Адаптивный способ и устройство принудительного сброса-катапультирования груза
ADAPTIVE METHOD AND DEVICE FOR FORCED DUMPING-EJECTION OF CARGO

Предложенная группа изобретений относится к авиационной технике, а именно к системам авиационного вооружения с принудительным катапультным отделением от носителя авиационных грузов, таких как бомбы, контейнеры и ракеты.
При принудительно-катапультном сбросе авиационных грузов необходимо обеспечить безопасность сброса без взаимного повреждения как носителя, так и груза, причем с учетом воздействия больших аэродинамических сил при катапультном сбросе.
Известны способы сброса грузов (см. патенты RU 2402460 от 2006 г. и US 7648104 от 2010 г.), в которых сброс осуществляется путем подачи по заранее установленному закону изменения давления сжатого газа или жидкости в полости цилиндров переднего и заднего толкателей.
Достоинством указанных способов является простота схемы управления, которая заключается только в задействовании пневмосети или последовательности задействования газовой и гидравлической сетей.
Недостатком указанных способов является их неадаптивность к внешним и внутренним факторам, из-за отсутствия в контурах управления обратных связей по возмущающим в процессе полета факторам.
Известен способ и устройство сброса груза, реализованный в устройстве «балочного держателя» (патент RU 2521446 от 2012 г.), в котором задействованы контуры обратных связей по внешним возмущающим факторам.
В указанном способе измеряют линейные ускорения (перегрузки) на корпусе балочного держателя в переднем и заднем толкателях; рассчитываются требуемые значения кинематических параметров движения центра масс груза и движения вокруг центра масс груза; по измеренным перегрузкам рассчитывают текущие значения кинематических параметров движения груза; по разности требуемых (заданных) и текущих значений линейных скоростей формируют управляющие сигналы с определенными весовыми коэффициентами для гидроприводов переднего и заднего толкателей.
Достоинством этого способа является наличие контуров обратной связи, обеспечивающих способ сброса, адаптивный к воздействию изменяющихся внешних факторов. Этот способ позволяет автономно, без получения предварительных данных о действующих на груз аэродинамических нагрузках, обеспечить безопасный сброс груза на всех режимах полета летательного аппарата (ЛА).
Недостатком указанного способа является отсутствие адаптивности к внутренним воздействующим факторам. Так угловая скорость движения груза относительно центра массы задается постоянной на всех режимах полета, а линейная скорость движения центра массы не имеет ограничения по максимально допустимой величине, что может привести к неустойчивости системы стабилизации груза.
Устройство по реализации принудительного способа сброса (патент RU 2521446 от 2012 г.) содержит корпус с размещенным на нем пироприводом, выполненным на основе двухполостного цилиндра, одна полость которого является полостью сгорания, а вторая - полостью сжатия рабочей жидкости, последняя через гидрораспределитель связана с гидроцилиндрами переднего и заднего гидротолкателей. На гидротолкателях и корпусе размещены датчики линейных перегрузок, выходные обмотки которых соединены с вычислительным блоком.
Достоинством этого устройства является то, что в качестве исполнительных механизмов переднего и заднего гидротолкателей использованы гидросистемы, содержащие гидроцилиндры с электрогидроклапанами. Использование гидросистемы с несжимаемой рабочей жидкостью позволяет повысить быстродействие сброса по сравнению, например, с пневмосистемой.
Недостатком указанного устройства является то, что в гидросистеме использованы однополостные гидроцилиндры с электрогидроклапанами, изменяющими подачу жидкости под давлением в этих полостях. Такой элементный состав гидросистемы использован для реализации возможности тормозить гидротолкателями и усложняет конструкцию.
Известны адаптивный способ и устройство принудительного сброса-катапультирования груза, взятые за прототип (Патент RU 2692287 за 2019 г.), позволяющие повысить качество принудительного сброса за счет создания адаптивности движений гидротолкателей; использования автономного вытеснительного источника гидропитания и гидротолкателей с полостями высокого и низкого давления, которые разгоняют и тормозят гидротолкатели при их движении.
Недостатками указанных способа и устройства сброса, взятых за прототип, являются применение управления скоростями разгона одного гидротолкателя и торможения другого. При этом возникает вероятность отрыва груза от штока гидротолкателя, что может привести к аварийной ситуации. Применение автономного источника гидропитания, включающего в себя пирозаряд и гидровытеснитель, обуславливает одноразовое его применение и необходимость замены источника перед повторным вылетом ЛА.
Задачей заявленного изобретения является повышение эффективности управления гидротолкателями путем изменения скорости движения гидротолкателей (только в сторону увеличения), и обеспечение многоразового использования автономного источника гидропитания.
Устройство принудительного сброса - катапультирования содержит корпус катапультного устройства ЛА, в котором размещены вычислительный блок, состоящий из последовательно соединенных блоков: блока расчета начальных условий; блока расчета текущих значений и блока управления передним и задним гидротолкателями с полостями высокого и низкого давления; автономного источника гидропитания и датчиков линейных ускорений, установленных на штоках гидротолкателей и корпусе катапультного устройства ЛА так, что выходы датчиков подключены к блоку расчета текущих значений. Автономный источник гидропитания выполнен в виде электрогидронасоса с гидроаккумулятором и клапаном включения подачи расхода, выходы клапана включения подачи расхода через регуляторы расхода подключены к полостям высокого давления гидротолкателей, а блок управления передним и задним гидротолкателями, через согласующие усилители, подключен к обмоткам быстродействующих клапанов регуляторов расхода, входы которых соединены с полостями низкого давления гидротолкателей, а выходы, через регуляторы расхода, и предохранительные клапаны предельно допустимого давления соединены с линией слива.
Сущность предлагаемых технических решений поясняется фиг. 1.
На фиг. 1 приведена функциональная схема заявленных способа и устройства принудительного сброса-катапультирования груза.
Устройство принудительного сброса-катапультирования груза содержит вычислительный блок (вычислитель) 1, состоящий из последовательно соединенных блоков: блока расчета начальных условий (1.1), блока расчета текущих значений (1.2) и блока управления передним и задним гидротолкателями (1.3). Блок управления передним и задним гидротолкателями (1.3) содержит блоки формирования сигналов управления и блоки управления передним и задним гидротолкателями (1.3.1) и (1.3.2) соответственно. Блок расчета текущих значений (1.2) соединен с обмотками включения автономного источника гидропитания 2. Автономный источник гидропитания 2 содержит электрогидронасос 3, гидроаккумулятор 4 и клапан включения подачи расхода 5.
Клапан включения подачи расхода 5 через регуляторы расхода 6.1 и 6.2, которые могут быть выполнены в виде кранов, дросселей или клапанов, подключен к полости высокого давления гидротолкателей 7.1 и 7.2. На штоках гидротолкателей 7.1 и 7.2 и на корпусе катапультного устройства ЛА установлены датчики линейных ускорений 8.1 и 8.2 соответственно. Датчик линейных ускорений 8.0 установлен на корпусе катапультного устройства ЛА. Выходы датчиков линейных ускорений 8.1 и 8.2 подключены к блоку расчета текущих значений 1.2.
Блок управления движением переднего (1.3.1) и заднего (1.3.2) гидротолкателей через согласующий усилитель соединен с обмотками включения быстродействующих нормально закрытых клапанов управления проводимостью расходов слива 10.1-10.6 и 10.7-10.12 переднего и заднего гидротолкателей соответственно. Эти группы клапанов 10.1-10.6 и 10.7-10.12 через дроссели 11.1-11.6 и 11.7-11.12 соединяют полости низкого давления гидротолкателей 7.1 и 7.2, предохранительные клапаны предельно допустимого давления слива 12.2 и 12.4 и регулируемые дроссели 12.1 и 12.3 с линией низкого давления электрогидронасоса 3.
Способ и устройство принудительного сброса-катапультирования груза работают следующим образом.
При запуске процесса принудительного сброса-катапультирования груза от бортового центрального вычислителя летательного аппарата (на фиг. 1 не показан) в вычислительный блок 1 вводят начальные условия полета. В состав начальных условий входят
- геометрические и механические характеристики груза (масса, момент инерции относительно поперечной оси, расстояние между центром масс и точками приложения силы гидротолкателей);
- геометрические и механические характеристики устройства сброса (значение высокого и низкого давления электрогидронасоса 2, время выхода на установившийся режим гидроцилиндров гидротолкателей 7.1 и 7.2);
з
- требуемые параметры сброса груза (ход гидротолкателей, момент инерции груза, угловая скорость груза ω).
к
Контрольное значение угловой скорости ω и количество контрольных точек движения, по которым происходит управление на втором этапе, задается на этапе проектирования системы сброса-катапультирования груза. Контрольные точки движения задаются разбивкой хода на произвольное количество положений, например, шесть.
з
з
з
В блоке начальных условий 1.1. формируется команда о запуске электрогидронасоса 2. Одновременно в блок расчета текущих значений 1.2 передается информация о заданных значениях груза: хода х, линейной скорости V (скорости движения центра масс), угловой скорости ω (скорости движения вокруг центра масс).
пер
зад
В блок 1.2 одновременно поступают сигналы о линейных ускорениях, измеренных датчиками линейных ускорений 8.0, 8.1, 8.2. По измеренным линейным ускорениям путем интегрирования рассчитывают текущие значения кинематических параметров груза: перемещения x и углового ускорения ω и значения линейных скоростей переднего V и заднего V гидротолкателей.
пер
зад
т
В блоке 1.2 формируют сигналы управления движением груза, которые необходимы для создания заданной угловой скорости. Достижение этой угловой скорости осуществляется путем определения разницы линейных скоростей переднего V и заднего V гидротолкателей, так как текущая угловая скорость ω пропорциональна разнице линейных скоростей и обратно пропорциональна расстоянию между гидротолкателями r.
т
з
Разница (ошибка) по угловым скоростям Δω получается путем сравнения измеряемой текущей угловой скорости ω с заданной угловой скоростью ω.
з
т
ω - ω = Δω
к
к
пер
зад
пер
к
зад
к
Ошибку по угловым скоростям сравнивают с контрольным значением угловой скорости ω и при наличии рассогласования подаются сигналы на блоки управления передним и задним гидротолкателями 1.3.1 и 1.3.2. Отдельно на них подаются значение линейного перемещения переднего или заднего гидротолкателя и контрольное значение перемещения х = max(х, х). При наличии входного сигнала на согласующем усилителе 9.1 или 9.2. и выполнении неравенства х ≠ х или х ≠ х (в зависимости от блока управления) формируется выходной сигнал на согласующий усилитель 9.1 или 9.2 на открытие регуляторов расходов быстродействующими нормально закрытыми клапанами управления проводимостью расходов слива 10.1-10.6 и 10.7-10.12 переднего и заднего гидротолкателей соответственно, что увеличивает проводимость гидролинии слива, за счет чего возрастает быстродействие. Согласующие усилители 9.1, 9.2 осуществляет суммирование разовых управляющих импульсов, значение которых соответствует количеству открытых клапанов. Быстродействующие нормально закрытые клапаны управления проводимостью расходов слива 10.1-10.6 и 10.7-10.12 переднего и заднего гидротолкателей, открываются по мере получения импульсов и остаются открытыми до конца движения.
Управление движением гидротолкателей 7.1, 7.2 осуществляется только путем увеличения их скоростей. Такое управление обусловлено тем, что груз не закреплен жестко к штокам гидротолкателей и при наличии торможения одного из гидротолкателей возможен отрыв груза от гидротолкателя, что недопустимо.
В блоке управления переднего и заднего гидротолкателей 1.3 сигналы управления формируются в два этапа.
На первом этапе, одинаковая угловая скорость (с разницей не более 10%) штоков гидротолкателей 7.1, 7.2 обеспечивается путем предварительной настройки регуляторов расхода 6.1 и 6.2 на одинаковый расход в линиях нагнетания и предохранительных клапанов предельно допустимого давления слива 12.2, 12.4 и регулируемые дроссели 12.1 и 12.3 в линии слива.
На этом этапе управление осуществляется по разнице линейных скоростей гидротолкателей, возникающих от внешних аэродинамических нагрузок, т.е. управление адаптивно к воздействию изменяющихся внешних факторов.
к
На втором этапе, при наличии разницы между ошибкой угловых скоростей Δω и контрольным значением угловой скорости ω, управление осуществляется в контрольных точках движения. В контрольных точках происходит корректирование линейных скоростей гидротокателей 7.1, 7.2 путем формирования импульсного управляющего цифрового сигнала в блоках управления 1.3.1 или 1.3.2, и через согласующие усилители 9.1 или 9.2 управляющий сигнал подается на один из нормально закрытых быстродействующих клапанов управления расходом слива10.1-10.12 и дросселей 11.1-11.12, которые увеличивают проводимость линии слива полости низкого давления гидротолкателя, угловая скорость которого меньше, чем у другого гидротолкателя. С каждым управляющим импульсом происходит открытие еще одного клапана, таким образом, что число открытых клапанов для каждого гидротолкателя кратно количеству поданных управляющих сигналов на соответствующий данному гидротолкателю согласующий усилитель.
Таким образом, способ управления принудительным катапультированием с отслеживанием внешних и внутренних факторов, путем увеличения скоростей гидротолкателей за счет увеличения проводимости линии слива гидротолкателя с меньшей скоростью, в зависимости от разницы скоростей - ошибки гидротолкателей относительно заданного значения, позволяет сократить разность скоростей гидротолкателей и осуществлять катапультирование без перекоса груза в направляющих.
Устройство принудительного сброса-катапультирования с использованием автономного источника гидропитания на основе электрогидронасоса вместо пирозаряда и гидровытеснителей исключает необходимость его обслуживания перед каждым вылетом ЛА (за исключением установки полезного груза), что упрощает и удешевляет его эксплуатацию.