книги из ГПНТБ / Дракин, И. И. Основы проектирования беспилотных летательных аппаратов с учетом экономической эффективности

И. И. Д Р А К И Н

ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С УЧЕТОМ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

М о с к в а

«МАШИНОСТРОЕНИЕ»

Д 72

У Д К 629.735.33.001.2

Дракин И. И. Основы проектирования беспилотных летательных аппа­ ратов с учетом экономической эффективности. М ., «Машиностроение», 1973,

с.224.

Вкниге излагаются проектировочные методы определения основных ха­ рактеристик беспилотных летательных аппаратов (БЛА), методы сравнитель­

ного анализа конструкций и оптимизации конструктивных, энергетических, баллистических и стохастических параметров.

В качестве основного критерия сравнительного анализа и оптимизации принимаются экономические затраты на выполнение целевой задачи. В ряде случаев в качестве критерия допускаются производственные затраты на БЛА, или его стартовый вес. Дается анализ различных критериев.

Для сравнительного анализа конструкций выводятся расчетные формулы, позволяющие учесть конструктивно-технологические, аэродинамические и энер­ гетические особенности вариантов БЛА. Для оптимизации параметров БЛА приводятся расчетные уравнения, на базе которых для конкретных парамет­ ров выводятся расчетные формулы.

Значительная часть книги посвящена стохастическим проектировочным

Для облегчения пользования книгой при практических расчетах, большин­ ство рассматриваемых вопросов иллюстрируется численными примерами.

Книга предназначена для инженеров, научных работников, преподавате­ лей, аспирантов и студентов старших курсов, занимающихся вопросами про­

( О Издательство „М аш иностроение‘‘,1973г.

ПРЕ Д И С Л О В И Е

Внастоящее время беспилотные летательные аппараты (БЛА) в развитых странах являются объектом широкого и да­

ляемые снаряды 5,78 млрд, долларов, причем 35% из этих средств-— на научно-исследовательские и опытные работы.

Большие ассигнования на исследования и опытные работы по управляемым снарядам говорят о том, что этот класс летатель­ ных аппаратов находится в процессе интенсивного развития.

В технической литературе по БЛА обычно основное внимание уделяется вопросам баллистики (см., например, работы (34, 40, 46, 49, 60]) и гораздо меньше говорится о конструкции БЛА и оптимизации параметров. Однако при проектировании БЛА кон­ структор в первую очередь сталкивается с необходимостью реше­ ния задач выбора рациональных компоновочных и конструктив­ но-технологических схем БЛА и их основных параметров.

В первые годы развития БЛА основной задачей при их проек­ тирований являлась разработка БЛА, способных летать с задан­ ными баллистическими характеристиками по заданным законам управления. Вопросам эксплуатации придавалось второстепенное значение. В последующем оказалось, что при проектировании БЛА необходимо учитывать вёсь комплекс технических средств, связанный с их эксплуатацией и применением.

Комплексный (системный) подход к проектированию БЛА требует применения экономических критериев. Это особенно важно в связи с огромными затратами на комплексы современ­ ных БЛА и вовлечением большого количества людей в их экс­ плуатацию.

В отличие от самолетов большинство БЛА — аппараты одно­ разового действия. БЛА с автоматическим управлением имеют сравнительно малую надежность и целевую эффективность. Это позволяет ставить вопрос об оптимальной надежности систем управления, двигательных установок и конструкций планера. Оптимизация надежности должна также базироваться на эконо­ мических критериях.

В данной книге рассматриваются различные проектировоч­ ные задачи БЛА с учетом экономических критериев.

3

ИЭ Н Е Р Г Е Т И Ч Е С К И Х Х А Р А К Т ЕР И СТ И К Л А

1.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛЕТНОГО ВЕСА ЛА

Вначальной стадии проектирования ЛА вес ЛА приходится определять, исходя из тактико-технического задания (ТТЗ), за­ даваясь количеством ступеней и типом двигательной установки. При этом должны использоваться статистические материалы по весам конструкции и аэродинамическому сопротивлению.

Для ЛА характерными являются относительные веса конст­ рукции и топлива, которые для данного типа или даже класса ЛА находятся в сравнительно узком диапазоне и могут быть оп­ ределены по статистике или рассчитаны из ТТЗ. Поэтому выра­ зим начальный полетный вес G0 через относительные веса кон­ струкции и топлива.

Пусть относительный вес конструкции ЛА (планера и двига­ тельной установки) будет

PK= G J G 0,

относительный вес топлива

Р г= О т/О0.

где GK и GT — соответственно веса конструкции и топлива. Если вес полезной нагрузки Gn. н, то очевидно

Go= Оп.н i - G K4“ G r —G nн-|- G 00 K-|- fAT), следовательно,

В формуле (1.1) в вес полезной нагрузки входит вся на­ грузка, которая не зависит от полетного веса: экипаж, пассажи­ ры, оборудование, бронирование элементов полезной нагрузки, теплозащита и звукоизоляция кабин, вооружение с его установ­ кой, боевая часть, система автоматического управления (кроме силовых приводов органов управления и их источников пита­ ния), 'источники энергии для питания систем автоматического управления, вооружения, боевой части, для обслуживания обо­ рудования.

5

Формула (1.1) может быть применена как для одноступен­ чатого ЛА, так и для многоступенчатого. В последнем случае значения цк и цт соответствуют относительному весу конструк­ ций и топлива всех ступеней. Для практических расчетов проще определять относительные веса конструкции и топлива каждой ступени, т. е.

пени включает двигательную установку, несущие поверхности и другие элементы конструкции каркаса и силового привода. Счет ступеней ведется начиная со стартовой ступени. Последняя сту­ пень может иметь неотделяющуюся двигательную установку.

Для г-й ступени (при последовательной работе ступеней) по­ лезной нагрузкой является последующая (г+1)-я ступень, по­ этому

1 (Цк і Н Нт і)

Если вся полезная нагрузка находится в /г-й ступени, то старто­ вый вес «-ступенчатого ЛА будет

Формула получена путем последовательной подстановки выра­ жений для веса отдельных ступеней.

Величину рк можно разделить на три части в зависимости от функциональных особенностей элементов конструкции. Первая часть — это относительный вес конструкции части корпуса или гондол, в которых находится полезная нагрузка. Вес этой части корпуса будет почти пропорционален весу полезной нагрузки

0ф.п.н=РфОй.н. Оф.п.н/О0 = рфОп.н/О0.

Вторая часть рк включает относительные веса конструкций, веса которых пропорциональны весу топлива (топливные баки, газогенераторы, газовые баллоны и баки системы подачи топли­ ва, РДТТ). Относительный вес этой части конструкции можно представить в виде арт.

Третья часть рк включает относительные веса конструкций, веса которых пропорциональны (или почти пропорциональны) полетному весу (крылья, оперение, камеры сгорания Ж РД , ВРД . механическое управление). Относительный вес этих конструкций обозначим через pg.

6

Следовательно,

ftc— fiqfin.JGo+ а^т IV Подставляя это выражение в формулу (1. 1), получим

Для многоступенчатых ЛА соответственно из формулы (1.2)

„ (1 + Рф) О п.н

(1.4)

П {1 -- [Р-£Т + (1 + ai)Pr /] }

1

Формулы (1.3) и (1.4) более удобны для практических расче­ тов, формулы же (1.1) и (1.2) более удобны для теоретических выводов.

Значения Рф, це и а определяются по статистике или стати­ стическим формулам. При этом необходимо учитывать, что вели­ чины (.ig и а в общем случае составные. Так

включая источники питания; рдв — относительный вес двигателя (для Ж РД и ВРД) и его капотирования.

Величина а в конкретных случаях может иметь индекс, на­ пример, адв — для РДТТ, агг — для газогенератора; сад — для ба­ ков, ас. п — для системы подачи топлива, ат. с — для всей топлив­ ной системы. В частности для гибридного двигателя

а = аб4~ас.и4'аггі

Ниже приводятся статистические материалы о диапазонах зна­ чений величин Рф, jig и а.

1.1. Статистические значения относительных весов конструкции

На начальном этапе проектирования, когда еще не определен стартовый вес по расчету, приходится базироваться на статисти­ ческие значения относительных весов. В последующих расчетах, когда выявятся потребные тяги двигателя, удельные нагрузки на крыло, потребные объемы корпуса, можно в весовых расчетах базироваться на удельные характеристики.

Относительные веса конструкции можно разбить на две груп­ пы: на относительные веса планера и на относительные веса дви­ гательных установок. В табл. 1. 1 приведены значения относитель­ ных весов планера фф, рПл. б. кр и цКр для некоторых БЛА. Сле-

7

Т а б л и ц а 1.3

дует заметить, что в некоторых случаях часть полезной нагрузки не требует оболочки корпуса ЛА, например, в случае несущего отделяемого аппаратурного отсека. В этих случаях коэффициент Эф должен относиться только к той полезной нагрузке, которая размещается внутри корпуса.

В табл. 1.2 приводятся значения относительных весов двига­ телей и конструкции топливных систем Ж РД . В табл. 1.3 при­ ведены относительные веса РДТТ и РПДТТ (ракетно-прямоточ­ ных двигателей твердого топлива).

1. 2. Относительный начальный полетный вес

Для грубой первоначальной оценки полетного веса можно воспользоваться относительным начальным полетным весом

[см формулы (1.1) и (1.3)]. Эта величина для определенного ти­ па ЛА обычно находится в сравнительно узком диапазоне, одна­ ко для различных классов ЛА /0 может иметь существенно отли­ чающиеся значения.

9