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}
no subject
Date: 2007-10-17 12:51 pm (UTC)Насколько помню из ТАУ схема с нужными характеристиками компонуется из более мелких схем. :) А базовых там относительно ограниченное количество.
no subject
Date: 2007-10-17 01:01 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:06 pm (UTC)Базовых, собственно, нужно столько, сколько есть математических функций, не сводимых в друг друга арифметическими преобразованиями.
no subject
Date: 2007-10-17 01:12 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:13 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:17 pm (UTC)Re: Reply to your comment...
Date: 2007-10-17 01:24 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:36 pm (UTC)Да и уровень элементной базы там уже другой.
no subject
Date: 2007-10-17 01:38 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:41 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:48 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 01:48 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:01 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:02 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:10 pm (UTC)Хотя на практике, конечно, все сложнее - есть еще задача обеспечения совместимости решений. Например, если у нас на выходе одной системы - изменение плотности пучка электронов, а вход другой - механика, то мы имеем нехилую проблему, хотя вроде бы все необходимые базовые решения есть.
no subject
Date: 2007-10-17 02:13 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:18 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:20 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:21 pm (UTC)no subject
Date: 2007-10-17 02:22 pm (UTC)С арифметикой, интегрированием-дифференцированием, собственно, проблем меньше всего - электрический сигнал легко им поддается.
no subject
Date: 2007-10-17 02:28 pm (UTC)Для общей эрудиции и это полезно знать :-)
no subject
Date: 2007-10-17 03:03 pm (UTC)График изменения тяги по времени рассчитывается раз навсегда, под него изготавливается заряд ТТ (достаточно сложной формы) причем часть его поверхностей "бронируется" резиноподобным составом, не содержащим окислителя, чтобы выдержать этот самый график.
Расчет же его довольно сложен, и в нем учитываются такие, например, тонкости, как изменение диаметра сопла в процессе работы двигателя из-за выгорания материала.
(глупо хихикая) ага !
Date: 2007-10-17 03:04 pm (UTC)георгиевским крестикомбуквой Хе, повернувшись на 45 градусов ?ЗЫ: Кстати, на меня не смотри. Я честно не знаю ;)
no subject
Date: 2007-10-17 03:07 pm (UTC)Сопла противотяги открывают, чтобы побыстрее затормозить предыдущую ступень. Кроме того, есть вариант вскрытия отверстий большого диаметра в корпусе РДТТ, что приводит (при их соответствующей площади) к прекращению горения.
Первые две ступени твердотопливной МБР обеспечивают набор ПОЧТИ всей нужной конечной скорости, а третья -- устроена, скажем так, несколько сложнее. :-) Она-то и обеспечивает (за счет доводочных двигателей) точный набор конечной скорости.
У американцев на "Пискипере", насколько мне помнится, доводочный двигатель -- ЖРД.
no subject
Date: 2007-10-17 03:50 pm (UTC)Это весьма спорное утверждение.
Во-первых, тут нужно определение того, что такое "относительно современные". Я-то начал этот цикл в контексте юбилея спутника, поэтому под "относительно современными" имею ввиду те, что разработаны после 57-61 годов. Подавляющее большинство отечественных МБР с тех пор до весьма недавнего времени было с ЖРД.
Однако даже если под "относительно современными" понимать "стоящие на вооружении в настоящий момент" - то вам должно быть интересно узнать, что твердотопливных ракет у нас сейчас всего 50% по количеству, а по мощности заряда - вообще около 10%. Это для наземного базирования. Собственно, твердотопливный комплекс у нас один сейчас - "Тополь".
На флоте дела еще веселее. Твердотопливные БРПЛ у нас были. Но сейчас - нет.