Управляющие силы и моменты
Понятие об управляемом движении ЛА; цели и задачи управления
Полет ЛА как управляемое движение
Подчеркнем то обстоятельство, что движение изучаемого нами ЛА является управляемым. В связи с этим приведем несколько определений.
Управляемым аппаратом называется объект, движущийся в пространстве и обладающий возможностью изменять параметры своего движения (по величине и направлению) в целях выполнения поставленной задачи (т.е. целенаправленно).
Указанная возможность реализуется наличием у ЛА так называемых средств управления. Под средствами управления понимают совокупность устройств, осуществляющих воздействие на аппарат для целенаправленного изменения направления или величины параметров его движения.
Во многих задачах речь идет, прежде всего, о траекториях ЛА (например, в задачах баллистического проектирования). В этих случаях говорят об управляемой траектории ЛА. Пространственная траектория ЛА как твердого тела вполне определяется величиной и направлением вектора скорости его центра масс в каждый момент времени. Поэтому, чтобы траектория ЛА была управляемой, необходимо, чтобы была возможность целенаправленно изменять вектор скорости центра масс аппарата как по величине, так и по направлению. Это и означает возможность целенаправленно изменять траекторию движения аппарата.
Поскольку необходимость управления вызывается выполнением поставленной перед ЛА задачей, то в этом смысле эти траектории движения ЛА, их выбор и характер определяются этой задачей. С точки зрения возможных задач все управляемые траектории ЛА можно подразделить на две основных группы.
Первая группа траекторий определяется основным требованием, чтобы ЛА попал в определенную, заранее фиксированную, неподвижную точку или область пространства. При этом время движения может быть как заданным, так и нет. Фиксирование конечного местонахождения аппарата накладывает определенные связи на все его движение. Основное требование обычно дополняется ограничениямт, например, в виде:
– ТТХ к движению ЛА;
– оптимизирующих требований, выражающихся, например, в минимальном расходе топлива, в минимальном времени движения (быстродействии) и др.
Предъявляемые требования приводят к тому, что траектория движения в этой группе может быть выбрана и определена заранее, до пуска аппарата и поэтому может быть представлена как функция времени, т.е. в виде программы движения. Такие траектории называются программными траекториями, а задачи их определения называются задачами программирования.
Итак, в задачах первой группы ЛА должен двигаться по заранее выбранной программной траектории. Такой метод организации управляемого движения ЛА (или наведения ЛА на цель) называется методом движения (наведения) по программе. Основными задачами управления при организации движения по программе являются следующие:
– задача выбора, построения программной траектории (программы движения);
– задача реализации, осуществления выбранной программной траектории.
Вторая группа траекторий определяется требованием, чтобы ЛА встретился с целью, которая определенным образом (заранее неизвестным) движется в пространстве. В этом случае основным фактормо, формирующим траекторию движения ЛА, является закон движения цели. А поскольку движение цели заранее не определено, то и траекторию движения ЛА нельзя в этом случае заранее спрограммировать, т.е. определить положение центра масс ЛА как функцию времени. Мы можем лишь задать (выбрать) закон сближения ЛА с целью, именуемый законом или методом наведения. При этом положение аппарата в любой момент времени (т.е. траектория ЛА) полностью определяется законом движения цели и принятым методом наведения. Траектории аппарата в этом случае называются траекториями наведения.
Основными задачами управления при организации движения по траектории наведения являются следующие:
– задача определения закона или метода наведения;
– задача построения и анализа возможных траекторий наведения;
– задача реализации, осуществления выбранного метода (закона) наведения.
В некоторых современных комплексах один и тот же аппарат может последовательно совершать движение по различным траекториям. Например, для некоторых типов ЛА типичным является полет по программе на начальном участке и движение в режиме самонаведения на конечном участке.
Указанные различные группы траекторий характеризуются одним общим свойством – необходимостью организации искуссвенных воздействий на аппарат для целенаправленного изменения вектора скорости по величине и направлению в соответствии с программой движения или законом наведения. Такие, искусственно создаваемые воздействия будем в дальнейшем называть управляющими.
Но, вместе с тем, конкретные задачи управления носят различных характер. Так в траекториях первой группы обычно возникает необходимость выдержать, т.е. реализовать выбранную заранее программную траекторию. Эта необходимость возникает в связи с тем, что аппарат постоянно испытывает разнообразные воздействия, например, со стороны атмосферы, которые уводят аапарат с выбранной программной траектории. Такие воздействия классифицируются как возмущающие. Основная задача управления при этом заключается в том, чтобы в условиях непрерывно действующих возмущений вернуть ЛА на программную траекторию. Такая задача называется задачей стабилизации программной траектории и заключается она в парировании возмущающих воздействий путем организации соответствующих управляющих воздействий.
В траекториях второй группы основная задача управления заключается в том, чтобы быстро и точно переместить аппарат из одной точки пространства в другую в соответствии с движением цели и принятым методом наведения. Такая задача, называемая задачей управления, также решается путем организации и приложения к аппарату соответствующих управляющих воздействий.
Указанное выделение задач (или режимов) стабилизации и управления является условным. В дествительности, как в задачах программного движения, так и в задачах наведения, режимы стабилизации и управления существуют одновременно и непрерывно, ибо, во-первых, сама программа движения и характер ее изменения во времени требует приложения управляющих воздействий, а, во-вторых, любые траектории наведения также требуют реализации, т.е. выдерживания их в условиях возможных возмущающих воздействий.
Таким образом, основная общая задача управления ЛА заключается в организации управляющих воздействий для ведения ЛА по соответствующей траектории и парирования возмущающих воздействий.
Поскольку движение ЛА в пространстве определяется действующими на него силами и моментами, то создание управляющих воздействий на аппарат означает создание соответствующих сил и моментов, а именно — управляющих сил и управляющих моментов.
Непосредственно для целенаправленного изменения величины и направления вектора скорости необходимо изменять, также целенаправленно, величину и направление равнодействующей всех сил, приложенных к ЛА. Потребные для такого изменения силы будем называть управляющими.
Как правило, создание необходимых управляющих сил требует предварительного изменения ориентации ЛА относительно набегающего потока, т.е. вращения ЛА относительно его центра масс. Потребные для такого целенаправленного вращения моменты будем называть управляющими.
Таким образом, создание управляющих сил вызывает, как правило, необходимость создания управляющих моментов, а общее представление о движении ЛА как о сумме движения центра масс и вращения относительно центра масс разделяет управление движением ЛА на две составляющие:
– управление движением центра масс ЛА, что связано с созданием управляющих сил;
– управление вращательным движением ЛА относительно его центра масс, что связано с созданием управляющих моментов.
Напомним, что помимо управляющих воздействий ЛА испытывает воздействие разнообразных возмущающих сил и моментов, которые возникают независимо от управляющих воздействий и которые стремятся увести ЛА с потребной траектории. К возмущающим воздействиям относятся силы и моменты, возникающие при порывах ветра, турбулентности атмосферы, гидродинамических возмущениях, при отклонении параметров и характеристик ЛА от расчетных значений и т.д.
Следовательно, управляющие воздействия нужны не только для ведения ЛА по потребной траектории, но и для удержания ЛА на потребной траектории, т.е. для парирования возмущений. Обычно эти задачи решаются одновременно и непрерывно.
Задача определения и реализации необходимых управляющих воздействий является сложной задачей и решается она обычно с помощью замкнутых управляющих систем, последовательность действия которых может быть представлена, например, следующим образом:
1. расчет (определение) потребной траектории 
;
2. определение (измерение) действительной траектории 
;
3. определение (измерение) отклонения ЛА от потребной траектории, т.е. 
;
4. формирование требуемых управляющих сил по ошибке наведения 
(часто эта операция условна);
5. определение требуемого углового положения ЛА 
по треьуемым управляющим силам (выработка сигнала наведения 
);
6. определение (измерение) действительного углового положения ЛА 
;
7. формирование отклонения ЛА от требуемого углового положения, т.е. 
;
8. формирование требуемых управляющих моментов 
(управляющего сигнала 
) по ошибке управления 
;
9. определение требуемого отклонения органов управления 
(
);
10. вращение ЛА под действием отклоненных органов управления до занятия им требуемого углового положения.
Замкнутая САУ, выполняющая всю совокупность указанных действий, называется системой наведения (СН); часть системы наведения, выполняющая действия с п.6 по п.10, называется системой управления (СУ) или системой управления угловым движением ЛА (системой стабилизации, системой управления нормальными перегрузками и т.д.).
Управляющие силы удобно рассматривать в виде двух составляющих – по направлению касательной к траектории (продольные управляющие силы 
) и по нормали к траектории (нормальные управляющие силы 
). Обычно силу притяжения 
исключают из числа управляющих, полагая, что последние могут образовываться только силой тяги 
и силами взаимодействия ЛА со средой, тогда:
;
.
Продольные управляющие силы служат для стабилизации и управления величиной вектора скорости 
. Например, достижение заданной дальности полета БР требует управления величиной 
наактивном участке полета БР. В общем случае можно выписать условия:
;
;
.
Нормальные управляющие силы служат для поворота вектора скорости 
, т.е. для стабилизации или управления направлением движения ЛА (искривления его траектории).
Так как полный момент представляется в виде 
, то обычно СУ состоит из тех каналов:
– канал управления продольным движением ЛА (канал тангажа);
– канал управления боковым движением ЛА (канал рыскания);
– канал управления движением крена ЛА (канал крена).
Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет
Источник
Принципы осуществления управляемого полета.
Лекция 4
ПРИНЦИПЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПОЛЕТА.
1. Уравнение движения ЛА в скоростной системе координат.
2. Маневренные свойства ЛА.
3. Способы создания управляющих сил и моментов
3.1 Газодинамические органы управления.
3.2 Аэродинамические органы управления.
ПРИНЦИПЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ УПРАВЛЯЕМОГО ПОЛЕТА.
1. Уравнение движения ЛА в скоростной системе координат.
2. Маневренные свойства ЛА.
3. Способы создания управляющих сил и моментов
3.1 Газодинамические органы управления.
3.2 Аэродинамические органы управления.
1. УРАВНЕНИЕ ДВИЖЕНИЯ ЛА В СКОРОСТНОЙ СИСТЕМЕ КООРДИНАТ.
Скоростная система координат позволяет анализировать силы и моменты, действующие на аппарат. Начало координат располагается в центре масс аппарата, ось ОХ совпадает с вектором скорости, ось ОY – перпендикулярна оси ОX и лежит в плоскости симметрии аппарата, ось OZ перпендикулярна плоскости ХОY и направлена таким образом, чтобы образовалась правая система координат.
Положение аппарата в этой системе координат характеризуется тремя углами:
1) углом атаки между продольной осью ОХ и проекцией вектора скорости ЛА на плоскость ОХY связанной системы координат;
2) углом скольжения между вектором скорости ЛА и плоскостью ОХY связанной системы координат;
3) углом крена между поперечной осью ОZ и осью OZg и нормальной системы координат, смещенной в положение, при котором угол рыскания равен нулю.
Рис. 1. К составлению уравнений движения ЛА
Общее движение аппарата упрощенно представляют в виде суммы двух слагаемых: движения центра масс ЛА и вращения вокруг его центра масс.
Для упрощения исследования движения ЛА рассмотрим его полет в вертикальной (рис. 1) плоскости.
На ЛА действуют аэродинамическая подъемная сила Ry; сила лобового сопротивления Rx, Р – тяга двигателя; mg – сила тяжести и аэродинамический момент Мz. Уравнения движения можно разбить на две группы: динамические и кинематические.
Динамические уравнения
( 1 )
где Iz, z – момент инерции и угловая скорость ЛА относительно оси ОZa; – угол наклона траектории; – угол атаки; m – масса аппарата, которая в общем случае изменяется по формуле:
( 2 )
где m0 – начальная масса; Iу – удельный импульс тяги; – полное время работы двигателя.
Два первых уравнения (1) устанавливают связь между силами, действующими на аппарат, и линейными ускорениями его движения: dV/dt – касательное, Vd/dt – нормальное ускорение (действительно, , где *– радиус кривизны траектории) и применяются при исследовании маневренных свойств ЛА.
Значение силы тяжести mg зависит от скорости и высоты полета аппарата. Для ЛА небольшой дальности, высоты и скорости влияние кривизны Земли на уравнение движения будет незначительным и его можно не учитывать, чего нельзя делать для баллистических и межконтинентальных ЛА, так как это может дать большие погрешности в расчетах.
Проанализируем влияние этих факторов.
Угловая скорость линии местного горизонта (рис. 2) определяется из уравнения:
( 3 )
Пропорционально AB на аппарат будет действовать центробежная сила, уменьшающая силу тяжести, т.е. в первых двух уравнениях системы (2.1) следует использовать:
( 4 )
где g0 – ускорение свободного падения на поверхности Земли.
Кинематические уравнения:
( 5 )
характеризуют траектории движения центра масс ЛА в земной системе ко-ординат.
Рис. 2. Влияние высоты полета ЛА на ускорение свободного падения.
2. МАНЕВРЕННЫЕ СВОЙСТВА ЛА.
При оценке эффективности ЛА его важным свойством является маневренность, которая определяется быстротой изменения вектора скорости. Очевидно, что для изменения величины и направления скорости полета необходимо иметь возможность изменить величину и направление равнодействующей всех сил. При рассмотрении уравнений сил в вертикальной плоскости получим Rx, Ry:
Nx=P+ Ry + Rx ( 6 )
проекции которой на оси Xa и Ya:
Nx=P cos- Rx;
Ny=P sin+ Ry.
Nx – управляющая касательная сила служит для изменения абсолютного значения вектора скорости: при Nx > mg sin скорость возрастает, при Nx = mg sin скорость постоянная, при Nx mg имеет место восходящая криволинейная траектория, при Ny = mg – прямолинейная, при Ny . Соответственно по величине нормальной перегрузки можно судить о характере траектории: nya cos вогнутость направлена вверх.
Аналогично можно сделать выводы и по другим случаям полета. Так, при полете в горизонтальной плоскости nya = 1, при горизонтальном прямолинейном равномерном полете nxa = 0, nya = 1, nza = 0.
При анализе движения ЛА различают два вида перегрузок: потребные и располагаемые.
Если известны все геометрические элементы траектории, то по формулам (12) можно определить перегрузки, которые должен иметь ЛА при движении по этой траектории. Эти перегрузки получили название потребных.
С другой стороны, ЛА при максимальном (предельно допустимом) отклонении органов управления в режиме балансировки может создавать перегрузки, которые получили название располагаемых. Эти перегрузки характеризуют маневренность аппарата, т. е. его способность создавать управляющие силы.
Очевидно, что для осуществления полета по требуемой траектории ЛА должен иметь располагаемые перегрузки, по крайней мере, не меньше потребных. В реальных условиях на ЛА действуют различные случайные факторы, обусловленные разбросом параметров атмосферы и ее турбулентностью, кро-ме того, геометрические параметры корпуса, крыльев, органов управления реализуются с определенной вероятностью при изготовлении. Это приводит к тому, что необходим определенный запас по перегрузке, т. е.
nрасп . (13)
в каждой точке траектории полета (рис. 3).
Рис. 3. Траектория движения ЛА:
1 – действительная; 2 – кинематическая
Продолжим анализ управляемого полета ЛА. Полет может быть установившимся (режим балансировки) и переходным (режим маневра) . При установившемся полете (с постоянной скоростью, на постоянной высоте, с постоянным углом атаки и т. д.) моменты тангажа, рысканья и крена равны нулю, и ЛА (как принято говорить) находится в режиме балансировки. Для продольной балансировки
mz + mz=0, (14)
где mz , mz – производные момента по углу атаки и углу отклонения ру-лей.
Для оценки балансировки обычно вводится понятие «статическая устойчивость ЛА», которое характеризует способность ЛА сохранять заданный режим полета при воздействии различных внешних возмущений. Степень статической устойчивости зависит от расстояния между центром масс xц.м и центром давления xц.д:
При х > 0 ЛА будет статически устойчив; чем больше значение х, тем быстрее ЛА возвращается в исходное положение. Поэтому с целью обеспечения большей устойчивости ЛА обычно увеличивают
В режиме маневра при отклонении органов управления, т. е. при переходе с одного установившегося полета в другой, происходит изменение параметров движения в течение некоторого промежутка времени. Для оценки этого режима вводится понятие «управляемость», которое характеризует способность ЛА совершать тот или иной маневр. Управляемость ЛА зависит от многих факторов, в том числе и от. При прочих равных условиях ЛА будет обладать большей управляемостью при возможно меньших значениях……
Скачать полную версию работы 
СКАЧАТЬ работу l-raketostroenie/lekcii_raketostroenie_04.rar
Источник
