Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда

 

Изобретение относится к оборонной технике, к управляемым снарядам и ракетам. Блок содержит рули и рулевые машины с электромагнитным пневмораспределителем клапанного типа, включающим в себя электромагнит с подпружиненным якорем, размещенный в корпусе пневмораспределителя. Корпус пневмораспределителя выполнен цилиндрической формы с проточными каналами по периметру корпуса, а якорь - с отверстиями цилиндрической формы, расположенными равномерно на его торцевой поверхности. Центры расположения отверстий и диаметр отверстий якоря определяются некоторыми соотношениями. Таким выполнением блока достигается уменьшение пневмонагрузки на якорь электромагнита и повышение его быстродействия, а также улучшение габаритно-массовых показателей привода, точности его работы и быстродействия. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано в электропневматических рулевых приводах и автопилотах малогабаритных управляемых снарядов и ракет.

В последнее время в рулевых приводах и автопилотах управляемых снарядов и ракет комплексов высокоточного оружия наибольшее распространение получил не имеющий аналогов в мировой практике вновь созданный тип рулевого привода - воздушно-динамический (ВДРП) [1-5], в котором используется энергия набегающего воздушного потока. Использование энергии набегающего воздушного потока позволило предельно упростить конструкцию привода и сократить массу, объем и трудоемкость привода.

Известен [6] воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда, принятый в качестве ближайшего аналога (прототипа). Воздушно-динамический блок рулевого привода содержит рули и рулевые машины с электромагнитным пневмораспределителем клапанного типа, включающим в себя электромагнит с подпружиненным якорем, размещенный в корпусе пневмораспределителя.

Элекромагнит содержит магнитопровод броневого типа с обмоткой управления и якорь в виде диска постоянной толщины, служащий одновременно клапаном, перекрывающим выходные отверстия проточных каналов пневмораспределителя.

В рулевой машине воздушно-динамического блока рулевого привода [6] используется одна из четырех наиболее распространенных схем газового распределительного устройства, а именно проточная с регулированием на выходе [7, с.86, таблица 1, вариант 4; 8, с.7, 4-й абзац снизу, ПРУ с управлением на выходе], в которой соотношение входного S_в и выходного (отверстия истечения, вытекания) S_и отверстий рулевой машины составляет

из условия обеспечения максимальной развиваемой мощности рулевой машины, линейности и жесткости ее механической характеристики для оптимального использования энергии сжатого газа привода минимальной мощности.

Недостатками известного воздушно-динамического блока рулевого привода [6] являются следующие:

1. Большая пневмонагрузка на якорь электромагнита при закрывании клапана, что приводит к низкому быстродействию электромагнита пневмораспределителя.

2. Большие габариты и масса привода за счет увеличивания габаритов и массы пневмораспределителя с клапанным регулированием на выходе для обеспечения параметра газового распределительного устройства. Обеспечение параметра приводит к увеличению диаметра отверстия истечения из рабочей полости рулевой машины при заданном максимальном ходе якоря электромагнита минимальной мощности или к увеличению максимального хода якоря, а следовательно, к увеличению потребляемой электрической мощности, габаритов и массы электромагнита пневмораспределителя при заданном диаметре отверстия истечения из рабочей полости рулевой машины с пневмораспределителем с электромагнитом минимальной мощности.

В практике проектирования газовых силовых систем управления, особенно бортового размещения, традиционно актуальна проблема улучшения их массогабаритных показателей [8].

Задачей предлагаемого изобретения является уменьшение пневмонагрузки на якорь электромагнита и повышение его быстродействия, оптимизация механической характеристики привода по линейности и жесткости при работе под нагрузкой для оптимального использования энергии сжатого газа, улучшение габаритно-массовых показателей привода, повышение точности работы и быстродействия воздушно-динамического рулевого привода управляемого снаряда.

Это достигается тем, что в воздушно-динамическом блоке рулевого привода управляемого снаряда, содержащем рули и рулевые машины с электромагнитным пневмораспределителем клапанного типа, включающим в себя электромагнит с подпружиненным якорем, размещенный в корпусе пневмораспределителя, корпус пневмораспределителя выполнен цилиндрической формы с проточными каналами по периметру корпуса, а якорь - с отверстиями цилиндрической формы, расположенными равномерно на его торцевой поверхности, причем центры расположения отверстий определяются из соотношения

d=D_в-d₀-2A,

где d - диаметр окружности, на которой расположены центры отверстий якоря;

D_в - диаметр внутренней поверхности проточных каналов пневмораспределителя;

d₀ - диаметр отверстий якоря;

А - величина перекрытия, определяемая недоходом стенки отверстий якоря до внутренней поверхности проточных каналов пневмораспределителя, выбираемая из условий обеспечения надежного перекрытия клапаном каналов пневмораспределителя и уменьшения магнитного сопротивления якоря на пути основного магнитного потока, создаваемого обмоткой управления электромагнита, а диаметр отверстий d₀ якоря выбирается из обеспечения следующих соотношений:

где S_в - площадь втекания в рабочую полость рулевой машины;

S_и - площадь истечения из рабочей волости рулевой машины;

- параметр, характеризующий соотношение площадей втекания и истечения для оптимального использования энергии сжатого газа, определяемый схемой газового распределительного устройства рулевой машины, выбираемый равным в пределах для проточной схемы с регулированием на выходе в идеальном исполнении без паразитных подтеканий и утечек;

S^н_и - площадь истечения из рабочей полости рулевой машины через зазор между торцем клапана и плоскостью выходных отверстий проточных каналов;

S⁰_и - площадь истечения из рабочей полости рулевой машины через отверстия в якоре площадью равной площади боковых цилиндрических поверхностей, определяемых соотношением

d_н - диаметр наружной поверхности проточных каналов пневмо-распределителя;

х_m - максимальный ход якоря электромагнита;

Δ - зазор от залипания якоря электромагнита, выбираемый в пределах 0,04-0,10 мм;

n - число отверстий якоря,

из условий обеспечения минимальной пневмонагрузки на якорь, линейности и жесткости механической характеристики рулевой машины и максимального тягового усилителя электромагнита при минимальных массогабаритных показателях пневмораспределителя и привода.

На фиг.1 приведена принципиальная схема одного из каналов предлагаемого воздушно-динамического блока рулевого привода управляемого снаряда, каждый канал которого состоит из пары рулей 1, объединенных между собой осью 2, рулевой машины, включающей в себя два силовых цилиндра 3 (СЦ1 и СЦ2) и два пневмораспределителя 4 (ПРУ) с клапанным регулированием на выходе.

Рули 1 через ось 2 и штоки 5 связаны с поршнями 6 силовых цилиндров 3.

На фиг.2 приведена принципиальная схема электромагнитного пневмораспределителя клапанного типа воздушно-динамического блока рулевого привода.

Пневмораспределитель содержит электромагнит, включающий в себя магнитопровод 8 броневого типа с обмоткой управления 9, якорь 10 в виде диска постоянной толщины с отверстиями 11, расположенными равномерно на его торцевой поверхности, и пружину 12.

Электромагнит размещен в корпусе 13 из немагнитного материала (например, пресс-материал ДСВ-4-0) цилиндрической формы с фланцем для крепления и проточными каналами 14 по периметру корпуса, связанными с рабочей полостью рулевой машины.

На фиг.3 представлена механическая характеристика привода при различных значениях параметра . На фиг.1-3 обозначено: Р_и - избыточное давление набегающего потока воздуха; δ_р - максимальный угол поворота рулей; х_п - максимальный ход поршня; х_m - максимальный ход якоря; Δ - зазор от залипания якоря; d₀ - диаметр отверстия якоря; d - диаметр окружности, на которой расположены центры отверстий якоря; Д_в, Д_н - диаметры соответственно внутренней и внешней поверхности проточных каналов пневмораспределителя; А - величина перекрытия.

В якоре выполнены три отверстия цилиндрической формы диаметром d₀, расположенные равномерно на торцевой поверхности якоря.

Центры расположения отверстий определяются из соотношения

d=D_в-d₀-2A,

где А - величина перекрытия, определяемая недоходом стенки отверстий якоря до внутренней поверхности проточных каналов пневмораспределителя, выбираемая в диапазоне 2,0-3,5 мм из условий обеспечения надежного перекрытия каналов пневмораспределителя и уменьшения магнитного сопротивления якоря на пути основного магнитного потока, создаваемого обмоткой управления.

Равномерное (на одинаковом расстоянии от продольной оси якоря, на одинаковом угловом расстоянии друг от друга) расположение отверстий на торцевой поверхности якоря обеспечивает равномерность пневмонагружения якоря при закрывании клапана, а также равномерность действия инерционной нагрузки якоря в продольном направлении (т.е. его осевую динамическую балансировку) при движении якоря с упора на упор. И тот, и другой фактор и порознь, и в совокупности позволяют обеспечить движение якоря без перекосов для исключения неоднозначности времени срабатывания за счет явления схлопывания якоря, т.е. когда якорь движется с наклоном относительно продольной оси электромагнита и происходит при этом вначале касание якоря об упор одной стороной торцевой поверхности и затем по мере дальнейшего движения касание упора всей поверхностью якоря.

Отверстия в якоре для сброса воздуха из под якоря (клапана) при его закрывании при работе в составе рулевой машины рулевого привода позволяют существенно снизить пневмонагрузку на якорь и тем самым повысить тяговое усилие электромагнита при той же потребляемой электрической мощности и в конечном счете повысить быстродействие электромагнита. Расположение отверстий ближе к периметру (периферии) якоря позволяет уменьшить влияние этих отверстий на увеличение магнитного сопротивления якоря на пути основного магнитного потока, создаваемого обмоткой управления, т.е. уменьшить влияние отверстий при той же толщине якоря на снижение развиваемого усилия электромагнита. Это объясняется следующим. Так как отверстия находятся на пути основного магнитного потока, а силовые линии магнитного поля направлены в радиальном направлении от продольной оси якоря, то из-за наличия отверстий в якоре на пути магнитного потока между внутренним и внешним полюсами магнитопровода магнитный поток уплотняется в теле якоря сбоку от отверстий и вследствие этого увеличивается магнитное сопротивление якоря. Это уплотнение больше проявляется и сказывается отрицательно на параметрах электромагнита при расположении отверстий ближе к продольной оси якоря и значительно меньше при их расположении ближе к периметру якоря. Кроме того, дополнительным положительным фактором при наличии отверстий в якоре является некоторое уменьшение массы якоря за счет отверстий, что приводит к повышению быстродействия электромагнита.

Отверстия в якоре позволяют существенно уменьшить габаритно-массовые характеристики воздушно-динамического блока рулевого привода (за счет уменьшения габаритов и массы пневмораспределителя), что очень важно для малогабаритных управляемых снарядов и ракет, и обеспечить при этом оптимальные энергетические характеристики привода, определяемые параметром , с точки зрения обеспечения приемлемых для точности работы и быстродействия привода при знакопеременной шарнирной нагрузке на рулях линейности и жесткости механической характеристики рулевой машины при оптимальном использовании подводимой энергии сжатого газа.

Это объясняется тем, что кроме основного отверстия истечения S^н_и из рабочей полости рулевой машины через боковой зазор между торцем клапана и плоскостью выходных отверстий проточных каналов пневмораспределителя, определяемого соотношением

характеризующим площадь боковой цилиндрической поверхности диаметром D_н, равным диаметру наружной поверхности проточных каналов пневмораспределителя, и высотой, равной максимальному ходу _m якоря электромагнита, при наличии отверстий в якоре появляется дополнительное отверстие истечения равное суммарной площади боковых цилиндрических поверхностей, определяемых соотношением

характеризующим суммарную площадь боковых цилиндрических поверхностей всех n-отверстий диаметром d₀ в якоре и высотой, равной максимальному ходу х_m якоря электромагнита и зазору Δ от залипания [10, с.110, 2-ой абзац снизу] якоря электромагнита, выбираемого равным в пределах 0,04-0,10 мм. Общая площадь истечения S_и из рабочей полости рулевой машины определяется суммой двух составляющих

Отсюда видно, что отсутствие отверстий в якоре исключает составляющую S⁰_и и для обеспечения требуемого параметра для оптимизации энергетических характеристик привода необходимо на соответствующую величину увеличить составляющую S^н_и. А это значит необходимо увеличить диаметр D_н при неизменном ходе х_m или увеличить ход х_m при неизменном диаметре D_н. И в том, и в другом случае это приводит к увеличению габаритов и массы пневмораспределителя, что является серьезным препятствием для его применения в воздушно-динамическом блоке рулевого привода малогабаритных управляемых снарядов и ракет.

В первом случае растет диаметр пневмораспределителя, а следовательно, растут габариты и масса привода. Во втором случае растет ход якоря, в связи с чем резко уменьшается тяговое усилие электромагнита [10, с.9, 1-ый абзац снизу]. Увеличение хода якоря вызывает резкое возрастание габаритов, массы и потребляемой мощности электромагнита, а следовательно, увеличиваются габариты, масса и потребляемая электрическая мощность привода.

В результате расчетно-исследовательских работ электропневматических рулевых приводов с газовым распределительным устройством с проточной схемой с регулированием на выходе установлено, что наиболее оптимальным параметром привода, характеризующим соотношение площадей втекания и истечения соответственно в рабочую и из рабочей полости рулевой машины, является величина, выбираемая в пределах 0,3-0,7. Выбор параметра в этих пределах обеспечивает приемлемые линейность и жесткость механической характеристики пневматической рулевой машины, что очень важно для обеспечения требуемых характеристик точности работы и быстродействия рулевого привода при работе под нагрузкой знакопеременного типа.

Известно [9, с.92], что параметры привода и прежде всего жесткость механической характеристики двигателя оказывают существенное влияние на процессы в системе автоматического управления.

При величине параметра механическая характеристика привода [8, с.22; 9, с.92-100], представляющая собой зависимость установившейся скорости привода от величины нагрузки М (постоянного знака), практически близка к линейной, при величине 0,7 является несколько выпуклой, а при величине 0,3 несколько вогнутой. Однако и в том, и в другом случае обеспечиваются приемлемые точностные и динамические выходные параметры привода под нагрузкой.

Для иллюстрации на фиг.3 приведен вид механической характеристики привода для различных величин параметра

Рулевой привод работает следующим образом. Сжатый воздух давлением Р_и (избыточное давление) от набегающего потока при полете управляемого снаряда и ракета поступает в силовые цилиндры 3 (СЦ1 и СЦ2) через входные отверстия 15. При отсутствии управляющего сигнала якоря 10 (Я1 и Я2) пружинами 12 отжаты от магнитопровода 8, образуя зазор 16. Через зазор 16 и отверстия 11 воздух выходит из рабочей полости 17 рулевой машины. Разница давлений в полостях 17 силовых цилиндров равна 0 и рули 1 находятся в нулевом положении при действии на рулях нагрузки пружинного типа. При подаче управляющего сигнала в одну из обмоток управления 9 (ОУ1 и ОУ2) якорь 10 (Я1 или Я2) притягивается к магнитопроводу 8, закрывая выходной зазор 16, и за счет разницы давлений в полостях 17 силовых цилиндров 3 (СЦ1, СЦ2) происходит перемещение поршня 6 на ход х_п и через штоки 5 и ось 2 поворот рулей на угол δ_р.

Предлагаемый воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда за счет введения в якоре электромагнита пневмораспределителя отверстий цилиндрической формы позволил уменьшить габариты и массу привода, повысить быстродействие электромагнита, оптимизировать мощностные характеристики привода под нагрузкой как пружинного типа, так и перекомпенсации (опрокидывающей), и обеспечить работу воздушно-динамического блока рулевого привода с требуемыми характеристиками точности и быстродействия в широком диапазоне рабочих давлений сжатого воздуха от набегающего потока при полете управляемого снаряда и ракеты.

Проведенные проверки опытных и серийных образцов предлагаемого воздушно-динамического блока рулевого привода малогабаритного управляемого снаряда подтвердили с положительными результатами эффективность заложенных технических решений во всех условиях при воздействии механических и климатических факторов применительно к условиям эксплуатации управляемых снарядов со скоростями полета М=0,6-0,9.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет уменьшить пневмонагрузку на якорь электромагнита и повысить его быстродействие, уменьшить габариты и массу воздушно-динамического рулевого привода, оптимизировать механическую характеристику привода по линейности и жесткости при работе под нагрузкой для оптимального использования энергии сжатого газа, повысить точность работы и быстродействие привода и может быть использовано как для модернизации существующих, так и для разработки вновь создаваемых малогабаритных управляемых снарядов комплексов высокоточного управляемого вооружения.

Источники информации

1. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда 9М117. Выстрел ЗУБК10 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10.00.00.000ТО. М.: Военное издательство, 1987.

2. А. Шипунов, В. Дудка, В. Фимушкин, Б. Никаноров. Рулевой привод для ракет комплексов высокоточного оружия, "Военный парад", 1 (37), 2000.

3. В.С. Фимушкин. Разработка воздушно-динамических рулевых приводов. Известия Тульского государственного университета. Серия Вычислительная техника. Автоматика. Управление. Том 3. Выпуск 3. Управление. Тульский государственный университет. Тула, 2001.

4. Шипунов А.Г., Фимушкин B.C., Никаноров Б.А. Пневмогидроавтоматика-99. Всероссийкая конференция. Тезисы докладов. Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова. Москва, 1999.

5. А.Г. Шипунов, В.С. Фимушкин. Б.А. Никаноров. Системный подход к проектированию, конструированию и экспериментальной отработке воздушно-динамических рулевых приводов. Известия Тульского государственного университета. Серия Проблемы специального машиностроения. Выпуск 2. Материально региональной научно-технической конференции. Материалы докладов. "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов". Тула, 1999.

6. Патент RU 2172927 C1, 27.08.2001, МПК7 F 42 B 15/01, B 64 C 13/36.

7. Известия Тульского государственного университета. Серия Проблемы специального машиностроения. Выпуск 4 (ч.2). Материалы международной научно-технической конференции. "Проблемы проетирования и производства систем и комплексов". Тула, 2001.

8. Пневмопривод систем управления летательных аппаратов. /В.А. Чащин, О.Г. Гамкрелидзе, А.Б. Кондратьев и др. - М.: Машиностроение, 1987.

9. Мелкозеров П.С. Приводы в системах автоматического управления (энергический расчет и выбор параметров). М.-Л.: Энергия, 1966.

10. Щучинский С.Х Электромагнитные приводы исполнительных механизмов. М.: Энергоатомиздат, 1984.

Формула изобретения

1. Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда, содержащий рули и рулевые машины с электромагнитным пневмораспределителем клапанного типа, включающим в себя электромагнит с подпружиненным якорем, размещенный в корпусе пневмораспределителя, отличающийся тем, что корпус пневмораспределителя выполнен цилиндрической формы с проточными каналами по периметру корпуса, а якорь - с отверстиями цилиндрической формы, расположенными равномерно на его торцевой поверхности, причем центры расположения отверстий определяются из соотношения

d=D_в-d₀-2А,

где d - диаметр окружности, на которой расположены центры отверстий якоря;

D_в - диаметр внутренней поверхности проточных каналов пневмораспределителя;

d₀ - диаметр отверстий якоря;

А - величина перекрытия, определяемая недоходом стенки отверстий якоря до внутренней поверхности проточных каналов пневмораспределителя, выбираемая из условий обеспечения надежного перекрытия клапаном каналов пневмораспределителя и уменьшения магнитного сопротивления якоря на пути основного магнитного потока, создаваемого обмоткой управления электромагнита.

2. Воздушно-динамический блок рулевого привода управляемого снаряда по п.1, отличающийся тем, что в нем диаметр отверстий d₀ якоря выбирается из обеспечения следующих соотношений:

где S_в - площадь втекания в рабочую полость рулевой машины;

S_и - площадь истечения из рабочей полости рулевой машины;

- параметр, характеризующий соотношение площадей втекания и истечения для оптимального использования энергии сжатого газа, определяемый схемой газового распределительного устройства рулевой машины, выбираемый равным в пределах для проточной схемы с регулированием на выходе в идеальном исполнении без паразитных подтеканий и утечек;

S^н_и - площадь истечения из рабочей полости рулевой машины через зазор между торцем клапана и плоскостью выходных отверстий проточных каналов;

S⁰_и - площадь истечения из рабочей полости рулевой машины через отверстия в якоре площадью

равной площади боковых цилиндрических поверхностей, определяемых соотношением

D_н - диаметр наружной поверхности проточных каналов пневмораспределителя;

Х_m - максимальный ход якоря электромагнита;

Δ - зазор от залипания якоря электромагнита, выбираемый в пределах 0,04-0,10 мм;

n - число отверстий якоря.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3

QB4A Государственная регистрация договора о распоряжении исключительным правом

Дата и номер государственной регистрации договора: 22.04.2011 № РД0079873

Вид договора: лицензионный

Лицо(а), предоставляющее(ие) право использования: Государственное унитарное предприятие "Конструкторское бюро приборостроения" (RU)

Лицо, которому предоставлено право использования: Открытое акционерное общество "Концерн "Ижмаш" (RU)

Условия договора: НИЛ, на срок до 15.04.2024 на территории РФ.

Дата публикации: 10.06.2011

---