PL242078B1 - Układ stabilizacji trajektorii pocisku - Google Patents

Abstract

Układ stabilizacji trajektorii pocisku zawiera umieszczony wewnątrz korpusu (10) pocisku układ prowadzący z co najmniej jedną prowadnicą wzdłużną, na której osadzony jest przesuwnie wodzik. Prowadnica wzdłużna wyposażona jest w siłownik elektryczny zasilany przez układ sterowania. Układ prowadzący posiada poziomą prowadnicę wzdłużną oraz poprzeczną prowadnicę wzdłużną, przy czym pozioma prowadnica wzdłużna i poprzeczna prowadnica wzdłużna są ze sobą sprzężone przesuwnie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ stabilizacji trajektorii pocisku, w szczególności silnie wirującego pocisku rakietowego.

Jednym z podstawowych zagadnień techniki rakietowej jest precyzyjne trafienie pociskiem w zadany cel. W przypadku pocisków rakietowych - wirujących wokół osi podłużnej z prędkością co najmniej kilkunastu obr/s - ich strefa rozrzutu, tj. odchylenie rzeczywistego punktu upadku rakiety od punktu przewidywanego, jest dodatkowo zwiększona ze względu na obecność siły bezwładności Coriolisa.

W stanie techniki znane są różne rozwiązania służące stabilizacji i kontroli odchylenia lotu od zadanej trajektorii poruszającego się pocisku. Jedną z takich metod jest działanie bazujące na mechanizmie poruszającej się masy, której przemieszczenie realizowane jest za pomocą siłownika elektrycznego. Rozwiązania takie szczegółowo omówione zostały w wielu publikacjach naukowych, przykładowo: „A variable stability projectile using an internal moving mass.” (J. Rogers, M. Costello; 2009). Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part G: Journal of Aerospace, 223(7), strony 927-938. https://doi.org/10.1243/09544100JAERO509; „Moving mass trim control for aerospace vehicles” (B.A. Rainwater, S.A. Kerr; 1994), Journal of Guidance Control and Dynamics 1(5):7-9. https://doi:10.2514/3.21746 czy też „Moving mass trim control for aerospace vehicles” (R.D.III Robinett R. D. III, B. R. Sturgis, S.A. Kerr; 1996), Journal of Guidance, Control and Dynamics, 19 (5), strony 1064-1070. https://doi.org/10.2514/3.21746.

Ponadto w dokumencie US5788180 A ujawniony jest układ umieszczonej wewnątrz pocisku ruchomej masy sprzężonej z elektromagnesem, za pomocą którego przemieszczana jest ona wzdłuż osi podłużnej pocisku lub osi do niej prostopadłej. Podobnie w dokumencie US4577812 A zespół masy kontrolującej przechylenie pocisku umieszczony na jego rufowym końcu, w osłonie cieplnej. Wspomniany zespół masy zawiera środki do przechylania głównej osi bezwładności wspomnianego pocisku w płaszczyźnie prostopadłej do przesunięcia środka ciężkości pocisku.

Zgodnie z opisanymi powyżej rozwiązaniami przemieszczenie masy odbywa się wzdłuż wyłącznie jednej osi: tj. równoległej lub prostopadłej do osi podłużnej pocisku. Działanie takie pozwala na zmianę położenia środka masy ciężkości pocisku jak również skutkuje zwiększeniem jego manewrowości jednakże nie umożliwia niwelacji momentu odchylającego, który to powstaje w wyniku oddziaływania siły Coriolisa.

W uzupełnieniu opisanej powyżej techniki zmiany toru lotu pocisku w oparciu o przemieszczającą się wzdłuż jednego kierunku masę stosowane są układy sprzężenia dynamicznego. W tego typu rozwiązaniach masa ma możliwość ruchu wzdłuż osi poprzecznej (tj. prostopadłej do osi podłużnej rakiety) oraz dodatkowo wykonuje ruch drgający, realizowany przy użyciu siłownika elektrycznego. Sprzężenie dynamiczne pomiędzy ruchem drgającej masy oraz ruchem obrotowym rakiety powoduje powstanie momentu siły, który pozwala na zwiększenie możliwości sterowania rakietą. Jednak stosowanie periodycznego ruchu drgającego ruchomej masy powoduje opóźnienia korekty sterowania trajektorii pocisku, przez co wymagane jest wcześniejsze odpowiednie zmniejszenie lub zwiększenie okresu oscylacji i/lub ich drgań, co skutkować może znacznym odchyleniem od zadanej trajektorii lotu.

Rozwiązaniem, które także umożliwia zapewnienie równowagi wirującego pocisku jest konstrukcja bazująca na zasadzie działania giroskopu. W rozwiązaniu tym wewnątrz rakiety znajduje się dysk obracający się względem korpusu rakiety. Oś obrotu dysku nie przechodzi przez jego środek masy lub jego płaszczyzna nie jest prostopadła do osi podłużnej rakiety, w związku z czym podczas jego obrotu następuje zmiana momentu pędu dysku, powodująca wytworzenie momentu siły.

Stosowanie obracającego się dysku wymusza jednak konieczność zmian w orientacji przestrzennej dysku co zwiększa złożoność konstrukcyjną pocisku. Z tego względu rozwiązanie takie jest niemożliwe do zastosowania w pociskach wystrzeliwanych z luf, gdzie występujące w trakcie wystrzału wysokie przyspieszenia wymuszają jak największą prostotę w jego budowie. Co istotne również - uzyskiwana w tym przypadku manewrowość pocisku jest przeważnie nieporównywalna względem parametrów osiąganych w układach ruchomej masy. Ponadto, wymagane jest w tym przypadku przeprowadzanie bardzo precyzyjnych pomiarów prędkości kątowych i orientacji przestrzennej dysku co komplikuje sterowanie ruchu pocisku. W związku z tym prowadzone prace miały charakter teoretyczny.

Celem wynalazku jest zaproponowanie nowego i ulepszonego rozwiązania układu stabilizacji pocisku bazującego na ruchomej masie, w którym niwelowane są skutki oddziaływania siły bezwład ności Coriolisa. Dodatkowo, celem wynalazku jest zapewnienie prostej konstrukcji pocisku, pozbawionej dodatkowego i skomplikowanego oprzyrządowania do sterowania jego trajektorii.

Układ stabilizacji trajektorii pocisku według wynalazku zawiera umieszczony wewnątrz korpusu pocisku układ prowadzący z co najmniej jedną prowadnicą wzdłużną, na której osadzony jest przesuwnie wodzik, przy czym prowadnica wzdłużna wyposażona jest w siłownik elektryczny zasilany przez układ sterowania. Układ stabilizacji trajektorii pocisku charakteryzuje się tym, że układ prowadzący posiada poziomą prowadnicę wzdłużną oraz poprzeczną prowadnicę wzdłużną, przy czym pozioma prowadnica wzdłużna jest równoległa względem osi podłużnej pocisku a poprzeczna prowadnica wzdłużna jest do niej prostopadła. Dodatkowo, pozioma prowadnica wzdłużna i poprzeczna prowadnica wzdłużna są ze sobą sprzężone przesuwnie. Zastosowanie przesuwnego układu dwóch wzajemnie prostopadłych prowadnic umożliwia zmianę położenia wodzika w płaszczyźnie dwuwymiarowej co pozwala na skuteczne i proste niwelowanie odchylenia w trajektorii pocisku powstałego na skutek oddziaływania siły Coriolisa.

Korzystnie, gdy wodzik osadzony jest na poziomej prowadnicy wzdłużnej, która przesuwna jest względem poprzecznej prowadnicy wzdłużnej.

Korzystnie także, gdy wodzik osadzony jest na poprzecznej prowadnicy wzdłużnej, która przesuwna jest względem poziomej prowadnicy wzdłużnej.

Korzystnie jest, gdy siłowniki elektryczne poziomej prowadnicy wzdłużnej i poprzecznej prowadnicy wzdłużnej zasilane są przez baterie termiczne, które sprzężone są z układem sterowania.

Również korzystnie, gdy układ sterowania obejmuje co najmniej jeden czujnik prędkości liniowej oraz co najmniej jeden czujnik prędkości kątowej, które sprzężone są z komputerem pokładowym.

Korzystnie, gdy układ sterowania zawiera trzy czujniki prędkości liniowej oraz trzy czujniki prędkości kątowej.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony został w przykładach wykonania oraz na rysunku, na którym fig. 1a przedstawia pocisk z układem stabilizacji trajektorii pocisku według pierwszego przykładu wykonania wynalazku, fig. 1b przedstawia powiększony widok szczegółu A z fig. 1a, fig. 2a przedstawia pocisk z układem stabilizacji trajektorii pocisku według drugiego przykładu wykonania wynalazku oraz fig. 2b przedstawia powiększony widok szczegółu A z fig. 2a.

Jak przedstawiono na rysunku wewnątrz korpusu 10 pocisku umieszczony jest układ stabilizacji trajektorii pocisku bazujący na zasadzie ruchomej masy. Układ stabilizacji trajektorii pocisku obejmuje układ prowadzący, który sprzężony jest z układem sterowania.

Układ prowadzący wyposażony jest w podłużną prowadnicę wzdłużną 2 oraz prostopadle usytuowaną do niej poprzeczną prowadnicę wzdłużną 3. Obie prowadnice sprzężone są ze sobą przesuwnie przez co zapewniona jest zmiana ich wzajemnego położenia.

Zgodnie z przykładem wykonania prezentowanym na fig. 1a i 1b na podłużnej prowadnicy wzdłużnej 2 osadzony jest przesuwny względem niej wodzik 1. Ponadto, podłużna prowadnica wzdłużna 2 jest przesuwna względem poprzecznej prowadnicy wzdłużnej 3. W zależności od zadanej zmiany pionowego położenia podłużnej prowadnicy wzdłużnej 2 - pozostaje ona stale w położeniu równoległym względem osi podłużnej pocisku, podczas gdy poprzeczna prowadnica wzdłużna 3 jest usytuowana prostopadle do wspomnianej osi.

Ruch wodzika 1 względem poziomej prowadnicy wzdłużnej 2 oraz ruch poziomej prowadnicy wzdłużnej 2 względem poprzecznej prowadnicy wzdłużnej 3 wywoływany jest odpowiednio za pomocą dwóch siłowników elektrycznych 4’ i 4”. Zgodnie z przykładem wykonania siłownik elektryczny 4’ służy do zapewnienia zadanego położenia wodzika 1 wzdłuż poziomej prowadnicy wzdłużnej 2, natomiast siłownik elektryczny 4” - realizuje zmianę zadanego położenia poziomej prowadnicy wzdłużnej 2 względem poprzecznej prowadnicy wzdłużnej 3. Oba siłowniki elektryczne 4’ i 4” zasilane są przez baterie termiczne 5.

Oprócz omówionego powyżej przykładu wykonania oczywista według wynalazku jest również konfiguracja, w której wodzik 1 porusza się wzdłuż poprzecznej prowadnicy wzdłużnej 3, przesuwnej względem poziomej prowadnicy wzdłużnej 2 w kierunku do niej prostopadłym. Kluczowym dla wynalazku jest bowiem, aby wodzik 1 miał możliwość ruchu względem jednej z prowadnic wzdłużnych oraz aby ta prowadnica miała możliwość ruchu wzdłuż prostopadłej do niej drugiej prowadnicy. Omówiony drugi przykład wykonania wynalazku przedstawiony jest na fig. 2a i 2b.

Baterie termiczne 5 dodatkowo stanowią źródło zasilania dla układu sterowania pocisku obejmującego czujniki prędkości liniowej 6 i czujniki prędkości kątowej 7 jak również komputer pokładowy 8. Zgodnie z wynalazkiem korzystny jest układ posiadający trzy czujniki prędkości liniowej 6 oraz

- analogicznie - trzy czujniki prędkości kątowej 7 - które ze względu na czytelność rysunku nie zostały szczegółowo pokazane w prezentowanym na nim przykładzie wykonania. Oczywiste jednak dla znawcy dziedziny wynalazku będzie, iż zastosowanie trzech czujników zarówno dla wskazań prędkości liniowej jak i prędkości kątowej pozwala na wyznaczenie podstawowych informacji nawigacyjnych takich jak: orientacja przestrzenna czy składowe prędkości liniowej względem ziemi. Na podstawie tych informacji komputer pokładowy 8 wyznacza wartość siły bezwładności Coriolisa oraz wynikający z niej moment siły, a następnie oblicza położenie wodzika 1 do zniwelowania efektu Coriolisa. Za pośrednictwem wbudowanego w komputerze pokładowym 8 kontrolera (nie pokazano na rysunku) informacja ta przetwarzana jest na napięcia wejściowe siłowników elektrycznych 4’ i 4”, które to poprzez ruch ich tłoczysk (nie pokazano) o zadane odległości, zapewniają pożądaną zmianę poziomego i pionowego położenia wodzika 1.

Osie pomiarowe trzech czujników prędkości liniowej 6 ustawione powinny być wzajemnie do siebie prostopadle (nie pokazano na rysunku), przy czym jedna z osi przebiegać musi równolegle względem osi podłużnej pocisku. Zasadniczo również, czujniki prędkości liniowej 6 i czujniki prędkości kątowej 7 znajdować się mogą w dowolnym miejscu w korpusie 10 pocisku, jednak odległość pomiędzy odpowiednimi czujnikami prędkości liniowej 6 a czujnikami prędkości kątowej 7 nie powinna być większa niż kilkadziesiąt milimetrów. Przyspieszenie zmierzone w punkcie zamocowania pojedynczego czujnika prędkości liniowej 6 przeliczone jest na wartość w środku masy pocisku.

Zamiast układu nawigacji bezwładnościowej do pomiaru prędkości lotu oraz pozycji pocisku możliwe jest zastosowanie sygnału z układu GPS. Orientacja przestrzenna może zostać estymowana poprzez pomiar składowych pola magnetycznego z wykorzystaniem trzech magnetometrów o osiach ustawionych prostopadle do siebie. Wyznaczenie kąta przechylenia może być dokonane z użyciem czujnika światła poprzez pomiar różnicy natężenia oświetlenia w miarę wykonywania obrotu.

Przedmiotowy wynalazek nie ogranicza się tylko do przedstawionych powyżej przykładów wykonania. Możliwe są różne jego modyfikacje i rozwinięcia w ramach załączonych zastrzeżeń patentowych, bez odejścia od istoty wynalazku.

Claims (6)

Zastrzeżenia patentowe

1. Układ stabilizacji trajektorii pocisku zawierający umieszczony wewnątrz korpusu 10 pocisku układ prowadzący z co najmniej jedną prowadnicą wzdłużną, na której osadzony jest przesuwnie wodzik 1, przy czym prowadnica wzdłużna wyposażona jest w siłownik elektryczny zasilany przez układ sterowania, znamienny tym, że układ prowadzący posiada poziomą prowadnicę wzdłużną (2) oraz poprzeczną prowadnicę wzdłużną (3), przy czym pozioma prowadnica wzdłużna (2) jest równoległa względem osi podłużnej pocisku a poprzeczna prowadnica wzdłużna (3) jest do niej prostopadła, oraz tym, że pozioma prowadnica wzdłużna (2) i poprzeczna prowadnica wzdłużna (3) są ze sobą sprzężone przesuwnie.

2. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wodzik (1) osadzony jest na poziomej prowadnicy wzdłużnej (2), która przesuwna jest względem poprzecznej prowadnicy wzdłużnej (3).

3. Układ według zastrz. 1, znamienny tym, że wodzik (1) osadzony jest na poprzecznej prowadnicy wzdłużnej (3), która przesuwna jest względem poziomej prowadnicy wzdłużnej (2).

4. Układ według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że siłowniki elektryczne (4’, 4”) poziomej prowadnicy wzdłużnej (2) i poprzecznej prowadnicy wzdłużnej (3) zasilane są przez baterie termiczne (5), które sprzężone są z układem sterowania.

5. Układ według zastrz. 1 albo 4, znamienny tym, że układ sterowania obejmuje co najmniej jeden czujnik prędkości liniowej (6) oraz co najmniej jeden czujnik prędkości kątowej (7), które sprzężone są z komputerem pokładowym (8).

6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że układ sterowania zawiera trzy czujniki prędkości liniowej (6) oraz trzy czujniki prędkości kątowej (7).