата. При появлении какого-либо возмущающего

момента, вызывающего крен аппарата (т. е. поворот его корпуса вокруг оси

zР), руль крена создает противоположный момент, возвращающий корпус в

исходное положение. Конструктивно руль крена может быть при этом совмещен с

рулем высоты или рулем поворота.

При смешанном рулевом управлении, применяемом, например, в самолетах, в

создании поперечного ускорения участвуют не два рулевых органа, а три —

рули высоты, поворота и крена.

При отсутствии атмосферы или малой ее плотности (а также при малой

скорости полета) управление полетом осуществляется изменением силы тяги

двигателя (двигателей). Применяемые при этом схемы рулевого управления

весьма разнообразны . Рассмотрим кратко наиболее типичную из них. В такой

схеме модуль W требуемого ускорения создается одним двигателем, жестко

связанным летательного аппарата и называемым главным или маршевым

двигателем. Придание вектору W требуемого направления осуществляется

путем соответствующей ориентации корпуса аппарата. При управлении

баллистическими ракетами дальнего действия и ракетами-носителями

космических аппаратов маршевый двигатель обычно работает в течение

нескольких минут непрерывно, а затем выключается и сбрасывается. При этом в

течение работы двигателя управление ориентацией может осуществляться с

помощью газовых рулей. Эти рули изготавливаются из жаропрочных материалов и

устанавливаются в струе газов, вытекающих из сопла маршевого двигателя

(рис. 1.8).

[pic]

При повороте руля на некоторый угол ? , газовая струя создает

газодинамическую силу Yp, поворачивающую корпус ракеты вокруг ее центра

масс.

При управлении космическими аппаратами с целью экономии топлива

управление полетом осуществляется обычно путем всего нескольких

сравнительно кратковременных включений маршевого двигателя. При этом для

упрощения двигателя величина его силы тяги обычно не имеет плавной

регулировки, т. е. двигатель может работать только в режиме

«включено—выключено». В этом случае управление полетом осуществляется не

путем

регулирования величины ускорения W, а путем (включения и выключения

двигателя в соответствующие моменты времени, например, в следующей

последовательности. На основании данных информационно-измерительного

устройства ИИУ (см. рис. 1.1) управляющее устройство УУ

определяет требуемое изменение ?Vтр вектора скорости аппарата. Затем корпус

аппарата поворачивается вокруг центра масс таким образом, чтобы

после включения маршевого двигателя сила его тяги Т совпадала по

направлению с вектором ?Vтр. Затем включается маршевый двигатель, создающий

постоянное ускорение W, и происходит изменение вектора скорости аппарата по

закону ?V=W t .

Когда это изменение достигает требуемой величины ?Vтр , маршевый двигатель

выключается. Поскольку развороты корпуса происходят при выключенном

маршевом двигателе, они осуществляются с помощью дополнительных

малогабаритных двигателей, называемых двигателями ориентации. В качестве

таких двигателей применяются малогабаритные реактивные двигатели, вектор

тяги которых не проходит через центр масс аппарата, или маховики

(вращающиеся массы).

Основные виды управления полетом

Различают следующие основные виды управления полетом:

1)автономное управление

2) самонаведение

3)телеуправление

Деление систем управления на автономные и неавтономные возможно по двум

признакам — аппаратурному и информационному. При делении по аппаратурному

признаку автономными считаются такие системы, в которых вся аппаратура,

предназначенная для управления полетом летательного аппарата, расположена

на борту этого аппарата. При делении по информационному признаку к

автономным относятся такие системы, в которых после пуска (старта)

летательного аппарата никакая дополнительная информация о положений или

параметрах движения цели (пункта назначения) и КП не учитывается при

образовании команд управления.

Автономное управление вследствие его информационной автономности

непригодно для наведения на цели, расположение или параметры движения

которых известны до пуска аппарата недостаточно точно или могут после пуска

существенно измениться. Например, автономное управление не может обеспечить

наведение снаряда на самолет противника, но пригодно для наведения

баллистической ракеты на наземную цель, геоцентрические координаты которой

до пуска снаряда известны

Автономное управление может быть программным или самонастраивающимся.

При программном управлении летательный аппарат должен двигаться по

программной (номинальной) траектории, т. е. траектории, выбранной до пуска

аппарата и зафиксированной соответствующим программным механизмом,

установленным на его борту. При этом задача управления сводится к измерению

отклонений аппарата от номинальной траектории и ликвидации этих отклонений.

Однако программное управление в общем случае не является оптимальным.

Типичная функциональная схема системы автономного программного управления

изображена на рис. 1.10.

[pic]

Автопилот, состоящий из усилителя-преобразователя УП, исполнительного

механизма (рулевых машин) ИМ и датчиков обратных связей Д 1 и Д 2,

вырабатывает требуемые отклонения ? рулевых органов на основе

поступающих на входы усилителя-преобразователя данных u1 , u2, u3 и u4

.

Здесь u1 — совокупность данных, поступающих от программного механизма и

задающих требуемый закон движения аппарата.

u2 — совокупность данных, определяющих фактический закон движения

центра масс (координаты, скорость, ускорение) аппарата. Устройство,

вырабатывающее эти данные, называется координатором.

u3 — совокупность данных о поворотах корпуса аппарата вокруг его центра

масс (углах поворота и их производных). Эти данные вырабатываются датчиками

Д 1 угловых поворотов корпуса аппарата—свободными и прецессионными

гироскопами.

u4 —совокупность данных о движении рулевых органов (например, об углах

поворота рулей и производных этих углов), вырабатываемых датчиками Д2.

В ряде случаев в усилитель-преобразователь вводятся также данные о

текущем времени, скоростном напоре и др. В усилителе-преобразователе

входные данные усиливаются и преобразуются в команды управления таким

образом, чтобы обеспечить достаточный запас устойчивости и высокое качество

регулирования. Закон преобразования данных может быть достаточно сложным и

требовать применения в блоке УП электронной вычислительной машины.

В зависимости от типа координатора автономные системы управления

делятся на инерциальные, астронавигационные, радиотехнические и другие.

В инерциальных системах данные о законе движения центра масс аппарата

получают путем измерения и интегрирования ускорения W, осуществляемого

акселерометрами (измерителями ускорений) и интеграторами ускорений.

Астронавигационные системы основаны на определении положения центра

масс аппарата с помощью пеленгации излучения небесных тел, осуществляемой

специальными приборами-секстантами, установленными на борту аппарата.

Координаторы радиотехнических автономных систем весьма разнообразны и

обычно основаны на применении радиовысотомеров и допплеровских измерителей

путевой скорости или на приеме на борту управляемого аппарата

радиоизлучения различных ориентиров, расположенных вне КП и цели (пункта

назначения). При этом ориентирами могут служить в принципе любые источники

достаточно интенсивного радиоизлучения, положение и параметры движения

которых в фиксированной системе координат (например, в географической,

геоцентрической или гелиоцентрической) известны априори с достаточной

точностью и могут поэтому вводиться в автопилот непосредственно, т. е. без

применения дополнительных измерителей. В частности, может использоваться

радиоизлучение Солнца и некоторых «радиозвезд» или излучение

радиопередающих устройств, установленных на ИСЗ или на Земле. При этом,

если радиопередающие устройства устанавливаются специально для управления

(навигации), а не для решения других задач, то система управления,

оставаясь автономной в информационном отношении, теряет свою аппаратурную

автономность. Для повышения точности автономных систем часто применяется

комбинирование (комплексирование) различных типов координаторов. Например,

в астроинерциальных системах инерциальные координаторы комплексируются с

астронавигационными, а в радиоинерциальных — с радиотехническими.

Самонаведением называется наведение аппарата на цель (пункт назначения)

на основе приема энергии, излучаемой или отражаемой целью.

В зависимости от характера используемой энергии самонаведение может

быть радиотехническим, тепловым, световым, акустическим. Возможно также

применение комбинированных систем самонаведения, использующих, например,

комбинацию радиотехнических и тепловых координаторов.

В зависимости от места расположения первичного источника энергии системы

самонаведения могут быть активными, полуактивными или пассивными. В

активных системах источник первичной энергии устанавливается на борту

летательного аппарата, а в полуактивных — вне борта аппарата (например, на

КП). В пассивных системах используется излученная или отраженная энергия

естественных источников (Солнца, Луны и т. п.) или энергия источников,

созданных человеком, но не для обеспечения самонаведения, а для других

задач. Поэтому к пассивным относят и радиотехнические головки

самонаведения, устанавливаемые на снарядах, уничтожающих радиолокаторы

противника и принимающие излучение этих радиолокаторов.

Очевидно, активные системы самонаведения являются в аппаратурном

отношении автономными. Однако в информационном отношении они не автономны и

в этом заключается их принципиальное отличие от автономных систем

управления. Действительно, энергия, идущая от цели (пункта назначения),

используется в системах самонаведения для получения в процессе полета

информации о положении и характере движения аппарата относительно цели и

учета этой информации при образовании команд управления. Благодаря наличию

такого информационного канала — канала контроля цели— самонаведение имеет

по сравнению с автономным управлением как весьма важное преимущество, так и

серьезный недостаток. Преимуществом является возможность наведения аппарата

на цели, положение или параметры движения которых априори известны с

недостаточной точностью, например на самолеты противника. Недостаток

состоит в возможности создания противником эффективных помех, действующих

на канал контроля цели.

Функциональная схема активной или пассивной системы самонаведения

приведена на рис. 1.11,а, соответствующая ей структурная схема —

на рис. 1.11,6.

[pic]

В этой схеме РГС — радиотехническая головка самонаведения (координатор),

измеряющая параметр рассогласования ,характеризующий величину и направление

отклонения аппарата (ракеты) от правильного полета на цель Ц.

Таким параметром может служить, например, производная ?=d?/dt, где ?

—угол

отклонения направления ракета — цель r в стабилизированной (невращающейся)

системе координат x y z. Кинематическое звено учитывает

кинематические соотношения, связывающие параметр рассогласования ? с

координатами центров масс Aц(t) и Ap(t) цели и ракеты, а динамическое

звено—

связь координат центра масс аппарата (ракеты) Ap(t) с отклонением рулей

?(t). Из рисунка видно, что в системе самонаведения радиосредства (РГС)

играют роль измерительного элемента (координатора) исходят в состав

замкнутого контура управления в качестве одного из его звеньев, называемого

радиозвеном.

Телеуправлением называется управление, при котором с командного пункта

можно изменить траекторию управляемого аппарата.

В зависимости от способа образования команд различают командное,

телеуправление и телеуправление по радиозоне. В первом случае команды

формируются на КП и передаются на борт аппарата по радиолинии, называемой

командной радиолинией. Во втором случае на КП формируется соответствующей

аппаратурой специальная управляющая радиозона — равносигнальная зона, вдоль

которой должен лететь управляемый аппарат. При этом отклонение аппарата от

равносигнальной зоны обнаруживается приборами, установленными на борту

этого аппарата, и сводится к нулю путем соответствующего воздействия на его

рулевые органы. В большинстве случаев требуемая равносигнальная зона имеет

вид прямой или плоскости, т. е. является равносигнальной осью или

плоскостью. В тех случаях, когда требуемая равно-сигнальная зона имеет вид

прямой, радиозону называют радиолучом, а соответствующий вид телеуправления

— лучевым.

Телеуправление может применяться для наведения аппарата на цель (пункт

назначения) или в район цели, выведения аппарата на заданную орбиту,

приведения аппарата на КП (или в район КП) из пункта, удаленного от этого

КП, и т. д. В случае наведения на цель различают, в зависимости от способа

контроля цели, телеуправление первого вида (ТУ-1) и телеуправление второго

вида (ТУ-2). При ТУ-1 контроль за целью осуществляется непосредственно

с командного пункта, а при ТУ-2 устройство контроля правильности полета

аппарата к цели устанавливается на борту этого аппарата, и данные контроля

передаются с борта аппарата на КП по соответствующему радиоканалу.

Линии передачи информации, входящие в состав систем телеуправления, как

правило, делаются радиотехническими, а устройства извлечения информации

могут быть как радиотехническими, так и других типов (например,

телевизионными или тепловыми).

Для повышения качества управления часто применяются также различные

комбинации автономного управления, самонаведения и телеуправления.

Например, при наведении зенитной ракеты на цель на первом участке

траектории ракеты может применяться автономное инерциальное управление, на

втором участке — ТУ-1, а на третьем (последнем)— самонаведение.

Литература

Л.С. Гуткин, В.Б. Пестряков, В.Н.Теплугин. Радиоуправление. 1970

Л.С. Гуткин, Ю.П. Борисов и др. Радиоуправление реактивными снарядами и

космическими аппаратами. 1968

Данные с сайта www.space-academy.net

Страницы: 1, 2