Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS85_t23z1_4_PDF_artyku³y\mts85_t23z3_4.pdf
M ECH AN IKA
TEORETYCZNA
1 STOSOWANA
3 - 4, 23 (1985)
Z M OD YF IKOWAN A M E T O D A P R O P O R C JO N ALN E G O N APROWAD ZAN IA
P O C I SK Ó W W P O Z I O M E J P Ł ASZ C Z YŹ N IE ZBLIŻ EN IA
MIROSŁAW G LAP SKI (WARSZ AWA)
W ojskowa Akademia T echniczna
U wzglę dniając ograniczenia proporcjonalnego zbliż enia, rozpatrzono moż liwoś ci
usprawnienia procesu n aprowadzan ia. Z przeprowadzonej analizy niezaburzonego ruchu
pocisku o zmiennej masie i zmiennej prę dkoś ci, naprowadzanego w poziomej pł aszczyź nie
zbliż enia, sformuł owano wniosek o potrzebie „ uzm ien n ien ia" współ czynnika (stał ej)
proporcjonalnoś ci. P okazan o zalety takiego podejś cia. Z aproponowano zmodyfikowaną
metodę proporcjonalnego zbliż enia. Rozważ ania zilustrowano przykł adami liczbowymi.
Wstę p
P roporcjonalne zbliż enie (proporcjonalną nawigacja) wysunę ło się na czoł owe miejsce
wś ród metod sam on aprowadzan ia pocisków, a szczególnie rakiet „ powietrze- powietrze".
Proces sam on aprowadzan ia tych rakiet odbywa się najczę ś ciej w poziomej pł aszczyź nie
zbliż enia (lub znacznie do niej zbliż onej). Pozwala to n a pewne uproszczenie modelu
teoretycznych rozważ ań. N ie wszystkie jedn ak zał oż enia czynione w dotychczasowych
publikacjach są d o przyję cia, szczególnie wł aś nie w przypadku rakiet „powietrze- po-
wietrze". Z naczna czę ść praktycznych rozwią zań tych rakiet cechuje się krótkim począ t-
kowym dział aniem silnika rakietowego i w zwią zku z tym gwał townym rozpę dzaniem
i czę ś cią procesu sam on aprowadzan ia n a tzw. dolocie. W zwią zku z tym zbyt daleko
odbiega od rzeczywistoś ci zał oż enie o stał ym module prę dkoś ci pocisku czy stał ej prę dkoś ci
wzajemnego zbliż ania się pocisku i atakowanego celu. N astę puje również znaczna począ t-
kowa zmiana masy pocisku i nie należy przyjmować jej jako stał ej.
N iniejsze opracowanie, stanowią ce kontynuację rozważ ań zawartych w pracach [1,2, 3],
podejmuje próbę dalszego ulepszenia i przystosowania metody proporcjonalnego zbliż enia
do wykorzystania w przypadku wspomnianych pocisków „ powietrze- powietrze" o zmien-
nej, w trakcie n aprowadzan ia, masie i zmiennym m odule prę dkoś ci lotu.
Szansę ulepszenia i przystosowania metody daje „ uzmiennienie" współ czynnika (tzw.
stał ej) proporcjonalnoś ci, M oże tp nastę pować poprzez zmianę począ tkowej wartoś ci
współ czynnika proporcjonalnoś ci wraz za zmianą począ tkowych warunków naprowa-
540 M. G LAPSKI
dzania, co uwidaczniał o się już w cytowanych opracowaniach. M oż na również odpowiednio
zaprogramować zmianę współ czynnika proporcjonalnoś ci w czasie n aprowadzan ia pocisku;
stanowi to mię dzy innymi przedmiot poniż szych rozważ ań.
i . Zależ noś ci wyjś ciowe
Rozpatrzymy proces naprowadzania pocisków rakietowych w poziomej pł aszczyź nie
zbliż enia (lub nieznacznie od niej odchylonej). Wzajemne usytuowanie pocisku „powietrze-
powietrze" i atakowanego samolotu- celu pokazuje rys. 1.
• r -
: • •
•
' • y s - 1 - ; . . . . . w .. i • :. i
N a rys. 1 oznaczono: >
P~cią g silnika rakietowego, : '• ' ) : «'''
P
x
— opór czoł owy pocisku, fl v r
Py — sił a boczna pocisku,
r — promień — wektor (odległ ość pocisku od celu), **y
v — prę dkość ś rodka masy pocisku,* i i ,
v
c
~ prę dkość ś rodka masy celu,
fł ~ ką t ś lizgu pocisku, ił "" • ' '
d — ką t wychylenia steru kierunku pocisku, ' r , • •
s — ką t wyprzedzenia pocisku,
— ką t odchylenia pocisku (mię dzy osią Ox
0
zwią zanego z rakietą ukł adu grawita-
cyjnego a poziomym rzutem podł uż nej osi ukł adu sztywno zwią zanego ż rakietą ),
Z M OD YF I K OWAN A METOD A P R O P O R C JO N ALN E G O ... 541
W —ką t odchylenia toru pocisku (mię dzy poziomą skł adową prę dkoś ci a osią Ox
0
).
Zał oż ymy horyzontalny ruch pocisku przy równowadze cię ż aru i sił y noś nej powię k-
szonej o pionową skł adową cią gu silnika rakietowego, odbywają cy się bez przechylenia
przy równowadze sił y odś rodkowej i bocznej, powię kszonej o poziomy rzut normalnej
(do toru) skł adowej cią gu.
Otrzymamy poniż szy ukł ad równań kierowanego, niezaburzonego, wzglę dnego ruchu
pocisku i celu:
m%~P- P
x
, (1)
dm
- ar- .- "• •. (2)
(3)
̂ £ (4)
dW - a d ę (5)
- w~aw (5)
dr
—— = v
c
cosq>—wcose, (6)
T - J- = — © eSiny+ wsine, (7)
!F = < p - 6, (8)
f = (p- e+p, (9)
W powyż szych równaniach oznaczono:
a — współ czynnik proporcjonalnoś ci,
m — masa pocisku,
m,— sekundowy wydatek masowy silnika rakietowego,
t — czas,
ć
y
= 5 ~ (cp
y
+ bCy) — uogólniony współ czynnik sił y bocznej pocisku,
Mt = mt • —- S • I — współ czynnik momentu sterują cego,
MS — m'z —- — S • I — współ czynnik momentu tł umią cego,
Aff = ł r£• —• - S- 1 — współ czynnik momentu stabilizują cego.
Wykorzystamy również wyraż enie n a współ czynnik obcią ż enia bocznego pocisku,
manewrują cego w poziomej pł aszczyź nie zbliż enia
(10)
gdzie g — przyspieszenie ziemskie.
542 M . G ŁAP SKI
R o zp a t r u ją c m o ż liwo ść wp ro wad zen ia zał o ż eń u praszczają cych, r o zp a t r zym y prę dkość
dr
zbliż an ia pocisku i celu - -. R óż n iczku jąc st r o n a m i r ó wn a n ie (6) o t r z ym a m y:
d
2
r dv
c
dv dtp
—- ,- = —,— cosę , - c o se—0»sine —— -
dt
2
dt ' dt dt
drp
dt .(U)
Przyjmują c, dla uproszczenia rozważ ań, że dla począ tku naprowadzania e 0 = 0 oraz
I - .— J = o, otrzymujemy
\ dt / o
/ ,l2r \ 1 _ . / dv \
(12)dt2
Jak widać z powyż szego, począ tkowa zmiana prę dkoś ci zbliż ania, w wielu praktycznych
przypadkach pocisków i począ tkowych warunków naprowadzania może być znaczna i nie
należy jej pomijać. Zakł adają c - - - -- = const zarówno na począ tku, jak i w czasie napro-
wadzania, musimy liczyć się ze znacznymi bł ę dami.
W niniejszym opracowaniu wykorzystuje się wykonane obliczenia dla hipotetycznego
pocisku, zbliż onego do amerykań skiego pocisku „ powietrze- powietrze" Sidewinder, gdzie
dla wysokoś ci ataku H = 5000 m przyś pieszenie I .— I = 140 m/ s2, prę dkość v
0
=
\ ot / o
= 400 m/ s. Zakł adają c do tego prę dkość celu v
c
— 300 m/ s oraz począ tkową odległ ość
ataku /„ = 2000 m, mamy przykł adowo:
dla 0 = 90°
m/ s2.
= - 95 m / s2.
Są to już wielkoś ci, które trudno pominą ć w rozważ aniach.
W wyniku wspomnianych numerycznych obliczeń uzyskano nastę pują cy obraz (poka-
zany na rys. 2) zmiany prę dkoś ci zbliż ania w trakcie n aprowadzan ia.
Rys. 2.
Z M OD YF I KOWAN A METOD A P R O P O R C JO N ALN E G O ... 543
dr
Z miany —:- są zn aczn e i w rozpatrywanych przypadkach dochodzą nawet do 300%
(dla (po = 45°). P rzy dv dw
W ~- j\ lu~dt
v+a
l
v
+
a
- T lir
i wedł ug (13) dla począ tku n aprowadzan ia:
( *• \ — 1
d w dv dw \ n n
v
^
+
jf- wj •
f l 6 )
N a podstawie (6), (7), (10) i (16) otrzymujemy, po uwzglę dnieniu (14)
dado > 2H — I — ^ — - ^ - (v, sin < p 0—wo sin e 0) — —— c o s w o + .>
d t
° (17)
vi dt \ -
1 5
1 - .
I ft
0
- 5
Rys. 4.
M,I = 15. Wartoś ci począ tkowe przy a = 4 (krzywa 2) nie speł niają kryterium (19) i ograni-
czeń z niego wynikają cych (a = 4 jest wię ksze od a O m l l x = 3,46), stąd obcią ż enia w począ t-
kowym okresie n aprowadzan ia przekraczają wartość dopuszczalną. W przypadku krzywej
3 speł nione został o kryterium (19) i obserwujemy przy nieprzekraczaniu n a począ tku
n
d
- 15 również i począ tkowy spadek obcią ż eń, ale pod koniec naprowadzania obcią ż enia
przewyż szają zał oż one dopuszczalne wartoś ci. Jest to przykł ad nie w każ dym przypadku
speł nianych oczekiwań przebiegu n = f{f) mim o wypeł nienia zastosowanego kryterium
(19). M iedzy innym i przyczynił o się to do dalszych poszukiwań i opracowania modyfikacji
metody (nastę pny rozdział ).
Rys. 5 ilustruje przebiegi n = / ( / ) dla r
0
= 2000 m i c>0 = 1,5708 (90°) oraz £ 0 = 0,
również dla a — 2 = const (krzywa 1) i a = 4 = const (krzywa 2) oraz dla a
0
= 2,45
da
i - T- = - 0, 81 (krzywa 3):
Omawiane, pokazan e n a rys. 5, krzywe 1, 2, 3 charakteryzują procesy naprowadzania
dla warunków począ tkowych nie speł niają cych kryterium (19) i w każ dym z tych przy-
padków współ czynniki obcią ż enia przekraczają w trakcie naprowadzania n
d
~ 15.
13 M ech. T eoret . i Stos. 3- 4/85
546 M. G LAPSKI
Rys. 6 przedstawia charakter zm ian n = f(t) dla przedniej strefy ataku q>
0
= 2,0944
(120°), r
0
= 2000 m , e 0 = 0 i również dla a = 2 = con st (krzywa 7) dla a = 4 = const
(krzywa 2) oraz dla a 0 = 2,83 i - - ,- - = - 0, 61 (krzywa 3).
Również i w tym przypadku przebiegi n = f(t), pokazan e przez krzywe / , 2 i 3, nie
speł niają na począ tku kryterium (19) i współ czynniki obcią ż enia przewyż szają n
d
= 15
3D
20
0
- 5
- 10
f Usi
3/
V.Z
Rys. 5. Rys. 6.
2. Zmodyfikowana metoda proporcjonalnego zbliż enia
Wprowadzenie zmiennego w trakcie n aprowadzan ia współ czyn n ika proporcjonalnoś ci
umoż liwiło zł agodzenie ograniczeń procesu n aprowadzan ia i otworzył o n owe kierunki
badań w celu dalszego jego usprawn ian ia. C zynion o szereg p r ó b korzystn ego d o bo ru prawa
zmiany w czasie współ czynnika proporcjon aln oś ci. M ię dzy in n ym i zakł adan o liniowy
charakter zmniejszania się współ czynnika n a aktywnej czę ś ci toru
i przyjmowano, że
da_
It
1
da
0- flo)
(23)
(24)
co powodował o, że n a koń cu aktywnej czę ś ci toru (przy czasie t
a
) współ czynnik propor-
cjonalnoś ci przybierał wartość a = 1 i dalej n aprowadzan ie odbywał o się wedł ug klasycznej
metody pogoni. P rzykł ady takiegu n aprowadzan ia pokazują krzywe 3 n a rysunkach 4,
5, 6.
Okazał o się , że korzystne z wielu wzglę dów wyniki (szybkie zmniejszanie współ czyn-
ników obcią ż eń bocznych n a torze, skrócenie czasu n aprowadzan ia, uproszczen ie wzorów
obliczeniowych w trakcie analizy procesu n aprowadzan ia itp.) uzyskan o przy hipotezie
zakł adają cej zmianę współ czynnika proporcjon aln oś ci odwrotn ie proporcjon aln ą do
zmiany m oduł u prę dkoś ci pocisku
Z M OD YF I KOWAN A M ETOD A P R O P O R C JO N ALN E G O ... 547
a - T • ( 2 5 )
gdzie £ = const.
Przyję to przy tym, że wartość współ czynnika A' okreś lać należy dla począ tkowych
warunków n aprowadzan ia i dopuszczalnego współ czynnika obcią ż enia bocznego n
d
.
Wówczas
dt Jo
D la powyż szej hipotezy zmiana współ czynnika proporcjonalnoś ci wyglą da nastę pują co
da K dv a dv
dt ~ ~~"v
r
~d7 ~ " v< df
(
'
U jemny gradient współ czynnika proporcjonalnoś ci zmienia się odwrotnie proporcjonalnie
do kwadratu m oduł u prę dkoś ci rakiety. D la tak zmodyfikowanej metody uzyskano na
podstawie {ii), po uwzglę dnieniu (26) i (27),
(2 8 )
i pozostawiając taki sam warunek (18), z analogicznego do (19) kryterium okreś lono
bliż szą granicę strefy moż liwych ataków
dv
- j—
d ,
- j— s m e o
D la czę stego, praktycznego przypadku e 0 = 0 wzór (29) upraszcza się do
(30)
Jak widać, wyraż enia (28), (29) i (30) są prostsze od ogólnych wyraż eń (17), (21) i (22),
nawet w porówn an iu ż przypadkiem a = const.
Bliż sza granica moż liwych ataków przybliża się znacznie do atakowanego celu. Widać
to wyraź nie z obliczeń wykonanych dla hipotetycznego pocisku i przyję tych warunków
począ tkowych. Ilustruje t o , obliczona na podstawie (30), krzywa 3 na rys. 3.
Znacznie korzystniejsze są również zmiany n = / (/ )• Pokazują to krzywe 4 z obliczeń
dla r
0
= 2000 m i cp
0
= 0,7854 (45°), 0 = 2,0944 (120°)
krzywa 3 — dla r
0
= 1400 m \ q>
0
= 2,7925 (160°).
Rozpatrzmy obecnie, n a ile moż liwe jest przy zaproponowanej metodzie przyję cie
zał oż enia o stał oś ci prę dkoś ci zbliż ania, - — = const.
1 3 '
548 M. G LAPSKI
P o zróż niczkowaniu wzglę dem czasu równania (7), wykorzystaniu (6) i uwzglę dnieniu
(8) m am y:
d
2
a „ dr dy dv . dW
dt
2
dt dt dt dt
dv
c
.
;—suu/ >.
dt ' (31)
P o uwzglę dnieniu (5) i (25) równanie (31) przybiera postać
dv .
, - sin s' r- sinw.
dt dt
,(32)
Jeś li zał oż ymy stalą prę dkość zbliż ania —=- — const, moż emy n apisać, analogicznie
do rozważ ań w [4],
dr
i gdy przez t
c
oznaczymy cał kowity czas takiego n aprowadzan ia, a przez r
0
— odległ ość
począ tkową mię dzy pociskiem i celem, to uzyskujemy
dr
wobec czego
r°"
' = < - < •
. (33)
(34)
Wykorzystują c powyż sze dojdziemy d o równania róż niczkowego. N a podstawie (32)
i (33) mamy
dv dv
c
- ( 3 5 )
dv
cRozwią zując powyż sze równanie otrzymujemy dla • —- = 0, przy zał oż eniu cos s = 1
oraz sin e — e = const,
Z M O D YF I K O WAN A METODA P R O P O R C JO N ALN E G O ... 54
dt
(36)
gdzie b —
e - 'w
dr\ ~ dv
dt
e.
D la porówn an ia wykon an o uzupeł niają ce przykł adowe obliczenia dla wspomnianego
hipotetycznego pocisku, przy e
0
— 0 i r
0
<= 2000 m wedł ug uzyskanego rozwią zania (36).
Wyniki uzyskane z cał kowan ia liczbowego wyjś ciowych równań przy uż yciu EM C i obli-
czeń wedł ug rozwią zania (36) pokazuje rys. 8.
N a rys. 8 linią cią głą wykreś lono zmiany n =f(t) uzyskane przy numerycznych obli-
czeniach, a linią przerywaną — przy wykorzystaniu rozwią zania (36).
90°
- 5
10 11
Rys. 8.
f]
180
160
120
1 6 7 i
Rys. 9.
10 W
550 M . G LAP SKI
Jak wynika z porównań, w począ tku naprowadzania róż nice są niewielkie i najwię ksze
bezwzglę dne wartoś ci osią gają przy koń cu czasu n aprowadzan ia t
c
okreś lonego z nume-
rycznych obliczeń. Znacznie również róż ni się rzeczywisty czas n aprowadzan ia (tak naz-
wiemy czas t
c
z numerycznych obliczeń) od czasu wynikają cego z przybliż onej zależ noś ci
(33). Ilustruje to rys. 9 z obliczeń dla /- 0 = 2000 m. Krzywą cią głą naniesiono rzeczywisty
czas naprowadzania.
Krzywa przerywana n a rys. 9 pokazuje t
c
— f( 2 dt
przy
I / wo \
dv
VCy dt '
dA- , \
dt ]'
d2m 0
: (45)
[cd.J
(46)
Jak wynika z obliczeń dla hipotetycznego pocisku, współ czynnik D
l
przybiera wartoś ci
rzę du kilku dziesią tych. Współ czynniki D
2
i Z>3 mają wartoś ci odpowiednio o dwa i trzy
rzę dy niż sze.
Z miana tych współ czynników w czasie naprowadzania, dla przyję tych warunków
(rozdz. 1), został a pokazan a na rys. 10.
Jeś li uwzglę dnimy propon owan ą modyfikację proporcjonalnej nawigacji i zmianę
współ czynnika proporcjon aln oś ci wedł ug (26) i (27), to znaczy:
a —
K ii
di
a dv
v dt
oraz (jak stą d wynika)
d
2
a a \ .tdv\
2 • d2v]
df- - ~tf[
2
\ ~di]
V
dt
2
Y
(47)
552 M . G LAPSKI
to otrzymamy wyraż enie n a ką t wychylenia steru w nastę pują cej postaci:
(48)
Jak wynika z analizy poprzednio uzyskanego wyraż enia (41) i wyraż enia dla zmodyfi-
kowanej metody (48), podstawowe znaczenie m a pierwszy czton iloczynu, i w przybliż eniu
moż na przyjmować
dt
(49)
Bezpoś redni i decydują cy wpł yw na zmianę ką ta wychylenia steru w procesie naprowa-
dzania m a zmiana charakterystyk dynamicznych pocisku oraz zastosowane prawo zmiany
współ czynnika proporcjonalnoś ci, mają ce również podstawowy wpł yw n a zmianę ką ta
obserwacji celu
„ = 2,0944 (120°).
Z rysunków 11 i 12 widać, że najbardziej korzystną zmianę d = f(t) obserwujemy
w przypadku proponowanej zmodyfikowanej metody proporcjonalnego naprowadzania
(krzywe 3).
Z M O D YF I K O WAN A METOD A P R O P O R C JO N ALN Ł G O .,. 553
4. Wnioski
1. N a podstawie szeregu wykonanych uprzednio rozważ ań i przykł adowych obliczeń
[1, 2] potwierdzona został a moż liwoś ć, szczególnie przy wstę pnych rozważ aniach, doboru
współ czynnika proporcjonalnoś ci i okreś lenia bliż szej granicy moż liwych ataków w oparciu
o począ tkowe wartoś ci czynników toru pocisku i celu.
2. Z miana m oduł u prę dkoś ci pocisku, jak również zmiana prę dkoś ci wzajemnego
zbliż ania pocisku i atakowan ego celu, uzasadnia zmianę w trakcie naprowadzania współ -
czynnika proporcjonalnoś ci.
3. Wynikają ca z przeprowadzonych analiz hipoteza o zmianie współ czynnika propor-
cjonalnoś ci odwrotnie proporcjonalnej do moduł u prę dkoś ci pocisku i zaproponowana
modyfikacja metody proporcjonalnego naprowadzania wpł ywa korzystnie zarówno na
dopuszczalne począ tkowe warunki naprowadzania (przybliża do atakowanego celu strefę
moż liwych ataków), jak również n a zmianę dynamicznych parametrów ruchu na torze
(pocisk wykonuje szybki manewr n a począ tku naprowadzania, przygotowując niejako
duży zapas obcią ż eń bocznych i ką ta wychylenia steru w przewidywaniu manewru obron-
nego celu).
4. P rzeprowadzone rozważ ania i proponowana modyfikacja metody proporcjonalnego
zbliż enia może stanowić podstawę szeregu praktycznych wskazówek i zaleceń przy analizie
warunków optymalnego naprowadzania pocisków „ powietrze- powietrze".
Literatura
1. M . G L AP SK I , Ograniczenia proporcjonalnej nawigacji w ogólnym przypadku naprowadzania kierowanych
pocisków „powielize- powietrze", Biuletyn WAT , 3, 1972.
2. M . G L AP SK I , Ograniczenia proporcjonalnej nawigacji w uproszczonym przypadku naprowadzania kiero-
wanych pocisków „powietrze- powietrze", Biuletyn WAT , 8, 1971.
3. M . G L AP SK I , W pł yw począ tkowego kata wyprzedzenia na strefę ataku przy proporcjonalnej nawigacji
pocisków „powietrze- powietrze", Biuletyn WAT, 9, 1973.
4. E. I . KRYNiECKr, Sistiemy nawiedienija, M oskwa 1970.
P e 3 lo M e
M ETOfl, U P OnOP LJH OH AJlbH OrO H ABEflEH H fl CH AP3H OB
B rO P H 3O H T AJlBH O fl IU IOCKOCTH CEJ1H)KEHHH
uHTbiBaH orpammeH H Ji nponopiyionajiLH oii H aBiiraipni, paccjwoTpeHM BO3MO>KHOCTH co sepu iecrBo -
npemecea H aBefleinw. H 3 npoBefleH H oro a n a n a sa H eBcmiymeH H oro flBH H ceH im cHapii.ua c n e p e -
MeHHoii Maccoii u nepeMeH H oii CKopocrbWj HaBOflHMoro B ropH3OHT£UibHoił IUIOCKOCTH c6jm>KeHHH,
copMyjiHpoBaH BbiBofl o H eo6x(W'iMocrH jjBapH an in i" K03(J><|)imHeHrra (noeroHHHOH) n p o n o p u n o H aja -
HOCTH. IIoKa3aH M aocTOHHCTBa xaKoro noflxofla. npefljio>KeH MoaHimHpoBanHbrii Meiofl n p o n o p -
Paccy>KfteiniJi H JiinocTpH poBaH bi ^H C JIOBKŁ IM II n pim epajiH .
554 M. G LAPSKI
S u m m a r y
TH E M OD IF IED METH OD OF PROPORTION AL APPROACH OF A MISSILES I N TH E
H ORIZON TAL APPROACH — PLAN E
On consideration of limitations to the proportional navigation, have been considered of making the
homing- in process more efficient.
F rom an analysis of the unperturbed motion of a missiles with a variable mass and a variable velocity
and being homed- in in the horizontal approach — plane, a conclusion has been formulated on the need
of rendering the factor (constant) of proportionality variable. The advantages of such of solution have
been demonstrated.
The considerations have been illustrated by the numeric examples.
Praca został a zł oż ona w Redakcji dnia 20 kwietnia 1985 roku