Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стойкость и математические модели систем стабилизации

Москва

ИНФРА-М

2020

БЕСПИЛОТНЫЕ 

ЛЕТАТЕЛЬНЫЕ АППАРАТЫ 

ИХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ 

СТОЙКОСТЬ И МАТЕМАТИЧЕСКИЕ 
МОДЕЛИ СИСТЕМ СТАБИЛИЗАЦИИ

МОНОГРАФИЯ

Черноморское высшее военно-морское

училище имени П.С. Нахимова

В.А. КРАМАРЬ 
А.Н. ВОЛОДИН 

Е.В. ЕВТУШЕНКО 

В.П. МАКОГОН 
А.И. ХАРЛАНОВ

УДК 623.746.-519(075.4)
ББК 39.52

К77

Крамарь В.А.

К77
Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стой
кость и математические модели систем стабилизации : монография / 
В.А. Крамарь, А.Н. Володин, Е.В. Евтушенко, В.П. Макогон, А.И. Харланов. — Москва : ИНФРА-М, 2020. — 180 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-015841-9 (print)
ISBN 978-5-16-108221-8 (online)
В монографии рассматриваются беспилотные летательные аппараты, 

их назначение, классификация, история развития, аспекты построения 
математических моделей систем стабилизации беспилотных летательных 
аппаратов как многомерных многотактных непрерывно-дискретных и интеллектуальных систем автоматического управления и электромагнитная 
стойкость их систем стабилизации.

Предназначена для курсантов и адьюнктов военно-морских училищ, 

а также может быть полезна для специалистов в области конструирования 
сложных систем автоматического управления.

УДК 623.746.-519(075.4)

ББК 39.52

ISBN 978-5-16-015841-9 (print)
ISBN 978-5-16-108221-8 (online)

© Черноморское высшее военно-морское 

училище имени П.С. Нахимова, 2020

Р е ц е н з е н т ы:
Новиков В.В., доктор технических наук, профессор;
Скатков А.В., доктор технических наук, профессор;
Зонтова Т.В., кандидат технических наук

А в т о р ы:
Крамарь В.А., доктор технических наук, профессор, профессор Черноморского 
высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова, профессор Севастопольского государственного университета;
Володин А.Н., кандидат технических наук, доцент, начальник кафедры боевых средств флота Черноморского высшего военно-морского училища имени 
П.С. Нахимова;
Евтушенко Е.В., адъюнкт Черноморского высшего военно-морского училища 
имени П.С. Нахимова;
Макогон В.П., кандидат технических наук, старший научный сотрудник Черноморского высшего военно-морского училища имени П.С. Нахимова;
Харланов А.И., кандидат технических наук, доцент, докторант Военного учебно-научного центра Военно-Морского Флота «Военно-морская академия имени Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова»

Введение

Современные технологии придали ускорение совершен
ствованию вооружения и военной техники, разработке высокоточного оружия и оружия, основанного на применении 
новых физических принципов. На вооружение ведущих стран 
мира поступают новейшие интегрированные комплексы высокоточного оружия, к которым относятся и комплексы с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА).

Одной из основных задач при применении БПЛА на флоте 

является сбор информации для выработки данных целеуказания при боевом применении ударного оружия в реальном 
масштабе времени [1].

БПЛА относится к роботизированным комплексам воен
ного назначения, к которым, в отличие от роботизированных 
комплексов сухопутных войск, предъявляются высокие требования к стабилизации. Современная система управления 
комплексов БПЛА представляет собой совокупность функциональных наземных (корабельных) и бортовых приборов, 
одновременная работа которых обеспечивает устойчивый 
и управляемый полет БПЛА в заданную точку [2]. 

Система управления БПЛА является совокупностью не
скольких систем, среди которых одной из основных является 
система стабилизации, обеспечивающая высокие динамические качества и аэроупругую устойчивость БПЛА. Качество 
реализации системы стабилизации непосредственно влияет 
на допустимые габариты полезной нагрузки, на возможности 
оптимизации конструкции БПЛА с целью снижения его массы. 
В БПЛА подсистемы, составляющие систему управления, работают совместно до конца полета. Они связаны между собой 
функционально и информационно, но система стабилизации 
является более динамичной, а процессы, протекающие в ней, 
более быстротечны [2], что объясняется учетом внешних 

В.А. Крамарь, А.Н. Володин, Е.В. Евтушенко, В.П. Макогон, А.И. Харланов

и внутренних возмущений и их компенсацией с учетом предельно допустимых для данного БПЛА значений. Системы 
стабилизации нового поколения основаны на применении 
современной цифровой техники, что позволяет реализовать 
сложные законы управления, повысить надежность и чувствительность систем, устойчивость управляемых объектов 
к возмущениям, уменьшить их габариты и массу. Но при этом 
порождает ряд новых проблем, связанных с потерей информации между периодами квантования, отсутствием управления между ними, снижением точности при дискретизации 
сигналов. Это объясняет необходимость разработки новых 
классов моделей процессов управления динамическими объектами и методологии синтеза систем стабилизации их движения в частности.

Система стабилизации беспилотного летательного аппа
рата представляет собой совокупность приборов и реализованных в бортовых ЭВМ алгоритмов, обеспечивающих устойчивое движение центра масс БПЛА [2]. 

Сложность синтеза системы стабилизации БПЛА требует 

наличия адекватной модели [3] ее описания и оценки точности 
движения, особенно над морской поверхностью. Синтез современной системы стабилизации низкоскоростного (в сравнении с ракетами) объекта является сложной инженерной 
задачей, обусловленной тем, что процесс управления пространственным положением упругого тела переменной массы 
находится под сильным воздействием инерционных, гравитационных, аэродинамических сил и силы тяги двигательной 
установки в течение длительного времени выполнения полетного задания.

Актуальными стали задачи синтеза многоконтурных 

систем стабилизации. Возрастающее использование процессорных бортовых ЭВМ для управления беспилотными летательными аппаратами приводит к необходимости разработки 
многоконтурных систем, содержащих импульсные элементы 
с различными периодами квантования во времени. Период 

Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стойкость 

и математические модели систем стабилизации

квантования зависит от частоты опроса датчиков сигналов 
через звено опроса, которая зависит от способа считывания 
данных. При этом опрос датчиков измерения физических 
величин (измерительных точек) осуществляется раздельно, 
когда этого требует состояние управляемого процесса. Выбор 
цикла опроса и времени реакции зависит от динамики процесса и функций, выполняемых бортовой вычислительной машиной. Чем меньше время цикла, тем точнее и полнее получаемая информация. Однако если это время выбрано слишком 
малым, то существенно возрастает загрузка ЭВМ и остается 
мало времени на выполнение других программ. При большом 
времени считывания часть информации теряется, поэтому 
процесс может стать нестабильным. При выборе периода квантования необходимо добиваться компромисса между обеими 
возможностями. 

Сложность процессов управления, обусловленных эф
фектами квантования, наличием непрерывных и дискретных 
элементов, приводит к качественно новым явлениям в поведении систем [4]. В настоящее время применяется два подхода 
к описанию непрерывно-дискретных систем: непрерывный 
и дискретный. В первом случае анализ и синтез проводится 
в непрерывной области, а полученные результаты синтеза подвергаются дискретизации. При возникающей аппроксимации 
непрерывных систем сужаются потенциальные возможности 
управления. При втором подходе система рассматривается 
в дискретной области, что приводит к качественным изменениям [4]. 

Каждый из указанных подходов приводит к методическим 

погрешностям, так как связан с заменой непрерывно-дискретной системы либо непрерывной, либо дискретной моделью, каждая из которых отличается от исходной [4]. Аппарат 
формального описания процесса существенно усложняется 
при попытке расширить класс исследуемых систем. Провести 
синтез высокоточной системы стабилизации для такого сложного объекта регулирования, как беспилотный летательный 

В.А. Крамарь, А.Н. Володин, Е.В. Евтушенко, В.П. Макогон, А.И. Харланов

аппарат, длительно выполняющий полетное задание над 
морем, обычными методами не представляется возможным 
из-за вычислительной сложности алгоритмов, реализующих 
эти методы и отсутствия адекватных моделей ее описания.

Для обеспечения устойчивости и повышения точности 

систем стабилизации БПЛА используются два направления: 
конструктивное и алгоритмическое. Кроме этого, одним 
из эффективных средств обеспечения устойчивости систем 
стабилизации БПЛА является рациональное размещение 
и ориентация чувствительных элементов системы управления, в том числе гироскопов и акселерометров. При использовании специальных измерителей приходится определять 
место их размещения в корпусе летательного аппарата. Корпусы современных БПЛА, как правило, представляют собой 
тонкостенные удлиненные конструкции цилиндрической 
формы, тона упругости которых соизмеримы с собственными 
частотами БПЛА как жесткого тела. Подавление упругих колебаний, которые часто являются причиной неустойчивости 
систем, является одной из наиболее сложных проблем при 
проектировании БПЛА. Упругость конструкции корпуса 
БПЛА оказывает неблагоприятное влияние на устойчивость 
и точность системы стабилизации [5]. Поэтому при синтезе 
системы стабилизации БПЛА необходимо обосновать эффективное расположение измерительных устройств на корпусе 
БПЛА.

Конструктивные способы обеспечения стабилизации 

упругих колебаний корпуса БПЛА приводят к усложнению 
конструкции БПЛА или к расширению приборного состава. 
Все это, в свою очередь, приводит к увеличению сухого веса 
БПЛА. Поэтому на практике распространены алгоритмические способы, позволяющие изменять частотные характеристики контура стабилизации [2]. 

Рассмотренные задачи решаются приближенными мето
дами, при существенных допущениях, т.к. в настоящее время 
построение точных моделей является весьма трудоемким про

Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стойкость 

и математические модели систем стабилизации

цессом. Таким образом, важной и актуальной задачей является 
разработка адекватных проблемно-ориентированных моделей, 
являющихся основой синтеза системы стабилизации БПЛА. 

Глава 1 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О БЕСПИЛОТНЫХ 

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ. РАЗВИТИЕ 

ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ 

ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ 

В СОВРЕМЕННЫХ ВООРУЖЕННЫХ СИЛАХ 

И ПРОБЛЕМЫ ИХ СОЗДАНИЯ

1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

В настоящее время существует несколько различных опре
делений беспилотных летательных аппаратов. Например, 
в работе [6] дается следующее определение: «Беспилотный летательный аппарат – летательный аппарат, реализующий свое 
функциональное предназначение в автоматическом режиме 
в соответствии с заложенными в него алгоритмом и программами функционирования (крылатые ракеты, самолеты-разведчики и т.п.)», а в работе [7] определение имеет вид: «Беспилотные летательные аппараты – все летательные аппараты, 
не пилотируемые летчиком, в том числе и те, чей полет заранее 
запрограммирован на земле и не может быть скорректирован 
оператором в процессе его выполнения. Дистанционно пилотируемые аппараты могут летать как по заранее введенному 
в память бортового вычислителя маршруту, так и по корректирующим командам оператора». При этом в современном 
Военном энциклопедическом словаре [8] дается определение 
крылатой ракеты в следующем виде: «Крылатые ракеты – это 
беспилотные самолеты, которые могут пролететь большое расстояние на высоте ниже пороговой для радиолокаторов ПВО 
противника и доставить к цели обычный или ядерный заряд». 

К классу БПЛА в ряде литературы относят управляемые ави
ационные бомбы и планирующие бомбы. Современный уровень

Беспилотные летательные аппараты, их электромагнитная стойкость 

и математические модели систем стабилизации

научно-технического прогресса позволяет при некотором дооснащении устройством наведения и аэродинамическими управляющими поверхностями к классу БПЛА отнести и обычные авиационные бомбы [9]. Однако в дальнейшем, рассматривая объект 
исследования, будет использоваться термин «беспилотный летательный аппарат» в смысле определений [6, 7, 8, 10].

Опыт военных конфликтов последних десятилетий демон
стрирует смещение центра вооруженной борьбы в воздушное 
пространство, где фактически обеспечивается достижение цели 
агрессии, в том числе с интенсивным использованием БПЛА. 
Главным в предстоящих военных конфликтах будут одновременные действия высокоточных средств поражения различного базирования [11]. Применение управляемого оружия позволяет наступающей стороне добиваться успеха без потерь 
пилотируемой авиации, а после подавления системы противовоздушной обороны противника обеспечить выполнение этой 
авиацией заданий с минимальными потерями. Боевой потенциал вооруженных сил для вооруженной борьбы в перспективе будет представлять собой совокупность высокоточного 
ударного и оборонного вооружения, которые смогут без применения живой силы выполнять поставленные перед ними задачи. В связи с этим роль сухопутных сил при решении боевых 
задач снижается, а на первый план выходят виды вооруженных 
сил, которые имеют на вооружении высокоточное оружие: воздушно-космические силы, военно-морской флот [11].

Использование БПЛА является перспективным направ
лением в информационном превосходстве над противником, 
а также гарантирует высокоточное поражение важных элементов его обороны. БПЛА используются для решения различных задач. При применении над морской поверхностью 
БПЛА считаются эффективными средствами разведки, радиоэлектронной борьбы, борьбы с надводными (мобильными) 
целями, поиска минных полей и минных банок, поиска различных объектов противодесантной обороны противника, поисково-спасательных операций. Кроме того, на БПЛА пред

В.А. Крамарь, А.Н. Володин, Е.В. Евтушенко, В.П. Макогон, А.И. Харланов

полагается возлагать и задачу борьбы с подводными лодками 
противника [1].

В современных войнах в схемах оперативного построения 

массированного ракетно-авиационного удара эшелону беспилотных летательных аппаратов различного назначения придается передовое значение [12]. При этом БПЛА, включая и крылатые ракеты, не являются оружием первого удара в силу своей 
малой скорости полета и сравнительно небольшой массы боевой части (следовательно, сравнительно небольшой разрушительной силы и кинетической энергии боезаряда). В общем, 
тактические беспилотные ударные средства приобрели стратегический характер благодаря информационному обеспечению, 
уникальным летно-техническим и экономическим характеристикам, малозаметности и гибкости в организации удара [12].

Особенно эффективным является применение БПЛА дли
тельного патрулирования для проведения доразведки цели 
как альтернатива осуществления доразведки крылатыми ракетами. С помощью БПЛА удается предотвратить демаскировку 
корабля, с которого производиться стрельба, и уменьшение 
расхода боекомплекта.

Определяя роль и место беспилотных летательных аппаратов 

в системе вооружения ВМФ России, следует исходить из того, 
что они должны использоваться там, где применение пилотируемых летательных аппаратов невозможно или нецелесообразно. 

Во-первых, БПЛА целесообразно применять для решения 

задач, сопряженных с высоким риском потерь авиации от воздействия сил и средств ПВО противника. Относительная 
простота беспилотных летательных аппаратов определяет 
их более низкую цену по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами.

Для современной вооруженной борьбы в воздухе особенно 

важно устранение риска потерь летного состава. Боеспособность группировок современной авиации в решающей степени 
определяется наличием подготовленного летного состава. 
Между тем на подготовку квалифицированного летчика не