Разработка AIM-120

Chizh · June 4, 2020

ОТЧЕТ О РАЗРАБОТКЕ AIM-120

Мы стараемся приложить максимум усилий к тому, чтобы DCS был реалистичным симулятором, поэтому мы решили выводить динамику полета ракет на новый уровень. В прошлых моделях были и есть определенные ограничения не позволяющие в полной мере моделировать все аспекты динамики полета ракет. Мы высоко ценим ваши замечания и отзывы, многие из которых в значительной степени помогли нам вывести симуляцию ракет класса воздух-воздух на новый уровень.

Ниже приводится описание особенностей новой реализации ракет Воздух-Воздух семейства AIM-120.

МОДЕЛЬ ДИНАМИКИ ПОЛЕТА

Мы уже сообщали ранее, что нами проведено масштабное компьютерное исследование модели ракеты с использованием средств вычислительной гидродинамики. Почти 250 виртуальных продувок было выполнено для каждого из двух существующих в DCS модификаций ракеты: AIM-120B и AIM-120C. Результаты позволили нам воспроизвести аэродинамические характеристики ракеты с максимально возможной точностью. Дополнительно мы произвели расчет положения центра масс ракеты и моментов инерции до запуска двигателя и после его выгорания.

Аэродинамика

Новая аэродинамическая модель отличается от предыдущей наличием характеристик устойчивости и управляемости. Это главное отличие новой аэродинамической модели. Общая управляемость и устойчивость ракеты определяется её статической устойчивостью, эффективностью управляющих поверхностей и способностью к аэродинамическому демпфированию возникающих колебаний. Эти параметры являются определяющими для реалистичной симуляции переходных процессов и движения ракеты в целом. Маневренность ракеты и в конечном счете точность наведения зависят от указанных параметров.

Кроме того, мы пересчитали коэффициенты подъемной силы и сопротивления. Посмотрите на правый график ниже (Рис 1, правый). Видно, что показатели индуктивного сопротивления старой модели были завышенными. Благодаря компьютерным продувкам мы смогли получить корректные значения показателей вплоть до 5-ти скоростей звука. Теперь максимальное аэродинамическое качество ракеты находится в пределах 2 - 3 единиц, что является типичным показателем для современных ракет воздушного боя. Новая AIM-120 будет терять меньше энергии при маневрировании.

Безиндуктивное сопротивление (сопротивление при нулевой подъёмной силе) тоже было скорректировано на основе результатов исследования. Оно изображено на графике слева (Рис 1, левый). Другим интересным нововведением является снижение коэффициента общего сопротивления при работе двигателя, за счет отсутствия донного сопротивления. Реактивная струя вызывает повышение давления позади ракеты, тем самым приводя к снижению донного сопротивления, пока двигатель работает.

Рис 1. Графики сопротивления при нулевой подъемной силе (слева) и индуктивная поляра при M=2

Ракетный двигатель

Реактивный твердотопливный двигатель оказывает непосредственное влияние на баллистику и дальность полета ракеты. Используя известные данные для двигателей с аналогичным малодымным HTPB/AP топливом, геометрию их топливных зарядов и сопел, а так же справочные данные мы получили оценки на характеристики топлива. Далее подобрав площадь поверхности горения заряда AIM-120 и зная геометрию ее сопла, мы рассчитали конкретные значения тяги, времени работы и удельного импульса двигателя. Как результат, мы уменьшили величину удельного импульса в нашей модели на 10%, что кажется более реалистичным для данного вида топлив.

МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

Для управления полётом ракеты с реалистичной летной моделью нами была разработана модель системы автоматического управления ракеты, адаптирующейся под высоту и скорость полёта. Система имеет четыре переменных параметра и обеспечивает точную и быструю реакцию ракеты в широком диапазоне скоростей и высот от уровня моря до 30 км. При разработке автопилота мы использовали методы теории управления чтобы исследовать характеристики ракеты как объекта управления. Подобный подход помогает нам понять как ведет себя ракета и определить, какие фильтры и коэффициенты усиления необходимо использовать в автопилоте для исключения нежелательного поведения. Первыми из таких характеристик является частотные характеристики.

Частотные характеристики

Вы пробовали летать на F-5E-3 с отключенными демпферами? Помните, как начинал раскачиваться самолёт при каждом неосторожном движении рукояткой управления? Ракета стремится вести себя точно так же. После резкой команды управления она начинает колебаться с определенной частотой, называемой собственной частотой колебаний. Частотные характеристики позволяют нам видеть и анализировать эти колебания. Посмотрите на левый график (Рис. 2(. Красная сплошная линия имеет отчетливый пик амплитудой 35 дБ на частоте 15 радиан\сек. Но как нам стабилизировать или исключить эти колебания? Именно для этого и служит контур демпфирования. Передавая усиленный и инвертированный сигнал от гироскопов на управляющие поверхности, мы можем избежать раскачки. Зеленая сплошная линия показывает амплитудно-частотную характеристику ракеты с работающим демпфером. Резонансный пик, а значит и колебания теперь отсутствуют, но есть другая проблема. Эффективно убирая избыточную реакцию ракеты и раскачку на больших частотах система демпфирования снижает чувствительность ракеты на команды управления. Так в левой части графика мы видим, что зеленая линия проходит на уровне -5 дБ.

Этот недостаток компенсируется отрицательной обратной связью по ускорению. Не вдаваясь в подробности скажем, что для этого сигнал от датчиков ускорений вычитается из команды управления, результат интегрируется, пропускается через специальные фильтры и подается на приводы рулей. Синие линии на правом графике (Рис.2) показывают частотные характеристики ракеты с контуром демпфирования и обратной связью по ускорению. Как видим, синяя сплошная линия (амплитудно-частотная характеристика) находится около нуля во всём рабочем диапазоне частот, и ракета будет отрабатывать команды управления точно. Пунктирные линии обозначают фазо-частотную характеристику ракеты. Отрицательные значения показывают запаздывание в реакции на команду. Для исключения такого запаздывания автопилот включает в себя дополнительный фильтр.

Рис 2. Частотные характеристики

Частотные характеристики ракеты зависит от ее аэродинамических характеристик, которые сильно меняются в зависимости от высоты и скорости полета. Именно поэтому параметры фильтров автопилота должны адаптироваться под высоту и скорость полёта ракеты.

Однако, приведённые выше характеристики рассчитаны для линеаризованной модели ракеты и не учитывают влияние существенных нелинейностей – характеристик рулевого привода.

Электромеханический рулевой привод

Важнейшей частью любой системы управления ракетой являются приводы рулевых поверхностей. Предельный угол отклонения и скорость поворота руля непосредственно влияют на управляемость и устойчивость ракеты. Что бы обеспечить реалистичное поведение нашей ракеты мы должны были смоделировать работу электромеханического рулевого привода. Модель состоит из электрической части (электромотор и контроллер) и механической (червячный редуктор).

Давайте посмотрим, как ведет себя ракета с автопилотом и электромеханическими рулевыми приводами в полете. Для этого будем использовать другой хорошо известный из теории управления метод – отклик на ступенчатый сигнал или переходная характеристика.

Переходные процессы и переходная характеристика

Переходная характеристика необходима для исследования реакции системы не резкое возмущающее воздействие. Она показывает нам, как изменяются те или иные параметры на протяжении некоторого времени после воздействия (поступления команды управления или внешнего возмущения). Рассмотрим графики ниже. Мы посылаем автопилоту на вход прямоугольный импульс длительностью 1с и амплитудой 25g. На левом графике отображена реакция ракеты на скорости M=1,5 и высоте 1,5км, на правом графике соответственно при M=3,5 и высоте 20 км. На малой высоте время отклика на команду составляет всего 0,1-0,2 секунды, а кратковременное превышение заданной перегрузки составило около 10% (2g). Во втором случае, как видим, ввиду малой плотности воздуха на большой высоте и ограниченного угла отклонения рулей выполненная команда оказалась меньше потребной, а время реакции увеличилось до 0,5-0,6 секунды.

Рис. 3. Переходные характеристики ракеты.

Аэробаллистическая (навесная) траектория

Ещё одна функция автопилота – обеспечение полёта к цели по навесной, энергетически выгодной траектории. Полет по навесной траектории проходит в менее плотных слоях атмосферы, что приводит к снижению сопротивления и увеличению дальности полета. Однако из-за экспоненциального характера зависимости плотности воздуха от высоты навесная траектория имеет разную эффективность на малых и больших высотах. При пусках на уровне моря использование навесной траектории практически не дает выигрыша, однако с ростом высоты увеличение дальности начинает происходить все быстрее.

На графиках ниже изображены два примера навесной траектории при пуске AMRAAM по не маневрирующей цели. На левом рисунке показана траектория при пуске с максимально возможной дальности, истребитель и цель летят на высоте 9км со скоростью 1.5 Маха, дальность на момент пуска составляет около 92 км. Правый график демонстрирует навесную траекторию при стрельбе по низколетящей цели, скорость истребителя и цели 0.9 Маха, дальность на момент пуска 67 км.

Итак, чем выше вы летите, тем лучше. А кабрирование при пуске с тангажом 15-20 градусов может дать вам дополнительные 5-10% прироста дальности полёта ракеты!