ОРГАНИЗАЦИЯ ЛЕТНЫХ ИСПЫТАНИЙ

Летные испытания — наиболее полные и сложные натур­ные испытания всего компекса. В ходе летной отработки проверяют работоспособность комплекса в условиях полигона при подго­товке ЛА к пуску, проведении пуска и в полете; вскрывают и устра­няют причины отказов или неисправностей путем доработки кон­струкций, те… . ютавляющих элементов комплекса; оценивают степень соответствия основных характеристик комплекса требованиям ТТЗ.

Суть летных испытаний заключается в подготовке и запуске ЛА. В зависимости от конкретных задач, решаемых при пуске, выбира­ют условия и программу движения изделия, что также накладывает некоторые особенности на наземную подготовку комплекса.

Для осуществления вышеперечисленного в процессе полета ЛА необходимо получить опытную информацию о его движении, работе систем и агрегатов на борту, т. е. провести измерения большого чис­ла параметров. При натурных наземных и в особенности летных испытаниях невозможна регистрация измеряемых величин в мес­те измерения. Поэтому процесс получения опытной информаций включает ряд характерных этапов, разделенных во времени и про­странстве: измерение, передачу сигнала, регистрацию и дешифри­рование измеренных значений (так называемую первичную обра­ботку). Полученную опытную информацию обычно подвергают ана­лизу, который может проводиться автоматизированно. Этот этап часто называют вторичной обработкой результатов испытаний.

При опытном пуске измерения в полете, как правило, проводят на активном участке и на нисходящем атмосферном пассивном участке траектории. Это связано с тем, что при движении на внеат­мосферном пассивном участке не работают двигатели и бортовая аппаратура, а также на ЛА практически не действуют возмущения, поэтому параметры движения центра масс могут быть с высокой точностью рассчитаны аналитически.

На активном и атмосферном пассивном участках траектории проводят внешнетраекторные измерения (ВТИ), обеспечивающие контроль параметров движения ЛА. Это позволяет определить траекторию полета, которая интегрально характеризует действие тяги двигателей, силы земного притяжения, аэродинамических сил и различных возмущений.

Для контроля работы конструкции, агрегатов и бортовой аппа­ратуры ЛА организуют систему телеметрических измерений (СТИ). Если предполагается спасение отработавших ступеней изделия или его полезной нагрузки, то часть информации о работе агрегатов и систем может быть зафиксирована бортовыми автономными си­стемами измерения, например на магнитную ленту, и обработана на Земле после завершения пусжа.

Для проведения ВТИ в районе старта ЛА и падения его полез­ной нагрузки создают по два-четыре измерительных пункта, разме­щаемых на некотором удалении от предполагаемого пункта пус­ков. Если район падения расположен в акватории, то измеритель­ные пункты организуют на кораблях. На пунктах размещают аппаратуру для определения параметров движения ЛА и приема телеметрической информации с борта изделия.

В предполагаемых районах падения полезной нагрузки и отра- ботавнйих ступеней размещают специальные подразделения, в зада­чу которых входят поиск, осмотр, дефектация остатков конструк­ций и сбор информации бортовых измерительных систем.

Для проведения бортовых и телеметрических измерений на ЛА устанавливают датчики, телеметрическую и записывающую аппа­ратуру. Тарировку датчиков и телеметрических каналов, а также другие измерения, необходимые для анализа’ характеристик ЛА, проводят при подготовке к пуску. Так, например, для определения удельной тяги двигателей и максимальной прицельной дальности пуска можно производить взвешивание доз заправки компонентов топлива или заправленного ЛА, контрольные запуски бортовой ап­паратуры системы управления полетом и т. д.

Чтобы более полно учесть возмущения, действующие на ЛА в полете, в районах старта и падения проводят метеорологические зондирования атмосферы. Запуски радиозондов на высоты до 40— 80 км позволяют определить давление, температуру и влажность воздуха, а также оценить направление и скорость ветра. Обычно измерения параметров воздуха ведутся с $алой погрешностью и позволяют существенно уточнить действующие в полете аэродина­мические силы. Скорость и направление ветра удается определить с меньшей точностью, в особенности на больших высотах. К тому же резкие изменения этих параметров во времени существенно за­трудняют их учет при анализе аэродинамических нагрузок, дей­ствующих на ЛА в полете.

Таким образом, в каждом опытном пуске проводят измерения большого количества характеристик ЛА в удаленных друг от друга районах. Для привязки во времени всех этих работ создают службу единого времени (СЕВ), включающую в себя обычно центральный пункт, который имеет проводные и радиоканалы связи с измеритель­ными пунктами. Часть аппаратуры СЕВ располагают на измери­тельных пунктах, что позволяет объединять с отметками единого времени результаты внешнетраекторных и телеметрических изме­рений. В качестве основных отсчетов обычно используют сигналы, передаваемые по радиовещательной сети. По этим сигналам конт­ролируют работу кварцевых генераторов высокой частоты, обес­печивающих текущие отсчеты времени. На измерительные пункты сигналы единого времени приходят с центрального пункта СЕВ, который находится в районе старта. Вся опытная информация по каждому пуску поступает в вычислительный центр.

Остановимся подробнее на принципах внешнетраекторных и те­леметрических измерений.

Задача ВТИ — определение координат, скоростей и ускорений центра масс ЛА, а также качественная оценка процессов разделе­ния блоков в полете. Для этого используют оптические и радиотех­нические средства. Основным оптическим прибором, применяемым для ВТИ, является кинотеодолит — прибор для точного измерения углов (теодолит), совмещенный с кинокамерой. Специальные сле­дящие системы позволяют удерживать в поле зрения кинотеодоли­та движущийся ЛА, поэтому чаще их используют для измерений на активном участке траектории. На каждом кадре киноленты фик­сируются отметки ппрмрни углов моста и азимута, а также вид са­мого издс… . а существенно зависит от состояния атмосферы, освещенности ЛА, яркости факела истекающих из двигателей газов. Точность измерения углов лежит в пределах 3-МО угловых секунд, частота измерений— 10-=-30 кад­ров в секунду [31].

На пассивном участке, где скорость движения объекта значи­тельно больше, чем на активном участке, для ВТИ используют фо­тотеодолиты. Эти приборы отличаются от кинотеодолитов тем, что результаты измерений фиксируются на фотопластинку. По положе­нию объекта на пластинке в определенные моменты времени, когда открывается фотообъектив, оценивается траектория движения.

Качественная картина процесса разделения блоков ЛА может быть зафиксирована кинотелескопами, которые в отличие от кино­теодолитов имеют большее увеличение, но несколько меньшую точ­ность определения углов (предельная ошибка составляет 20-f-30 уг­ловых секунд) [31].

Для повышения надежности и точности измерений движение ЛА контролируют одновременно с двух измерительных пунктов.

Параметры траектории изделия можно определять с помощью радиолокационных станций, измеряющих угол места, азимут и на­клонную дальность до объекта. Обычно такие станции имеют боль­шую дальность действия (до 300-М00 км), так как их работа не зависит от состояния атмосферы и освещенности ЛА, однако точ­ность измерения углов меньше. Предельная относительная ошибка измерения направлений составляет 20-МО угловых секунд, а даль­ность определяют с точностью до 5-1-20 м [31]. Пользоваться радио­локационными станциями на пассивном участке траектории трудно, так как объект, проходящий плотные слои атмосферы из-за аэро­динамического нагрева и уноса теплозащитного покрытия, движет­ся в облаке плазмы, что создает дополнительные помехи работе радиолокационных станций.

Измерения параметров, характеризующих работу конструкций, агрегатов и систем ЛА, проводят с помощью радиотелеметрических систем. По характеру изменения во времени все измеряемые пара­метры разделяют па медленноменяющиеся, частота изменения ко­торых не более 10-М 5 Гц, быстроменяющиеся с частотой до

4- МО кГц и мгновенноменяющиеся. Принцип телеметрических из­мерений основан на передаче с борта ЛА на Землю радиосигналов от датчиков, фиксирующих изменение параметров (рис. 4.2).

Для разделения сигналов от различных датчиков чаще всего используют временную модуляцию, т. е. усиленный и преобразо­ванный сигнал каждого датчика в определенные промежутки вре­мени пропускается к передатчику на борту ЛА. Принятый на изме­рительном пункте сигнал регистрируют, дешифрируют и отобража­ют в той или иной удобной для дальнейшего анализа (вторичной обработки) форме. Так, часто используют специальную аппаратуру для автоматизированного построения графиков измерения пара­метров во времени. Одновременно опытную информацию можно наносить на магнитные ленты или перфокарты, что облегчает ее последующую обработку на ЭЦВМ.

Большинство измеряемых параметров — непрерывные функции времени, однако с помощью телеметрических систем обеспечивают их фиксацию в дискретные моменты, когда коммутатор-преобразо­ватель «опрашивает» данный датчик. Радиотелеметрические систе­мы обеспечивают измерение медленноменяющихся параметров с интервалом 0,005—0,050 с, что позволяет практически полностью воссоздать ход непрерывного процесса. Для быстроменяющихся параметров, период изменения которых составляет десятитысячные доли секунды, частота опроса датчиков 104-f-105 в секунду.

Рис. 4.2. Принципиальная схема ради отелеметри­ческих измерений

Радиотелеметрические системы для измерения быстро — и мед­ленноменяющихся параметров имеют существенные различия в конструкции и точности замеров. При регистрации медленноменяю­щихся параметров на один бортовой передатчик выводят 20-^50 каналов, а в системах измерения быстроменяющихся величин

5- ^20 каналов [31].

При проведении летных испытаний на борту ЛА устанавливают большое количество датчиков для измерения неэлектрических ве­личин: температур, давлений, перегрузок, частот и амплитуд коле­баний, угловых и линейных перемещений, скоростей и т. д. Кроме того, в аппаратуре системы управления часто измеряют электриче­ские параметры (напряжение, силу тока, частоту). Ряд элементов автоматики, входящих в функциональные схемы систем, можно использовать в качестве датчиков (например, реле, контролирую­щие давления, электропневмоклапаны, разрывные болты и т. д.)„ Такие датчики обычно называют схемными.

В принципе каждый датчик состоит из чувствительного, преобра­зующего и согласующего элементов. Чувствительный элемент реаги­рует на изменение измеряемого параметра, преобразующий эле­мент превращает эту реакцию в электрическую величину. Затем согласующим элементом полученная электрическая величина пре­образуется в сигнал, удобный для передачи по телеметрическому каналу, 1 . тока, пропорцио-

нальное измеряемому параметру. Некоторые из указанных трех ос­новных элементов датчика конструктивно могут быть объединены в одно целое. Так, например, в датчике давления манометрического типа мембрана является чувствительным элементом. Рычажная си­стема датчика преобразует перемещение мембраны в движение ползуна реостата, с которого снимают напряжение, т: е. реостат выполняет функции преобразующего и согласующего элементов.

К датчикам, используемым при летных испытаниях, предъявля­ют ряд требований, основными из которых являются: заданная точ­ность; высокая надежность в условиях полета при воздействии по­вышенных перегрузок, выбраций, шумов, влажности, высоких и низ­ких давлений и температур; приемлемые габариты и веса самих датчиков, а также источников питания, необходимых для их ра­боты.

По ошибкам измерения различают грубые и точные датчики. Предельные относительные ошибки измерения первых лежат в пре­делах ± (5-^30) %, а вторых— ± (0,1-=-3,0) %-

Общая погрешность Д измерения параметра складывается из ошибок: датчиков — Ддт; телеметрической аппаратуры — Дт; де­шифрирования и обработки сигнала—Лоб — Для существующих ра — диотелеметрических систем, измеряющих медленно изменяющиеся Ч параметры, Дт»1,0% и А0б~ (1,04-1,5) % [31]. Используя прибли­женную зависимость Д = ]/ЛДдТ+Д?-(“Доб, нетрудно установить рациональную требуемую точность датчиков, если ошибки Дт и Д0б заданы. Так, при Дт=1,0% и Д0б=1,5% нецелесообразно ис­пользовать датчики с точностью большей, чем 0,5%. Действительно, при Ддт-0,1% общая ошибка измерения Д = 1,81%, при Ддт=0,5% она возрастает незначительно (Д=1,87%) и только при Ддт=1,0% ошибка датчика начинает практически сказываться на точности из­мерения (Д=2,60%).

На каждый опытный пуск ЛА составляют программу измерений и таблицу распределения каналов телеметрических систем. Про­грамму измерений оформляют в виде таблицы, в которой указывают сведения об измеряемом параметре, используемом датчике и осо­бенностях измерений. Примерный вид такой программы приведен в табл. 4.1. _

Таблица 4.1 МЬ Измеряемый параметр Условное обозначение параметра Номинальное значение параметра Предельная ошибка изме­рения Тип датчика Место уста­новки датчика Характер сигнала Время изме­рения Номер теле­метрического канала 1 Давление в камере сгорания №1 блока А дкс_ 1А 150 бар ±0,5% ддм- -150 Под форсу­ ночной головкой He — її ре — рыв — ный 0—100 с 7 2 … … … … …

Каналы радиотелеметрических систем распределяют с учетом характера сигналов н продолжительности их измерений. Так, один и тот же канал может быть использован сначала для измерения дав­ления в камере сгорания двигателя 1-й ступени, а затем двигателя 2-й ступени.

В общей программе измерений выделяют подпрограммы темпе­ратурных и виброизмерений. Это связано с конструктивными осо­бенностями используемой телеметрической и бортовой согласующей аппаратуры.

Чтобы дать представление об объеме измерений, проводимых в. ходе одного пуска, коротко перечислим основные параметры, фикси­руемые телеметрическими системами.

Для определения частот и форм изгибных и продольных коле­баний в пяти — семи характерных сечениях ЛА устанавливают вибродатчики. Каждый датчик фиксирует дшброперегрузки вдоль одной из трех осей изделия. Поскольку частоты колебаний имеют широкий диапазон (от 1 Гц до 10 кГц), то в каждом сечении разме­щают низко-, средне — и высокочастотные датчики. Таким образом, на борту ЛА устанавливают несколько десятков датчиков, фиксирую­щих быстроменяющиеся параметры. Точность измерения виброус­корений невысока: предельная относительная ошибка в определении амплитуды составляет 5-1-20%, а частоты — 5-М0% [46]. С большей точностью определяют характеристики низкочастотных колебаний.

При пуске и в полете измеряют температуру корпуса ЛА, возду­ха в приборных и хвостовых отсеках, жидких или’твердых компо­нентов топлива, газов в двигательных установках, теплозащитных покрытий. Элементы конструкции ЛА в полете прогреваются до 2004-350° С, теплозащитные покрытия—до 10004-2500° С, темпера­тура воздуха в отсеках обычно не превышает 504-100° С, жидкие компоненты топлива в зависимости от их состава и способов надду­ва баков имеют температуры от —200 до +250° С, температуры про­дуктов сгорания в двигателях могут достигать значений 15004-3200°С [46]. Разнообразие сред, в которых необходимо опре­делять температурные поля, широкие диапазоны измерения и, как следствие, большое количество разнообразных датчиков заставляют использовать специальные согласующие системы на борту ЛА. В среднем точность измерения температур составляет 2-45%.

На опытных образцах изделия устанавливают большое количе­ство датчиков, измеряющих давления жидкостей и газов в агрега­тах и системах, а также воздуха в отсеках корпуса. Как правило, измерение давлений в камерах сгорания, газогенераторах, магистра­лях и трубопроводах двигателей проводят с высокой точностью. Ошибки датчиков давлений лежат в пределах 0,34-1,0%, диапазоны измерений весьма широки — от десятых долей до сотен бар [46].

Кроме того, в полете измеряют расходы компонентов топлива, толщины теплозащитных покрытий, число оборотов роторов турбо — насосных агрегатов, уровни остатков компонентов топлива в баках п ряд других характеристик R потом "я оры-ныу образцах ЛА обыч­но прово^. кольких тысяч параметров. При этом общий объем получаемой информации со­ставляет многие миллионы чисел. Так, например, если на Л А, имею­щем продолжительность полета на активном участке траектории 200 с, установлены 200 датчиков, опрашиваемых 100 раз в секунду, то результаты телеметрических измерений будут представлены че­тырьмя миллионами чисел или примерно двадцатью миллионами цифр в десятичной системе.

Таким образом, для организации летных испытаний необходимо создание не только сложнейших взаимосвязанных систем внешне — траекторных и телеметрических измерний, но и мощных автомати­зированных систем обработки этой дорогостоящей информации. Построение таких систем должно основываться на комплексах ал­горитмов и программ, обеспечивающих определение по опытным данным основных характеристик ЛА.