Стенд для полунатурного моделирования системы самонаведения летательного аппарата

Полезная модель относится к области управления летательным аппаратом и может быть использовано при комплексном полунатурном моделировании функционирования авиационных и космических объектов, исследовании систем самонаведения ЛА. Испытательный стенд содержит ГСП, излучатель, имитирующий совместно с отражателем сигнал от цели, и два динамических стенда воспроизведения углового движения ГСН и имитатора цели. Перемещение цели имитируется поворотом излучателя вокруг двух осей и последующим отражением сигнала в сторону ГСП. Углы поворота излучателя определяет вычислительно-моделирующее устройство. ГСН принимает излученный сигнал и осуществляет отслеживание перемещения излучателя. Сущность полезной модели заключается в том, что механическое возвратно-поступательное перемещение излучателя сигналов по полусфере заменено угловым движением излучателя сигналов совместно с отражением сигнала от отражателя в виде усеченного эллипсоида вращения. Реализация стенда позволяет расширить полосу пропускания системы управления испытательного стенда, значительно уменьшить амплитудно-фазочастотные искажения, вносимые стендом в испытываемый контур системы самонаведения ЛА, обеспечить исследование в процессе полунатурного моделирования технических характеристик системы самонаведения ЛА во всем диапазоне имитируемых угловых скоростей линии визирования головки самонаведения ЛА.

Полезная модель относится к ракетной технике и может быть использована для полунатурного моделирования, проведения испытаний и проверки работоспособности и управляемости головок самонаведения (ГСН) воздушных и космических летательных аппаратов (ЛА), а также отладки программно-алгоритмического обеспечения бортовых цифровых вычислительных машин (БЦВМ), входящих в состав ГСН.

В качестве прототипа рассмотрен моделирующий комплекс системы самонаведения летательного аппарата [1], содержащий связанные электрически между собой динамический стенд с установленной на нем ГСН, узел цели в виде подвижного устройства с излучателем радиоволн, аналого-цифровой вычислительный комплекс, пульт управления. Узел цели воспроизводит перемещение цели в пространстве и излучение, приходящее от нее на ГСН. Моделирующий комплекс позволяет исследовать динамическую точность системы самонаведения как при наличии, так и отсутствии обтекателя ГСН и выявлять вносимые обтекателем погрешности. Недостатком данного моделирующего комплекса является узкая по сравнению с моделируемой системой наведения полоса пропускания, что приводит к потере его устойчивости раньше, чем наступит кинематическая неустойчивость моделируемой системы при малых дальностях до цели. Кроме того, комплекс отличается большими громоздкостью и энергоемкостью, сложностью наладки и эксплуатации.

Известен испытательный стенд [2], содержащий головку наведения, динамический стенд воспроизведения углового движения головки наведения, радиоимитатор цели, включающий излучатель сигналов, последовательно соединенные блок управления полунатурного моделирования функционирования головки наведения, вход которого подключен к выходу динамического стенда воспроизведения углового движения головки наведения, две платформы с колесами, блок приема сигналов управления платформой и определения ее местоположения, электропривод платформы, при этом колеса платформ с приводом выполнены из магнитного материала, полусфера из магнитопроницаемого материала, а платформы расположены по обе стороны полусферы с зеркальной симметрией относительно друг друга и прижаты магнитным притяжением друг к другу.

Головка самонаведения, включающая реальную аппаратуру бортового комплекса управления и автопилот, установлена на динамическом стенде воспроизведения углового движения головки наведения. Источник сигнала установлен на платформе, передвигающейся по внутренней поверхности полусферы, имитируя передвижение цели. Головка наведения принимает излученный сигнал и с помощью динамического стенда происходит отслеживание головкой наведения перемещения излучателя сигналов [2].

В моделирующем стенде, приведенном в литературе [1], вследствие инерционности динамического стенда и электропривода платформы с излучателем сигналов полоса пропускания системы управления испытательного стенда узка по сравнению с полосой пропускания моделируемой системы самонаведения ЛА. Поэтому на малых дальностях между ЛА и целью, когда резко возрастает угловая скорость линии визирования «ЛА-цель», устойчивость системы управления стенда нарушается раньше, чем нарушается кинематическая устойчивость системы самонаведения ЛА. Система управления перемещением платформы с источником сигналов в процессе эксперимента задействована в замкнутом контуре системы самонаведения ЛА, что искажает динамику всего контура наведения ЛА и вносит ошибки в оценки собственно динамических параметров контура самонаведения ЛА.

Сущность полезной модели заключается в следующем. Ее задачей является разработка и создание стенда, позволяющего расширить полосу пропускания системы управления испытательного стенда, значительно уменьшить амплитудно-фазочастотные искажения, вносимые стендом в испытываемый контур системы самонаведения ЛА, обеспечить исследование в процессе полунатурного моделирования технических характеристик системы самонаведения ЛА во всем диапазоне имитируемых угловых скоростей линии визирования головки самонаведения ЛА. Технический результат при использовании полезной модели выражается в повышении достоверности полунатурного моделирования систем самонаведения ЛА, в расширении функциональных возможностей испытательного стенда за счет обеспечения имитации угловых скоростей линии визирования головки самонаведения ЛА без динамических искажений в пределах полосы пропускания исследуемой системы.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный испытательный стенд, содержащий головку наведения, излучатель сигналов, согласно изобретению вместо полусферы, на которой перемещаются две платформы с размещенным на одной из них излучателем сигналов, установлен отражатель, представляющий собой половину эллипсоида вращения с двумя фокусами F1 и F2, усеченного плоскостью симметрии. Излучатель сигналов вместо движения по полусфере установлен на двухстепенном поворотном стенде, который по командам вычислительно-моделирующего устройства воспроизводит взаимное угловое положение ЛА и цели и который расположен в фокусе F1 отражателя, а испытываемая головка самонаведения совместно с автопилотом расположенна в фокусе F2 (рис.1) и установлена на динамическом стенде воспроизведения углового движения корпуса ЛА, который по командам вычислительно-моделирующего устройства воспроизводит угловое движение корпуса ЛА.

Полезная модель поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема стенда для полунатурного моделирования системы самонаведения ЛА (рис.1). Приведена компоновка испытательного стенда, при которой в качестве отражателя использована верхняя половина эллипсоида вращения, и изображено сечение эллипсоида вертикальной плоскостью, проходящей через фокусы F1 и F2.

На рис.1 угол , характеризующий направление излучения источника сигналов 2, связан с углом , характеризующим положение лини визирования относительно горизонтальной плоскости симметрии эллипсоида соотношением:

где a - горизонтальная полуось эллипсоида,

c - расстояние от центра симметрии эллипсоида до его фокуса.

Техническая новизна предлагаемой полезно модели заключается в том, что введен отражатель, имеющий форму усеченного эллипсоида вращения, а излучатель сигналов установлен в фокусе F1 на двухстепенном поворотном стенде, а испытываемая головка самонаведения - в фокусе F2 на динамическом стенде воспроизведения углового движения корпуса ЛА, что позволяет, во-первых, принять отраженный сигнал головкой самонаведения из любой точки эллипсоида вращения в соответствии с углом поворота излучателя сигналов, а во вторых, за счет воспроизведения углового движения излучателя сигналов с помощью двухстепенного поворотного стенда, позволяет получить многократное, на несколько порядков, увеличение быстродействия при воспроизведении угловой скорости линии визирования взаимного углового положения ЛА и цели.

Действительно, переходные процессы в двигателе, воспроизводящем движение излучателя сигналов определяются уравнением апериодического звена:

Где: Т_ДВ. - электромеханическая постоянная двигателя,

К_ДВ. - передаточный коэффициент, равный отношению установившейся скорости к входному напряжению.

Откуда:

Считая, что для установившегося значения: , в начальный момент времени: _ВЫХ.=0, величина ускорения: (на основании 2-ого закона Ньютона), где: М₀ - пусковой момент, I - момент инерции вращающихся частей двигателя и на основании (3):

При воспроизведении угловой скорости линии визирования (_ЛВ.) головки самонаведения на предложенном стенде соотношение между _ЛВ. и _ВЫХ. (как показывает анализ ) не превышает 3. В рассмотренном прототипе , где r - радиус колеса платформы с приводом, a R - расстояние между ГСП и излучателем сигнала. Поскольку r как правило не превышает 10 сантиметров при R=510 м, то для имитации равной _ЛВ. на предложенном стенде потребуется двигатель с _ВЫХ. примерно на два порядка меньшим, чем в прототипе, и как следствие из (4), соответственно, с меньшим Т_ДВ.

Для удобства калибровки ГСН целесообразно совместить продольную ось ГСП с вертикалью в фокусе F2. При этом угол отклонения линии визирования относительно продольной оси ГСП () характеризуется выражением:

Стенд для полунатурного моделирования ГСН содержит отражатель 1, выполненный в виде усеченного эллипсоида вращения, в фокусе F1 которого расположен источник сигналов 2, установленный на двухстепенном поворотном стенде 3, вход которого соединен с первым выходом вычислительно-моделирующего устройства 4, а в фокусе F2 расположен динамический стенд 5, вход которого соединен со вторым выходом вычислительно-моделирующего устройства 4. Источник сигналов 2 соединен с выходом перестраиваемого генератора электромагнитных волн 6, вход которого соединен с третьим выходом вычислительно-моделирующего устройства 4. В состав стенда входит вычислительно-моделирующее устройство 4, на вход которого поступают сигналы с установленного на динамическом поворотном стенде 5 автопилота 8 совместно с исследуемой ГСН 7, и которое предназначено для вычисления параметров движения ЛА, цели и их совместного движения, а также для управления процессом полунатурного моделирования ГСН.

Стенд для полунатурного моделирования ГСН работает следующим образом.

Вычислительно-моделирующего устройство 4 в общем виде решает уравнения динамики и пространственного движения ЛА, цели и их взаимного движения и как следствие формирует сигналы пропорциональные угловым скоростям и углам ориентации ЛА в пространстве , которые поступают на динамический поворотный стенд 5, на котором установлена исследуемая ГСН 7 совместно с автопилотом 8 и формирует сигналы пропорциональные угловым скоростям и углам ориентации взаимного движения ЛА и цели в пространстве , которые поступают на двухстепенной поворотный стенд 3. Под действием перечисленных сигналов динамический поворотный стенд 5 и двухстепенной поворотный стенд 3 воспроизводят угловое движение ЛА в пространстве и взаимное угловое движение в пространстве ЛА и цели. Исследуемая ГСН 7 осуществляет поиск, захват и сопровождение отраженного сигнала источника сигналов 2, а автопилот 8, по данным ГСН формирует сигналы, поступающие на вход вычислительно-моделирующего устройства 4, по вычисленным данным которого , и , происходит разворот как динамического поворотного стенда 5, в направлении ЛА на цель так и двухстепенного поворотного стенда 3, отражающего при этом взаимное угловое перемещение ЛА и цели в пространстве. При этом с помощью перестраиваемого по частоте генератора электромагнитных волн 6 по информации от вычислительно-моделирующего устройства 4 возможна имитация:

- изменения частоты сигналов в функции вычисленной взаимной скорости ЛА и цели (эффект Доплера),

- мощности сигналов в функции вычисленного расстояния между ЛА и целью;

- поляризации сигнала в функции вычисленного взаимного пространственного расположения ГСН и цели.

Использование полезной модели позволяет проводить отработку взаимодействия всех бортовых систем ЛА, участвующих в работе системы самонаведения ЛА, отладку программно-алгоритмического обеспечения БЦВМ ГСН в реальном масштабе времени во всем диапазоне угловых скоростей линии визирования «ЛА-цель» без искажения динамики контура системы самонаведения ЛА. Достоверность результатов, полученных при полунатурном моделировании системы самонаведения ЛА на предложенном стенде указанным методом, позволяет в отдельных случаях осуществлять замену натурных испытаний полунатурным моделированием, что обеспечивает значительный экономический эффект.

Список использованных источников

1. Петров Г.М., Луканин Н.Б., Бартольд Э.Е. Методы моделирования систем управления на аналоговых и аналого-цифровых вычислительных машинах. М., «Машиностроение», 1975, стр.189-194, рис.4.9.

2. RU 2263869, F41G 3/26, G09B 9/08. 2005.

Стенд для полунатурного моделирования системы самонаведения летательного аппарата (ЛА), отличающийся тем, что введен отражатель, выполненный в виде усеченного эллипсоида вращения, в фокусе F1 которого расположен установленный на двухстепенном поворотном стенде источник сигналов, в контур управления угловым положением которого входит вычислительно-моделирующее устройство и перестраиваемый по частоте генератор электромагнитных волн, а в фокусе F2 расположена установленная на динамическом поворотном стенде головка самонаведения (ГСН) совместно с автопилотом, в контур управления которой входит вычислительно-моделирующее устройство, которое предназначено для вычисления параметров движения ЛА, цели и их совместного движения, а также для управления процессом полунатурного моделирования ГСН.