Примеры решения задачи общего проектирования беспилотных ЛА с ДПУ моноимпульсного и пропорционального поперечного управления
В качестве примера применения разработанных ТФ в задачах общего проектирования ЛА как в классическом, так и в уточненном подходах, рассмотрим проектирование одноступенчатой ЗУР, с однорежимным РДТТ, самонаводящейся по методу пропорциональной навигации, с ДПУ моноимпульсного и пропорционального поперечного управления. Исходные данные расчетов совпадают с аналогичными данными ЛА, рассмотренного в разделе 1.5. Основное отличие только в параметрах используемых ДПУ. Результаты проектных расчетов приведены в табл. 1.3
Таблица 1.3
Результаты общего проектирования ЗУР с ДПУ моноимпульсного и пропорционального управления.
|
Характеристики ЗУР | Моноимпульсное управление | Пропорциональное управление | ||||
| Классич. метод | Уточн. метод | Классич. метод | Уточн. метод | |||
| Pезультаты массового pасчета ЛА
| ||||||
| Относительная масса кpыльев | 0.020 | 0.0191 | 0.020 | 0.0190 | ||
| Относительная масса пpиводов | 0.0635 | 0.0642 | 0.0632 | 0.0638 | ||
| Относительная масса топлива | 0.565 | 0.5396 | 0.565 | 0.5393 | ||
| Относительная масса РДТТ | 0.173 | 0.2264 | 0.172 | 0.2266 | ||
| Относительная масса коpпуса | 0.286 | 0.2463 | 0.286 | 0.2432 | ||
| Площадь кpитического сечения сопла РДТТ, м2 | 0.0050 | 0.00482 | 0.00505 | 0.00498 | ||
| Удельная нагpузка на кpылья | 900 | 900 | 900 | 900 | ||
| Стартовая масса ЛА, кг | 442.9 | 446.7 | 448.2 | 453.4 | ||
| Масса кpыльев, кг | 8.94 | 8.494 | 9.086 | 8.659 | ||
| Масса опеpения, кг | 4.429 | 4.467 | 4.482 | 4.534 | ||
| Масса pулевых пpиводов, кг | 28.124 | 28.575 | 28.326 | 29.038 | ||
| Масса твеpдого топлива РДТТ, кг | 250.378 | 241.054 | 253.346 | 244.516 | ||
| Масса РДТТ (без топлива), кг | 43.283 | 54.334 | 43.68 | 55.655 | ||
| Масса констpукции коpпуса, кг | 33.512 | 23.224 | 33.988 | 23.183 | ||
| Pезультаты геометpического pасчета ЛА
| ||||||
| Диаметp коpпуса, м | 0.329 | 0.332 | 0.331 | 0.333 | ||
| Длина коpпуса,м | 4.941 | 4.651 | 4.963 | 4.668 | ||
| Длина носовой части коpпуса,м | 0.988 | 0.997 | 0.993 | 1.000 | ||
| Длина коpмовой части коpпуса,м | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| Площадь кpыльев, м2 | 0.492 | 0.4964 | 0.498 | 0.5038 | ||
| Размах кpыльев, м | 0.855 | 0.930 | 0.860 | 0.936 | ||
| Коpневая хоpда кpыла, м | 0.932 | 0.635 | 0.937 | 0.640 | ||
| Концевая хоpда кpыла, м | 0.219 | 0.433 | 0.221 | 0.437 | ||
| Боpтовая хоpда кpыла, м | 0.657 | 0.563 | 0.662 | 0.568 | ||
| САХ кpыла, м | 0.647 | 0.540 | 0.651 | 0.545 | ||
| САХ консоли кpыла, м | 0.474 | 0.501 | 0.477 | 0.505 | ||
| Координата боpтовой хоpды, м | 4.123 | 3.529 | 4.139 | 3.54 | ||
| Кооpдината оси вpащения pулей | 1.249 | 1.171 | 1.253 | 1.174 | ||
| Кооpдината центpа масс ЛА с топливом, м | 2.977 | 2.95 | 2.991 | 2.962 | ||
| то же без топлива, м | 2.218 | 2.252 | 2.228 | 2.265 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=1,м | 0.494 | 1.003 | 0.496 | 1.000 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=2, м | 0.665 | 0.868 | 0.666 | 0.868 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=3, м | 0.414 | 0.00 | 0.425 | 0.00 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=4, м | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=5, м | 0 | 0 | 0 | 0 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=6, м | 0.370 | 0.412 | 0.370 | 0.412 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=7, м | 2.343 | 2.258 | 2.350 | 2.221 | ||
| Длина отсека с пpизнаком JK=8(9) | 0.165 | 0.141 | 0.165 | 0.167 | ||
| Результаты расчета ДПУ
| ||||||
| Время работы ДПУ, с | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | ||
| Тяга ДПУ, Н | 14383.1 | 15367.6 | 14531.2 | 15607.9 | ||
| Относительная масса топлива ДПУ | 0.01804 | 0.01911 | 0.01804 | 0.01912 | ||
| Масса топлива ДПУ, м | 8.0 | 8.5 | 8.1 | 8.7 | ||
| Относительная масса конструкции ДПУ | 1.382 | 1.412 | 1.537 | 1.518 | ||
| Площадь критического сечения сопла ДПУ, м2 | 0.00241 | 0.00258 | 0.00244 | 0.00262 | ||
| Масса ДПУ с топливом, кг | 19.035 | 20.589 | 20.482 | 21.830 | ||
Для большей наглядности результаты проектных расчетов показаны на рисунках: на рис. 1.10 приведена компоновочная схема ЗУР с моноимпульсной двигательной установкой поперечного управления. Показанные на компоновке размеры соответствуют расчетам по классической математической модели. Траекторные характеристики спроектированного варианта ЛА с моноимпульсной двигательной установкой поперечного управления приведены на рис. 1.11. Следует отметить, что компоновочная схема и траекторные характеристики ЛА с двигательной установкой пропорционального поперечного управления мало чем отличаются от результатов проектирования ЛА с моноимпульсной ДПУ.
|
|
|
Рис. 1.10. Результат расчета компоновочной схемы ЗУР с моноимпульсной двигательной установкой поперечного газодинамического управления (классическая модель).
Текущие параметры траектории
T X H TETA V AЛЬФA NX NY CУA CX TCT
2.2 56. 153. 67.9 190.0 -0.1 10.1 -0.0 0.0341 0.0365 20.
12.2 3234. 5649. 54.2 1235.1 -0.7 13.3 -2.3 0.0289 0.0410 291.
16.4 6961. 10341. 47.6 1844.2 -1.1 19.4 -5.1 0.0196 0.0299 596.
16.4 6974. 10355 47.5 1846.0 -1.1 19.7 -5.2 0.0193 0.0298 597.
22.2 14038. 17042. 37.4 1501.9 -2.8 -2.7 -3.8 0.0223 0.0449 730.
32.2 26090. 24155. 22.2 1313.1 -6.4 -0.9 -2.4 0.0248 0.0618 652.
42.2 38208. 27769. 10.2 1220.6 -8.3 -0.5 -1.3 0.0263 0.0840 578.
52.2 50101. 29036. 1.61 175.9 -4.0 -0.2 -0.5 0.0271 0.0560 523.
62.2 61762. 28827. -3.8 1157.8 1.3 -0.2 0.2 0.0274 0.0446 481.
72.2 73231. 27785. -6.5 1143.8 4.7 -0.3 0.6 0.0274 0.0561 450.
82.2 84497. 26399. -7.3 1122.6 6.1 -0.4 1.0 0.0276 0.0661 426.
92.2 95505. 25026. -6.7 1091.5 6.3 -0.5 1. 0.0279 0.0694 407.
102.2 106172. 23909. -5.0 1047.9 5.4 -0.6 1.4 0.0285 0.0638 390.
112.2 116401. 23194. -2.6 996.8 5.6 -0.6 1.5 0.0292 0.0666 371.
122.2 126113. 22961. 0.3 939.6 6.1 -0.6 1.5 0.0300 0.0725 351.
132.2 135226. 23252. 3.9 877.1 7.3 -0.6 1.6 0.0309 0.0852 328.
142.2 143648. 24093. 8.2 807.5 9.9 -0.6 1.7 0.0319 0.1160 303.
149.2 149055. 25023. 12.1 750.4 13.5 -0.7 1.8 0.0327 0.1718 286.
150.0 149640. 25149. 12.6 742.5 17.6 -0.9 1.9 0.0329 0.2729 284.
Рис.1.11. Траекторные характеристики спроектированного варианта ЛА с двигательной установкой моноимпульсного поперечного газодинамического управления
|
|
|
Решение задачи общего проектирования ЛА с различными вариантами двигательных установок поперечного газодинамического управления по предлагаемому программно-методическому обеспечению позволяет провести сравнительный анализ результатов проектных расчетов. Некоторые основные массовые характеристики сравниваемых вариантов приведены в табл. 1.4.
Таблица 1.4
Сравнительный анализ массовых характеристик ЗУР с различными вариантами ДПУ.
|
Массовые характеристики ЗУР с ДПУ |
Методика проекти-рование | Варианты ДПУ | ||
| Многократное импульсное управление | Моноимпу-льсное управление | Пропорци-ональное управление | ||
| Стартовая масса ЛА, кг | Классич. | 445.4 | 442.9 | 448.2 |
| Уточнен. | 470.1 | 446.7 | 453.4 | |
| Масса твеpдого топлива РДТТ, кг | Классич. | 2250.431 | 250.38 | 253.35 |
| Уточнен. | 264.390 | 241.05 | 244.52 | |
| Масса РДТТ (без топлива), кг | Классич. | 43.245 | 43.28 | 43.68 |
| Уточнен. | 44.382 | 54.38 | 55.65 | |
| Тяга ДПУ (ИД), н | Классич. | 7298.3 | 14383.1 | 14531.2 |
| Уточнен. | 7690.239 | 15367.6 | 15607.9 | |
| Относительная масса топлива ДПУ | Классич. | 0.01966 | 0.01804 | 0.01804 |
| Уточнен. | 0.01963 | 0.01911 | 0.01911 | |
| Относительная масса ДПУ | Классич. | 1.776 | 1.382 | 1.537 |
| Уточнен. | 1.768 | 1.412 | 1.518 | |
| Масса топлива ДПУ, кг | Классич. | 8.758 | 8.0 | 8.1 |
| Уточнен. | 9.229 | 8.5 | 8.7 | |
| Масса ДПУ с топливом, кг | Классич | 24.310 | 19.035 | 20.482 |
| Уточнен. | 25.546 | 20.589 | 21.83 | |
Предварительный анализ результатов расчетов показывает, что по критерию стартовой массы наиболее выгодным вариантом является ДПУ моноимпульсного управления. Однако следует заметить, что в предлагаемой математической модели особенности технологии изготовления двигателей и определения газодинамических и тяговых характеристик ДПУ учитываются приближенно. Поэтому более детальный анализ требует оптимизации параметров и характеристик каждого варианта ДПУ с учетом технологических и газодинамических особенностей двигателей.
2.Расчет параметров и характеристик летательных аппаратов с моментным аэрогазодинамическим управлением
Отличительной особенностью моментного управления является то, что газодинамическая сила, создаваемая управляющей двигательной установкой, используется в основном для увеличения быстродействия ЛА. Это позволяет реализовать так называемый режим «сверхманевренности». Основной же управляющей силой на участке наведения при этом остается аэродинамическая составляющая, вызываемая углом атаки, создаваемым благодаря быстрому развороту корпуса ЛА и поддержанию его в течение необходимого времени управления.
В отличие от двигателей поперечного управления, ДУ моментного управления могут использоваться как для наведения на цель, так и для быстрого стартового разворота ЛА классов «поверхность-воздух» (П-В) и «воздух-воздух» (В-В). Из всех перечисленных во введении вариантов устройств моментного управления наибольший интерес, с точки зрения возможности использования как для управления на участке наведения, так и для стартового разворота, представляет импульсная двигательная установка (ИДУ). Она выполняется в виде кассеты, состоящей из твердотопливных микродвигателей, расположенных в носовой части корпуса ЛА. Рассмотрим методику и программное обеспечение расчета параметров и характеристик ИДУ, предназначенных отдельно для наведения, стартового разворота (склонения), а также для совместного выполнения обеих задач.
2.1. Расчет параметров и характеристик ИДУ для участка наведения
При разработке алгоритмов и программ расчета параметров и характеристик ИДУ воспользуемся теоретической базой работы [1].
Назначение импульсной двигательной установки на участке наведения ЛА состоит в решении двух задач:
· создание реактивных сил, увеличивающих угловую скорость (а, следовательно, и быстродействие) при выходе ракеты на требуемый, для создания нужной величины подъемной силы, угол атаки;
· поддержание установившегося угла атаки в течение заданного времени управления.
Таким образам, используются как газодинамический, так и аэродинамический принципы управления. Поэтому и система стабилизации ЛА строится в виде двух параллельных систем регулирования, использующих обратные связи по ускорению (с коэффициентами усиления 
и 
) и угловой скорости (с коэффициентами 
) [1]. Соответственно, и передаточные функции ЛА при аэродинамическом и газодинамическом способах создания сил и моментов различаются лишь выражениями входящих в них динамических коэффициентов а3 и а6 .
Общая команда управления l, поступая на вход каждой из параллельных систем, нормируется соответствующим коэффициентом стабилизации 
и 
для компенсации статической ошибки. Параллельная структура, реализующая аэродинамический способ управления, является традиционной. Структура, реализующая газодинамический моментный способ управления, функционирует следующим образом [1]. Управляющий сигнал 
, сформированный из сигнала управления и обратных связей по ускорению (с коэффициентом усиления 
) и угловой скорости (с коэффициентом усиления 
), нормируется величиной smin , которая соответствует среднему значению угловой скорости ЛА, создаваемой одним импульсным двигателем, т.е.:
(2.1)
, 1/c2 ; (2.2)
;
где: 
— относительные координаты центра масс ЛА и ИДУ, соответственно;
L ф — длина корпуса ЛА, м;
tид — среднее (номинальное) время работы импульсного двигателя;
P 1 – тяга одного импульсного двигателя;
Iz – момент инерции ЛА относительно поперечной оси.
После нормирования относительная величина 
представляет собой число импульсных двигателей n, которые требуется включить в данный момент времени для управления ЛА.
В отличие от аэродинамической части системы, работающей в непрерывном времени (т.е. реализованной в аналоговом виде) или с очень малым интервалом дискретности, управляющий сигнал газодинамической ветви системы управления 
вычисляется дискретно. Дискретность определяется временным интервалом D t су, который должен быть не менее максимально возможной (с учетом возможных разбросов) длительности работы единичного импульсного двигателя 
, т.е.:
(2.3)
Выполнение этого условия необходимо, чтобы исключить возможность одновременной работы импульсных двигателей, включенных в противоположном направлении.
Управление ЛА осуществляется коммутатором по двум каналам, поэтому сигнал управления, поступающий на его вход – 
, векторный, и несет информацию не только о величине, но и о фазе тяги, которая должна быть реализована импульсными двигателями. Проекции вектора 
на связанные оси OY св, OZ св представляют собой сигналы в каждом из идентичных каналов управления.
Задача коммутатора заключается в том, чтобы на основании потребной величины и направления вектора 
(входного сигнала) выбрать для включения такие импульсные двигатели, которые реализуют суммарный вектор тяги 
, наиболее приближающийся к требуемому. Таким образом, алгоритм коммутатора должен учитывать величину и направление вектора 
, имеющиеся в наличии к данному моменту неизрасходованные импульсные двигатели, а также исходить из их расположения в импульсной двигательной установке.
В общем случае ИДУ содержит 
единичных микродвигателей, размещаемых радиально: nкол – количество колец; n дук – количество двигателей в каждом кольце.
Алгоритм коммутатора формируется двумя способами (в зависимости от скорости вращения ЛА вокруг продольной оси).
Для не вращающегося ЛА или допускающего относительно медленное вращение по крену (до нескольких оборотов в секунду) алгоритм коммутатора строится по принципу сложения векторов (рис.2.1).
Потребное значение вектора , фаза которого совпадает с фазой, а модуль – с нормированным (величиной 
) модулем требуемой реактивной силы, раскладывается по правилу сложения векторов на два направления, соответствующие ближайшим (слева и справа) рядам импульсных двигателей. При этом пропускаются «холостые» ряды, т.е. те, в которых остались только отработавшие двигатели. В соответствии с проекцией назначается число двигателей из данного ряда. В том случае, если число двигателей, готовых к работе, меньше требуемого, недостающая векторная разность назначается из двигателей следующего ряда и т.д.
Для ЛА, которому принудительно придается вращение вокруг продольной оси w x, может применяться как вышеописанный алгоритм, так и алгоритм включения импульсных двигателей, построенный по принципу ометаемого угла (рис.2.2). В этом случае угол 
называется углом ометания и соответствует повороту вектора тяги импульсного двигателя в радиальной плоскости за время его работы t ид. Двигатели включаются только из одного ряда. Ряд и момент включения ИД выбираются из условия, чтобы в момент времени, когда импульсный двигатель отработает половину своего среднего времени 
, направление его тяги совпадало с требуемым. Это означает, что угол ометания двигателей из назначенного к включению ряда ориентируется своей биссектрисой в направлении вектора 
. Соблюдение этих условий гарантирует максимальное значение средней по времени проекции тяги на требуемое направление.
Алгоритм коммутатора, построенный по принципу ометаемого угла, при необходимости использует для управления все импульсные двигатели. При использовании алгоритма, построенного по принципу сложения векторов (при не вращающемся или медленно вращающемся ЛА), может оказаться, что в секторе, требуемом для включения, окажутся только выгоревшие двигатели. Однако для алгоритма, построенного по принципу ометаемого угла, требуется увеличение дискретности включения двигателей. Это связанно с необходимостью ожидания, пока ближайший, подходящий для включения, ряд подойдет к нужному направления. Поэтому для коммутатора, работающего по принципу ометаемого угла, дискретность вычисления должна превышать максимальное время работы импульсного двигателя t ид на величину:
, где 
(2.4)
В результате требуемая дискретность системы газодинамического управления для алгоритма включения импульсных двигателей по принципу ометаемого угла должна удовлетворять условию:
(2.5)
На практике эта величина превышает дискретность алгоритма, построенного по принципу сложения векторов в 1,7…2 раза.
Определение необходимого количества импульсных двигателей для реализации моментного управления выполняется в два этапа. На первом этапе при формировании облика ЛА рассчитывается число импульсных двигателей, необходимых для реализации требуемого времени реакции ЛА 
(рис.2.3), а также для поддержания установившегося угла атаки в режиме балансировки в течение времени T уст (рис.2.4). На основании этих расчетов назначается общее число импульсных двигателей, в составе ИДУ.
На втором этапе, при проектировании контура управления, общее число импульсных двигателей уточняется в процессе математического моделирования процесса наведения ЛА.
Рассмотрим алгоритм определения потребного количества импульсных двигателей на первом, начальном этапе проектирования.
Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 364; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!