Стабилизация Активная - способы реализации

Активная стабилизация Ракеты

Мечта многих РакетоСтроителей - Красивый старт крупной ракеты с хороши качеством видео на память.

Что для этого нужно? Многое конечно… но первый в этом списке РД - должен быть огнедышащий, долгоиграющий и с малой тягой для обеспечения невысокого ускорения.

Но при этом возникает проблема - Ракета на малой скорости не стабилизируется аэродинамически!

Значит нужна система Активной стабилизации Ракеты.

Я считаю возможным изготовление и применение системы руления Ракетой установки залпового огня "Смерч" - о ней было рассказано по ТВ в передаче о Тульских оружейниках и о конструкторе Денежкине.

Вся система смонтирована в обтекателе (точней в головной части) Ракеты.

- гироскоп является датчиком положения ракеты
- система вычисления управляет эл. магнитными клапанами сопел
- исполнительными устройства: 4 сопла направленные в разные стороны, расход по соплам регулируется электромагнитными клапанами.
- газогенератор вырабатывает газ для сопел

Работает система 2.5 секунды после пуска "подруливая" ракету на заданный курс.

Конструкция:

В качестве датчиков положения ракеты можно использовать, как в оригинале, Гироскопы (нужно 2 штуки по 45 баксов) но я хочу применить Акселерометры для измерения вектора ускорения точки расположения акселерометров, их можно заказать в виде бесплатных образцов, и главное мы получим информацию о динамике полета Ракеты, ее положение в пространстве. Один двух осевой Акселерометр на ± 2 Ж ADXL202 и один одно-осевой на ±5 Ж ADXL105 например. (Акселерометром можно измерять и бОльшие ускорения!)

Сопла, клапаны и источник рабочего газа будут расположены на металлическом диско-образном основании системы. Этот диск будет соединять корпус ракеты с обтекателем, а возможно будет частью обтекателя. Высота диска чуть больше диаметра выходных отверстий сопел, Диаметр равен диаметру корпуса ракеты.

Если рабочим будет сжатый газ, то возможно весь обтекатель будет металлическим и в нем будет закачан газ. Использовать сжатый газ было бы очень перспективно - можно всю систему выполнить из алюминиевых сплавов. Клапаны и сопла не засорятся и не повредятся продуктами сгорания газогенератора.

Возможно применение отбора газов по металлической трубке от основного РД или монтаж в обтекателе газогенератора.

Вычислительная система с датчиками и источниками питания монтируется на этом же диске-основании - т.е. получается автономный блок. Вычислитель имеет интерфейс для связи с ПК и память для сохранения параметров полета.

Испытания - отработка:

Отработка системы обещает требовать много времени и мало денег, опасности не обещает, так как будет на 90% выполнятся без пусков РД.

Ракета будет установлена соплом на теннисный мячик, выше середины Ракета будет ограничена обручем в отклонении в стороны до 15 градусов. Снизу шлангом будет подводится сжатый газ.

На первом этапе без подачи газа можно вручную покачать ракету в пределах ограничения движения обручем - записать показания датчиков в ПК, послушать щелканье клапанов сопел. Далее можно подать газ.

Результатом испытаний будет подбор коэффициентов управляющих воздействий системы на Ракету - в результате Ракета наклоненная на обруч при подаче газа должна занимать вертикальное положение и удерживать его. Так как система безопасна то можно рукой "случайно" воздействовать на ракету и отслеживать ее реакцию и стабильность удержания положения.


Заключение:

На словах все вроде просто, но я понимаю, что задача серьезная. Поэтому приглашаю всех кому это интересно включиться в обсуждение сабжа.

Мне кажется, в первую очередь надо понимать, каковы требования к датчикам углового отклонения - то есть, какова минимальная регистрируемая угловая скорость, зона нечувствительности по углу, потом, всё это должно быть надёжно само по себе и грамотно закреплено. Потом нужно сделать систему газовых сопел - какое давление? в чём хранить газ? сколько его нужно? учесть падение давления газа по мере его выработки; как сделать сопла? какие взять газовые клапаны? По газовым клапанам - те же вопросы, что и по гироскопам; фактически, нам нужны данные, поточнее, об их функции отклика, и свойства этой функции должны быть достаточно хорошими, чтобы можно было её использовать для данного применения. И потом начнётся математика по выписыванию алгоритмов СУ . Если есть гироскопы, газовая система, клапаны, электроника по управлению клапанами и компьютер с отлаженным алгоритмом, то уже почти есть СУ. Надо думать, на чём её испытывать. Может, и сразу на ракете.

Прежде свего хочу выразить своё восхищение Термостату за такое солидное сообщение, открывающее тему. Это уже литература! ;^))

> В качестве датчиков положения ракеты можно использовать, как в оригинале, Гироскопы (нужно 2 штуки по 45 баксов) но я хочу применить Акселерометры

Мне кажется, что можно использовать магнитные датчики. На трёх штуках, закреплённых взаимно перпендикулярно, делают трёхмерный компас. Эти датчики измеряют непосредственно ту величину, которая нам нужна - угол отклонения от первоначальной оси. А показания акселерометра нужно интегрировать, что будет приводить к накоплению ошибки.

Отдельный газогенератор - это сразу проблема его одновременного запуска с основным двигателем. Сжатый газ несколько лучше, но в алгоритме управления нужно учитывать падение давления. Это будет сложно отрабатывать.

Может быть использовать стержни, закреплённые снаружи двигателя параллельно его оси (т.е. вдоль стенок) и частично выдвигающиеся ниже сопла? Часть, выдвинутая за срез сопла, будет находиться в выхлопе и испытывать определённое усилие.

Как раз таки сжатый газ лучше по многим параметрам. И то, что вы написали в качестве недостатка падение давления, является наоборот достоинством. Почему достоинством? Потому, что мы будем точно знать как это давление меняется по мере расхода газа. В двигателе же оно настолько быстро и плохопрогнозируемо меняется, что есть риск пальнуть из пушки по воробьям или наоборот из виновки по танку. Итог неверного отклика СУ на воздействие вы, я думаю, сможете представить. По этим же причинам напрашивается датчик давления по которому динамически вычисляется коэффициент эффективности рабочего тела и, как следствие, время на которое открывается клапан. Ну и в обслуживании и долговечности система со сжатым газом будет лучше. Не надо отчищать трубы, клапана и сопла после каждого испытания или пуска, да и эррозии не будет.

> Ну и в обслуживании и долговечности система со сжатым газом будет лучше. Не надо отчищать трубы, клапана и сопла после каждого испытания или пуска, да и эррозии не будет.

Так и я говорю, что система с дополнительным газогенератором - это худший вариант. Сжатый воздух - второй с конца. А лучше всего - это система на основе самого двигателя. Управляемое сопло мы не потянем, а вот стержни подвигать наверное сможем.

Мне не нравятся ГГ и отбор газа от основного РД главным образом из-за невозможности без-огневой отработки системы.

А сжатый газ это безопасно и не дорого - и как я уже сообщал не гробит сопла и клапаны. И отработку веди хоть до посинения - газ можно по шлангу подвести.

Сжатый газ использовть меня нодоумил - Apollo - спасибочки!

Для экономии газа алгоритм регулирования будет отличаться от оригинал, там газ струячил постоянно, а нужные сопла перекрываются.

На сжатом газе все сопла нормально-закрыты и газ пускается только когда нужно.

Регулирование открыто-закрыто с дискретностью 0.1 мили-сек.

В резервуаре будет датчик давления. Клапан с соплом нужно поставит на балистический маятник (тяжелый груз подвешеный на струнах) и снять зависимость для малых времен открытия - (время открытия-давление-импульс). Этой таблицей будет пользоваться МК для учета понижения давления газа.

Вообще время АКТИВНОЙ работы планируется минимальное - примерно 1 сек - до набора скорости достаточной для АэроСтабилизации. А на остатках газа уже подруливание.

Кстати запас газа всеже можно пополнять от основного РД через длинную стальную трубку с маленикм отверстием на входе. Газ будет поступать медленно и охлаждаться в трубке и резервуаре. Возможно путанку из стальной проволоки положить в резервуаре как пламегасители делают.


\\\\\\\\\\

На счет датчиков - всеже Акселерометры дают сигнал пропорциональный силовому возмущению действующему на ракету - соответсвенно МК посчитает необходимый импульс ответной реакции. Акселерометры дают на выходе абсолютное значение ускорения в виде скважности прямоугольного сигнала. Да и данные по полету ракеты не помешают.

И еще на Акселерометрах ADXL202 делают электронные уровни для строителей - идея в том что без интегрирования при вертикальном положении ракеты ее ускорения в плоскости перпендикулярной оси должно быть рвно 0. Алгоритм управления сложней конечно...

А магнитные датчики что на выходе дают? Ты вроде говорил что у тебя он как переключатель работает?

\\\\\\\\\\

> стержни ... частично выдвигающиеся ниже сопла

Мне не нравятся тем, что активная система будет ставится на серьезные ракеты а у них может быть разной конструкция РД скорей всего совмещенная с нижней частью ракеты, возможно наличие ступеней, возможен стальной двигатель раскаляющийся в полете.

Вобщем хочется чтоб система была в виде одного компактного модуля - почему Тульские умельцы так сделали - потому что ракета была отработана ранее и нужно было повысить точность стрельбы вот они и разместили всю систему в головной части.

И еще - вес стержней во сколько раз будет больше веса пластинки-сердечника клапана??? Соответсвенно и скорость реакций.

avmich, 24.10.2003 11:29:28:

Мне кажется, в первую очередь надо понимать, каковы требования к датчикам углового отклонения

 

> Скорость реакции

у акселерометров ADXL202 до 6 кГц - называется ширина полосы - т.е. можно достоверно измерить колебания корпуса акселерометра по синусоиде с этой частотой и ускорением ± 2 Ж. Я считаю этого достаточно будет.


> Грамотоно закреплено

Вот потому и предлагаю все устройство на одном дюралевом основании-платформе - сопла выполнены в нем механически и каналы высверливются фрезеруются.

Клапаны и электроника монтируется на болтах винтах. Сверху наверно резьба мелкая и накручивается металичекий обтекатель-резервуар сжатого газа. Либо резьба по центру и обтекатель притягивается центральным болтом - это по массе проиграет первому варианту!

Снизу посадка-переходник к корпусу ракеты.

> Газовые клапаны

в таких системах делают с постоянной малой утечкой - т.е. перекрывающий элемент преодолевает только сопротивление возвратной пружины и не напряжен давлением газа. Поэтому он легкий быстроработающий от небольшого тока.

> на чём её испытывать

На ракете конечно, но без огня... я ж уже написал как.

termostat, 24.10.2003 11:06:16:

Активная стабилизация Ракеты

Мечта многих
- гироскоп является датчиком положения ракеты
- система вычисления управляет эл. магнитными клапанами сопел
- исполнительными устройства: 4 сопла направленные в разные стороны, расход по соплам регулируется электромагнитными клапанами.
- газогенератор вырабатывает газ для сопел

 

Во-1х "сопла" ДОЛЖНЫ БЫТЬ ВНУТРИ ОСНОВНОГО СОПЛА таким образом получаем способ управления под названием - [/B]инжекция газа\жидкости в закритическую часть сопла[B] Для того, что б организовать предложенную Вами схему, необходимо , как минимум, лепить еще 4 отдельных РДТТ(или один большой газогенератор) - давления в баллоне НЕ ХВАТИТ(посчитай Иуд. и ТЯГУ)

Во-2х - РАБОЧИМ ТЕЛОМ должно быть вещество типа ФРЕОНА. Никакого баллона не хватит.

А вообще так

Ник

> А сжатый газ это безопасно и не дорого - и как я уже сообщал не гробит сопла и клапаны. И отработку веди хоть до посинения - газ можно по шлангу подвести.

Да, отработку ты красиво придумал.

> А магнитные датчики что на выходе дают?

Напряжение, пропорциональное углу между осью датчика и силовой линией магнитного поля.

> Ты вроде говорил что у тебя он как переключатель работает?

У меня да, но не потому что датчик такой, а потому что схема такая. Мне ведь именно переключатель и нужен.

Wyvern, 24.10.2003 12:48:00:

Во-2х - РАБОЧИМ ТЕЛОМ должно быть вещество типа ФРЕОНА. Никакого баллона не хватит.

 

можно и пропан-бутаном обойтись, вроде дешевле и доступнее

Вариантов чем и как заряжать балон много. Например, использовать газовые балончики с CO2 для сифонов. Можно, как писалось, пропан-бутан в балонах для заправки зажигалок или вообще, как бред, освежители воздуха или дезодоранты их полно продаётся. Вопрос в импульсе и удельной тяге. И ещё вариант готовить газ самим. То есть что-то вроде такой схемы. В балон помещаюся некие компоненты затем он закрывается и, к примеру, встряхивается, начинается реакция с выделением газа, если остаток от реакции жидкий он сливается через предохранительный клапан снизу для уменьшения массы. При такой схеме будем всегда иметь практически одинаковое начальное давление, лишний газ с остатками реакции просто стравливаются через клапан сами по себе.

Apollo, 24.10.2003 16:01:56:

- Вопрос в импульсе и удельной тяге.

 

Повторяю еще раз :angry:

НЕ ХВАТИТ вам ни импульса, ни тяги в случае РУЛЕВЫХ СОПЕЛ!!!
Там однозначно нужен РДТТ(или пороховой газогенератор, как минимум).
При инжекции в закритику ни импульс, ни тяга РОЛИ НЕ ИГРАЕТ -только массовый расход рабочего тела, для оптимизации которого и используется легкокипящая жидкость -фреоны, бутан и проч.

Ник

Ник, кончай народ пугать . http://www.khrunichev.com/www/history/brizM.htm - соотношение тяги маршевого движка и рулевых двигателей - 50 раз. http://airbase.ru/modelling/rockets/res/tr.../whitehead.html - УИ движков на сжатом газе 50-70 с, то есть, раз в 5-6 меньше, чем ЖРД. Таким образом, если на ракете маршевый движок имеет тягу 100 кг (что немало ), то движкам стабилизации надо будет иметь 100 / 50 * 6 = 12 кг тяги - при УИ равном 50 с расход получится 120 граммов газа в секунду на одно сопло. При меньшей тяге маршевого - ещё меньше. На несколько секунд вполне хватит .

Поддерживать постоянным давление газа полезно - потому что упрощает алгоритм управления - и не так сложно: нужно иметь вторую ёмкость с газом, меньшего объёма и большего давления, соединённую с первой ёмкостью регулятором (пускает газ, пока давление в первом объёме не станет заданным).

avmich, 24.10.2003 18:54:33:

Поддерживать постоянным давление газа полезно - потому что упрощает алгоритм управления - и не так сложно

 

Есть такие стандартные устройства - редуктор называется и расход у них солидный допускается. На сварочных балонах стоят например.

Вот народ изобразил Гимбалд систему - виляли соплом:

http://www.ukrocketman.com/rocketry/gimbal.shtml

вот здесь система "нипель" - все серьезно:

http://twiki.psas.pdx.edu//bin/view/PSAS/I...MeasurementUnit

применены акселерометры Analog Devices ADXL202 и ADXL 250 да еще три гироскопа!

главная их страница:

http://twiki.psas.pdx.edu/bin/view/PSAS/Projects

вот платформы датчиков-управления - обе на PIC'ах !!!

http://psas.pdx.edu/psas/Current_project/L...V1_Payload.html

Солидная система спасения сабжа

http://psas.pdx.edu/psas/Current_project/P...l/Parafoil.html

> Вот народ изобразил Гимбалд систему - виляли соплом:
> www.ukrocketman.com/rocketry/gimbal.shtml[/html_font]

404 Not Found

// www.ukrocketman.com

 

[/URL]

Вот это класс! А я думал, что для качания двигателем нужны особо мощные машинки.

Serge77, 24.10.2003 12:07:26:

Отдельный газогенератор - это сразу проблема его одновременного запуска с основным двигателем.

 

Порядок запуска такой: воспламеняется газогенератор, при повышении давления до заданного срабатывает переключатель двления (типа как в кондиционерах стоят) и замыкает цепь воспламенителя РД.

Т.е. РД не запустится пока ГГ не выйдет на режим, а если не произойдет запуска РД, то просто система стабилизации отработает на земле да и все - так что все безопасно и по моему надежно.

Единственное преимущество применения газогенератора я вижу в упрощении конструкции регулирования расхода по соплам и уменьшение можности электроПриводов - за счет допустимости постоянной утечки газа.

>Вот это класс!

А разве Флометрикс не пишут на форуме?

CaRRibeaN, 25.10.2003 13:42:25:

>Вот это класс!

А разве Флометрикс не пишут на форуме?

 

Ты имеешь в виду AROCKET ? Нет, я о такой стабилизации не читал.

Эскиз блока управляющих воздействий для системы активной стабилизации.

Первый прикидочный вариант. показано одно сопло из четырех. Эскиз примерно в 2 раза больше рельных размеров.

Принцип действия: маневрирование ракетой осуществляется за счет тяги создваемой 4-мя микро ЖРД на перекиси водорода.

Модуль управления смонтирован на дюралевом основании (8). Дозирование перекиси подаваемой в ЖРД нужного направления осуществляется подачей напряжения на электромагнит (15) - это вызывает притягивание якоря (14) и вместе с ним опускание запрессованой в якорь иглы (11).

Игла открывает отверстие в седле (7) и перекись поступает из кольцевого канала (6) в микро ЖРД, в полость (10) заполненую каталитической сеткой.

Количество подаваемой перекиси зависит от длительности электрического импульса и от давления наддува в обласи (4)

Продукты разложения перекиси проходят через сепартор (9) удерживающий катализатор и через сопло (16) выходят наружу создавая тягу.

Наддув перекиси хранящейся в резервуаре (3) происходит за счет запаса сжатого газа закачиваемого под обтекатель (1) ракеты.

Перекись из области (4) поступает через отверстие (5) и наклонный канал в кольцевой канал (6) в который выходят все четыре седла (7).

Иглы (11) поджимаются к седлам пластинчатой пружиной (13) - она имеет форму креста с прорезями на концах - в эти прорези входит узкое место якорей (14). Болт (12) крепит пружину (13) в напряженном состоянии.

К основанию (8) системы крепится болтами (на эскизе нет) кранштейн-держатель (17) четырех электромагнитов (15). Электромагниты готовые - например от клапанов воды ВАЗ-2109 на 12 вольт.
Между электромагнитами и якорями будет еще диэлектрическая прокладка - для ускорения "отлипания"

Основание (8) закреплено в корпусе ракеты (18).


Проблемы:

Часть перекиси будет просачиваться по зазору между иглой (11) и корпусом (8) - я думаю ее лучше разложить - для этого нужно посеребрить поверхность якорей (14). Как уплотнить иголку диаметром 2 мм и не лишить ее возможности двигаться без заедания я не придумал пока...

Импульс по разным направлениям будет отличаться при одинаковой длятельности включения электромагнитов из-за разной поверхности катализаторов - это нужно будет учесть в управляющей программе.

Еще проблемы ???


\\\\\\\\\\\\\\\

Для сжатого газа система аналогична и проще нет деталей: 3 9 10 16
Но! что-то у меня ощущение что не хватит духу у сжатого газа чтоб рулить...


\\\\\\\\\\\\\\\\

Для системы на ГазоГенераторе все очень похоже - нет деталей: 3 9 10 16

Вместо резервуара вкручен ГазоГенератор - газы идут подобно перекиси но седло и игла имеют другую конструкцию и нормльно открыты!

И материал не дюраль...

Очень простая система придумалась для работы с газогенератором. Рисунки... даже не эскизы.

В основании системы (2), с четырех сторон выполнены наборы отверстий (3) сопел диаметром по 1.5 мм

Регулирующим элементом является крест толщиной 2 мм из низкоуглеродистой стали. Крест установлен на шаровой опоре (5) и пружинами (не показаны) удерживается в положении парллельном основанию (3). В этом положении все сопла со всех сторон открыты - ГГ работает с номинальным Kn и газы струячат во все стороны одинаково.

Под крестом расположены четыре эл.магнита - т.е. включением соотвествующего магнита можно повернуть крест по стрелке "В" - тогда противоположная часть креста приподнимется по стрелке "А" и прикроет набор отверстий сопел - уменьшит сответсвенно расход по ним и тягу в эту сторону.

многоСопловая система нужна для уменьшения диаметра отверстий - соотвественно уменьшается амплитуда движения регулирующего элемента для их прикрытия.

В нарисованой выше конструкции чистка системы для следующего использования не должн представлять каких либо трудностей - IMHO.

Газогенератор - по сути РДТТ торцевой, вместо сопла набор металических сеток для фильтрации возможных крпных чатиц. Kn - обеспечивает выбор суммарной площади сопел. Хорощобы конечно подобрать пластик возгоняющийся в горячих газов - как написано в книге Шидловского по конструкциям ГГ.