. Длительный срок службы
Эта особенность относится в первую очередь к материалам, используемым в качестве топлива для всевозможных установок и устройств, расположенных на борту ЛА. Также здесь предполагается применение максимально надежных деталей и элементов, используемых при создании ЛА.
Рассмотрев возможные особенности и ограничения, изложенные выше, можно сделать вывод, что выбор опорного варианта ЛА является основополагающей и комплексной задачей, предполагающей наличие серий компромиссов, направленных на сглаживание противоречий, возникающих при оценке характеристик ЛА с помощью критериев качества. Следует отметить тот факт, что ошибка в выборе облика ЛА не может быть исправлена на последующих этапах проектирования, что делает эту задачу наиболее ответственной из всех, решаемых задач для создания современного перспективного ЛА.
Выбор аэродинамической схемы ЛА
Центральной задачей синтеза облика является выбор схемы ЛА - важнейшей комплексной характеристики облика, которая определяет способ создания управляющих сил и моментов, обеспечивающих управляемый полет. В зависимости от специфики применения ЛА схемы различаются способами создания управляющих сил и моментов, т.о. существуют:
· Аэродинамическая схема
· Газодинамическая схема
· Комбинированная (аэрогазодинамическая) схема
Широкое применение в разработке ракет класса «воздух-воздух» получили аэродинамические схемы, ввиду требований наилучшего заполнения, надежности и простоты эксплуатации, удобства хранения и простоты изготовления.
Аэродинамические схемы ЛА как правило классифицируются по единственному признаку - расположению несущих поверхностей и органов управления и стабилизации. На сегодняшний день основными аэродинамическими схемами ЛА, применяемыми для авиационных
управляемых ракет (АУР) являются:
· Нормальная схема
· Схема «утка»
· Схема «бесхвостка»
· Схема с поворотным крылом
Ниже следует краткое описание характера этих схем.
Нормальная схема
Характерной чертой данной схемы является
расположение несущих поверхностей вблизи центра масс ЛА, а органов управления и
стабилизации на значительном расстоянии сзади. Изображение данной схемы
представлено на рисунке 1.1.
Рисунок 1.1. Нормальная схема
Схема «утка»
Особенностью схемы является расположение
рулей перед несущими поверхностями и центром масс. На рисунке 1.2 приведено
изображение схемы.
Рисунок 1.2. Схема «утка»
Схема «бесхвостка»
Схема характеризуется применением
треугольных крыльев малого удлинения с большим сужением и дозвуковой передней
кромкой для снижения индуктивного сопротивления. Крылья имеют большую бортовую
хорду, которая позволяет вовлекать значительную часть корпуса в создание
подъемной силы за счет интерференции с крыльями. Органы управления организованы
заодно с крыльями, в виде элеронов. Изображение данной схемы представлено на
рисунке 1.3.
Рисунок 1.3. Схема «бесхвостка»
Схема с поворотным крылом
Несущие поверхности данной схемы
расположены впереди от центра масс, они же являются органами управления, сзади
располагаются стабилизаторы. На рисунке 1.4 изображена схема с поворотными крыльями.
Рисунок 1.4. Схема с поворотным крылом
Данные аэродинамические схемы имеют свои достоинства и недостатки, которые следует учитывать при проектировании ЛА. Далее следует краткий анализ основных характеристик и выводы.
Сравнение основных характеристик аэродинамических схем
Оценка несущей способности
Несущая способность ЛА - это максимальная
подъемная сила, создаваемая сбалансированным ЛА. Математически данная
характеристика представляется выражением:
где - коэффициент потерь на балансировку, характеризующий относительную долю и знак подъемной силы, создаваемой органами управления.
Анализ различных схем показывает, что наибольшее значение максимальной подъемной силы в балансировочном режиме имеет схема «бесхвостка». Это осуществляется за счет увеличенной длины бортовой хорды крыла, которая позволяет вовлекать значительную часть корпуса в создание подъемной силы. Нормальная схема и схема «утка» имеют примерно одинаковые показатели несущей способности. Худшее значение подъемной силы наблюдается у схем с поворотными крыльями.
Оценка аэродинамического качества
Аэродинамическим качеством ЛА называется
отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления
Значение аэродинамического качества ЛА определяет энергетические затраты при полете, летные характеристики (максимальную дальность), а также маневренные свойства.
Сравнение схем по данному параметру целесообразно проводить при постоянном коэффициенте подъемной силы (. Очевидно, что максимальное значение аэродинамического качества будет наблюдаться у схемы с минимальным коэффициентом лобового сопротивления. С этой точки зрения выигрышной является нормальная схема, так как угол атаки на рулях вычитается из общего угла атаки, что сводит индуктивное сопротивление к минимуму, относительно других схем. Обратная картина наблюдается для схемы «утка». Однако худшее значение аэродинамического качества имеет схема с поворотными крыльями.
Оценка продольной статической устойчивости
Летательный аппарат называют статически устойчивым, если момент аэродинамических сил, возникающий при угловом отклонении от положения равновесия, направлен в сторону положения равновесия.
Для оценки продольной статической
устойчивости различных схем воспользуемся понятием степени продольной
статической устойчивости. Степень продольной статической устойчивости
определяется расстоянием между центром тяжести ЛА и фокусом, выраженным в долях
САХ, либо в долях длины фюзеляжа.
Ниже приведены статистические значения степени статической устойчивости для каждой из схем:
· Нормальная схема
· Схема «утка»
· Схема с поворотным крылом
· Схема «бесхвостка»
Оценка величины шарнирных моментов
Величина шарнирных моментов оказывает прямое влияние на массу рулевых приводов и источников питания для них.
Если предположить, что зависимость между
величиной шарнирного момента МШ и углами α и δ линейная, то
соответствующее выражение будет иметь вид:
Анализ данного приближенного выражения показывает, что минимальное значение шарнирных моментов наблюдается в нормальной схеме, так как габариты органов управления малы, а знаки углов α и δ противоположны.
Наибольших значений, шарнирные моменты достигают в схеме с поворотными крыльями из-за очевидного превышения габаритов рулей в других схемах.
Оценка продольного демпфирования
Как известно демпфирующие моменты возникают при колебаниях ЛА относительно оси OZ, их оценку рационально проводить с точки зрения величины вращательных производных .
Наименьшие значения этих производных наблюдаются в нормальной схеме, так как крылья расположены вблизи центра масс, а рули имеют малую площадь.
Наибольшие значения вращательных производных имеют место в схеме с поворотными крыльями.
Моменты крена от косой обдувки
Возникают при несимметричном обтекании крыльев и корпуса, при одновременном управлении по двум продольным каналам и маневре ракеты.
Наибольшие значения таких моментов возникают в схемах «утка» и с поворотными крыльями, а наименьшие соответственно в нормальной схеме и схеме «бесхвостка».
Сравнение динамических характеристик различных схем
Для оценки и сравнения динамических свойств ЛА различных аэродинамических схем проведем анализ свойств передаточных коэффициентов и переходных процессов.
Передаточные коэффициенты по углу атаки и нормальной перегрузке
Данные параметры играют важную роль при проектировании системы управления (СУ). Они характеризуют управляемость ЛА.
Передаточный коэффициент по углу атаки
равен балансировочному отношению:
Передаточный коэффициент по нормальной
перегрузке - отношение балансировочной управляющей силы к весу ЛА и углу отклонения
руля:
С позиции СУ, необходимо, чтобы диапазон изменения в процессе полета был как можно меньше. Известно, что интенсивность изменения передаточного коэффициента существенно зависит от степени статической устойчивости ЛА. Отсюда можно сделать вывод, что схема с поворотным крылом, имеющая наибольшую степень продольной статической устойчивости, может обеспечить наименьший диапазон изменения передаточного коэффициента по нормальной перегрузке.
Следует отметить, что для передаточного коэффициента по углу атаки прослеживается похожая зависимость от степени продольной статической устойчивости.
Оценка качества переходных процессов
Для оценки данной динамической характеристики рассмотрим переход из одного установившегося режима полета в другой при ступенчатом отклонении органов управления. Переходный процесс - это промежуточный участок полета ЛА, по окончании которого устанавливается новый режим полета. Для оценки и описания качества переходных процессов пользуются следующими характеристиками:
· быстрота реакции ЛА на отклонение органов управления
· динамические забросы перегрузки
· быстрота затухания переходных процессов.
Быстрота реакции ЛА на отклонение органов управления
Этот показатель определяется двумя факторами:
· величиной
· периодом собственных колебаний TС
Чем быстрее ЛА реагирует на отклонение рулей, тем больше величина . С этой точки зрения выигрышной является схема с поворотными крыльями. Значительно хуже по этому показателю схема «утка» и еще хуже нормальная схема и схема «бесхвостка».
По статистике наибольшая перегрузка достигается через половину периода после начала переходного процесса. Таким образом меньшему значению периода свободных колебаний, соответствует большее значение интенсивности нарастания перегрузки.
Здесь также схема с поворотными крыльями преобладает по этому показателю над остальными. Худшими также являются нормальная схема и схема «бесхвостка.
Динамические забросы перегрузки
Относительным забросом перегрузки, или
перерегулированием по перегрузке называют величину:
Из приведенного выражения легко выражается максимальная перегрузка в переходном процессе . Из этого следует, что чем меньше величина , тем соответственно меньше . Таким образом, уменьшая , появляется возможность облегчить конструкцию планера.
В схеме с поворотными крыльями заброс перегрузки меньше, чем в других схемах, из-за больших значений ᴂ. Худшими опять же являются «бесхвостка» и нормальная схема.
Быстрота затухания переходного процесса
Так как наибольшие демпфирующие моменты возникают у аппаратов с поворотными крыльями, то и переходные процессы при этой схеме затухают быстрее всего. Наименьший коэффициент затухания имеет место у аппаратов нормальной схемы, а схемы «утка» и «бесхвостка по этому признаку занимают промежуточное положение.
Вывод об оценке качества переходных процессов
Обобщая все выше написанное, можно сделать вывод о том, что схема с поворотными крыльями обеспечивает наилучшее качество переходных процессов. Схема «утка», хотя и уступает по качеству переходных процессов схеме с поворотными крыльями, но все же имеет некоторые преимущества перед обычной схемой.
На рисунке 1.5 изображены виды переходных
процессов для каждой из рассматриваемых схем. 1 - нормальная схема, 2 -
«бесхвостка, 3 - «утка», 4 - схема с поворотным крылом.
Рисунок 1.5. Виды переходных процессов
Нормальная схема
Достоинства:
· высокое аэродинамическое качество
· малые шарнирные моменты рулей
· простое управление по крену
Недостатки:
· Рули находятся в скошенном крылом потоке
· Трудности с размещением рулевых приводов.
· Динамика установления перегрузки хуже, чем в других схемах
Схема «утка»
Достоинства:
· рули в невозмущенном потоке
· удобство компоновки
Недостатки:
· низкое аэродинамическое качество
· трудность в стабилизации по крену
Схема «бесхвостка»
Достоинства:
· высокая несущая способность
· хорошие условия подвески
· простое управление по крену
Недостатки:
· излишняя статическая устойчивость
· несколько большая масса по сравнению с «обычной схемой»
· существует потеря подъёмной силы на балансировку
Схема с поворотным крылом
Достоинства:
· хорошие условия для применения ПВРД
· быстрота образования подъёмной силы
· схема обладает высокой маневренностью
Недостатки:
· низкая несущая способность.
· большой шарнирный момент.
· худшее аэродинамическое качество
В результате анализа аэродинамических схем и специфики применения проектируемого ЛА, принимая во внимание, то что ракета должна обеспечивать перехват цели на расстоянии свыше 100 км, то в качестве опорного варианта аэродинамической схемы была выбрана - нормальная аэродинамическая схема.
Данная схема, по сравнению с остальными обладает наибольшим аэродинамическим качеством, а значит, применение данной схемы способствует увеличению дальности поражения цели при прочих равных условиях.
Выбор типа двигательной установки
Для классификации современных двигательных
установок управляемых ракет воспользуемся методом дихотомии - разделим все
существующие двигательные установки на две взаимоисключающие друг друга группы.
Критерием такого деления выберем тип топлива двигательной установки. На
сегодняшний день известно два типа топлива для современных управляемых ракет -
жидкое и твердое. Таким образом, получены два типа установок - ДУ на жидком
топливе и ДУ на твердом топливе. Исходя из требований на хранение и габариты ЛА
класса «воздух-воздух» следует невозможность применения ДУ на жидком топливе. В
свою очередь ДУ на твердом топливе применяемые для ракет класса «воздух-воздух»
возможно, выполнить в двух вариантах - ракетные двигатели твердого топлива
(РДТТ) и ракетно-прямоточные двигатели твердого топлива (РПДТ). На рисунке 1.6
представлены типовые схемы этих двигателей.
Рисунок 1.6. Типовые схемы рассматриваемых
двигателей: а) РДТТ; б) РПДТ
Сравнение характеристик РПДТ и РДТТ показывает, что удельные импульсы ракетно-прямоточных двигателей существенно выше ракетных, однако РПДТ имеют значительно большую массу и габариты, а также имеют ограничения по углам атаки.