Устойчивость и управляемость зенитных ракет в полете

Важными свойствами, характеризующими ЗУР, являются ее устойчивость. Эти свойства тесно взаимосвязаны.

Под устойчивостью ракеты в полете понимают ее способность возвращаться к движению по требуемой траектории наведения на цель после того, как прекращается действие возмущающих причин, вызвавших отклонение от этой траектории. Чем быстрее ракета возвращается к заданному движению после случайного его возмущения, тем выше ее устойчивость. Необходимые условия устойчивости – наличие восстанавливающих сил и моментов, а также демпфирование возмущенного движения. Устойчивость обеспечивается различными мерами стабилизации.

При угловой стабилизации ракеты в полете аэродинамический стабилизирующий момент является восстанавливающим. Демпфирование осуществляется демпфирующим моментом. Однако хорошее качество стабилизации с помощью одних только аэродинамических моментов удается получить не всегда. Поэтому в ЗУР часто применяют еще и систему автоматической стабилизации, входящую в состав системы управления. Если же полет совершается за пределами плотных слоев атмосферы, то такая стабилизация становится совершенно необходимой. В большинстве случаев задачи стабилизации могут выполняться теми же органами, которые служат для создания управляющих сил и моментов.

Управляемостью ракеты называется ее способность реагировать формированием и изменением управляющих сил на команды, вырабатываемые системой управления. Чем быстрее возникают требуемые управляющие силы в ответ на команды, поступившие на органы управления, тем выше управляемость ракеты. Условием, обеспечивающим хорошие характеристики ракеты по управляемости, является достаточная эффективность органов управления. Взаимосвязь понятий устойчивости и управляемости ясна из такого примера. Допустим, ракета летит при нулевых углах атаки и скольжения. При появлении необходимости искривить траекторию в плоскости XOY на рули поступает команда, и они отклоняются в соответствии с ее величиной на некоторый угол. Возникший управляющий момент, зависящий от угла отклонения рулей, вызовет появление угла атаки. По мере увеличения угла атаки будет возрастать и стабилизирующий момент, который зависит от этого угла и направлен прямо противоположно управляющему моменту. Когда величины моментов сравняются, ракета будет иметь вполне определенный угол атаки, который в свою очередь вызовет появление управляющей подъемной силы требуемой величины.

Нужно заметить, что по мере возрастания угла атаки и стабилизирующего момента управляющий момент тоже немного изменяет свою величину при сохранении постоянства угла отклонения рулей относительно планера, так как рули будут менять свое угловое положение по отношению к набегающему воздушному потоку вместе с изменением угла атаки планера. При этом если планер выполнен по нормальной схеме, то угол отклонения рулей относительно потока уменьшается, а если применена схема «утка», то он увеличивается. Таким образом, равенство моментов, которое наступит при некотором угле атаки, будет соответствовать не первоначальной, а несколько измененном величине управляющего момента. Это изменение должно быть заранее учтено в команде, выдаваемой системой управления.

Посмотрим, как скажется на величине подъемной силы изменение аэродинамических характеристик планера, связанных со стабилизирующим моментом, таких, как расстояние между центром давления и центром тяжести или площадь стабилизирующих поверхностей. Булем считать, что величина команды и характеристики рулей при этом не изменились. Если планер перестроить так, что при одном и том же угле атаки стабилизирующий момент будет больше, чем до изменения, то с ростом угла атаки Mст увеличивается быстрее и сравняется с Мупр при меньшем значении угла. Но так как величина подъемной силы прямо зависит от угла атаки, очевидно, она тоже будет меньше, чем в первом случае. Поскольку при одинаковой величине команды во втором случае управляющая сила меньше, управляемость ракеты явно ухудшится. Перестройка планера привела к увеличению восстанавливающих сил и моментов, поэтому аэродинамическая устойчивость ракеты стала выше. Следовательно, улучшение аэродинамической устойчивости привело к ухудшению управляемости ракеты. В этом смысле иногда говорят, что «устойчивость противоположна управляемости».

Какова же в этом случае роль демпфирующих сил? Если при перестройке планера его демпфирующие характеристики улучшатся, то при увеличении в соответствии с командой угла атаки момент Мдбудет тормозить движение, сопротивляться ему. Ракета будет медленнее приходить к новому угловому положению. Демпфирующий момент, казалось бы, ухудшает ее управляемость. Однако при его отсутствии ракета совершала бы незатухающие колебания около требуемого угла атаки и вместе с ним колебательный характер имела бы и управляющая сила. Центр тяжести ракеты описывал бы периодическую кривую около заданной траектории. Наличие демпфирующего момента приводит к быстрому затуханию угловых колебаний ракеты, к равновесию Mynp и Mст, к определенному значению угла атаки и подъемной силы. При конструировании ЗУР стремление получить хорошие характеристики ракеты по аэродинамической устойчивости могут привести к значительному снижению управляемости. Ракета станет чрезмерно стабилизированной. Управляемость может снизиться настолько, что выполнить наведение ракеты на цель, имеющую заданные летные характеристики, окажется невозможным. Тогда конструктор бывает вынужден принимать такие меры, как, например, помещать дополнительные поверхности – дестабилизаторы – в головной части, как это иногда делается в схеме «бесхвостка», и т. д. Но при этом можно не добиться нужных характеристик по управляемости только аэродинамическими средствами. Тогда применяется автоматическое восстановление и демпфирование, выполняемое каким-либо автоматом стабилизации. В ЗУР эти задачи решаются автопилотом, входящим в состав бортовой аппаратуры системы управления.

Автопилот является системой автоматической стабилизации ракеты в полете. Кроме того, он участвует в наведении ракеты на цель. Команды наведения, поступающие на автопилот, суммируются с сигналами стабилизации и подаются на исполнительные органы (рули) в виде команд управления. Автопилот должен обеспечивать устойчивость движения ЗУР с учетом ее собственной аэродинамической устойчивости независимо от режима полета. Кроме того, он должен допускать возможность изменения режима полета и траектории ракеты, т. е. обеспечивать достаточную управляемость ЗУР. Таким образом, противоречивость требований устойчивости и управляемости ракеты находит свое разрешение в автопилоте, конструкция которого в сочетании с аэродинамическими характеристиками ЗУР позволяет добиться повышения устойчивости при хорошей управляемости.

Свойства управляемости определяют такое важное качество ракеты, как маневренность. Маневренностью ракеты называют быстроту изменения скорости полета по направлению и по величине. Для оценки возможности ракеты выполнить требуемые криволинейные траектории ее маневренность достаточно характеризовать величинами перегрузок по направлению осей OY и OZ. Перегрузкой называется отношение подъемной (боковой) силы к весу ракеты. Она показывает, во сколько раз ускорение ракеты в данном направлении больше или меньше ускорения силы тяжести. Сравнивая величину перегрузки, получаемой при наибольшей возможной команде, с требуемой для выполнения заданной траектории, можно установить, способна ли ракета данной конструкции описать траекторию нужной кривизны.