Задача о движении снаряда в безвоздушном пространстве

Учебное пособие по лабораторным работам

Москва

МАИ - 2014

Недостаточно только знаний,

необходимо также их применение.

И. Гете

ПРЕДИСЛОВИЕ

    Целью проведения лабораторных работ по дисциплине ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ является поэтапное решение задач баллистики отделяемых средств (ОС) на конечном этапе задачи наведения прицельно-навигационным комплексом вертолетов и беспилотных ЛА (БЛА) и оценки эффективности применения ОС, где в качестве ОС рассматриваются неуправляемые авиационные ракеты (НУР) и авиационные бомбы (АБ), стоящие на вооружении Российской Федерации и стран НАТО, со сравнительным анализом их характеристик точности при отделении ОС с различных высот, для реализации комплексной задачи с программным кодом в курсовой работе по указанной дисциплине на тему: "Разработка алгоритмического и программного обеспечения для вертолетов и беспилотных летательных аппаратов с применением отделяемых средств ".

В основе работы лежит идея автора о перенесении ракетно-бомбового вооружения с вертолетов на БЛА.  В известных учебных пособиях рассматриваются традиционные вопросы баллистики НУР и АБ, различные методы определения характеристик точности стрельбы.

В лабораторных работах рассматривается задача создания алгоритмов и программ для систем обработки информации, содержащих комплекс датчиков полей сигналов различной физической природы и бортовых компьютеров, установленных на летательных аппаратах (ЛА) с достаточно большим временем полета и относительно небольшими скоростями и диапазоном высот.

  В качестве таких ЛА целесообразно использовать вертолеты и беспилотные летательные аппараты, включающие в свое прицельно-навигационное оборудование системы отделения груза.

 Беспилотные летательные аппараты это радиоуправляемые самолеты, применяемые для воздушной разведки, изучающие земную поверхность при помощи видеокамер и датчиков; управляемые с помощью пульта непосредственно с Земли или из какого-либо объекта (например, из бункера, находящегося на многокилометровом расстоянии от района ведения разведки).

Для комплексной системы бортового электронного оборудования ЛА (в том числе, БЛА) для связи, навигации и идентификации объектов существенно необходимой является технология самого комплексирования. Для каждого перспективного вертолета и БЛА необходимо исследовать средства объединения больших объемов данных, поступающих от различных датчиков, чтобы обеспечить надежную информацию для решения поставленных перед конкретным ЛА задач, включающих классификацию целей, выбор средств поражения и определения оптимальной траектории полета.

Повышение надежности и исключение большинства причин отказов бортового электронного оборудования может быть достигнуто за счет разработки управляемых процессорами на высокоскоростных интегральных микросхемах модулей многофункциональных систем, предназначенных для выполнения конкретных задач, с использованием меньшего количества кабелей и соединительных устройств.

Перспективный ЛА (в том числе, БЛА) должен иметь эффективную аэродинамическую конструкцию с оптимальной массой, предусматривающей широкое применение композиционных материалов на основе графита и термопластика, сочетающих высокую прочность и износостойкость при небольшой массе и стоимости. Разработки перспективных материалов для покрытий и материалов, поглощающих радиолокационное излучение, должны обеспечивать скрытность полета или уменьшение визуальных, электронных и инфракрасных демаскирующих признаков, чему также способствует применение конформных датчиков и размещение боевой нагрузки внутри ЛА (БЛА). 

Настоящее учебное пособие посвящается памяти крупного ученого в области баллистики ракет и снарядов Кочеткова Ю.А.- профессора ВВИА им. Н.Е. Жуковского, а также известных ученых в области теории систем совмещения и эффективности комплексов авиационного вооружения Шингирия И.П.- доцента кафедры №704 МАИ, Мубаракшина Р.В., Гришина А.П., Калабуховой Е.П. – профессоров кафедры № 703 МАИ.

Часть 1 Развитие БЛА и систем оснащения вертолетов на

                          примере разработок стран НАТО

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Введение

 В настоящем учебном пособии представлено разработанное автором программное обеспечение на языке программирования C++ для поэтапного совместного решения задач баллистики и оценки эффективности применения отделяемых средств (ОС), где в качестве ОС рассматриваются неуправляемые авиационные ракеты (НУР) и авиационные бомбы (АБ), стоящие на вооружении Российской Федерации и стран НАТО, со сравнительным анализом их характеристик точности при отделении ОС с различных высот.

   В основе работы лежит идея автора о перенесении ракетно-бомбового вооружения с вертолетов на беспилотные летательные аппараты (БЛА).  В известных учебных пособиях рассматриваются традиционные вопросы баллистики НУР и АБ, различные методы определения характеристик точности стрельбы.

 Первой книгой в области баллистики (науки о движении ракет, снарядов и АБ) была работа Галилея (1638 г.) о движении снаряда в безвоздушном пространстве в однородном плоском гравитационном поле.   

Научную основу баллистики заложил И. Ньютон (1643 - 1727 гг.):  второй

закон  механики и следствия из него определяют параметры траектории снаряда.

Баллистику можно рассматривать как прикладную механику тел, движущихся под действием трех сил - аэродинамической, гравитационной и реактивной.

Важный вклад Эйлера (1707 - 1783 гг.) в развитие баллистики состоит в первом решении задачи о движении снаряда под действием двух сил: аэродинамической и гравитационной. Метод численного интегрирования уравнений баллистики, разработанный Эйлером, с учетом его дальнейшего усовершенствования используется до настоящего времени, в том числе для составления таблиц стрельбы.

    Интенсивное современное развитие динамики ракет основано на трудах И.В. Мещерского (1859 - 1935гг.), который впервые получил дифференциальное уравнение движения точки переменной массы (1897 г.), и К.Э. Циолковского (1857 - 1935 гг.), который первый получил расчет прямолинейного движения точки переменной массы под действием одной реактивной силы, а также расчет вертикального полета ракеты в однородном поле силы притяжения.

Школу баллистики продолжили Д.А. Вентцель (1898 - 1955 гг.), заложивший основы теории устойчивости артиллерийских снарядов, теории поправок и теории полета авиационных бомб; В.С. Пугачев, внесший вклад в развитие теории полета артиллерийского снаряда, и впоследствии развивший теорию фильтрации, в том числе в области укороченных фильтров, возглавляя факультет № 8 Московского авиационного института, а также другие ученые.

Развитие БЛА как класса прицельно-навигационных динамических систем на примере разработок этих систем странами НАТО с середины 80-х - 90-х годов  и стоящих на вооружении в настоящее время представлено в материалах [ 1 ] - [13].

В условиях современной международной обстановки в армиях стран НАТО наблюдается повышение интереса к разработке и модернизации БЛА, способных выполнять различные боевые задачи такие, как разведка поля боя, оценка результатов и корректирование стрельбы, поиск и уничтожение неподвижных или малоподвижных целей, радиоэлектронная борьба.

 Продолжается развитие еще одного направления    применения  дронов -

для имитации самолетов и других ЛА потенциального противника - в качестве

ЛА-мишеней. Начало данного направления было положено в 80 - е годы [3].    

Так как, как правило, наблюдение с помощью датчиков сигналов полей

различной физической природы ведется в условиях естественных и искусственных помех, задачи обнаружения, распознавания и определения координат объектов и ориентиров носят вероятностный характер и решаются на основе оптимальной (для линейных систем) и субоптимальной (для нелинейных систем) теории фильтрации и обработки информации в целом.

!!!

В качестве ЛА в настоящем пособии рассматривается перспективный беспилотный летательный аппарат, включающий в свое прицельно-навигационное оборудование системы отделения груза.   Предполагается, что комплексная информационно-измерительная система такого перспективного БЛА должна содержать в своем составе инерциальную навигационную систему (в частности,  бесплатформенную), датчик спутниковой навигации, радиотехническую систему измерения высоты и составляющих скорости (доплеровские измерители скорости и угла сноса (ДИСС)), а также оптико-электронную систему технического зрения, которая может включать лазерную систему целеуказания и бомбардировочную прицельную систему.

Перспективная модель БЛА в работе выбрана на основе среднестатистической модели БЛА, способного осуществлять разведку и применение средств поражения в условиях топливо-сбережения с нахождением в воздухе до 40 часов, и имеющего заданные тактико-технические характеристики, необходимые для выполнения указанных задач.

Задача о движении снаряда в безвоздушном пространстве