Авиационные оптико-электронные системы прицеливания и наведения (120

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

И.М. Илюхин

АВИАЦИОННЫЕ ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ ПРИЦЕЛИВАНИЯ И НАВЕДЕНИЯ

Рекомендовано Научно-методическим советом МГТУ им. Н.Э. Баумана

в качестве учебного пособия по дисциплине «Проектирование оптико-электронных приборов навигации»

Москва Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2011

УДК 623.005(075.8) ББК 68.53

И49

Рецензенты: Ю.Г. Якушенков, В.И. Кузичев

Илюхин И.М.

И49 Авиационные оптико-электронные системы прицеливания и наведения : учеб. пособие / И.М. Илюхин. – М.: Издво МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011. – 46, [2] с. : ил.

Рассмотрено решение задачи прицельного сбрасывания груза с авиационного носителя, описаны особенности работы и схемотехнического исполнения оптических прицелов бомбометания (ОПБ), а также систем наведения управляемых авиационных бомб (УАБ), приведен порядок выбора и расчета основных характеристик визирной системы и прицельных параметров ОПБ, дана количественная оценка ожидаемой методической погрешности наведения УАБ системами их управления трех поколений.

Для студентов старших курсов, обучающихся по специальности «Лазерные и оптико-электронные системы».

УДК 623.005(075.8) ББК 68.53

МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011

СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ

ВКУ – видеоконтрольное устройство ВС – визирная система

ДИС – доплеровский измеритель скорости ДСП – дистанционная следящая передача ЗУ – запоминающее устройство ИО – исполнительные органы КП – командный прибор ЛБП – линия боевого пути ЛРБ – линия разрывов бомб ЛЦУ – лазерный целеуказатель

МАС – механизм автоматического сбрасывания МБН – механизм боковой наводки МПИ – матричный приемник излучения МС – механизм синхронизации

МСА – международная стандартная атмосфера ОПБ – оптический прицел бомбометания ПНК – прицельно-навигационный комплекс ПрУ – предварительный усилитель РВ – рукоятка визирования ТК – телевизионная камера

УАБ – управляемая авиационная бомба ФОС – формирующая оптическая система

3

ПРЕДИСЛОВИЕ

Оптические и оптико-электронные приборы являются важными функциональными блоками бортовых прицельно-навигационных комплексов самолетов и систем наведения управляемых авиационных бомб. Они выполняют функцию датчиков первичной навигационной и прицельной информации в процессе поиска, обнаружения и последующего автоматического слежения за наземными объектами, формируя при этом необходимые сигналы управления.

Представленные в пособии материалы дополняют существующие публикации в области разработки оптических прицелов бомбометания и наведения управляемых снарядов, поэтому оно будет полезно при подготовке студентов и молодых специалистов, занимающихся разработкой подобных приборов и систем.

4

1 . ОСНОВЫ ВНЕШНЕЙ БАЛЛИСТИКИ АВИАЦИОННЫХ БОМБ

Специфической задачей навигации является задача выведения самолета в некоторую расчетную точку пространства для обеспечения последующего прицельного сбрасывания парашютного десанта, авиационных бомб и других грузов. Эта задача решается методами воздушной навигации на базе использования специальных прицель- но-навигационных комплексов, основу которых составляет оптический прицел. Поскольку координаты расчетной точки сбрасывания груза кроме параметров пилотирования самолета определяются еще и баллистикой самого груза, начнем с обсуждения основ внешней баллистики, т. е. с изучения законов свободного движения (падения) груза в воздушной среде. На основе этих законов составляют баллистические таблицы, которые используются при разработке оптических прицелов бомбометания (ОБП).

На бомбу, сброшенную с самолета, действуют две силы: сила тяжести Q, которая определяется как произведение массы бом-

бы mб и ускорения g свободного падения (принимается постоян-

ным независимо от географической широты точки сброса), и сила сопротивления воздуха F, которая рассчитывается как

F CF S Vб2 , 2

где CF – безразмерный коэффициент сопротивления; – плотность воздуха, кг/м3; S – площадь наибольшего поперечного сечения бомбы, м2; Vб – скорость движения бомбы относительно воздуха, м/c.

Коэффициент сопротивления зависит от скорости движения бомбы и ее баллистических свойств (формы). Применительно к различным типам бомб значение этого коэффициента монотонно возрастает, имея существенный скачок в момент перехода к звуко-

вой скорости. Так как значения параметров Vб, СF и в процессе

5

падения бомбы непрерывно изменяются, расчет значения силы F возможен лишь методом последовательных приближений для заданного закона изменения плотности воздуха как функции высоты. Во внешней баллистике используется некоторая статистически усредненная модель земной атмосферы – международная стандартная атмосфера (МСА), для которой принимаются вполне определенные законы изменения температуры, плотности и давления воздушной среды с увеличением высоты.

Применительно к МСА баллистические свойства бомбы могут определяться рядом численных параметров: 1) безразмерным бал-

листическим коэффициентом С0 ; 2) критической (предельной) скоростью падения VK , когда сила сопротивления уравновешивает

силу тяжести и бомба начинает падать без ускорения; 3) характе-

ристическим временем падения , под которым понимают время

падения бомбы, сброшенной с горизонтально летящего самолета со скоростью 40 м/c на высоте 2 км. Для любого груза, сброшенного в пустоте, когда сила F 0, при таких начальных параметрах

движения значение характеристического времени будет составлять 0 2Н / g 20,193 с (Н – высота полета; g – ускорение

свободного падения). Очевидно, что в условиях МСА значение всегда будет превышать значение 20,193 с, при этом тем больше, чем хуже баллистические свойства груза. Характеристическое время падения бомбы и ее баллистический коэффициент C0

связаны между собой простой зависимостью

20,193 0,809С0.

Рассмотрим дифференциальное уравнение движения бомбы, сброшенной в точке О с горизонтально летящего самолета на высоте Н с воздушной скоростью V (рис. 1). Эти параметры задают начальные условия движения бомбы и совместно с силой тяжести и сопротивления воздуха определяют ее траекторию. Боковой относ бомбы под действием ветра (перемещения воздушных масс) будет учтен при составлении прицельных схем. Поэтому при бомбометании в отсутствие ветра (при штиле) траектория бомбы будет располагаться в вертикальной плоскости ХОY. Тогда, спрое-

цировав в некоторый момент времени ti (точка Oi ) на оси Х и Y все силы, действующие на бомбу, согласно второму закону Нью-

6

Рис. 1. Движение свободно брошенного авиационного груза

тона можно получить следующую систему дифференциальных уравнений:

mбХ Fi cos i ; mбY Q Fi sin i .

Так как согласно рис. 1	sin	Y V ,	а	cos	X V ,	окончатель-
	i	i		i	i

но уравнения движения бомбы принимают следующий вид:

X ji X ; Y g j Y ,

Vi Vi

где Vi X Y – текущая скорость бомбы относительно воздуха; ji f ( Hi , Vi , ) – текущее ускорение силы сопротивления возду-

ха.

Решая эту систему уравнений применительно к МСА с учетом параметров пилотирования самолета, можно рассчитать время па-

дения бомбы Тб, ее продольный относ А0 и другие параметры

движения (например, скорость VK и угол K					ее встречи с Землей).
При	сбрасывании бомбы		с	горизонтально	летящего самолета
( 0	0)	Тб f1(H , V , )	и	A0 f2 (H , V , ). Это позволяет со-

ставить баллистические таблицы, которые содержат значения основных параметров движения бомбы: время ее падения Тб, а

7

также линейное б VTб А0

или угловое tg б б / H отстава-

ние применительно к различным значениям начальных условий сбрасывания и типам бомб ( ). Так как баллистические таблицы

строят применительно к условиям МСА, то в условиях реальной атмосферы табличные значения параметров движения бомбы будут несколько отличаться от их фактических значений, что требует введения соответствующих поправок.

2. ЗАДАЧА И СХЕМЫ ПРИЦЕЛИВАНИЯ ПРИ БОМБОМЕТАНИИ

Задача прицеливания при бомбометании сводится к совокупности операций по управлению самолетом, в результате выполнения которых к моменту сброса бомбы продольной оси и центру тяжести самолета придается некоторое пространственное положение, обеспечивающее прохождение траектории сброшенной бомбы через выбранную цель. Практическое решение этой задачи сводится к обнаружению цели и последующему выполнению двух опера-

ций [1]:

1) прицеливания по направлению или боковой наводке, в ре-

зультате выполнения которого самолет выводится на боевой курс, т. е. его продольная ось определенным образом ориентируется относительно цели;

2) прицеливания по дальности, когда на боевом курсе определяются точка и момент сброса бомбы.

Пространственное положение самолета по направлению и дальности относительно цели в момент сбрасывания бомбы в предположении, что траектория последней пройдет через цель, определяется прицельной схемой.

В простейшем случае бомбометания при отсутствии ветра для выхода самолета на боевой курс V б.к достаточно после обнару-

жения цели так развернуть самолет, чтобы его продольная ось (вектор воздушной скорости V ) была направлена на цель. Схема

прицеливания при этом получается плоской (рис. 2, где Овых – точка выхода самолета на боевой курс, Обр – точка сброса бомбы,в – угол визирования, 0 – угол прицеливания). Согласно при-

8

цельной схеме положение самолета относительно цели в момент сброса бомбы однозначно определяется двумя координатами: вы-

сотой его полета Н и углом прицеливания 0. Легко заметить, что за время падения бомбы самолет переместится в точку Ок, пройдя путь ОбрОк V Tб (предполагается, что вектор его скорости не меняется). Так как на бомбу действует сила сопротивления воздуха, она отстанет от самолета на расстояние ЦОк = б, т. е. в момент ее сброса самолет должен быть удален от цели Ц на расстояние

О	Ц А , где	А – штилевой продольный относ бомбы. Следова-
бр	0	0
тельно, значение угла прицеливания можно рассчитать как
		tg 0	A0		VTб б	VTб tg б,
			Н		H
						H

а точка сброса бомбы при этом фиксируется на боевом курсе движения самолета как момент достижения текущим углом визирова-

ния значения угла прицеливания, т. е. момент, когда вi 0.

Рис. 2. Схема прицеливания при бомбометании в отсутствие ветра

Таким образом, для решения задачи прицеливания ОПБ должен: 1) в процессе непрерывного слежения за целью выработать команды на разворот самолета для его выхода на боевой курс, на

котором бортовой угол пеленга цели п.к 0; 2) рассчитать значение угла прицеливания как 0 f (H , V , ), где параметры H , V измеряются автоматическими датчиками; 3) в момент достижения равенства вi 0 выдать команду на сброс бомбы.

9

Задача и схема прицеливания существенно усложняются при наличии бокового ветра. В этом случае для выхода самолета на боевой курс он должен развернуться в пространстве таким образом, чтобы вектор его путевой скорости W V U проходил с наветренной стороны от цели на расстоянии бокового относа бомбы Aбок б sin , где – угол сноса самолета на его боевом кур-

се V бк (рис. 3). Отрезок ОвыхОк называется линией боевого пути (ЛБП); прямая, ей параллельная и проходящая через цель Ц, есть линия разрывов бомб (ЛРБ), а отрезок ОбрРц Апр – продольный относ бомб.

Рис. 3. Траектория самолета при его выходе на боевой курс

Схема прицеливания после выхода самолета на боевой курс, когда п ( п – бортовой угол пеленга псевдоцели Рц, являющуюся проекцией цели на ЛБП по направлению вектора U ), пред-

ставлена на рис. 4. За время падения бомбы самолет переместится в точку О2 , пройдя путь ОбрО2 WTб. Под действием силы сопро-

тивления воздуха (а она в каждый момент времени направлена в сторону, противоположную вектору перемещения бомбы относительно воздуха, и всегда лежит в вертикальной плоскости, парал-

лельной плоскости ХОбрY ) бомба отстанет от самолета на величи-

10