ВОЗДУШНО-ДИНАМИЧЕСКИЙ РУЛЕВОЙ ПРИВОД

Изобретение относится к ракетной технике, а именно к рулевым системам управления управляемых реактивных снарядов.

Известен воздушно-динамический рулевой привод (ВДРП) управляемого снаряда, работающий от набегающего потока воздуха [1]. Этот двухканальный ВДРП, расположенный в носовой части снаряда, содержит центральное воздухозаборное отверстие, выполненное в головном обтекателе, цилиндрическое опорное основание, два исполнительных силовых привода, каждый из которых содержит два цилиндра одностороннего действия с поршнями, нагруженными через коромысло на одну из осей рулей, и два электромагнитных пневмораспределителя клапанного типа, при этом каждый распределитель с рабочим цилиндром, скомпонованные в одну подсборку, установлены на опорном основании, разделяющем отсек ВДРП на зоны высокого и низкого давления. Каждый распределитель связан проточными каналами с зонами высокого и низкого давления, а также с рабочей камерой соответствующего силового цилиндра.

Данный ВДРП работает следующим образом. В полете снаряда набегающий поток воздуха через носовой воздухозаборник создает избыточное давление в зоне перед опорным основанием. За основанием остается зона с атмосферным давлением. В исходном состоянии при отсутствии электрического сигнала на электромагнитах каждый распределитель связывает через соответствующие проточные каналы зону высокого давления с рабочими камерами силовых цилиндров, расположенных в зоне низкого давления. Силы, возникающие на поршнях противоположных цилиндров, уравновешивают друг друга, отклонения рулей не происходит. При подаче электрического сигнала на один из электромагнитов, последний перебрасывает клапан распределителя в другое положение, отсекая высокое давление, и открывает выход из рабочей камеры цилиндра в атмосферу. Происходит срабатывание противоположного цилиндра и поворот оси рулей, связанных с парой цилиндров. При подаче сигнала на другой электромагнит и отключении предыдущего происходит обратное срабатывание и поворот рулей в другую сторону.

Основной недостаток данного устройства, кроме сложности конструкции, недостаточные динамические характеристики ВДРП при работе на малых давлениях, т. е. малый развиваемый момент и как следствие небольшое быстродействие. Клапанный электромагнитный распределитель не может обеспечить значительный расход воздуха при небольших габаритах и массе, а классические силовые цилиндры с поршнями и уплотнениями имеют значительный уровень трения, что неприемлемо для приводов, работающих на малых давлениях скоростного напора.

Известен ВДРП, наиболее близкий к предлагаемому решению, в котором частично устранены указанные недостатки [2]. Данное устройство также содержит поперечное оси снаряда цилиндрическое опорное основание, образующее с передней оживальной частью снаряда замкнутый объем, связанный с центральным воздухозаборником, т. е. зону высокого давления. В основании на подшипниках укреплена ось рулей, а на оси установлен качающийся двойной поршень в виде симметричной поворотной лопасти. В корпусе основания выполнены рабочие камеры силовых цилиндров в виде тороидальных сегментов, в сечении повторяющих геометрическую форму половины лопасти, т.е. поршня плюс гарантированный зазор по стыкам рабочей камеры. Каждая камера выполнена с глухим дном, из которого идет проточный канал на распределительное устройство. Последнее выполнено в виде двух перфорированных радиальными пазами дисков: неподвижного, связанного с основанием, и подвижного, связанного с осью поворотного электромагнита, при этом диски расположены соосно и с минимальным зазором друг относительно друга. Неподвижный диск установлен так, что половина радиальных пазов сообщается с одной рабочей камерой, а другая половина - с другой. Перфорация на подвижном диске выполнена так, что, когда одна половина пазов двух дисков перекрывается, другая половина остается открытой, а при повороте на рабочий угол электромагнита наоборот.

Данный прототип работает следующим образом. Во время полета снаряда вследствие скоростного напора перед основанием создается избыточное давление воздуха. Воздух проходит по зазорам между поршнем и стенками рабочей камеры в запоршневой объем, далее через проточный канал на распределитель из перфорированных дисков, а затем на сброс в зону низкого давления. При отсутствии сигнала на электромагните подвижный диск распределителя находится в среднем положении, при этом все радиальные пазы в дисках полуперекрыты, условия прохождения воздуха через рабочие камеры одинаковы, давления в рабочих камерах одинаковы, следовательно, поршни и связанная с ними ось рулей находятся в среднем положении. При подаче сигнала на электромагнит последний срабатывает, поворотный диск поворачивается, одна половина пазов на дисках полностью перекрывается, другая половина открывается, при этом проходное сечение открытых пазов становится больше суммарной площади зазоров между соответствующим поршнем и стенкой рабочей камеры, давление в этой камере падает, а в другой, наоборот, растет до величины, равной давлению зоны высокого давления. Из-за несимметрии давлений в рабочих камерах происходит поворот поршней, т.е. срабатывание привода. При подаче сигнала на другую обмотку электромагнита привод аналогично срабатывает в другую сторону. В этом устройстве в отличие от аналога обеспечивается отсутствие трения по поршням, так как нет уплотнений, а также обеспечивается увеличенный расход воздуха через распределительное устройство, выполненное на основе перфорированных дисков. Однако и это устройство имеет существенный недостаток. Для больших расходов воздуха, необходимых для получения требуемого развиваемого момента привода при малых рабочих давлениях, требуются диски значительных размеров, момент инерции их увеличивается. При приходе якоря поворотного электромагнита на упор и связанного с ним диска в крайнее положение происходит отскок якоря из-за неизбежной упругости системы якорь - ось - диск, и возникновение крутильных колебаний диска вблизи крайнего положения, которые затухают тем медленнее, чем больше момент инерции диска. В течение времени колебаний диска на упоре, распределитель не обеспечивает расчетного проходного сечения и привод начинает перемещать рули с задержкой, сравнимой с общим временем движения поршней привода от упора на упор, что снижает быстродействие привода по сравнению с расчетными величинами. Ужесточение подвижной системы электромагнита и распределителя ведет к увеличению размеров, массы, потребляемого тока и увеличению времени срабатывания электромагнита и всего ВДРП в целом.

Задача предлагаемого изобретения - повышение быстродействия и надежности ВДРП при работе на малых давлениях.

Эта задача решается тем, что воздушно-динамический рулевой привод, содержащий корпус исполнительного двигателя с рабочими камерами, разделенными поворотной лопастью, связанной с осью рулей, и поворотный электромагнит с дисковым распределительным устройством, снабженным двумя парами неподвижных и подвижных перфорированных дисков, при этом неподвижные диски установлены соосно между собой и закреплены на симметричных относительно оси лопасти приливах корпуса, в которых выполнены цилиндрические полости, связанные проточными каналами каждая со своей рабочей камерой, площадь каждого канала, а также осевого сечения цилиндрической полости выполнена не менее максимальной площади проходного сечения перфорированного диска, а подвижные диски установлены на концах оси поворотного электромагнита соосно неподвижным дискам, выполнены с таким же диаметром и содержат радиальные выступы, на которых концами установлена упругая пластина, закрепленная к корпусу в средней части регулировочным винтом.

На фиг. 1, 2 изображена принципиальная схема предлагаемого устройства.

ВДРП, расположенный в носовой части снаряда, содержит носовой воздухозаборник 1, обтекатель 2, герметичную перегородку 3, которая образует с оживальной частью обтекателя зону высокого давления. В перегородку встроен корпус исполнительного двигателя 4 с рабочими камерами 5, разделенными поворотным поршнем 6 в виде лопасти, связанной с осью 7 рулей 8. Ось рулей свободно вращается на рабочий угол поворота рулей. На корпусе двигателя расположены два прилива, между которыми расположен управляющий поворотный электромагнит, содержащий обмотки управления 9, якорь 10, ось якоря 11. Якорь может вращаться на оси на определенный угол и удерживается в среднем положении любым известным способом, например, плоской пружиной (не показана). В приливах корпуса двигателя выполнены две цилиндрические буферные полости 12, закрытые как крышками неподвижными перфорированными дисками 13, а над ними укрепленные на оси якоря 11 электромагнита соосно установлены подвижные перфорированные диски 14. Перфорация всех дисков выполнена радиальными сквозными пазами 15 с одним угловым шагом, равным углу поворота якоря электромагнита так, что ширина перемычки больше ширины паза на одном диаметре. Подвижные диски настроены относительно неподвижных в противофазе, т.е. в крайнем положении якоря электромагнита на одной паре дисков пазы перекрываются перемычками, на другой паре, наоборот, пазы совпадают, образуя проходное сечение. При переключении электромагнита, наоборот. Каждая буферная полость 12 проточным каналом соединена с соответствующей рабочей камерой исполнительного двигателя. Для обеспечения максимальной эффективности распределительного устройства площадь сечения каждого проточного канала, а также осевого сечения буферной полости выполнена не менее максимальной площади проходного сечения диска. Все диски выполнены одного диаметра, но на подвижных дисках выполнены радиальные выступы 16, расположенные напротив друг друга. На эти выступы опирается своими концами плоская пружинная пластина 17, закрепленная по центру винтом 18. Пластина может быть в принципе любой геометрической формы, например Ш-образной, для обеспечения требуемой жесткости. Винт 18 крепежный, но и регулировочный, степень его закрутки определяет усилие поджатия концов пластины к выступам подвижных дисков. Форма пластины, а также конструкция регулировочного узла может быть принципиально любой, важно обеспечить регулируемое усилие поджатия подвижных дисков в радиальном направлении. Рабочие камеры 5 двигателя сообщаются с зоной высокого давления через дросселирующие отверстия 19, а объем за перегородкой 3 - с атмосферой через сбросные отверстия 20.

ВДРП работает следующим образом. Подобно устройству - прототипу в полете снаряда перед перегородкой 3 создается избыточное давление торможения скоростного напора воздуха. Воздух через дросселирующие отверстия 19 проходит в рабочие камеры 5 исполнительного двигателя, далее через проточные каналы в буферные полости 12. При подаче сигнала на одну из обмоток электромагнита последний срабатывает, оба подвижных диска приходят в крайнее положение, при этом на одной стороне распределителя пазы в дисках перекрываются, на другой, наоборот, открываются полностью, образуя проходное сечение. На одной стороне распределителя воздух перекрывается, на другой проходит, при этом в рабочих камерах 5 создается перепад давлений. Дросселирующие отверстия 19 по сечению выполняются значительно меньше, чем рабочее проходное сечение распределителя, поэтому давление в рабочей камере, связанной с открытым плечом распределителя, практически полностью сбрасывается, а в другой становится равным давлению торможения скоростного напора. Происходит поворот рабочего поршня - лопасти 6 и связанных с ней рулей 8. При подаче сигнала на другую обмотку электромагнита аналогично происходит поворот рулей в другую сторону. Для повышения эффективности работы дискового распределителя в динамике, т.е. в условиях переключений с большой частотой и в условиях нестационарного течения воздуха через воздушный тракт ВДРП в целом, под каждой дисковой парой распределителя оформлена буферная полость 12 диаметром, равным диаметру радиальных пазов 15. Объем полости определется исходя из необходимости подвода управляемого воздушного потока ко всем пазам неподвижного диска одновременно, без дросселирования в подводящих каналах и с малой скоростью воздушного потока, т.е. поток воздуха должен быть по возможности "сглаженным" и все пазы в дисках работали в одинаковых условиях. Эти условия практически выполняются, если площадь осевого сечения этой буферной полости, т. е. произведение диаметра на высоту берется не менее площади максимального проходного сечения, т.е. площади всех пазов одного перфорированного диска, что подтверждается практикой. Пружинная упругая пластина 17 с регулировочным винтом 18, образующие демпфирующее устройство, работает следующим образом. Концы пластины постоянно нагружены на подвижные диски в диаметральном направлении по выступам 16, при этом в подвижную систему распределительного устройства якорь - ось - диски вводится регулируемое трение и выбираются радиальные люфты по оси 11. Вследствие этого коэффициент затухания крутильных, угловых колебаний дисков на оси 11, возникающих при срабатывании якоря поворотного электромагнита по упорам, резко увеличивается, что приводит к быстрой остановке и фиксации подвижных дисков распределителя в крайних рабочих положениях. Например, в реальном устройстве до настройки демпфера время срабатывания электромагнита 3 мс, время последующих отскоков и дребезга дисков до успокоения ~ 6 мс. После введения демпфирования время срабатывания электромагнита становится равным 3,2 мс, но затухание колебаний дисков не превышает 2 мс, что позволяет уменьшить время срабатывания ВДРП в худшем режиме с 19 до 15 мс только за счет гашения угловых колебаний дисков в крайних, рабочих положениях.

Демпфирующее устройство настраивается следующим образом. На электромагнит подается сигнал определенной частоты прямоугольными импульсами и по осциллографу фиксируется токовая характеристика электромагнита. Любой дребезг дисков и связанного с ним якоря отражается на осциллограмме как искажения токовой характеристики. Регулировочным винтом 18 подбирается такое усилие трения пластины о диски, при котором токовая характеристика принимает близкий к идеальному вид, т.е. с одним провалом, соответствующим приходу якоря на упор. Таким образом, предлагаемое устройство по сравнению с прототипом позволяет резко увеличить проходное сечение распределительного устройства путем увеличения диаметров дисков или увеличения количества дисковых пар в предлагаемом устройстве на каждую рабочую камеру исполнительного двигателя работает целая дисковая пара, в отличие от половины как в прототипе, при сохранении или уменьшении эффективного времени срабатывания распределителя. Это позволяет значительно улучшить динамические характеристики ВДРП, т.е. повысить мощность, быстродействие, снизить минимально возможное рабочее давление, т. е. снизить скорость начала управления управляемого снаряда с ВДРП и повысить надежность управления в целом.

Источники информации.

1. Блок рулевого привода у.с. 9М117М - техническое описание и инструкция по эксплуатации. Москва. Воениздат. 1987 г. - аналог
2. Патент РФ N 2092783, 10.10.97 г., МКИ6 F 42 B 15/00. Блок рулевого привода управляемого снаряда - прототип.