Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОВЕРКИ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУШНО-ДИНАМИЧЕСКОГО РУЛЕВОГО ПРИВОДА УПРАВЛЯЕМОГО СНАРЯДА И СТЕНД ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Предлагаемое изобретение относится к силовым системам управления летательных аппаратов и наиболее целесообразно может быть использовано для проверки (контроля) качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов малогабаритных управляемых снарядов и ракет.

В настоящее время в рулевых приводах и автопилотах управляемых снарядов и ракет комплексов высокоточного оружия широкое применение нашел не имеющий аналогов в мировой практике вновь созданный новый тип рулевого привода - воздушно-динамический (ВДРП) [1-5].

ВДРП использует для управления энергию обтекающего снаряд потока воздуха. Исключение из состава снаряда бортового источника питания обеспечивает работу привода все время, пока движется снаряд и ракета, и сокращает массу, объем и трудоемкость привода.

Использование единого воздушного потока, нагружающего аэродинамические рули и одновременно являющегося энергоносителем для их перемещений, обеспечивает стабильность динамических характеристик вследствие согласованности развиваемых и требуемых энергетических характеристик при определенной конструктивной реализации и соотношениях параметров элементов силовой системы привода.

Высокая эффективность применения ВДРП в управляемых снарядах и ракетах с различным спектром решаемых задач и, таким образом, целесообразность его широкого использования в различных условиях эксплуатации обусловило необходимость отработки ВДРП для обеспечения его надежного функционирования в условиях воздействия повышенной влажности воздушного потока при стрельбе снарядами и ракетами, предварительно транспортированными на большие высоты при минусовых температурах.

Влажный воздух относится к одной из агрессивных сред [6, с.250, 2-й абзац снизу; 7, с.6, 3-й абзац сверху], вызывает коррозию металлов, разрушает изоляцию токоведущих частей, изменяет параметры приборов или полностью нарушает их работоспособность.

В процессе эксплуатации под действием холода изменяется характер посадок сопрягаемых деталей, определенным образом меняются свойства материалов, применяемых в приборах, происходит загустевание смазки. Все это может нарушить нормальный режим работы прибора и снизить его точность [6, с.249, п.5.4.3. Климатические испытания. Испытание при пониженной температуре. Испытание при повышенной влажности; 7, с.14-15].

Для объективной оценки работоспособности приборов в реальных эксплуатационных условиях, когда на приборы воздействует одновременно несколько климатических факторов, проводятся комплексные климатические испытания [6, с.251, 1-й абзац снизу].

Применительно к ВДРП к таким испытаниям, исходя из реальных условий эксплуатации ВДРП в составе снаряда, о чем говорилось выше, относится испытание на воздействие пониженной (отрицательной) температуры и влаги.

Воздействие на предварительно охлажденный ВДРП сжатого воздуха повышенной влажности, подаваемого на вход привода, приводит к выпадению инея и обледенению, что может привести к уменьшению или полному перекрытию проточных отверстий в пневмоцепи воздухозаборник-пневмофильтр-вход газового распределительного устройства привода, проточных отверстий в газовом распределительном устройстве привода, к увеличению сопротивления и даже заклиниванию при перемещении подвижных деталей привода, таких как, например, в паре поршень-силовой цилиндр, шток поршня-опора поршня и др., то есть в конечном счете к уменьшению максимальной скорости и развиваемого момента ВДРП и, как следствие, к ухудшению динамических и точностных параметров привода, к недопустимому постепенному или внезапному отказу привода. Конечно в этих условиях работы привода повышенная влажность воздуха будет способствовать максимальному выпадению инея и обледенению.

Представляют практический интерес для разработчика ВДРП с точки зрения обеспечения надежности работы, сокращения сроков и себестоимости экспериментальной отработки, повышения информативности и качества исследований способы проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет и устройства для их осуществления, обеспечивающие проверки функционирования приводов в условиях подобия, близких или соответствующих реальным воздействиям на элементы конструкции охлажденного до минусовой температуры привода влажного сжатого воздуха на входе привода.

Проверка качества функционирования ДЦРП в условиях воздействия повышенной влажности воздушного потока при стрельбе снарядами и ракетами, предварительно транспортированными на большие высоты при минусовых температурах, является объективно необходимой при создании и отработке сложных пневмо-электромаханических динамических систем - элементов высокоточного управляемого вооружения, таких как рулевой привод и автопилот, контроль функционирования которых должен проводится на всех этапах создания и использования [8, с.8].

Разработка простых, надежных и информативных способов и средств контроля качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет на различных этапах их разработки, производства и испытаний была и остается актуальной технической задачей.

Известен [9] способ проверки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и стенд для его осуществления, принятые авторами в качестве ближайших аналогов (прототипов) к предлагаемой группе изобретений.

Способ [9] основан на замере времени эквивалентного запаздыванию рулевого привода или автопилота при отработке импульсного сигнала управления, соответствующего максимальному углу поворота рулей в одну (упор +δ_m) и другую (упор -δ_m) сторону, для чего нагружают рули шарнирным моментом и выставляют давление питания привода, соответствующие выбранное режиму полета снаряда, проводят регистрацию сигналов управления и углов поворота рулей с выхода датчика угла поворота рулей, определяют максимальные углы поворота рулей в установившемся состоянии и времена срабатывания на эти углы, определяют время срабатывания с максимального угла +δ_m на угол +δ_о. равный максимального заданному значению ухода нулевого положения рулей в установившемся состоянии при отсутствии сигнала управления, и на угол -δ_о при сходе с угла , определяют величину перерегулирования при сходе с максимальных углов поворота рулей, определяют уход нулевого положения рулей в установившемся состоянии после схода с максимальных углов поворота рулей, определяют частоту и амплитуду автоколебаний рулей в нулевом положении, полученные значения измеряемых параметров сравнивают с заданными на выбранном расчетном режиме и принимают решение о качестве функционирования рулевого привода или автопилота.

Стенд для осуществления известного способа [9] содержит генератор импульсных сигналов, пульт управления и контроля, регистрирующий блок, источники электро- и пневмопитания, основание с закрепленным на нем проверяемым блоком воздушно-динамического рулевого привода или автопилота с раскрытыми воздухозаборниками и рулями, связанными с пружинами механизма нагружения рулей, устройство пневмопитания, включающее пневморегулятор параметров потока сжатого воздуха, ресивер с измерительным манометром и клапаном сброса, коллектор-пневмораспределитель потока сжатого воздуха, пневмоподводы к воздухозаборникам и соединительные пневмошланги.

Известный способ проверки качества функционирования рулевых приводов и автопилотов и стенд для его осуществления не позволяют провести проверку качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет в условиях воздействия повышенной влажности воздушного потока при стрельбе снарядами и ракетами, предварительно транспортированными на большие высоты при минусовых температурах, что является недостатком известных способа и стенда.

Задачей предлагаемого изобретения является расширение возможностей применения существующих способа и стенда с целью обеспечения проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет в условиях воздействия повышенной влажности воздушного потока на входе привода и автопилота на предварительно охлажденный до минусовых температур привод в автопилот.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе проверки качества функционирования воздушно-динамического рулевого привода управляемого снаряда, основанном на замере параметров привода путем регистрации сигналов управления и углов поворота рулей с выхода датчика угла поворота рулей при давлении питания привода в шарнирном моменте на рулях, соответствующих выбранному режиму полета снаряда, проводят проверку предварительно охлажденного до предельной заданной отрицательной температуры рулевого привода при питании его воздухом повышенной влажности, для чего установленный и закрепленный на основании рулевой привод с раскрытыми воздухозаборником и рулями помещают в термобарокамеру, нагружают рули шарнирным моментом, соответствующим моменту на рулях от воздушного потока при полете снаряда на минимальной скорости, соединяют воздухозаборник с выходом устройства пневмопитания привода в составе пневмокрана, резинового рукава и установленных в термобарокамере ресивера с измерительным манометром и клапаном сброса, коллектора-пневмораспределителя и пневмопривода с уплотнительным устройством к воздухозаборнику, выводные концы привода через клеммы на стенке термобарокамеры подсоединяют к пульту управления и контроля с подключенными к нему источником электропитания, генератором сигналов управления привода и регистрирующим блоком, определяют значение давления разрежения р_р из соотношения

Р_зад=Р_а-Р_р,

где Р_зад - заданное давление питания привода, соответствующее давлению торможения воздушного потока при минимальной скорости полета снаряда;

P_a - атмосферное давление;

р_р - давление разрежения.

закрывают и герметизируют термоборокамеру, включают вакуумный насос и откачивают воздух из термобарокамеры до установления полученного значения давления р_р разрежения, включают источник электропитания, генератор сигналов управления, регистрирующий блок и программу изменения сигнала управления рулевого привода в пульте управления и контроля, соединяют вход устройства пневмопитания привода с атмосферой путем открытия пневмокрана, проводят регистрацию параметров рулевого привода, выключают вакуумный насос, источник электропитания, генератор сигналов управления и регистрирующий блок, заглушают вход устройства пневмопитания путем закрытия пневмокрана, по результатам регистрации определяют динамические и точностные параметры привода на соответствие требуемым, выводят термобарокамеру на режим предельной заданной отрицательной температуры, проводят выдержку при этой температуре 2-3 часа, включают камеру влажности и устанавливают заданную положительную температуру, проводят замер влажности воздуха в камере влажности, подсоединяют вход устройства пневмопитания к выходному окну камеры влажности, включают вакуумный нанос и устанавливают в термобарокамере заданное разрежение, включают электропитание, генератор сигналов управления и регистрирующий блок, подают на вход устройства пневмопитания воздух из камеры влажности путем открытия пневмокрана, проводят регистрацию параметров рулевого привода, выключают источник электропитания, генератор сигналов управления, регистрирующий блок и вакуумный насос и отсоединяют камеру влажности путем закрытия пневмокрана, закрывают герметичной пробкой входное окно термобарокамеры, включают термобарокамеру и проводят сушку рулевого привода при повышенной температуре, отключают камеру влажности и проводят ее сушку, по результатам регистрации определяют динамические и точностные параметры привода на соответствие требуемым, по окончании сушки рулевого привода открывают термобарокамеру и выдерживают ее открытой 4-5 часов, проводят контрольную разборку привода на узлы и детали и оценивают качество покрытий деталей и изоляции токоведущих цепей, прочность, стойкость и работоспособность, по результатам сравнительной оценки полученных значений измеряемых параметров с заданными на выбранном расчетном режиме и контрольной разборки принимают решение о качестве функционирования охлажденного до отрицательной температуры воздушно-динамического рулевого привода на сжатом воздухе повышенной влажности.

Поставленная задача решается за счет того, что в стенде для проверки качества функционирования воздушно-динамического рулевого привода управляемого снаряда, включающем генератор сигналов управления, пульт управления и контроля, регистрирующий блок, источник электропитания, основание с закрепленным на нем проверяемым блоком воздушно-динамического рулевого привода с раскрытыми воздухозаборником и рулями, связанными с пружинами механизма нагружения рулей, устройство пневмопитания, содержащее ресивер с измерительным манометром и клапаном сброса, коллектор-пневмораспределитель потока сжатого воздуха, пневмоподводы к воздухозаборникам и соединительные пневмошланги, введены термобарокамера с вакуумным насосом, камера влажности и пневмокран с соединительным рукавом, выход камеры влажности соединен через пневмокран и соединительный рукав с входом ресивера, основание с закрепленным на нем проверяемым блоком воздушно-динамического рулевого привода, соединенного с выходом ресивера, и ресивер с измерительные манометром и клапаном сброса установлены в термобарокамере.

Предлагаемый способ проверки реализуется стендом, принципиальная схема которого приведена на чертеже. Стенд содержит генератор сигналов управления I₀ привода, пульт управления и контроля 2, источник электропитания 3, регистрирующий блок 4, основание 5 с закрепленным на нем проверяемым блоком 6 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота с раскрытыми воздухозаборниками 7 и рулями 8, связанными с пружинами 9 механизма нагружения рулей, устройство пневмопитания привода в составе пневмокрана 10, соединительного рукава 11 и установленных в термобарокамере 12 с вакуумным насосом 13 герметичной пробкой 14 во входном окне термобарокамеры, датчиками давления 15 и температуры 16, клемм 17, ресивера 18 с измерительным манометром 19 и предохранительным клапаном сброса 20, коллектора-пневмораспределителя 21 и пневмоподводов 22 с уплотнительными устройствами к воздухозаборникам (на схеме уплотнительные устройства не показали, чтобы не затенять cxему), камеру влажности 23 с выходным штуцером (окном) 24, датчиками температуры 25 в влажности 26, поддоном 27 с водой 28, парами воды 29. Пружина 9 с помощью накидной вилки 30 одним концом устанавливается на руль 8 и прижимается к нему винтами (винты на схеме не показаны ввиду непринципиальности и чтобы не затенять схему). Другим концом пружина 9 с помощью двух вкладышей устанавливается и фиксируется винтами от проворота в стойке 31, устанавливаемой на основании 5 (вкладыши и винты крепления на схеме не показаны). Для компенсации температурных удлинений пружины 9 и от угла поворота пружины 9 с рулями 8 пружина в стойке 31 имеет минимальный гарантированный зазор (~0,05-0,15 мм на сторону) в пазу между вкладышами во периметру поперечного сечения пружины. Этот зазор достаточен для исключения зажима пружины в пазу, так как в противном случае может появиться недопустимая составляющая нагрузочного момента, что особенно нежелательно иметь, например, при работе привода с минимальным развиваемым моментом, который имеет воздушно-динамический рулевой привод или автопилот при полете снаряда или ракеты на минимальной скорости управляемого полета, в этом случае давление питания привода (обозначим Р_зад), определяемое давлением торможения, пропорциональным квадрату скорости полета, будет минимальным.

Стенд работает следующим образом. Проверяемый блок 6 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота с раскрытыми воздухозаборниками 7 и рулями 8 устанавливается и крепится на основании 5 (элементы крепления ввиду их непринципиальности не показаны) и устанавливается в термобарокамере 12, например, типа СТВ V-1000 объемом 1 м³. Один из рулей 8 каждого из каналов управления проверяемого блока 6 нагружается шарнирным моментом пружинного типа, реализуемым с помощью пластинчатой пружины 9, расположенной соосно с осью вращения рулей. С помощью вилки пружина устанавливается с одной стороны и зажимается винтами с двух сторон к плоскости руля. С другой стороны пружина 9 фиксируется в стойке 31 на основании 5. Чтобы не затенять схему ввиду непринципиальности, элементы установки и крепления пружины на схеме не показаны. Подробно схема и технология выставки момента нагрузки с помощью пружины изложены в описании изобретения [9] и здесь не рассматриваются.

Величина шарнирного момента на рулях выставляется равной минимальному моменту шарнирной нагрузки, соответствующему моменту на рулях от воздушного потока при полете управляемого снаряда или ракеты на минимальной скорости управляемого полета, при которой и давление питания привода будет минимальным, равный Р_зад.

К проверяемому блоку 6 воздушно-динамического рулевого привода или автопилота подключается пульт управления и контроля 2, который электрически связан с источником электропитания 3 (на схеме эта связь не показана) и генератором сигналов управления 1 (на схеме эта связь не показана). На регистрирующий блок 4, например светолучевой осциллограф типа Н-115, подключаются выходы датчиков угла поворота рулей и выход генератора сигналов управления. Электрическая связь проверяемого блока с пультом осуществляется через клеммы на стенке термобарокамеры. Программа изменения входного сигнала реализуется в пульте управления и контроля.

Проводится монтаж устройства пневмопитания привода в составе пневмокрана 10, вход которого через выходной штуцер 24 связан с полостью камеры влажности 23, например, типа КТК-800 объемом 0,8 м³, а выход через соединительный рукав 11, например резиновый, герморазъем 14 термобарокамеры 12 связан с входом ресивера 18, снабженного измерительным манометром 19 и предохранительным клапаном сброса 20, выход ресивера через соединительной рукав 11, коллектор-пневмораспределитель 21 и пневмоподводы 22 подключен через уплотнительные устройства на выходе пневмоподводов (на схеме не показаны) к вxодам воздухозаборников 7. Для конструкции привода и автопилота, в котором вместо боковых воздухозаборников, изображенных на чертеже, используется носовой коллектор-пневмораспределитель, связь ресивера с воздухозаборником осуществляется напрямую.

Устанавливают в термобарокамере разрежение, определяемое из соотношения

Р_зад=Р_а=Р_р,

где р_зад - заданное давление питания привода, соответствующее давлению торможения воздушного потока при минимальной скорости полета снаряда;

P_a - атмосферное давление;

р_р - давление разрежения,

закрывают и герметизируют термобарокамеру, включают вакуумный насос 13 и откачивают воздух из термобарокамеры 12 до установленного разрежения, определяемого по показаниям датчика 15. Включают источник электропитания 3, генератор сигналов управления I, регистрирующий блок 4 и программу изменения сигнала управления рулевого привода в пульте управления и контроля 2. Соединяют вход устройства пневмопитания привода с атмосферой путем открытия пневмокрана 10. Проводят регистрацию параметров рулевого привода 6 при работе на сжатом воздухе в нормальных климатических условиях при отработке заданных сигналов управления в соответствии с программой. Выключают вакуумный насос 13, источник электропитания, генератор сигналов управления и регистрирующий блок. Заглушают вход устройства пневмопитания привода путем закрытия пневмокрана 10. По результатам регистрации определяются динамические и точностные параметры привода на соответствие требуемым.

Выводят термобарокамеру 12 на режим предельной заданной отрицательной температуры по показаниям датчика температуры 16, проводится выдержка при этой температуре в течение времени 2-3 часа.

Включают камеру влажности 23 и устанавливают заданную положительную температуру. В поддон 27 наливается вода 28. Проводится замер влажности воздуха в камере влажности по показаниям датчика влажности 26. Контроль температуры проводится по показаниям датчика температуры 25. На схеме пары воды в камере влажности 23 показаны позицией 29. Подсоединяют вход устройства пневмопитания к выходному окну 24 камеры влажности.

Включают вакуумный насос 13 и устанавливают в термобарокамере 12 заданное разрежение Р_зад, соответствующее давлению торможения на минимальной скорости полета снаряда на участке управления, по показаниям датчика давления (разрежения) 15. Включают источник электропитания 3, генератор сигналов управления I и регистрирующий блок 4. Подают на вход устройства пневмопитания воздух из камеры влажности путем открытия пневмокрана 10. Проводится регистрация параметров рулевого привода с помощью регистрирующего блока 4. Выключают источник электропитания, генератор сигналов управления, регистрирующий блок и вакуумный насос. Отсоединяют камеру влажности путем закрытия пневмокрана 10 и закрывают герметичной пробкой 14 входное окно термобарокамеры, включают термобарокамеру и проводят сушку рулевого привода при повышенной температуре, например при плюс 50°С, в течение 4-5 часов. Отключают камеру влажности и проводят ее сушку. По результатам регистрации определяют динамические и точностные параметры привода на соответствие требуемым.

По окончании сушки рулевого привода открывают термобарокамеру и выдерживают ее открытой в течение времени 4-5 часов. Проводится контрольная разборка привода на узлы и детали и оценивается качество покрытий деталей и изоляции токоведущих цепей, прочность, стойкость и работоспособность.

По результатам сравнительной оценки полученных значений измеряемых параметров привода с заданными на выбранном расчетном режиме, соответствующем минимальной скорости полета снаряда, и контрольной разборки принимается решение о качестве функционирования охлажденного до отрицательной температуры воздушно-динамического рулевого привода на сжатом воздухе повышенной влажности и о его пригодности для эксплуатации в составе снаряда и ракеты.

Предлагаемый способ проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет за счет применения предлагаемого простого, надежного и доступного технического средства для его осуществления на базе типовых стандартных средств в виде термобарокамеры и камеры влажности обеспечил расширение возможностей применения существующих способа и стенда для проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов в условиях воздействия повышенной влажности воздушного потока при стрельбе снарядами и ракетами, предварительно транспортированными на большие высоты при минусовых температурах.

Эффективность способа и устройства для его осуществления подтверждена многолетней практикой проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов управляемых снарядов и ракет различного класса и назначения.

Предлагаемый способ проверки и устройство для его осуществления обеспечивают проведение комплексных климатических испытаний привода и автопилота и позволяют дать объективную оценку работоспособности этих изделий в реальных эксплуатационных условиях, когда на рулевой привод и автопилот воздействует одновременно несколько климатических факторов: пониженная температура и повышеннная влажность.

Таким образом, предлагаемые способ проверки качества функционирования воздушно-динамических рулевых приводов и автопилотов и стенд для его осуществления с достаточной для практики степенью точности, надежности и трудоемкости позволяют проводить оценку качества продукции на различных этапах изготовления и испытаний малогабаритных управляемых снарядов и ракет в условиях воздействующих климатических факторов, приближенных к реальным условиям эксплуатации.

Источники информации

1. Автоколебательный рулевой привод управляемого снаряда 9М117. Выстрел ЗУБК10 с управляемым снарядом 9М117. Техническое описание и инструкция по эксплуатации ЗУБК10.00.00.000 ТО. 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 г.

4. Шипунов А.Г., Фимушкин B.C., Никаноров Б.А. Концепция разработки воздушно-динамических рулевых приводов ракет комплексов высокоточного оружия. Пневмогидроавтоматика-99. Всероссийская 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. Материалы региональной научно-технической конференции. Материалы докладов. "Проблемы проектирования и производства систем и комплексов". Тула, 1999.

6. Шепелев Н.И., Лукин И.А. Сборка, монтаж и регулировка систем автоматического управления, М.: Машиностроение, 1982.

7. Авдошин М.Ф., Ремизов Б.А. Автоматизация контроля и испытаний автопилотов и их элементов. М.: Машиностроение, 1965.

8. Евланов Л.Г. Контроль динамических систем. М.: Главная редакция физико-математической литературы издательства "Наука", 1972.

9. Патент RU №2182702, G 01 М 13/02, F 15 В 19/00, В 64 С 13/36, 20.05.2002.