Устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания

Авторы патента:

Полезная модель относится к области автономных инерциальных систем управления беспилотными летательными аппаратами и может быть использована для повышения точности попадания полезной нагрузки (запасы топлива, оборудование и др.) беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания, например, беспилотную орбитальную космическую станцию.

Содержит блоки ввода 1 и хранения 2 полетного задания, формирователь 3 управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата 4, арифметический блок 7 умножения и суммирования, блоки выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения 8, измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета 5 и их осреднения 6, что обеспечивает повышение точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания.

Известно устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания, в котором бортовая автономная инерциальная система управления содержит комплекс командных инерциальных измерительных приборов, бортовой цифровой вычислительный блок, согласующие и преобразующие блоки, приборы формирования команд управления рулевыми органами двигательных установок и пиротехническими средствами, источники электроснабжения и бортовую кабельную сеть [1]. При этом для обеспечения необходимой точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания и для повышения надежности работы ее бортовой автономной инерциальной система управления использована аппаратурно-функциональная и программно-алгоритмическая избыточность.

Недостаток известного устройства состоит в том, что при разделении ступеней беспилотного летательного аппарата образуются интервалы времени, в течение которых параметры вектора тяги (модуль и направление) не контролируются бортовой автономной инерциальной системой управления, что приводит к снижению точности попадания в точку прицеливания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата.

Наиболее близким к заявляемому известным техническим решением в качестве прототипа является устройство для повышения точности доставки полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата, в частности, баллистической ракеты, в точку начала ее автономного полета, содержащее блоки ввода и хранения полетного задания, формирователь управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, арифметический блок умножения и суммирования и блок выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, кроме того, известное устройство содержит в составе бортового измерительно-вычислительного комплекса блок стабилизации полета беспилотного летательного аппарата во всех точках активного участка траектории его полета, программного разворота по углу тангажа, включения и выключения двигателей, разделения и сброса отработанных ступеней беспилотного летательного аппарата, измеритель фазовых координат, вычислитель частных производных параметров траектории полета, блок запоминания параметров траектории полета и их частных производных [2], что позволяет повысить точность доставки полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее дальнейшего автономного полета по баллистической траектории.

Недостаток прототипа заключается в том, что в нем не обеспечивается в полной мере высокая точность попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания, так как бортовой вычислительный комплекс автономной инерциальной системы управления не учитывает аномалии сил земного притяжения. Проведенные расчеты [1, с.214-215] показывают, что действующие возмущения на беспилотный летательный аппарат на активном и пассивном участках траектории его полета, вызванные аномалиями гравитационных сил, могут привести к отклонению точки попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата от точки прицеливания по дальности L250 м и боку Z20 м при полете на расстояния до 8000 км и L750 м и Z100 м при полете на расстояния до 15000 км.

Целью полезной модели (техническим результатом) является повышение точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания путем заблаговременного учета аномалий сил земного притяжения вдоль проекции траектории полета беспилотного летательного аппарата на земную поверхность на активном и прогнозируемом пассивном участках его полета и за счет автоматического отслеживания высоты полета беспилотного летательного аппарата на активном участке траектории его движения.

Сущность полезной модели состоит в том, что, кроме известных и общих отличительных признаков, а именно: блоков ввода и хранения полетного задания, формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, арифметического блока умножения и суммирования и блока выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, предлагаемое устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания дополнительно содержит блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения, входы блока выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения подключены к выходу арифметического блока умножения и суммирования и к выходу ячейки памяти блока хранения полетного задания расчетного времени включения корректирующего двигателя торможения, выход блока выработки временной поправки включения корректирующего двигателя торможения связан с управляющим входом формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, выходы которого подключены через последовательно соединенные между собой блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения к управляющему входу арифметического блока умножения и суммирования, входы которого подключены к выходам ячеек памяти блока хранения полетного задания частных производных времени включения корректирующего двигателя торможения по высоте траектории полета, по координате движения центра массы, по скорости движения центра массы и по времени выработки управляющей главной команды на включение маршевых тормозных двигателей, а также выходы ячеек памяти блока хранения полетного задания отклонения кинематического параметра движения центра массы от расчетного, отклонения кинематического параметра скорости движения центра массы от расчетного, отклонения высоты траектории полета от расчетного и отклонение времени выработки команды на включение маршевых двигателей от расчетного, выходы других ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов времени полета подключены к входам формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, выходы ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов высоты полета связаны с управляющими входами блока измерения разности высоты двух контрольных точек траектории полета.

Новым в полезной модели является то, что устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания содержит блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения, входы блока выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения подключены к выходу арифметического блока умножения и суммирования и к выходу ячейки памяти блока хранения полетного задания расчетного времени включения корректирующего двигателя торможения, выход блока выработки временной поправки включения корректирующего двигателя торможения связан с управляющим входом формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, выходы которого подключены через последовательно соединенные между собой блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения к управляющему входу арифметического блока умножения и суммирования, входы которого подключены к выходам ячеек памяти блока хранения полетного задания частных производных времени включения корректирующего двигателя торможения по высоте траектории полета, по координате движения центра массы, по скорости движения центра массы и по времени выработки управляющей главной команды на включение маршевых тормозных двигателей, а также выходы ячеек памяти блока хранения полетного задания отклонения кинематического параметра движения центра массы от расчетного, отклонения кинематического параметра скорости движения центра массы от расчетного, отклонения высоты траектории полета от расчетного и отклонение времени выработки команды на включение маршевых двигателей от расчетного, выходы других ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов времени полета подключены к входам формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, выходы ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов высоты полета связаны с управляющими входами блока измерения разности высоты двух контрольных точек траектории полета, что обеспечивает повышение точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку прицеливания.

Функциональная схема предлагаемого устройства для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания изображена на чертеже, где обозначено:

1 - блок ввода полетного задания;

2 - блок хранения полетного задания;

3 - беспилотный летательный аппарат (объект управления) с корректирующим двигателем торможения;

4 - формирователь управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения и эталонного времени;

5 - блок измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета (радиотехнический высотомер);

6 - блок осреднения значений измеренной высоты в двух контрольных точках (блок осреднения);

7 - арифметический блок умножения и суммирования;

8 - блок выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения.

В исходном положении (статика) выходы блока ввода полетного задания 1 подключены к соответствующим входам блока 2 хранения полетного задания, выходы 2.1 и 2.2 которого подсоединены к входам формирователя 3 управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения и эталонного времени, один выход которого связан с корректирующим двигателем торможения беспилотного летательного аппарата 4, другие два выхода этого формирователя 3 подключены через блоки измерения разности высоты 5 и осреднения 6 к управляющему входу арифметического блока умножения и суммирования 7, выход которого подсоединен к одному входу блока 8 выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, другой вход блока 8 связан с выходом 2.13 блока хранения полетного задания 2. Выход блока 8 подключен к управляющему входу формирователя 3 управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения.

Предлагаемое устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания работает следующим образом.

Для компенсации негативных вариаций (аномалий) гравитационных сил,

главным образом Земли, предлагается смещать момент времени включения корректирующего тормозного двигателя беспилотного летательного аппарата 4. При этом отклонение требуемого момента времени включения корректирующего тормозного двигателя беспилотного летательного аппарата 4 , формируемого на выходе арифметического блока умножения и суммирования 7, от расчетного , хранимого, в свою очередь, в ячейке памяти 2.13 блока хранения полетного задания 2, определяется с помощью выражения:

в арифметическом блоке умножения и суммирования 7,

где - частная производная функции времени включения корректирующего

двигателя торможения по высоте полета беспилотного летательного аппарата 4, хранимая в ячейке 2.5 памяти блока хранения полетного задания 2;

- осредненное по двум контрольным точкам отклонение высоты полета беспилотного летательного аппарата 4, обусловленное вариаций гравитационного поля Земли, которое хранится в ячейке 2.11 памяти блока хранения полетного задания 2;

и частные производные функции времени включения корректирующего двигателя торможения по координате и по скорости движения центра масс беспилотного летательного аппарата 4 соответственно, которые хранятся в ячейках 2.6 и 2.7 памяти блока хранения полетного задания 2;

и - отклонения кинематических параметров движения центра массы беспилотного летательного аппарата 4 и его скорости от расчетных значений на момент выдачи главной команды включения тормозной маршевой двигательной установки, которые занесены в ячейки памяти 2.9 и 2.10 блока хранения полетного задания 2;

- частная производная функции времени включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата 4 по времени выдачи управляющей главной команды, хранимая в ячейке памяти 2.8 блока хранения полетного задания 2;

- отклонение времени выдачи управляющей главной команды на включение маршевого тормозного двигателя от расчетного значения, хранимое в ячейке памяти 2.12 блока хранения полетного задания 2.

Слагаемые выражения (1) определяются с помощью следующих зависимостей:

где - среднее арифметическое значение отклонения фактической высоты полета от расчетной по двум контрольным измерениям t_изм1 и _изм2, которые занесены в ячейки памяти 2.1 и 2.2 блока хранения полетного задания 2 и которое формируется на выходе блока осреднения 6;

и - отклонения фактических высот полета беспилотного летательного

аппарата 4 от расчетных в первой и второй контрольных точках t_изм1 и _изм2 соответственно, которые формируются на выходах блока 5 измерения разности высоты этих двух контрольных точек траектории полета t_изм1 и t_изм2 (на выходах радиовысотомера) при поступлении данных о значениях расчетной высоты в этих контрольных точках t_изм1 и t_изм2 2 с выхода ячеек памяти 2.3 и 2.4 блока хранения полетного задания 2;

H_гк - отклонение фактической высоты полета, на которой выдана управляющая команда на включение маршевого тормозного двигателя от расчетной высоты;

H_k и H_kp - фактическая высота конца активного участка траектории и ее расчетная высота соответственно;

t_гк и t_гкр - фактическое и расчетное значения времен выдачи управляющей команды на включение маршевого тормозного двигателя соответственно;

Таким образом, управляющая команда на включение корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата 4 будет формироваться с учетом значений уравнений (2)(9) в соответствии со следующим выражением

на выходе блока 8 выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения.

Определение всех частных производных, хранимых в ячейках памяти 2.52.8 блока хранения полетного задания 2, производится заблаговременно методом интегрирования полной системы нелинейных дифференциальных уравнений на Земле для всего диапазона возможных отклонений кинематических параметров движения беспилотного летательного аппарата 4 в условиях возмущенного полета как на активном, так и на пассивном участках траектории его движения. Выбор необходимых значений частных производных в ячейках памяти 2.52.8 для формирования отклонения на выходе арифметического блока умножения и суммирования 7 определяется в соответствии с выражением (1).

Промышленная осуществимость полезной модели обосновывается тем, что в ней использованы известные в аналоге и прототипе узлы и блоки по своему прямому функциональному назначению. В организации-заявителе разработана модель устройства для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку прицеливания в 2012 году.

Положительный эффект от использования полезной модели состоит в том, что повышается не менее чем на 1015% точность попадания полезной нагрузки (запасы топлива, оборудование и др.) беспилотного летательного аппарата 4 в точку ее прицеливания, например беспилотную космическую орбитальную станцию, путем заблаговременного учета аномалий сил земного притяжения вдоль проекции траектории полета беспилотного летательного аппарата 4 на земную поверхность на активном и прогнозируемом пассивном участках его движения и за счет автоматического отслеживания высоты полета беспилотного летательного аппарата 4 на активном участке траектории его движения с помощью радиовысотомера 5.

Источники информации:

1. Точность межконтинентальных баллистических ракет / Л.И.Волков, А.И.Прокудин и др.; Под ред. Л.И.Волкова. - М.: Машиностроение, 1996. - 304 с, с.123-127, (аналог).

2. Патент 116990 RU на полезную модель «Устройство для повышения точности доставки полезной нагрузки баллистической ракеты в точку ее автономного полета, МПК F42B 10/00, приоритет 24.01.2012, авторы: Алаторцев И.И., Алаторцев А.И., Смирнов Д.В., патентообладатель: МОУ «Институт инженерной физики», (прототип).

Устройство для повышения точности попадания полезной нагрузки беспилотного летательного аппарата в точку ее прицеливания, содержащее блоки ввода и хранения полетного задания, формирователь управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, арифметический блок умножения и суммирования и блок выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, отличающееся тем, что содержит блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения, входы блока выработки временной поправки управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения подключены к выходу арифметического блока умножения и суммирования и к выходу ячейки памяти блока хранения полетного задания расчетного времени включения корректирующего двигателя торможения, выход блока выработки временной поправки включения корректирующего двигателя торможения связан с управляющим входом формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения беспилотного летательного аппарата, выходы которого подключены через последовательно соединенные между собой блоки измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета и их осреднения к управляющему входу арифметического блока умножения и суммирования, входы которого подключены к выходам ячеек памяти блока хранения полетного задания частных производных времени включения корректирующего двигателя торможения по высоте траектории полета, по координате движения центра массы, по скорости движения центра массы и по времени выработки управляющей главной команды на включение маршевых тормозных двигателей, а также к выходам ячеек памяти блока хранения полетного задания отклонения кинематического параметра движения центра массы от расчетного, отклонения кинематического параметра скорости движения центра массы от расчетного, отклонения высоты траектории полета от расчетного и отклонения времени выработки команды на включение маршевых двигателей от расчетного, выходы других ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов времени полета подключены к входам формирователя управляющей команды включения корректирующего двигателя торможения, выходы ячеек памяти блока хранения полетного задания двух контрольных отсчетов высоты полета связаны с управляющими входами блока измерения разности высот двух контрольных точек траектории полета.

Беспилотный летательный аппарат // 111835

Устройство для управления беспилотным летательным аппаратом // 105882

Реактивная система управления летательными аппаратами // 27959

Баллистическая ракета "меч", "афалина" // 116464