Автономные отсеки управления с аппаратурой спутниковой навигации для 122-мм реактивных снарядов. Комплексная математическая модель

To ensure high-precision guidance, power drives of various types are used (electro-hydraulic, electric drive with an asynchronous motor and an electric drive with a torque motor). Each of them has its advantages and disadvantages.

In this article, we analyze various types of power drives of guidance, give their advantages and disadvantages, and compare them with each other.

Key words: power drive, electrohydraulic drive, electric drive, electric drive, vertical guidance channel, horizontal guidance channel, useful power, power consumption, efficiency factor, mechanical transmission.

Goryachev Oleg Vladimirovich, doctor of technical sciences, professor, Head of Department. SAU, olegvgoraramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Gavrilkin Viktor Konstantinovich, postgraduate student. gugo2040@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University

Maltsev Vladimir Alekseyevich, doctor of technical sciences, professor, chief of the center of training of specialists, olegvgoraramhler. ru, Russia, Tula, JSC KBP

УДК 623.46

АВТОНОМНЫЕ ОТСЕКИ УПРАВЛЕНИЯ С АППАРАТУРОЙ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ ДЛЯ 122-ММ РЕАКТИВНЫХ СНАРЯДОВ. КОМПЛЕКСНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

О.В. Коротков, В.В. Долгов

Предложено техническое решение по снижению ошибок наведения 122-мм реактивных снарядов за счет установки автономного отсека управления (ОУ) с аппаратурой спутниковой навигации. Представлена комплексная полноразмерная математическая модель полета реактивного снаряда, оснащенного отсеком управления.

Ключевые слова: реактивная система залпового огня, повышение точности, автономный отсек управления, интегрированная система наведения, спутниковая радионавигация, инерциальная навигационная система, активное демпфирование, стабилизация по крену, комплексная математическая модель.

На вооружении большинства армий находятся РСЗО (реактивная система залпового огня). Особенно большое распространение получили 122 мм реактивные системы [1-3]. Однако ошибки стрельбы РСЗО велики [4]. Вероятное (срединное) отклонение достигает 1 % от дальности стрельбы. Для решения боевой задачи требуется очень большой расход боеприпасов. При этом возможны большие разрушения инфраструктуры и гибель гражданского населения.

Анализ боевых действий противоборствующих сторон в региональных военных конфликтах последних десятилетий подтверждает возрастающую роль высокоточного оружия (ВТО) и актуальность создания высокоточных, помехоустойчивых, с возможностью круглосуточного применения средств ВТО для реактивных систем залпового огня.

Появление относительно дешевой высокоточной и компактной спутниковой радионавигационной аппаратуры привело к возможности создания систем наведения, обеспечивающих создание боеприпасов с малыми ошибками на всех дальностях [5, 6].

С точки зрения минимизации затрат, очень эффективно повышение точности имеющихся реактивных снарядов (РС) путем их оснащения автономными отсеками управления с аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС/ОР8. Установка отсеков управления производится без доработки реактивных снарядов и позволяет перевести штатные неуправляемые снаряды в разряд средств ВТО. Ошибки стрельбы могут быть уменьшены с сотен метров до 5-7 м, расход боеприпасов при поражении малоразмерных целей может быть снижен в десятки раз. Для каждого снаряда могут назначаться координаты собственной цели. Разрушения прилегающей инфраструктуры при использовании снарядов с отсеком управления минимальны.

Малое подготовительное время и необходимость произведения существенно меньшего количества пусков ракет в несколько раз сокращает время нахождения на огневой позиции, повышает живучесть и делает контрбатарейную борьбу противника малоэффективной [7].

Автономный отсек управления с аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС/ОР8 (рис. 1) предназначен для повышения точности стрельбы штатных 122-мм реактивных снарядов РСЗО. Новизна предлагаемого технического решения подтверждена патентом [8].

Повышение точности обеспечивается за счет управления снарядом аэродинамическими рулями отсека управления на пассивном участке траектории по сигналам спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/ОР8 и бесплатформенной инерциальной навигационной системы. Наведение осуществляется на цель, координаты которой передаются перед выстрелом в отсек управления по радиоканалу при помощи аппаратуры подготовки и передачи полетного задания.

Отсек управления может устанавливаться на штатные 122-мм реактивные снаряды типа М21ОФ, 9М538, 9М521 и др. непосредственно на огневой позиции на место установки штатного взрывателя. Дополнительных действий со снарядом не производится. Заряжание пусковой установки осуществляется аналогично штатному снаряду.

136

Мехатронные системы. Теория и проектирование

Аппаратура подготовки и передачи полетного задания по введенным исходным данным автоматически формирует полетное задание для снаряда с отсеком управления и рассчитывает углы наведения для направляющей боевой машины.

V

Рис. 1. Внешний вид автономного отсека управления

Автономный отсек управления для реактивных снарядов комплексов РСЗО построен на базе следующих основных принципов.

1. Штатный реактивный снаряд трансформируется в высокоточную ракету, выполненную по аэродинамической схеме «утка», путем установки в носовой части вместо взрывателя автономного отсека управления (рис. 2). Новый взрыватель размещается в отсеке управления.

Рис. 2. Реактивный снаряд с автономным отсеком управления

2. Отсек управления для повышения точности выполняется развязанным по крену относительно реактивного снаряда и не имеет электрической связи со снарядом. Ввод полетного задания осуществляется дистанционно по радиоканалу.

3. Управление реактивным снарядом в полете осуществляется с помощью блока рулевых приводов по данным интегрированной инерциаль-но-спутниковой системы наведения.

4. Блок рулевых приводов включает в свой состав 4 независимо работающих быстродействующих электрических рулевых привода, осуществляющих наведение, стабилизацию по крену и демпфирование угловых колебаний снаряда.

5. Инерциально-спутниковая система включает в свой состав бесплатформенную инерциальную навигационную систему (БИНС), спутниковую радионавигационную систему (СРНС) и вычислитель. БИНС по координатам и скоростям в реальном времени корректируются по данным СНС. Точность БИНС достаточна для осуществления наведения при сбое в работе спутниковой навигации.

6. Раскрытие рулей осуществляется на среднем участке траектории. До раскрытия рули сложены внутри отсека вдоль продольной оси и не выступают за внешние обводы.

7. Первоначальное наведение снаряда ведётся в точку, находящуюся выше цели, после сближения превышение автоматически снимается и снаряд пикирует на цель. Поражение осуществляется сверху.

8. Для минимизации массы и габаритов аппаратура и антенна СНС располагается в носовой части отсека. Дополнительно в средней части отсека предусмотрена кольцевая антенна СНС, обеспечивающая гарантированный прием спутниковых навигационных радиосигналов при пикировании с большими углами подхода к цели и при наличии складок местности.

Конструкция отсека управления разработана коллективом специалистов под руководством С.Г. Благова и включает в свой состав:

- блок спутниковой навигационной аппаратуры;

- блок инерциальных датчиков;

- вычислитель бортовой;

- блок рулевых приводов;

- узел стыковки со снарядом с аэродинамической юбкой;

- бортовую аппаратуру приема полетного задания;

- источники тока электронной аппаратуры;

- источник тока рулевого привода;

- аппаратуру бортовую передающую;

- взрыватель.

Блок инерциальных датчиков и вычислитель навигационной задачи, входящий в состав вычислителя бортового, образуют бесплатформенную инерциальную навигационную систему.

Блок инерциальных датчиков, блок спутниковой навигационной аппаратуры и вычислитель бортовой представляют собой инерциально-спутниковую систему управления.

Схема применения реактивных снарядов с ОУ характеризуется следующими особенностями. С помощью средств связи на огневую позицию передаются координаты и тип цели. Данные могут быть получены от космической, воздушной и наземной разведок. Координаты, задержка на подрыв боевой части (если требуется) вводятся человеком или автоматически в устройство подготовки и ввода полетного задания. Данное устройство с помощью встроенной аппаратуры спутниковой навигации также определяет координаты пусковой установки. После этого устройство производит расчет полетного задания для снаряда, а также определяет углы наведения пусковой установки. Полетное задание вводится в отсек управления при использовании беспроводной линии связи. При вводе полетного задания от встроенной аппаратуры спутниковой навигации также вводятся эфемериды навигационных спутников.

После выхода снаряда из направляющей осуществляется раскрытие стабилизаторов, разгон снаряда с помощью двигателя, раскрытие рулей, стабилизация изделия по крену, демпфирование угловых колебаний и наведение. Во время наведения производится планирование с превышением по высоте и последующим пикированием на цель. Стрельба может производиться в любое время суток и в любых погодных условиях.

Технический облик автономного отсека управления сформирован по результатам выполнения нескольких итерационных циклов проектно-конструкторских работ, направленных на оптимизацию параметров изделия. Одним из элементов итерационного цикла является математическое моделирование.

Вследствие того, что известные математические модели [9] высокоточных боеприпасов не позволяют использовать их для решения задач моделирования всего процесса полета реактивного снаряда, с учетом приведенных выше особенностей, была разработана комплексная полноразмерная математическая модель (рис. 3).

Блок 1. Предпусковая подготовка.

Блок содержит алгоритмы расчета углов наведения пусковой установки или орудия, а также расчета начальных углов ориентации БИНС.

На основе заданных координат пусковой установки, координат цели, а также температуры окружающей среды выбираются вертикальный и горизонтальный углы разворота ПУ. Углы выбирается по заранее рассчитанным на данной модели таблицам стрельбы для всего диапазона углов пуска, температур и дальностей полета.

БИНС по результатам совместной обработки сигналов собственных измерительных элементов и ускорения свободного падения в точки старта определяет начальные углы ориентации объекта (тангажа и крена) относительно стартовой системы координат.

139

о

Х^УцДи

гШ—

Предпусковая ггодгогшка

Т,= Щррь! заряда

Модель движения по трубе

-й

Г"

Модель стаддартися атмосферы

рД^З

-—

Модель динамики

объекта о) ^

ш

Р а счет координат и скоростей

б

Ж

* Р 5 <Я % N ,

ад ель кинет-лнгики объекта

Г

И

Система управления

Ч;:

12

Тй

одепь рулевого привода

ЩУ

Расчет утл. скорости по крену

%

Т, Л;

№-

Алг оритм раскрытия рулей

I

БИНС

N.

8

ЛОГ. -ПИПгйЛ

СРНС

% »у, & У

У Ъ. V '-¡¡--¿л,--

К.

Рис. 3. Структурная схема комплексной математической модели

Блок 2. Модель движения снаряда по трубе.

Блок содержит алгоритмы расчета линейной скорости, угловой скорости вращения по крену, а также возмущения, которое действует на изделие при выходе из трубы. Расчет проводится по заданным значениям температуры окружающей среды и характеристик двигательной установки.

Блок 3. Модель стандартной атмосферы

Блок содержит зависимости изменения значения плотности, температуры и скорости звука, для текущей высоты (рис. 4) полета объекта. Зависимости соответствуют ГОСТ 4401 - 81.

Блок 4. Модель динамики объекта

Рассчитывает динамику движения центра масс объекта и его движения вокруг центра масс, по известным уравнениям сил и моментов.

Аэродинамические характеристики, такие как коэффициенты подъемной силы, моментов тангажа и рыскания, демпфирующих моментов, а также аэродинамического сопротивления, рассчитываются на основе многомерных массивов данных, описывающих нелинейные зависимости этих величин от углов атаки, углов отклонения рулей и скорости.

Блок 5. Блока расчета координат и скоростей

Определяет величину линейной скорости объекта (рис. 5) в зависимости от ускорения силы тяжести, величины тяги (сообразно с температурой окружающей среды) и аэродинамического сопротивления конструкции, а также рассчитывает координаты и проекции линейной скорости движения объекта на оси стартовой системы координат.

Блок 6. Модель кинематики объекта управления.

На базе рассчитанных в блоке 4 скоростей вращения вектора скорости и продольной оси носителя рассчитываются углы атаки и скольжения, а также углы ориентации объекта относительно стартовой системы координат (тангаж, рыскание и крен). Также в данном блоке рассчитываются развиваемые изделием ускорения объекта в полускоростной системе координат и пересчитываются в стартовую и связанную системы координат.

Блок 7. Алгоритм раскрытия рулей.

По текущему углу наклона траектории (рис. 6) и дальности, на которую ведется стрельба, вычисляет момент раскрытия рулей и начала управления.

Блок 10. Расчет угловой скорости вращения по крену.

ОУ выполнен «развязанным» по крену от реактивного снаряда. Данное решение обеспечивает повышение точности работы БИНС и снижает величину отклонения снаряда от заданной траектории при пропадании спутниковых сигналов. Блок рассчитывает скорости вращения РС и ОУ по крену.

Блок 11. Система управления.

Модель вычисляет команды управления на рулевой привод по координатам и скоростям (определяемым СРНС (блок 8) и БИНС (блок 9)), а также команды демпфирования и стабилизации крена на основе сигналов

141

датчиков угловых скоростей. Модели СРНС и БИНС выполнены с учетом задержек и погрешностей, характерных для данных навигационных систем. Наведение осуществляется по пропорциональному закону.

Блок 12 (Модель рулевого привода) - рассчитывает угол отклонения руля (рис. 7) при подаче на него соответствующей команды от системы управления. Для сокращения времени моделирования используется эквивалентная модель, учитывающая люфт в механической части, ограничения по развиваемым приводом максимальным скоростям и ускорениям, переменный коэффициент передачи редуктора. Параметры привода выбирались по заданным в техническом задании значениям перерегулирования, коэффициента отработки и фазового сдвига. Отличие эквивалентной модели рулевой машины от полной по приведенным выше ключевым параметрам, не превышает единиц процентов.

Высота, м 20000 -т-

16000 12000 8000 4000 0

0 40 80 120 160

Время, с

Рис. 4. Зависимость высоты от времени

Скорость, м/с

1200 -г---

III

юоо -4—--;--;--;—

800 600 400

200

0 40 80 120 160

Время, с

Рис. 5. Зависимость скорости от времени

142

о

Угол наклона траектории, град 80 --•

-80-1--1--1--1-

0 40 80 120 160

Время, с

Рис. 6. Зависимость угла наклона траектории от времени

Угол отклонения вертикального руля, град

1 1

Л,

- — N

- - -

0 40 80 120 160

Время, с

Рис. 7. Зависимость угла отклонения рулей от времени

Модель позволяет оценить точностные характеристики изделия с имитацией механических воздействий (линейных перемещений, угловых движений и вибраций) на инерциально-спутниковую (БИНС-СРНС) систему навигации.

Ошибки наведения снарядов с ОУ не превышают (СКО) 10 м на всех дальностях стрельбы. При этом, несмотря на увеличение массы при установке ОУ, за счет планирования (рис. 6) на среднем участке траектории сохраняется максимальная дальность стрельбы штатных снарядов.

Таким образом, разработка автономных отсеков управления с аппаратурой спутниковой навигации позволяет решить проблему обеспечения высокоточной стрельбы 122 мм реактивными снарядами.

143

Список литературы

1. Карпенко А.В. Современные реактивные системы залпового огня. Спб.: Изд-во «Бастион». 2003. С.9.

2. Растопшин М. Зарубежные реактивные системы залпового огня // Техника и вооружение вчера, сегодня, завтра. 2003. № 03. С. 10 - 15.

3. Регентов М. Американская РСЗО MLRS // Зарубежное военное обозрение. М.: «Красная Звезда», 1987. № 4. С. 23 - 25.

4. Стрельба и управление огнем артиллерийских подразделений: учеб. пособие / под ред. В.И. Волобуева. М.: Военное издательство 1987. С. 288 - 299.

5. Высокоточное оружие зарубежных стран. Т. 2. Танковые, артиллерийские, минометные КУВ, самоприцеливающиеся и самонаводящиеся боевые элементы: обзор аналит. Справ / В.М. Лихтеров [и др.] / Тула: Изд-во «Власта». 2011. C.98 - 134.

6. Дальнобойный высокоточный управляемый артиллерийский снаряд большого калибра с аппаратурой спутниковой радионавигации / Ко-ротков О.В., Благов С.Г., Огнев В.А., Долгов В.В. // Известия РАРАН. 2016. №1 (91) С. 60 - 66.

7. Крупников А. Радиолокационные станции контрбатарейной борьбы основных зарубежных стран // Зарубежное военное обозрение: журнал. 2010. № 12. С. 32-41.

8. Автономный блок управления реактивного снаряда: пат. 2627334 Российская Федерация.

9. Математическая модель малогабаритной высокоточной ЗУР с лазерной системой наведения / О.В. Коротков, С.Н. Воропаев, В.Г. Гуцал, С.В. Скоробогатский // Известия РАРАН 2012. №3 (73). С. 42 - 50.

Коротков Олег Валерьевич, д-р техн. наук, академик РАРАН, Директор-Главный конструктор Инжинирингового инновационного центра высокоточного оружия, ovcinkineiarambler.ru, Россия, Москва, АО «Московское конструкторское бюро «Компас»,

Долгов Василий Вячеславович, нач. отдела теоретических обоснований инжинирингового инновационного центра высокоточного оружия , vas.dolgov1985@yandex.ru, Россия, Москва, АО «Московское конструкторское бюро «Компас»

AUTONOMOUS CONTROL COMPARTMENTS WITH SATELLITE NAVIGATION

EQUIPMENT FOR 122 MM JET-PROPELLED PROJECTILES. COMPLEX

MA THEMA TICAL MODEL

O. V. Korotkov, V. V. Dolgov 144

The article offers technical solution to decrease guidance errors of 122 mm jet-propelled projectiles by installing of autonomous control compartment with satellite navigation system. The article describes full-size complex mathematical model of jet-propelled projectile with control compartment.

Key words: multiple launch rocket system, accuracy increasing, autonomous control compartment, integrated guidance system, satellite navigation, active damping, roll angle stabilization, complex mathematical model.

Korotkov Oleg Valerievich, doctor of engineering science, member of Russian academy of missile and ammunition sciences, Director - Chief designer of innovation engineering center of precision guidance weapons, ovcinkinei@rambler. ru, Russia, Moscow, JSC «Moscow design bureau «Compass»,

Dolgov Vasilii Vyacheslavovich, head of theoretical foundation department innovation engineering center of precision guidance weapons, vas. dolgov1985@yandex. ru, Russia, Moscow, JSC «Moscow design bureau «Compass»

УДК 681.51; 681.52

РАЗРАБОТКА СЛЕДЯЩЕГО ПРИВОДА ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННОЙ СИСТЕМЫ С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫМ

АКТЮАТОРОМ

О.В. Горячев, А.В. Овчинников

Разработана математическая модель контура точного канала оптико-электронной системы. Разработана математическая модель функционирования пьезоэлектрического актюатора. Разработаны алгоритмы управления пьезоэлектрическим актюатором в следящем приводе ОЭС, с учетом изменения внешних воздействий и входных сигналов.

Ключевые слова: пьезоэлектрический двигатель, нейро-нечеткий регулятор, привод оптической стабилизации, нейронная сеть.

Одной из важнейших задач, решаемых при создании и модернизации оптико-электронной системы (ОЭС) является повышение точности и дальности наведения.

Перспективные технические требования, предъявляемые к ОЭС, часто предполагают, что исполнительные элементы таких систем должны иметь высокую точность позиционирования ротора (1 - 10 угловых секунд) при сравнительно большом моменте на валу, порядка 0,1- 0,5 Нм. При этом к важнейшим требованиям относятся фиксация углового положения вала двигателя значительным моментом, а также высокие динамические характеристики (время разгона и торможения порядка 1 мс, с максимальной скоростью до 1 об/с). Наиболее эффективным решением

145