Устройство угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда Российский патент 2021 года по МПК F42B10/00 F42B15/01 

Изобретение относится к военной технике, а именно к системам управления вращающимися ракетами, и может быть использовано, например, для угловой стабилизации реактивных снарядов систем залпового огня, которая, как правило, осуществляется на активном участке траектории полета в течение нескольких секунд после схода снаряда с направляющей.

Известно устройство угловой стабилизации вращающейся ракеты по патент RU 2181875 С1, 27.04.2002, F42B 10/00, 15/01, которое содержит датчик угловых отклонений с чувствительным элементом, выполненным в виде сферического поплавка с постоянным магнитом, размещенным в сферической камере, заполненной жидкостью и механически связанной с приводом, с сигнальной и двумя опорными обмотками, смещенными на 90° по отношению друг к другу, блок преобразования сигналов, входы которого соединены с сигнальной и опорными обмотками, а выход - с газодинамическим исполнительным органом, угол установки осей сопел которого относительно опорных обмоток определяется по формуле ϕ=ωτ+arc⋅tg⋅K_пс, где ϕ - угол установки осей сопел относительно опорных обмоток, ω - частота вращения снаряда, τ - время запаздывания газодинамического исполнительного органа, К_пс - коэффициент перекрестной связи датчика угловых отклонений.

Такое устройство позволяет осуществить стабилизацию углового положения продольной оси реактивного снаряда.

Однако к недостатку аналога необходимо отнести то, что момент инерции, а следовательно, и кинетический момент ротора со сферической камерой внутри, имеющего наружную сферическую поверхность (см., например, Андрейченко К.П. Динамика поплавковых гироскопов и акселерометров. -М.: Машиностроение, 1987, стр. 7, рис. 1.3), меньше, чем у ротора в форме цилиндра со сферической камерой того же диаметра внутри.

Кроме того, ротор в форме цилиндра имеет большой момент аэродинамического сопротивления, на что расходуется до 60% мощности привода вращения (см., например, Гироскопические системы: Элементы гироскопических приборов: Учебник для вузов по спец. «Гироскопические приборы и устройства» / Е.А. Никитин, С.А. Шестов, В.А. Матвеев: под ред. Д.С. Пельпора. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1988, стр. 62-65), что требует повышенной мощности для разгона двигателя до рабочей угловой скорости и уменьшает время выбега.

Задачей данного технического решения являлось повышение точности стабилизации вращающегося реактивного снаряда за счет снижения динамических ошибок системы и повышения эффективности управления.

Общими признаками с предлагаемым авторами устройством угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда является наличие в устройстве-аналоге датчика угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, заполненной жидкостью и механически связанной с электроприводом, сигнальной и опорных обмоток, блока преобразования сигналов и исполнительного органа.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому техническому результату является устройство угловой стабилизации реактивного снаряда по патенту RU 2435129 C1, 27.11.2011, F42B 10/00, 15/01, принятое авторами за прототип, содержащее датчик угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, заполненной жидкостью и механически связанной с приводом, сигнальной и опорными обмотками, блок преобразования сигналов и исполнительный орган, сферическая камера выполнена внутри ротора, имеющего форму цилиндра с торцевыми поверхностями в виде усеченного конуса, диаметр основания которого равен диаметру цилиндра, диаметр усеченного конуса и его высота определяются из соотношения d/D=0,4-0,6 и h/D=0,3-0,5, где d - диаметр усеченного конуса, h - высота усеченного конуса, D - диаметр ротора, при этом привод выполнен в виде электродвигателя постоянного тока, с возбуждением от постоянного магнита, размещенного внутри полого немагнитного якоря, и электрически связан с блоком преобразования сигналов, при этом вращение полого немагнитного якоря противоположно направлению вращения датчика угловых отклонений вокруг его продольной оси.

К недостаткам прототипа необходимо отнести следующее.

При изготовлении датчика угловых отклонений в роторе заливочные отверстия расположены произвольно относительно оси его вращения, что ведет к появлению радиальной и осевой неуравновешенности ротора, и, как следствие, к возникновению уводящего момента, снижающего точность работы устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда.

Кроме того, наличие радиальной и осевой неуравновешенности в поплавке приводит к возникновению уводящего момента, в результате чего снижается коэффициент передачи измерителя угловых перемещений, что приводит к ухудшению точностных характеристик устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда.

Другой недостаток заключается в том, что в датчике угловых отклонений в шарикоподшипниковых опорах при воздействии радиальных и осевых перегрузок увеличивается момент трения, что снижает точность работы устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда.

Задачей прототипа являлось упрощение конструкции устройства, повышение эксплуатационной надежности и расширение функциональных возможностей.

Общими признаками с предлагаемым устройством угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда является наличие в прототипе датчика угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, выполненной внутри ротора, заполненной жидкостью и механически связанной с электроприводом, сигнальной и опорных обмоток, блока преобразования сигналов и исполнительного органа, при этом привод выполнен в виде электродвигателя.

В отличие от прототипа в предлагаемом авторами устройстве угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда в датчике угловых отклонений ротор со стороны торцевой поверхности снабжен двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающимися со сферической камерой, и герметично закрытыми заглушками, при этом величина радиальной и осевой неуравновешенностей поплавка не более (2,5⋅10^-3) мм.

В частном случае, т.е. в конкретных формах выполнения, изобретение характеризуется тем, что поверхности шариков и беговых дорожек шарикоподшипников снабжены фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05.

Именно это позволяет сделать выводы о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого технического решения и достигаемым техническим результатом.

Указанные признаки, отличительные от прототипа, и, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой защиты, во всех случаях достаточны.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности работы устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в устройстве угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда выполнен датчик угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, выполненной внутри ротора, установленного в корпусе датчика на шарикоподшипниковых опорах, заполненной жидкостью и механически связанной с электроприводом, сигнальной и опорными обмотками, блок преобразования сигналов и исполнительный орган, а ротор со стороны торцевой поверхности снабжен двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающиеся со сферической камерой, и герметично закрытые заглушками, при этом величина радиальной и осевой неуравновешенностей поплавка не более 2,5⋅10^-3 мм, а поверхности шариков и беговых дорожек шарикоподшипников снабжены фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05.

Новая совокупность конструктивных элементов, а также наличие связей между ними позволяет, в частности, за счет:

- снабжения ротора со стороны торцевой поверхности двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающимися со сферической камерой, и герметично закрытыми заглушками, что позволило исключить разбалансировку ротора и упростить технологию заполнения полости ротора жидкостью;

- смещение центра масс поплавка относительно его геометрического центра на величины радиальной и осевой неуравновешенностей не более 2,5⋅10^-3 мм повысить стабильность коэффициента передачи и точность работы датчика угловых отклонений; - снабжения поверхностей шариков и беговых дорожек шарикоподшипников фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05 исключить высыхание смазки в процессе эксплуатации, уменьшить коэффициент трения, в результате повысить точность стабилизации вращающегося реактивного снаряда.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном устройстве угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда, содержащем датчик угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, выполненной внутри ротора, установленного в корпусе на шарикоподшипниковых опорах, заполненной жидкостью и механически связанной с приводом, сигнальной и опорными обмотками, блок преобразования сигналов и исполнительный орган, в отличие от прототипа, согласно изобретению ротор со стороны торцевой поверхности снабжен двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающиеся со сферической камерой, и герметично закрытые заглушками, при этом величина радиальной и осевой неуравновешенностей поплавка не более 2,5⋅10^-3 мм, кроме того поверхности шариков и беговых дорожек шарикоподшипников снабжены фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен общий вид устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда, на фиг. 2 приведена зависимость в относительных единицах коэффициента передачи К_{передачи} от неуравновешенности поплавка δ, на фиг. 3 приведена зависимость в относительных единицах момента трения М_тр., возникающего при радиальных и осевых перегрузках в шарикоподшипниковых опорах, от наличия на поверхностях шариков и беговых дорожек шарикоподшипников фторсодержащего покрытия: 1 - без покрытия; 2 - с покрытием.

Предлагаемое изобретение расположено во вращающемся реактивном снаряде 1 и содержит датчик угловых отклонений 2, блок преобразования сигналов 3, исполнительный орган 4. Датчик угловых отклонений 2 включает в себя ротор 5 со сферической камерой 6, заполненной жидкостью 7. Ротор 5 установлен в корпус датчика угловых отклонений на шарикоподшипниковых опорах 8 и 9, механически связан с электродвигателем 10. С торцевой поверхности ротора 5 находятся заливочные отверстия 11 и 12, герметизированные заглушками 13 и 14. В сферической камере 6 размещен сферический поплавок 15, оснащенный постоянным магнитом 16. Датчик угловых отклонений 2 содержит сигнальную обмотку 17 и опорные обмотки 18 и 19. Центр масс поплавка Ц_м 20 смещен относительно его геометрического центра на величины не более 2,5⋅10^-3 мм в осевом направлении с координатой а, в радиальном направлении с координатой в. Электродвигатель 10 электрически связан с блоком преобразования сигналов 3 и механически связан с ротором 5.

Сигнальная обмотка 17 и опорные обмотки 18 и 19 электрически связаны со входом блока преобразования сигналов 3, выход которого электрически связан со входом исполнительного органа 4.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Перед пуском вращающегося реактивного снаряда 1 на электродвигатель постоянного тока 10 подается постоянное напряжение U_н, что приводит к раскрутке ротора 5 с угловой скоростью вращения ω, при этом ось вращения поплавка 15, находящегося в жидкости 7, устанавливается вдоль оси вращения сферической камеры 6, затем производится пуск вращающегося реактивного снаряда 1.

При угловом отклонении продольной оси вращающегося реактивного снаряда 1 поплавок 15 стремится сохранить свое положение в пространстве за счет гироскопических свойств. Однако под действием моментов сил вязкого трения между жидкостью 7 и сферическим поплавком 15 возникает прецессия, которая при отклонении продольной оси снаряда определяет угол рассогласования между осью вращения сферического поплавка 15 и сферической камеры 6. Появление угла рассогласования приводит к тому, что в сигнальной обмотке 17 постоянный магнит 16 наводит переменное напряжение U_c, амплитуда которого пропорциональна вектору углового отклонения снаряда, а фаза - его направлению. Одновременно в опорных обмотках 18 и 19 постоянный магнит 16 наводит переменное напряжение U_on1 и U_on2 постоянной амплитуды, сдвинутые по фазе на 90°. Инерционность сферического поплавка 15 приводит к тому, что при угловом движении снаряда угол рассогласования определяется двумя составляющими, одна из которых пропорциональна угловому отклонению в плоскости тангажа, а вторая - в плоскости рыскания. Напряжение сигнальной обмотки 17 (U_c) и опорных обмоток 18 и 19 (U_on1 и U_on2) подается на вход блока преобразования сигналов 3, с выхода которого снимаются два управляющих сигнала U_y1 и U_y2, сдвинутые по фазе на 90° и соответствующие отклонению вращающего реактивного снаряда в плоскостях тангажа и рыскания.

Управляющие сигналы U_y1 и U_y2 поступают на исполнительный орган 4, например, газодинамического типа, который создает управляющие силы в связанной со снарядом системе координат на частоте его вращения, разложенные по плоскостям тангажа и рыскания, что обеспечивает парирование угловых отклонений продольной оси вращающегося реактивного снаряда, то есть стабилизацию его углового положения.

Выполнение устройства угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда в соответствии с изобретением позволило повысить точность стабилизации углового положения продольной оси PC.

Указанный положительный эффект подтвержден стендовыми и летными испытаниями опытных образцов, выполненных в соответствии с изобретением.

Изобретение относится к военной технике, а именно к системам управления вращающимися ракетами, и может быть использовано, например, для угловой стабилизации реактивных снарядов систем залпового огня, которая, как правило, осуществляется на активном участке траектории полета в течение нескольких секунд после схода снаряда с направляющей. Устройство угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда, содержащее датчик угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, выполненной внутри ротора, установленного в корпусе на шарикоподшипниковых опорах, заполненной жидкостью и механически связанной с электроприводом, сигнальной и опорными обмотками, блок преобразования сигналов и исполнительный орган, отличающееся тем, что ротор со стороны торцевой поверхности снабжен двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающимися со сферической камерой и герметично закрытыми заглушками, при этом величина радиальной и осевой неуравновешенностей поплавка не более 2,5⋅10^-3 мм, а поверхность шариков и беговых дорожек шарикоподшипников снабжена фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05. Техническим результатом является повышение точности стабилизации углового положения продольной оси реактивного снаряда. 3 ил.

Устройство угловой стабилизации вращающегося реактивного снаряда, содержащее датчик угловых отклонений с чувствительным элементом в виде оснащенного постоянным магнитом сферического поплавка, размещенного в сферической камере, выполненной внутри ротора, установленного в корпусе на шарикоподшипниковых опорах, заполненной жидкостью и механически связанной с электроприводом, сигнальной и опорными обмотками, блок преобразования сигналов и исполнительный орган, отличающееся тем, что ротор со стороны торцевой поверхности снабжен двумя заливочными отверстиями, расположенными симметрично относительно оси его вращения, сообщающимися со сферической камерой и герметично закрытыми заглушками, при этом величина радиальной и осевой неуравновешенностей поплавка не более 2,5⋅10^-3 мм, а поверхность шариков и беговых дорожек шарикоподшипников снабжена фторсодержащим покрытием «Эфрен-К» марки Б 05.