Ракетноамбульное
Oct. 17th, 2007 03:43 pm![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
city_ratРабота совсем заела, анонсированное забываю написать.
Так вот. Детям цифровой эры часто сложно понять проблемы разработчиков аналоговой техники прошлого. Аналоговики на работают со _значениями_, в этом мире простая операция "запомнить переменную" - уже сложность. Все "вычисления" здесь делаются так: подбирается какая-нибудь схема, прибор, устройство и т.п., собственные физические свойства которых таковы, что сигнал, поданный на вход, превращается в нужный сигнал на выходе. Как с тем термосом. Конечно же, термос ничего не вычисляет - но вот количество воды в нем действительно будет равно интегралу потока из крана. Т.е. мы используем физический смысл математических уравнений как бы "наоборот".
Плюсы у аналоговиков тоже есть. Во-первых, поскольку вычислять ничего не приходится, то результат часто получается как бы мгновенно. Подали напряжение на вход схемы - на выходе то, что нужно. Впрочем, тут не стоит забывать о такой штуке, как переходные процессы, про которые "цифровики" прочно забыли (им они с высоты их дискретного мира практически не видны). А еще аналоговики могут напрямую работать с датчиками. Ведь мир у нас довольно-таки аналоговый (во всяком случае на уровне ракетостроения).
Но подобрать аналоговую схему точно с теми свойствами, что нужны - все равно бывает сложно.
Вот, скажем, как навести баллистическую ракету на цель? Маленькое предупреждение: этот текст - научно-популярный, а не инструкция по ракетостроению. Вранья тут нет, суть дела именно такова, но упрощения и умолчания могут быть существенными.
Итак. Большинство таких ракет имеет, в сущности, только два канала управления (в бытовом понимании этого слова): по тангажу и по рысканью. Скоростью своей ракета почти не управляет, "газа" и "тормоза" у нее нет. Ракетные двигатели вообще очень плохо управляются, дроссельную заслонку для плавного регулирования тяги в них, по ряду причин, не поставишь. Относительно современные межконтиненталки могут управлять тягой ступенчато (форсаж, нормальная тяга, малая тяга), но ракетный двигатель еще и изрядно инерционен. Поэтому управление идет по жесткой программе - разогнались на форсаже, продолжаем разгон на нормальной тяге, потом сбросили для окончательной корректировки курса, и отключили. Ну или типа того. А большинство ракет начала космической эры работают еще проще: подожгли движок, и дуют, что есть мочи, пока не достигнут нужной скорости. Всё, после этого работа ракеты кончается. Есть еще канал управления по крену (вращению), но он нам тоже пока не особо интересен - все, что от него требуется - это не давать ракете крутиться вокруг своей оси. И вот почему.
Рядовая баллистическая ракета, вопреки голливудским фильмам, в процессе полета никаких воздушных петель и виражей не выписывает. Если провести через точку старта и цель вертикальную плоскость, то вся траектория ракеты (в идеале) будет в этой плоскости, которая называется "плоскостью стрельбы".
Задача управления по рысканью - не дать ракете из этой плоскости уйти. Рысканье - это отклонения "носа" ракеты от направления на цель по горизонтали - вправо-влево. Возникают они и из-за атмосферного влияния, но главным образом - из-за неидеальности конструкции самой ракеты. Еще на ракету действуют всякие там кориолисовы силы из-за вращения Земли и т.п., но это уже тонкости - суть задачи, думаю, понятна. Важно, что по рысканью ракета не рулит, а так - подруливает.
Задача управления по тангажу - удерживать ракету под оптимальным углом к горизонту по вертикали. Если вы играли в метание пингвина и т.п. игры или просто помните школьную физику - то знаете, что пингвин летит на максимальное расстояние при ударе под углом 45 градусов к горизонту (рикошет после падения не в счет). Ракета - тот же пингвин, или камень, или снаряд, с одной только разницей - пингвина мы разогнали быстро, одним точным ударом, а двигатель межконтинентальной ракеты разгоняет ее несколько минут, и все это время надо сохранять правильный наклон "по вертикали". В реальности на ракету еще влияет сопротивление воздуха, плюс надо учитывать шарообразность Земли и т.п. так что точный угол тангажа будет другим, не 45 градусов. Но для большинства ракет он рассчитан раз и навсегда и жестко "зашит" в конструкцию.
Итак, по тангажу мы тоже, выходит, не "рулим", а "подруливаем". С одним маленьким "но": МБР стартуют вертикально. Это связано с конструктивными ограничениями - если бы ракета сразу стартовала в наклонном положении, то ее пришлось бы делать очень прочной. Думаю, понятно, почему: карандаш выдержит очень большой вес, направленный вдоль его оси, и легко ломается, если приложить силу "поперек". Прочность - значит, вес, увеличение веса конструкции - уменьшение полезной нагрузки, дальности и т.п. Поэтому приходится усложнять систему управления: вместо того, чтобы просто удерживать ракету под нужным углом приходится сначала немножко пролететь вертикально, а потом плавно "завалить" нос в направлении цели.
Как все это выглядит на практике?
У ракеты делают четыре руля:
Вид "с хвоста". Нолик - это ось ракеты, на которой расположен основной (маршевый) двигатель. Цифрами обозначены рули. Собственно, маршевых двигателей может быть несколько (как на "гагаринской" Р-7), а рули могут быть самыми разными - аэродинамическими (как на фау-2), газовыми (лопатки такие в сопле маршевого двигателя, как на той же фау-2 и на большинстве других), реактивными (как на "семерке" - там такие маленькие поворотные сопла вокруг основной пачки движков). Могут быть и варианты расположения самих рулей - это уже не существенно, важен принцип.
Ракету ставят на старт так, чтобы она рулем 1 смотрела строго на цель. Таким образом, ракета, хоть и круглая, а имеет не только "верх", но и "перед". После старта ракета завалится строго в сторону руля 1.
Если у нас ракета начинает рыскать и пытается улететь "налево" - мы поворачиваем рули 1 и 3 влево так, чтобы развернуть ее обратно. Если начинает задирать нос или "клевать" (т.е. уходит по тангажу) - то крутим рули 4 и 2 вверх или вниз соответственно.
Все очень просто и понятно, а каналы управления оказываются разделены - что чрезвычайно важно для аналоговых систем управления.
При этом нам очень важно, чтобы ракета не крутилась вокруг своей оси - иначе у нас руль 1 перестанет смотреть на цель, и все простое руление пойдет насмарку. Вращение мы компенсируем отклонением всех четырех рулей в сторону направления вращения. Тоже довольно просто - достаточно с правильным знаком сложить управляющие сигналы тангажа и вращения и рысканья и вращения соответственно. Арифметическое сложение-вычитание для аналоговой схемы тоже реализуется легко.
Так и летим.
***
Уф. Продолжать?.
Так вот. Детям цифровой эры часто сложно понять проблемы разработчиков аналоговой техники прошлого. Аналоговики на работают со _значениями_, в этом мире простая операция "запомнить переменную" - уже сложность. Все "вычисления" здесь делаются так: подбирается какая-нибудь схема, прибор, устройство и т.п., собственные физические свойства которых таковы, что сигнал, поданный на вход, превращается в нужный сигнал на выходе. Как с тем термосом. Конечно же, термос ничего не вычисляет - но вот количество воды в нем действительно будет равно интегралу потока из крана. Т.е. мы используем физический смысл математических уравнений как бы "наоборот".
Плюсы у аналоговиков тоже есть. Во-первых, поскольку вычислять ничего не приходится, то результат часто получается как бы мгновенно. Подали напряжение на вход схемы - на выходе то, что нужно. Впрочем, тут не стоит забывать о такой штуке, как переходные процессы, про которые "цифровики" прочно забыли (им они с высоты их дискретного мира практически не видны). А еще аналоговики могут напрямую работать с датчиками. Ведь мир у нас довольно-таки аналоговый (во всяком случае на уровне ракетостроения).
Но подобрать аналоговую схему точно с теми свойствами, что нужны - все равно бывает сложно.
Вот, скажем, как навести баллистическую ракету на цель? Маленькое предупреждение: этот текст - научно-популярный, а не инструкция по ракетостроению. Вранья тут нет, суть дела именно такова, но упрощения и умолчания могут быть существенными.
Итак. Большинство таких ракет имеет, в сущности, только два канала управления (в бытовом понимании этого слова): по тангажу и по рысканью. Скоростью своей ракета почти не управляет, "газа" и "тормоза" у нее нет. Ракетные двигатели вообще очень плохо управляются, дроссельную заслонку для плавного регулирования тяги в них, по ряду причин, не поставишь. Относительно современные межконтиненталки могут управлять тягой ступенчато (форсаж, нормальная тяга, малая тяга), но ракетный двигатель еще и изрядно инерционен. Поэтому управление идет по жесткой программе - разогнались на форсаже, продолжаем разгон на нормальной тяге, потом сбросили для окончательной корректировки курса, и отключили. Ну или типа того. А большинство ракет начала космической эры работают еще проще: подожгли движок, и дуют, что есть мочи, пока не достигнут нужной скорости. Всё, после этого работа ракеты кончается. Есть еще канал управления по крену (вращению), но он нам тоже пока не особо интересен - все, что от него требуется - это не давать ракете крутиться вокруг своей оси. И вот почему.
Рядовая баллистическая ракета, вопреки голливудским фильмам, в процессе полета никаких воздушных петель и виражей не выписывает. Если провести через точку старта и цель вертикальную плоскость, то вся траектория ракеты (в идеале) будет в этой плоскости, которая называется "плоскостью стрельбы".
Задача управления по рысканью - не дать ракете из этой плоскости уйти. Рысканье - это отклонения "носа" ракеты от направления на цель по горизонтали - вправо-влево. Возникают они и из-за атмосферного влияния, но главным образом - из-за неидеальности конструкции самой ракеты. Еще на ракету действуют всякие там кориолисовы силы из-за вращения Земли и т.п., но это уже тонкости - суть задачи, думаю, понятна. Важно, что по рысканью ракета не рулит, а так - подруливает.
Задача управления по тангажу - удерживать ракету под оптимальным углом к горизонту по вертикали. Если вы играли в метание пингвина и т.п. игры или просто помните школьную физику - то знаете, что пингвин летит на максимальное расстояние при ударе под углом 45 градусов к горизонту (рикошет после падения не в счет). Ракета - тот же пингвин, или камень, или снаряд, с одной только разницей - пингвина мы разогнали быстро, одним точным ударом, а двигатель межконтинентальной ракеты разгоняет ее несколько минут, и все это время надо сохранять правильный наклон "по вертикали". В реальности на ракету еще влияет сопротивление воздуха, плюс надо учитывать шарообразность Земли и т.п. так что точный угол тангажа будет другим, не 45 градусов. Но для большинства ракет он рассчитан раз и навсегда и жестко "зашит" в конструкцию.
Итак, по тангажу мы тоже, выходит, не "рулим", а "подруливаем". С одним маленьким "но": МБР стартуют вертикально. Это связано с конструктивными ограничениями - если бы ракета сразу стартовала в наклонном положении, то ее пришлось бы делать очень прочной. Думаю, понятно, почему: карандаш выдержит очень большой вес, направленный вдоль его оси, и легко ломается, если приложить силу "поперек". Прочность - значит, вес, увеличение веса конструкции - уменьшение полезной нагрузки, дальности и т.п. Поэтому приходится усложнять систему управления: вместо того, чтобы просто удерживать ракету под нужным углом приходится сначала немножко пролететь вертикально, а потом плавно "завалить" нос в направлении цели.
Как все это выглядит на практике?
У ракеты делают четыре руля:
1 402 3
Вид "с хвоста". Нолик - это ось ракеты, на которой расположен основной (маршевый) двигатель. Цифрами обозначены рули. Собственно, маршевых двигателей может быть несколько (как на "гагаринской" Р-7), а рули могут быть самыми разными - аэродинамическими (как на фау-2), газовыми (лопатки такие в сопле маршевого двигателя, как на той же фау-2 и на большинстве других), реактивными (как на "семерке" - там такие маленькие поворотные сопла вокруг основной пачки движков). Могут быть и варианты расположения самих рулей - это уже не существенно, важен принцип.
Ракету ставят на старт так, чтобы она рулем 1 смотрела строго на цель. Таким образом, ракета, хоть и круглая, а имеет не только "верх", но и "перед". После старта ракета завалится строго в сторону руля 1.
Если у нас ракета начинает рыскать и пытается улететь "налево" - мы поворачиваем рули 1 и 3 влево так, чтобы развернуть ее обратно. Если начинает задирать нос или "клевать" (т.е. уходит по тангажу) - то крутим рули 4 и 2 вверх или вниз соответственно.
Все очень просто и понятно, а каналы управления оказываются разделены - что чрезвычайно важно для аналоговых систем управления.
При этом нам очень важно, чтобы ракета не крутилась вокруг своей оси - иначе у нас руль 1 перестанет смотреть на цель, и все простое руление пойдет насмарку. Вращение мы компенсируем отклонением всех четырех рулей в сторону направления вращения. Тоже довольно просто - достаточно с правильным знаком сложить управляющие сигналы тангажа и вращения и рысканья и вращения соответственно. Арифметическое сложение-вычитание для аналоговой схемы тоже реализуется легко.
Так и летим.
***
Уф. Продолжать?.
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
(сурьезно)
Date: 2007-10-17 06:28 pm (UTC)Re: (сурьезно)
Date: 2007-10-17 06:31 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 06:52 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 06:56 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 07:01 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 07:12 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 07:49 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 07:59 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 08:24 pm (UTC)Однако собственно идея дрочить не столько со стоимостью рулевой машинки связана, сколько со стоимостью системы управления, я думаю. За счет вращения не надо стабилизировать ракету по тангажу и рысканию - она сама себе гироскоп. Задача носовых рулей (в отличе от МБР) - не стабилизация, а ральное управление. А если бы вешать на них стабилизацию - потребовалась бы полноценная инерциальная СУ, т.е. два-три точных гироскопа, интеграторы, микшеры стабилизирующих и управляющих сигналов - бррр.