Бесплатформенные системы ориентации

Бесплатформенные системы ориентации.

          Пространственные системы ориентации содержали гироплатформы, физически реализующие (с точностью до погрешностей) опорные системы координат, относительно которых определяется текущая угловая  ориентация ЛА. Задача ориентации в этих системах решалась геометрически путем непосредственного измерения угловых отклонений, характеризующих взаимное положение корпуса прибора, связанного с ЛА, и гироплаформы.

        Эта задача может быть решена аналитически  на   основе измерений отдельных угловых параметров движения ЛА при последующем преобразовании полученных сигналов или их интегрировании. Системы ориентации, чувствительные элементы которых (гироскопы, угловые акселерометры и др.) установлены на корпусе ЛА, а его положение относительно осей опорной системы координат вычисляется, называются безплатформенными или бескарданными(БСО). Обычно БСО входят в состав безплатформенных инерциальных навигационных систем (БИНС) и обеспечивают решение задачи ориентации,  заменяя собой инерциальную курсовертикаль (ИКВ) или гиростабилизированную платформу (ГПС). Они могут быть использованы и самостоятельно для определения угловой ориентации ЛА относительно какой-либо системы координат, неизменно ориентированной в инерциальном пространстве. Эта особенность обусловлена тем обстоятельством, что применяемые в качестве  измерительных устройств гироскопы или угловые акселерометры способны измерять абсолютные угловые параметры движения, а не относительные.   

        Для определения ориентации ЛА относительно какой-либо вращающейся опорной системы координат (например, горизонтальной) необходимо знать угловую скорость ее вращения в инерциальном пространстве и учитывать эту скорость при вычислениях. При этом решение задачи относительно вращающейся опорной системы координат реализуется  в схеме, когда БСО входит в состав БИНС, определяющий координаты местоположения ЛА и его линейную скорость полета в системе координат, связанной    с Землей.

          Основными достоинствами  БСО и БИНС по   сравнению с платформенными системами  являются  меньшие размеры и массы элементов и системы в целом; большая надежность системы; меньшее потребление электроэнергии; меньшая стоимость; простота эксплуатации  и ремонта.

          Вместе с тем на пути создания БСО и БИНС имеются серьезные технические трудности, главными из которых являются необходимость разработки гироскопов и акселерометров, обеспечивающих требуемую  точность измерений в значительно более широком диапозоне  изменения входных параметров и в более тяжелых условиях  эксплуатации (на корпусе ЛА); значительно больший объем вычислений, вызванный необходимостью аналитического моделирования опорной системы координат и преобразования сигналов акселерометров и гироскопов; необходимость разработки совершенных методов начальной ориентации (выставки) и калибровки БСО и некоторые другие.          

          Следует также иметь в виду, что разработка БСО и БИНС ведется одновременно с совершенствованием принципов построения и конструкцией элементов ИНС платформенного типа. К настоящему времени получены  достаточно высокие  результаты в процессе производства гиростабилизированных платформ. Наряду с увеличением  точности и повышением надежности здесь достигнуто снижение массовых и габаритных характеристики упрощение обслуживания.

          Сравнительный анализ платформенных и безплатформенных систем ориентации и навигации показывает, что платформенные ИНС менее критичны к общим источникам ошибок, так как гироскопы и акселерометры, установленные на платформу, в  значительной степени изолированы от действия различных возмущений, их надежность достаточно высока, а достигнутый уровень точности навигации характеризуется погрешностями порядка единиц километров за час полета.

          Однако, несмотря на отмеченные  выше трудности,  БСО и БИНС интенсивно разрабатываются и успешно реализуются на объектах самого различного назначения, конкурируя по ряду показателей с системами платформенного типа.

          В качестве измерителей угловых параметров движения  в БСО могут быть использованы трехстепенные  астатические гироскопы (например, на электростатическом подвесе), одноосные гиростабилизаторы, датчики угловых скоростей (в том числе лазарные ), угловые и линейные акселерометры,  приборы, выполненные на основе виброционных гироскопов, и некоторые другие.

          Вырабатываемые этими приборами сигналы поступают на вход вычислительного устройства (ВУ), где они  соответствующим образом преобразуются и интегрируются.

Бесплатформенные системы ориентации,

основанные на применении датчиков

угловых скоростей.

        Обычно в составе  БСО используется  блок чувствительных элементов,  состоящих из трех ДУС, оси чувствительности которых взаимно перпендикулярны. Так  же разрабатываются системы с избыточным количеством измерителей (четыре, шесть и более ), что позволяет увеличить точность и надежность получения информации о параметрах движения объекта.

          Принципиальная схема БСО с тремя гироскопическими ДУС приведена на рисунке. В блоке чувствительных элементов смонтированы ДУС, оси чувствительности  которых ориентированы вдоль осей            прямоугольной системы координат            . Реагируя на угловые скорости вращения основания             , представляющие собой проекции  вектора        абсолютной угловой скорости вращения ЛА на оси          , эти приборы вырабатывают соответствующие сигналы, являющиеся первичными для решения задачи ориентации в БСО.

          Аналогично строится БСО при использовании в  качестве ДУС трех лазерных гироскопов (ЛГ), каждый из которых имеет ось чувствительности, ориентированную  вдоль осей прямоугольной системы координат         , связанной с ЛА. Сигналы с выходов отдельных ЛГ поступают в систему предварительной обработки информации ( СПОИ ), а затем на вход БЦВМ, где они соответствующим образом преобразуются и интегрируются.

          Независимость показаний этих датчиков от смежных  угловых  скоростей обеспечивается высокой точностью монтажа отдельных измерителей или точностью  изготовления монолитного трехкомпонентного блока лазерных гироскопов,смонтированного в корпусе блока чувствительных  элементов БСО.

Конструкция блока демпфирующих гироскопов.

        Блок демпфирующих гироскопов предназначен для работы в контуре обратной связи по угловой скорости  инерциальной системы навигации и стабилизации. Блок  демпфирующих гироскопов трехканальный- по числу  каналов ИНС. С каждым каналом стабилизации  работает один канал блока демпфирующих гироскопов. Все три  канала идентичны ивключают  в себя ДУС и усилитель обратной связи ДУС. Оси чувствительности ДУС направлены в трех  взаимоперпендикулярных направлениях по осям стабилизации ракеты. Кроме того в блок ДГ входит блок контроля скорости вращения  гиромоторов, который выдает сигнал о готовности блока к работе (в БЦВМ ).

          Конструктивно блок ДГ состоит из корпуса, крышки, трех ДУСов и электронной части. Корпус блока литой из алюминиевого сплава. На корпусе имеются три посадочных места для установки  ДУСов. Перпендикулярность осей ДУСов обеспечивается штифтами на корпусе блока, входящего в пазы на корпусе моментного датчика ДУС.

          Под крышкой, изготовленной из алюминиевого сплава находится электронная часть блока, включающая трехканальный усилитель обратной связи ДУС и блок контроля скорости вращения гиромоторов. Электронная  часть изготовлена  методом печатного монтажа; усилительно-преобразующие  элементы электронной части собраны на микросхемах средней  и малой интеграции.

          Герметичность блока демпфирующих гироскопов обеспечивается резиновым уплотнением между корпусом и крышкой.

          Электрическое соединение блока ДГ с аппаратурой ИНСН осуществляется через малогабаритный разъем типа "вилка".

Крышка,разъем ,печатные платы электронной части и ДУС крепятся на корпусе блока ДГ винтами.

          Основным измерительным элементом блока ДГ является ДУС.

          ДУС предназначен для выдачи сигнала, пропорционального       угловой скорости относительно осей связанной системы координат ракеты.

          ДУС работает совместно с усилительным контуром обратной связи. Блок состоит из гиромотора, индукционного датчика и моментного датчика.

          ДУС представляет собой гироскоп с двумя степенями свободы, охваченный обратной связью. Принцип его  действия основан на сравнении гироскопического момента Мг с моментом электрической пружины Мпр. При вращении блока вокруг оси ОУ с угловой  скоростью     относительно оси ОХ гироузла возникает гироскопический момент Мг=   

Под действием гироскопического  момента ось ротора гиромотора стремится повернуться вокруг оси ОХ таким  образом, чтобы совместить вектор кинематического момента Н с вектором угловой скорости     кратчайшим путем. Ротор  индукционного датчика, связанный с гироузлом, повернется, и с выхода  индукционного датчика в схему контура  обратной связи поступает сигнал. Усиленный и преобразованный в схеме контура сигнал поступает  в обмотку моментного датчика и в последовательно соединенный с ней резистор.  При взаимодействии тока     в катушке датчика с магнитным полем постоянного магнита возникает момент вокруг оси ОХ, препятствующий отклонению гироузла.

          Приближенно можно считать , что гироскопический момент уравновешивается моментом от электрической пружины, то есть:

где К1-крутизна моментного датчика.

Соответственно выходное напряжение,снимаемое с сопротивления нагрузки, равно:

то есть выходное напряжение пропорционально измеряемой угловой скорости. Дифференцирование сигнала для создания  демпфирующего момента осуществляется в усилительном контуре обратной связи.

          Сигнал, пропорциональный угловой скорости, с индукционного датчика поступает на вход фазового  детектора, выполненного на транзисторной матрице 1НТ251  и микросхеме 143КТ1.

          Преобразованный выходной сигнал фазового детектора усиливается трехкаскадным усилителем, выполненным на 153УДЗ и 550УП1. В обратной связи первого каскада усилителя реализована корректирующая ячейка, которая  совместно с коэффициентом усиления второго каскада  обеспечивает необходимое демпфирование ДУС.

          Обмотка моментного датчика последовательно с нагрузкой подключена к выходу усилителя.

          В конструкции блока выделяются следующие узлы:

          гиромотор (ГМ15-10ФБ), индукционный датчик   (ИДР-9И), моментный датчик (М-32/10РА), токоподводы, колодка-ввод, кожух, крышка.

          Гиромотор, представляющий собой трехфазный асинхронный двигатель обращенного типа, состоит из нессиметричного ротора колокольного типа с короткозамкнутой обмоткой, статора с четырехполюсной обмоткой, радиально-упроных шарикоподшипниковых опор и корпуса с крышкой. К  гироузлу крепятся ротор индукционного датчика и ротор моментного датчика. На гироузле установлены грузы для балансировки и упоры, ограничивающие поворот гироузла.

          Индукционный датчик служит для преобразования угла поворота подвижной системы блока в электрический сигнал. Индукционный датчик - четырехполюсный бесконтактный рамочного типа - состоит из кольцевого ротора с четырьмя катушками обмотки управления и цилиндрического четырехполюсного статора, состоящего из двух магнитопроводов.

          Моментный датчик совместно с контуром обратной связи предназначен для создания момента, пропорционального подаваемому на его обмотку   постоянного тока. Моментный датчик рамочный, магнито-электрического  типа, состоит из ротора, на наружной поверхности которого наклеены магнитная обмотка и контрольная обмотка, и двухполюсного постояенного   магнита с цилиндрическим магнитопроводом.

          Электрическое питание катушек индукционного  и моментного датчика и гиромотора и съем сигналов  осуществляется через узел токоподводов.

          Корпус блока выполнен из алюминиевого сплава. На корпусе установлены кронштейны с регулируемыми упорами для ограничения  поворота гироузла. Блок защищен кожухом и крышкой.

                  Технико - экономическое обоснование проектируемого прибора.

        Корабль, самолёт, ракета, т.е. любой движущийся объект требует ориентации в пространстве. Для этой цели широко применяются гироскопические системы и устройства. Современные летательные аппараты, морские корабли обладают большой автономностью, покрывают во время движения большие расстояния, поэтому  неправильная ориентировка их в пространстве   значительно увеличивает как время прохождения   маршрута, так и затраты, связанные с его преодолением.  Точность и надежность, затраты и сроки создания - эти показатели всегда находятся в сфере внимания конструкторов, разработчиков гироскопических систем.  Это не случайно, ибо именно соотношения, пропорции   этих показателей и определяют экономическую эфективность гироскопических систем.

          Технико-экономическое обоснование конструкции предполагает сопоставление затрат, связанных с созданием гиросистемы, и эффекта, который достигается при ее реализации. Лучшим признается тот вариант, у которого экономический эффект максимален.

          Технико-экономическое обоснование гиросистемы содержит:

          - определение цели разработки гиросистемы;

          - установление функционального назначения гиросистемы;

          - выявление степени влияния тактико-технических параметров на эффективность выполняемых объектом  задач;

          - расчет затрат, связанных с функционированием гиросистемы и сопоставление их с затратами на аналогичные устройства;

          - расчет экономического эффекта;

Метод определения себестоимости

гиросистемы

Метод баллов.

 При проектировании новой техники и технологии всегда возникает необходимость в    определении таких экономических показателей, как себестоимость и трудоемкость. Проблема заключается в  том, что эти показатели необходимо определять в условиях  ограниченной информации об объекте разработки. Так,    мы располагаем полными сведениями только по предшествующим, аналогичным разработкам, по объекту  же разработки нам известны лишь основные тактико-технические параметры.  В этих условиях целесообразно использовать для определения себестоимости метод    баллов.

Общие положения метода баллов.

          Основным положением метода баллов является  то,   что любая разработка в системе народного хозяйства   может быть рассмотрена с позиции системного анализа,   т.е. как большая и сложная система. Само существование этой систмеы и эффективность ее функционирования связаны с большим числом различных факторов, влияние которых на систему неодинаково. Например,   себестоимость прибора зависит от эффективности использования ресурсов, производственной структуры, организационных особенностей производства. Целью же любого производства является выпуск продукции   заданного количества, определяемого тактико-техническими показателями прибора. При этом прослеживается взаимосвязь между производственными и тактико-техническими показателями. Например, повышение точности прибора может привести к   увеличению числа технологических операций и его трудоемкости, к увеличению парка оборудования, его структуры и стоимости. Это положение справедливо для любой разработки. Установить взаимосвязи можно, используя опыт предшествующих разработок. При этом точность исследования определяется выбранными аналогами, которые должны принадлежать принципиально той же развивающейся системе. Следовательно, зная параметры и их взаимосвязи, можно определить любой из них, варьируя другими как факторами, влияющими на его изменения. Например, себестомость гироприбора изменяется в зависимости от изменения его тактико-технических показателей.

          Влияние каждого показателя неравнозначно, и его весомость вычисляется как величина, измеряемая в     баллах.

Выполнение организационно-экономической части

          1. Задача на проектирование:

          Получить более точный прибор.

          2. В качестве показателей можно рассмотреть следующие технические характеристики и условия эксплуатации блоков ДУСов:

          - масса прибора;

          - габариты прибора;

          - объем прибора;

          - количество деталей;

          - количество стандартных изделий;

          - порог чувствительности;

          - масса драгоценных металлов;

          - количество прецизионных опор;

          - диапазон температур функционирования прибора;

          - нулевой сигнал;

          - составляющая нулевого сигнала, не зависящая                     от "g".

          3. Анализ показателей, влияющих на себестоимость блока ДУСов:

          - масса прибора влияет на себестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.

График влияния:

          - габариты прибора влияют на себестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.

График влияния:

          - объем прибора влияет на себестоимость, так как увеличивается материалоёмкость.

График влияния:

          - количество деталей приводит к росту  себестоимости, так как усложняется техпроцесс сборки, используется больше оборудования, число рабочих.

График влияния:

          - количество стандартных изделий уменьшает себестоимость, так как не требуется разработка нового технологического процесса и нового оборудования, упрощается сборка изделия, требуется низкая  квалификация рабочих.

График влияния:

          - порог чувствительности. Снижается требование к изготовлению опор, к обработке поверхностей, дешевле оборудование.

График влияния:

          - масса драгоценных металлов. Увеличивается себестоимость, так как стоимость драгоценных металлов высока.

График влияния:

          - количество прецизионных опор предполагает дорогостоящее оборудование, высокую квалификацию рабочих, сложный процесс сборки.

График влияния:

          - диапазон температур функционирования прибора   предполагает подбор материалов с одинаковыми коэффициентами температурного расширения, высокую стоимость материалов.

График влияния:

          - нулевой сигнал влияет на изменение  себестоимости. Менее жесткие требования к изготовлению опор, нестабильности крутизны ДМ; Н; Rиз.

График  влияния:

- составляющая нулевого сигнала, не зависящая от "g", влияет на изменение себестоимости.  Менее жесткие требования к    изготовлению токоподводов, опор,  обработке поверхности, влиянию магнитных полей.     График влияния:

          4. Все факторы сведем в таблицу анализа показателей, влияющих на себестоимость блока ДУС'ов  и определим характер зависимости знаками "+", если влияние на себестоимость прямопропорциональное; или "-", если зависимость обратнопропорциональная.

          5. Анализируем показатели, влияющие на себестоимость:

          - масса  у аналогов и у проектируемого прибора одинакова, поэтому этот показатель фактором, влияющим  на изменение себестоимости, не является;

          - габариты у аналогов и у проектируемого прибора одинаковы, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;

          - объём у аналогов и у проектируемого прибора одинаков, поэтому этот показатель фактором, влияющим   на изменение себестоимости, не является;

          - количество деталей у аналогов и у проектируемого прибора одинаково, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;

          - количество стандартных деталей у аналогов и у проектируемого прибора одинаково, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;

          - масса драгоценных металлов у аналогов и у проектируемого прибора одинакова, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;

          - количество прецизионных опор у аналогов и у проектируемого прибора одинаково, поэтому этот показатель фактором, влияющим на изменение себестоимости, не является;

          - диапазон температур функционирования прибора   у рассматриваемого прибора и у аналогов находится в диапазоне от - 50 до + 75 С. В связи с этим влияние на себестоимость этого показателя можно не учитывать.

          Таким образом, факторами, влияющими на    изменение себестоимости для данных приборов, являются:

          - порог чувствительности;

          - нулевой сигнал;

          - составляющая нулевого сигнала, независящая от "g".

          6. Оценка себестоимости блока ДУС'ов.

          Выбираем два прибора-аналога с близкими техническими характеристиками проектируемого ДУСа. Отобранные показатели и их значения заносим в таблицу показателей для расчета себестоимости.

          7. Проведем расчет себестоимости проектируемого прибора c помощью программы SVVD.

          8.  Рассчитаем условную экономию:

                   Эу=S2/a2 - Sп/aп ,

              где a2, aп - показатели качества аналога-2, проектируемого прибора соответственно;

                   S2 = 120 млн. руб. ,  Sп =232 млн. руб.

                   a2 = w1/w2 = 0.3/0.13 = 2.3 ,

                   aп = w2/wп = 0.13/0.0014 = 92.1

                   Эу = 120 000 000/2.3 - 232 000 000/92.1 =

                   = 49 654 912 руб.