СИСТЕМА НАВЕДЕНИЯ ЗЕНИТНОЙ РАКЕТЫ НА МАНЕВРИРУЮЩИЕ ЦЕЛИ АЭРОБАЛЛИСТИЧЕСКОГО ТИПА
|
АННОТАЦИЯ 2
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ САМОНАВЕДЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ 11
1.1. Задача наведения ЛА на цель. Системы самонаведения: определение,
классификация, функциональная структура 11
1.2. Требования к системам самонаведения. Критерии оценки процесса
самонаведения. Задача выбора метода самонаведения. Оптимальный метод самонаведения. Структура оптимальной системы самонаведения 15
1.3. Метод пропорционального наведения и его варианты. Структура системы
самонаведения 25
1.4. Другие (новые) методы самонаведения и структуры систем самонаведения 27
1.5. Маневрирование целей и характеристика (описание) видов маневров .... 35
1.6. Математическая модель движения ЛА, линеаризация и передаточные
функции 41
2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ССН 47
2.1..Метод пропорционального наведения (МПН) 47
2.2. Метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д 61
2.3. Метод Меркулова В.И. и Милякова Д.А 67
2.4. Сравнение методов наведения 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 80
ПРИЛОЖЕНИЯ 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурная схема пропорционального метода
наведения 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Схема моделирования метода Кириллова / Токаря 84
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Схема моделирования Меркулова / Милякова 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Схема моделирования метода погони / прямого наведения 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Схема моделирования метода параллельного сближения 87
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Подбор коэффициентов в методе Меркулова / Милякова..88
ОБОЗНАЧЕНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ 7
ВВЕДЕНИЕ 8
1. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О СИСТЕМАХ САМОНАВЕДЕНИЯ И ПОСТАНОВКА ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ ЗАДАЧ 11
1.1. Задача наведения ЛА на цель. Системы самонаведения: определение,
классификация, функциональная структура 11
1.2. Требования к системам самонаведения. Критерии оценки процесса
самонаведения. Задача выбора метода самонаведения. Оптимальный метод самонаведения. Структура оптимальной системы самонаведения 15
1.3. Метод пропорционального наведения и его варианты. Структура системы
самонаведения 25
1.4. Другие (новые) методы самонаведения и структуры систем самонаведения 27
1.5. Маневрирование целей и характеристика (описание) видов маневров .... 35
1.6. Математическая модель движения ЛА, линеаризация и передаточные
функции 41
2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ССН 47
2.1..Метод пропорционального наведения (МПН) 47
2.2. Метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д 61
2.3. Метод Меркулова В.И. и Милякова Д.А 67
2.4. Сравнение методов наведения 73
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 80
ПРИЛОЖЕНИЯ 83
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Структурная схема пропорционального метода
наведения 83
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Схема моделирования метода Кириллова / Токаря 84
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Схема моделирования Меркулова / Милякова 85
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Схема моделирования метода погони / прямого наведения 86
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Схема моделирования метода параллельного сближения 87
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Подбор коэффициентов в методе Меркулова / Милякова..88
Задача перехвата воздушных целей, включающих также высокоскоростные управляемые и маневрирующие боевые блоки баллистических ракет межконтинентального типа, совершающих полет в атмосфере с уходом от средств противовоздушной обороны, является одной из современных актуальных задач стратегической оборонной доктрины любого государства. Решение задачи перехвата состоит в выборе метода наведения ракеты противовоздушной обороны, а также в определении программной траектории, которая неоднократно обновляется в полете [1]. Современные управляемые ракеты содержат оборудование, которое позволяют полностью определить положение и параметры движения цели в пространстве [10].
В настоящее время у летательных аппаратов сложное движение с различным управлением и маневрами на разных участках траектории. При этом траектории летательного аппарата не дают гарантии попадания в цель объекта управления из- за неточности управления и различных возмущающих факторов (например, ветровые возмущения, шумы) [14]. Поэтому для поражения воздушной цели применяются различные методы самонаведения, от выбора которых в значительной степени зависит поражение боевого блока ракеты-цели.
Самонаведение - это способ управления, при котором на борту объекта управления (ЛА, ЗУР) измеряются параметры движения цели и формируются команды управления. В зависимости от места расположения источника электромагнитного излучения различают активные, полуактивные, пассивные и комбинированные системы самонаведения. Структура контура наведения не зависит от типа системы самонаведения и определяется методом наведения [5].
Цель данной дипломной работы - обзор существующих и исследование новых методов наведения ЗУР на различные цели аэробаллистического типа, а также на маневрирующие цели.
Цели аэробаллистического типа (ракеты «воздух-поверхность», ББ МБР) предназначены для поражения наземных целей, кораблей и судов противника, радиолокационных станций (РЛС), бронетанковой техники противника и важных целей в глубоком тылу противника. Полет такой ракеты осуществляется по баллистической траектории, но для полета не используется аэродинамическая подъемная сила. Для пуска ракеты необходим самолет-носитель, который используется для увеличения дальности действия, либо ракета может запускаться с земли, например, с помощью комплекса Искандер-М.
Метод наведения - это заданный закон сближения ракеты с целью, который в зависимости от координат и параметров движения цели определяет требуемое
определяет возможную теоретическую траекторию объекта управления, но из-за различных возмущений в системе управления в на практике выбирают некоторый класс траекторий, а для простоты говорят об одной траектории. Класс траекторий определяется типом используемого объекта управления (ОУ), решаемой им тактической задачей, дополнительными условиями и ограничениями [6].
Каждый тип ОУ имеет свои технические характеристики, определяемые его конструкцией, в силу чего он может обладать ограниченными возможностями, обусловленными тягой двигателя, прочностью конструкции, инерционностью и предельной маневренностью, ограниченными запасом топлива и временем полета, предельной точностью, конечной дальностью действия радиоаппаратуры и т. д. [6]. Таким образом, известны следующие критерии, на основе которых выбирается нужный класс траекторий и соответствующий алгоритм управления [6]:
• минимальный расхода топлива;
• минимальные перегрузки;
• допустимое время полета;
• минимальное влияние ошибок в системе управления;
• скрытность подхода к цели и др.
В общем случае траектории методов наведения делятся на кинематические и динамические.
Кинематическая траектория - это расчетная линия, по которой движется ОУ при идеальном выполнении закона наведения. В этом случае ОУ рассматривается как материальная точка, а его система управления идеализируется, т.е. не имеет инерционности и ошибок [6].
Динамическая траектория - это расчетная линия движения ОУ с учетом его инерционных свойств, а также инерции системы управления [6].
Каждая из этих траекторий с допустимыми отклонениями от заданного направления полета может быть описана математически и с помощью структурной схемы.
Используемые в настоящее время методы самонаведения не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по перехвату высокоскоростных, интенсивно маневрирующих целей [26]. Разработки новых видов средств нападения, улучшение и развитие их характеристик, превосходящих возможности противоракетной обороны (ПРО), приводят к необходимости совершенствования уже существующих методов самонаведения, либо создание новых, более современных методов [12], [24], [10], [19]. Это объясняется
характеристикам, необходимостью сокращения затрат на испытания и т. д. Кроме того, актуальность исследования в данной области объясняется необходимостью постоянного поддержания конкурентоспособности отечественных наукоемких импортозамещающих технологий [22].
В настоящее время у летательных аппаратов сложное движение с различным управлением и маневрами на разных участках траектории. При этом траектории летательного аппарата не дают гарантии попадания в цель объекта управления из- за неточности управления и различных возмущающих факторов (например, ветровые возмущения, шумы) [14]. Поэтому для поражения воздушной цели применяются различные методы самонаведения, от выбора которых в значительной степени зависит поражение боевого блока ракеты-цели.
Самонаведение - это способ управления, при котором на борту объекта управления (ЛА, ЗУР) измеряются параметры движения цели и формируются команды управления. В зависимости от места расположения источника электромагнитного излучения различают активные, полуактивные, пассивные и комбинированные системы самонаведения. Структура контура наведения не зависит от типа системы самонаведения и определяется методом наведения [5].
Цель данной дипломной работы - обзор существующих и исследование новых методов наведения ЗУР на различные цели аэробаллистического типа, а также на маневрирующие цели.
Цели аэробаллистического типа (ракеты «воздух-поверхность», ББ МБР) предназначены для поражения наземных целей, кораблей и судов противника, радиолокационных станций (РЛС), бронетанковой техники противника и важных целей в глубоком тылу противника. Полет такой ракеты осуществляется по баллистической траектории, но для полета не используется аэродинамическая подъемная сила. Для пуска ракеты необходим самолет-носитель, который используется для увеличения дальности действия, либо ракета может запускаться с земли, например, с помощью комплекса Искандер-М.
Метод наведения - это заданный закон сближения ракеты с целью, который в зависимости от координат и параметров движения цели определяет требуемое
определяет возможную теоретическую траекторию объекта управления, но из-за различных возмущений в системе управления в на практике выбирают некоторый класс траекторий, а для простоты говорят об одной траектории. Класс траекторий определяется типом используемого объекта управления (ОУ), решаемой им тактической задачей, дополнительными условиями и ограничениями [6].
Каждый тип ОУ имеет свои технические характеристики, определяемые его конструкцией, в силу чего он может обладать ограниченными возможностями, обусловленными тягой двигателя, прочностью конструкции, инерционностью и предельной маневренностью, ограниченными запасом топлива и временем полета, предельной точностью, конечной дальностью действия радиоаппаратуры и т. д. [6]. Таким образом, известны следующие критерии, на основе которых выбирается нужный класс траекторий и соответствующий алгоритм управления [6]:
• минимальный расхода топлива;
• минимальные перегрузки;
• допустимое время полета;
• минимальное влияние ошибок в системе управления;
• скрытность подхода к цели и др.
В общем случае траектории методов наведения делятся на кинематические и динамические.
Кинематическая траектория - это расчетная линия, по которой движется ОУ при идеальном выполнении закона наведения. В этом случае ОУ рассматривается как материальная точка, а его система управления идеализируется, т.е. не имеет инерционности и ошибок [6].
Динамическая траектория - это расчетная линия движения ОУ с учетом его инерционных свойств, а также инерции системы управления [6].
Каждая из этих траекторий с допустимыми отклонениями от заданного направления полета может быть описана математически и с помощью структурной схемы.
Используемые в настоящее время методы самонаведения не в полной мере удовлетворяют предъявляемым к ним требованиям по перехвату высокоскоростных, интенсивно маневрирующих целей [26]. Разработки новых видов средств нападения, улучшение и развитие их характеристик, превосходящих возможности противоракетной обороны (ПРО), приводят к необходимости совершенствования уже существующих методов самонаведения, либо создание новых, более современных методов [12], [24], [10], [19]. Это объясняется
характеристикам, необходимостью сокращения затрат на испытания и т. д. Кроме того, актуальность исследования в данной области объясняется необходимостью постоянного поддержания конкурентоспособности отечественных наукоемких импортозамещающих технологий [22].
В ходе выполнения работы были рассмотрены существующие и исследованы новые методы наведения зенитных управляемых ракет на различные цели аэробаллистического типа и маневрирующие цели.
По проделанной работе можно сделать вывод, что каждый метод имеет свои сложности реализации.
Пропорциональный метод наведения [4] на данный момент является стандартным и наиболее эффективным и используемым методом наведения самонаводящихся ракет для наведения как на не маневрирующие цели, так и на маневрирующие. При проверке зависимости данного метода от коэффициента навигации N0, перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода было выявлено:
• коэффициент N0 = 7 является наиболее выгодным для стрельбы, т.к. при данном значении наименьшие значения промаха h и наиболее близкие к нулю значения перегрузки ракеты пр, при стрельбе с коэффициентом N0 = 1 ракета не попадает в цель и имеет наибольшие значения перегрузок ракеты пр;
• при пс = 7 ракета имеет наименьшие значения промаха, но испытывает наибольшие перегрузки, при пс = 1 ракеты испытывает наиболее близкие к 0 перегрузки;
• наилучшим вариантом ограничения рулей привода является значение (-0.5;0.5), т.к. перегрузка наиболее близка к 0.
Таким образом по данным таблиц 1-5 можно сделать вывод, что метод пропорционального наведения имеет зависимость от коэффициента навигации N0, перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода. Также по значениям промаха h, представленным в таблице 3 можно отметить, что при стрельбе ракеты навстречу цели (при у0 = 180) ракета имеет наименьшее значение промаха (таблица 3).
Метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д. [12] был представлен как модификация метода пропорционального метода наведения. В модифицированном методе был изменен закон нахождения ускорения ракеты jp, таким образом вместо зависимости метода от коэффициента навигации N0 появилась зависимость от текущего расстояния между ракетой и целью г. Эта модификация привела к тому, что промах h и перегрузка ракеты пр стали менее зависимы от изменения значения перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода (таблицы 6-8).
Метод Меркулова В.И. и Милякова Д.А. [19] также является модификацией
метода пропорционального наведения. При изменении закона нахождения ускорения ракеты jp появилась зависимость данного метода от коэффициентов q^ и qa) - коэффициенты, определяющие точность управления ЛА по бортовому пеленгу и угловой скорости линии визирования, kj - коэффициент, определяющий максимально допустимую величину сигнала управления. Также попадание ракеты в цель при методе Меркулова / Милякова напрямую зависит от угла пеленга f, скорости сближения г = Усб и текущего расстояния между ракетой и целью г.
При исследовании данного метода была показана сильная зависимость от подбора представленных выше коэффициентов q^, qa) и kj, при изменении которых ракета могла и вовсе не поражать цель. Метод Меркулова / Милякова имеет незначительное влияние на промах ракеты h от изменения значения перегрузки цели пс (таблица 9), но при этом при данном методе ракета имеет большие значения перегрузки ракеты пр, промаха ракеты h и изменения ограничений рулевого привода (таблицы 9-11) по сравнению с методом Кириллова / Токаря, хоть и поражает цель.
Было проведено исследование всех трех методов на поражение маневрирующей цели (маневр «змейка»). Было выяснено, что все три метода поражают цель, но метод Кириллова / Токаря [12] и метод пропорционального наведения [4] имеют наиболее близкие к нулю значения промаха, метод Меркулова / Милякова [19] имеет наибольшее значение промаха (таблица 14).
Таблица 14
Метод Промах, h
Пропорционального наведения 1.575*10-4
Кириллова / Токаря -1.473*10-4
Меркулова / Милякова 0.2884
Также было выяснено, что метод Кириллова / Токаря [12] имеет наиболее близкое к нулю значение перегрузки, чем метод пропорционального наведения [4] и метод Меркулова / Милякова [19] (таблица 15).
Таблица 15
Метод Перегрузка ракеты, пр
Пропорционального наведения -29.5
Кириллова / Токаря 2.357
Меркулова / Милякова -62.16
Для поражение маневрирующей цели были смоделированы траектории классических методов наведения, таких как метод погони, прямого наведения и параллельного сближения. Необходимо отметить, что для поражения
маневрирующих целей данные методы неэффективны, т.к. ракета при этих методах не попадает в цель (рис. 2.34-2.36).
Таким образом по проведенным исследованиям можно сказать, что метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д. [12] является наиболее эффективным методом для поражения целей аэробаллистического типа и маневрирующих целей, т.к. имеет наилучшие показатели точности.
По проделанной работе можно сделать вывод, что каждый метод имеет свои сложности реализации.
Пропорциональный метод наведения [4] на данный момент является стандартным и наиболее эффективным и используемым методом наведения самонаводящихся ракет для наведения как на не маневрирующие цели, так и на маневрирующие. При проверке зависимости данного метода от коэффициента навигации N0, перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода было выявлено:
• коэффициент N0 = 7 является наиболее выгодным для стрельбы, т.к. при данном значении наименьшие значения промаха h и наиболее близкие к нулю значения перегрузки ракеты пр, при стрельбе с коэффициентом N0 = 1 ракета не попадает в цель и имеет наибольшие значения перегрузок ракеты пр;
• при пс = 7 ракета имеет наименьшие значения промаха, но испытывает наибольшие перегрузки, при пс = 1 ракеты испытывает наиболее близкие к 0 перегрузки;
• наилучшим вариантом ограничения рулей привода является значение (-0.5;0.5), т.к. перегрузка наиболее близка к 0.
Таким образом по данным таблиц 1-5 можно сделать вывод, что метод пропорционального наведения имеет зависимость от коэффициента навигации N0, перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода. Также по значениям промаха h, представленным в таблице 3 можно отметить, что при стрельбе ракеты навстречу цели (при у0 = 180) ракета имеет наименьшее значение промаха (таблица 3).
Метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д. [12] был представлен как модификация метода пропорционального метода наведения. В модифицированном методе был изменен закон нахождения ускорения ракеты jp, таким образом вместо зависимости метода от коэффициента навигации N0 появилась зависимость от текущего расстояния между ракетой и целью г. Эта модификация привела к тому, что промах h и перегрузка ракеты пр стали менее зависимы от изменения значения перегрузки цели пс и изменения ограничений рулевого привода (таблицы 6-8).
Метод Меркулова В.И. и Милякова Д.А. [19] также является модификацией
метода пропорционального наведения. При изменении закона нахождения ускорения ракеты jp появилась зависимость данного метода от коэффициентов q^ и qa) - коэффициенты, определяющие точность управления ЛА по бортовому пеленгу и угловой скорости линии визирования, kj - коэффициент, определяющий максимально допустимую величину сигнала управления. Также попадание ракеты в цель при методе Меркулова / Милякова напрямую зависит от угла пеленга f, скорости сближения г = Усб и текущего расстояния между ракетой и целью г.
При исследовании данного метода была показана сильная зависимость от подбора представленных выше коэффициентов q^, qa) и kj, при изменении которых ракета могла и вовсе не поражать цель. Метод Меркулова / Милякова имеет незначительное влияние на промах ракеты h от изменения значения перегрузки цели пс (таблица 9), но при этом при данном методе ракета имеет большие значения перегрузки ракеты пр, промаха ракеты h и изменения ограничений рулевого привода (таблицы 9-11) по сравнению с методом Кириллова / Токаря, хоть и поражает цель.
Было проведено исследование всех трех методов на поражение маневрирующей цели (маневр «змейка»). Было выяснено, что все три метода поражают цель, но метод Кириллова / Токаря [12] и метод пропорционального наведения [4] имеют наиболее близкие к нулю значения промаха, метод Меркулова / Милякова [19] имеет наибольшее значение промаха (таблица 14).
Таблица 14
Метод Промах, h
Пропорционального наведения 1.575*10-4
Кириллова / Токаря -1.473*10-4
Меркулова / Милякова 0.2884
Также было выяснено, что метод Кириллова / Токаря [12] имеет наиболее близкое к нулю значение перегрузки, чем метод пропорционального наведения [4] и метод Меркулова / Милякова [19] (таблица 15).
Таблица 15
Метод Перегрузка ракеты, пр
Пропорционального наведения -29.5
Кириллова / Токаря 2.357
Меркулова / Милякова -62.16
Для поражение маневрирующей цели были смоделированы траектории классических методов наведения, таких как метод погони, прямого наведения и параллельного сближения. Необходимо отметить, что для поражения
маневрирующих целей данные методы неэффективны, т.к. ракета при этих методах не попадает в цель (рис. 2.34-2.36).
Таким образом по проведенным исследованиям можно сказать, что метод Кириллова С.Н. и Токаря А.Д. [12] является наиболее эффективным методом для поражения целей аэробаллистического типа и маневрирующих целей, т.к. имеет наилучшие показатели точности.
