Основы проектирования систем стабилизации высокоточных ракет Сухопутных войск

им. Н.Э. Баумана
МГТУ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

УДК 629.78.072:623.41 
ББК 68.41 
         Е837 
 
 
Научные редакторы: 
   д-р техн. наук Б.Г. Гурский, д-р техн. наук Э.П. Спирин 
 
 
Ескин А.Ф.  
Основы проектирования систем стабилизации высокоточных ракет Сухопутных войск / под общ. ред. В.Л. Солунина. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. –  192 с.: ил. 

  ISBN 978-5-7038-3240-0 
             
Изложены теоретические основы проектирования систем стабилизации высокоточных ракет Сухопутных войск. Основное 
внимание уделено математическим основам исследования управляемого полета, решению задач анализа и синтеза параметров 
систем стабилизации, разработке практических методов проектирования алгоритмов управления, а также идентификации основных параметров системы стабилизации по результатам летных 
испытаний. 
Для инженеров и научных работников, занимающихся исследованием, проектированием и испытаниями систем управления 
летательных аппаратов. Может быть полезна студентам технических вузов, слушателям военных институтов и училищ, изучающим данные системы. 
 
                                                    УДК 629.78.072:623.41 
                                                                                        ББК68.41 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
                                              

 
 © Ескин А.Ф., 2009 
 
 © Оформление. Издательство МГТУ 
ISBN 978-5-7038-3240-0                                        им. Н.Э. Баумана, 2009 

Е837 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Проблема разработки высокоточных систем управления летательных аппаратов неразрывно связана с проблемами разработки 
методов управления, обеспечения устойчивого движения и снижения динамических ошибок систем стабилизации. 
В 1960–1970-х годах трудами российских и зарубежных ученых была создана теоретическая база исследования устойчивости 
движения и создания систем стабилизации для летательных аппаратов различных типов [5, 7, 8, 12]. Однако каждый конкретный 
тип летательных аппаратов в зависимости от назначения, конструктивной компоновки и аэродинамических характеристик требует адаптации методов синтеза систем стабилизации и разработки 
методик анализа. В эти годы в ЦНИИАГ были созданы теоретические и методические основы разработки систем стабилизации в 
классе баллистических ракет, имеющих протяженные во времени 
участки траектории в плотных слоях атмосферы [20, 21]. На основе этого фундаментального задела были разработаны и реализованы алгоритмы управления и стабилизации для многих систем 
управления ракет данного класса (в дальнейшем будем называть 
их летательными аппаратами). 
Определяющими в разработке и исследовании систем стабилизации стали следующие направления: 
– обеспечение устойчивости полета летательного аппарата во 
всех возможных режимах полета и во всех заданных условиях 
применения; 
– обеспечение требуемых динамических ошибок по координатам центра масс и их производным в заданных точках траектории; 
– ограничение максимальных перегрузок на некотором заданном уровне, определяемом прочностью элементов конструкции 
летательного аппарата; 
– обеспечение требуемой точности стабилизации углового положения летательного аппарата и внешнетраекторных параметров 
в заданных точках и на заданных участках траектории. 

 

 
 
 
Предисловие 
6 

Огромный вклад в разработку основ теории и практику создания систем стабилизации летательных аппаратов данного класса 
внес ведущий специалист ЦНИИАГ, лауреат Государственной 
премии РФ Анатолий Федорович Ескин. Он был крупнейшим специалистом в этой области. Свой практический опыт и знания по 
разработке и исследованию систем стабилизации А.Ф. Ескин отразил в многочисленных публикациях. Он принимал участие в разработке, исследовании и испытаниях всех систем управления летательных аппаратов, создаваемых в институте. А.Ф. Ескин являлся 
одним из авторов книги «Проектирование систем стабилизации 
тактических твердотопливных ракет» (1978), которая получила 
высокую оценку специалистов. Будучи тяжелобольным, А.Ф. Ескин создал «Методику проектирования алгоритмов управления и 
стабилизации летательных аппаратов», которая стала практическим пособием для специалистов по проектированию систем 
управления и стабилизации летательных аппаратов данного класса. И хотя предлагаемое издание содержит главы из этих работ, не 
следует считать его только мемориальным. Прошедшие годы, характеризуемые некоторой неопределенностью в области приоритетов в создании вооружения, все же не смогли помешать поступательному движению в развитии тех областей, которые оказывали 
непосредственное влияние на развитие методов проектирования 
систем стабилизации. Прежде всего это относится к прогрессу в 
области создания высокоэффективной вычислительной техники, 
что заставило пересмотреть некоторые сложившиеся подходы к 
разработке алгоритмов стабилизации, по-иному оценить возможные пути решения задач проектирования и исследования систем 
стабилизации. 
Обобщение опыта создания систем стабилизации нашло отражение в книге «Основы теории систем управления высокоточных 
ракетных комплексов Сухопутных войск», опубликованной в 
2001 г., в написании которой А.Ф. Ескин принимал активное участие [1]. Кроме того, новые методы проектирования систем стабилизации частично рассмотрены в данной книге. 
Настоящее издание предназначено для широкого круга специалистов, занимающихся исследованием, проектированием и испытаниями систем управления летательных аппаратов. 
Настоящая публикация – дань памяти специалисту высочайшей квалификации и замечательному человеку А.Ф. Ескину.  

Предисловие 

 
7 

В обработке, оформлении и издании книги неоценимую помощь оказала супруга А.Ф. Ескина, ведущий инженер-программист ФГУП «ЦНИИАГ» Наталья Александровна Приезжева. Хотелось бы выразить ей глубокую благодарность за оказанное содействие. 
 
Генеральный директор ФГУП «ЦНИИАГ», 
лауреат Государственных премий РФ,  
доктор технических наук                    
       
 
В.Л. Солунин 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современная система управления высокоточных летательных 
аппаратов представляет собой совокупность функциональных бортовых приборов, одновременная работа которых обеспечивает  
устойчивый и управляемый полет летательного аппарата в заданную точку. Она является как бы симбиозом двух систем: системы 
управления дальностью полета (СУД) и системы стабилизации 
(СС). 
В системах управления беспилотных летательных аппаратов обе 
системы работают одновременно с момента пуска и до конца полета. 
Это объясняется тем, что управление движением таких летательных 
аппаратов, как правило, осуществляется на всей траектории. Управление дальностью сводится к управлению положением летательного 
аппарата в пространстве относительно вектора скорости и созданию 
необходимых углов атаки и скольжения. Обе системы тесно связаны 
между собой, но система управления дальностью в иерархическом 
смысле занимает более высокое положение. В нее закладывается 
основная цель управления (полетное задание), процессы, протекающие в ней, соизмеримы по времени с временем полета летательного 
аппарата. Система стабилизации является более динамичной, а процессы, протекающие в ней, более быстротечны. Тем не менее СУД и 
СС по терминологии, принятой в ЦНИИАГ, объединены единым 
определением как системы стабилизации движения центра масс (в 
продольной и боковой плоскостях) и системы стабилизации углового движения. 
В настоящее время известны два направления обеспечения устойчивости системы угловой стабилизации, повышения качества 
стабилизации летательного аппарата: конструктивное и алгоритмическое. Первое направление связано с совершенствованием конструкции, элементов системы управления и поиском решений, в основу которых могут быть положены новые физические явления, новые 
материалы и более совершенные технологии производства. При этом 
предусматривается применение следующих средств: 

Введение 

 
9 

– увеличение жесткости упругих элементов конструкции и 
стыковочных узлов; 
– введение дополнительных ребер жесткости в местах установки измерительных приборов системы стабилизации и рулевых 
приводов; 
– использование различных амортизаторов для датчиков и др. 
Кроме указанных выше средств обеспечения устойчивости 
системы стабилизации эффективным является рациональное размещение чувствительных элементов системы управления. Так, в 
случае использования специальных измерителей, например датчиков угловой скорости, для обеспечения устойчивого углового движения летательного аппарата данного класса на частотах первых 
тонов упругих поперечных колебаний корпуса приходится определять место их размещения по длине корпуса летательного аппарата исходя из необходимости выполнения для этих тонов требований фазовой стабилизации. 
В условиях нестационарности системы определение сечения 
корпуса летательного аппарата, при размещении датчиков в котором одновременно для нескольких тонов колебаний обеспечивалось бы выполнение требований фазовой стабильности, является 
очень сложной задачей. 
Анализ указанных способов обеспечения устойчивости и стабилизации упругих колебаний корпуса летательного аппарата показал, что все они приводят или к значительному усложнению 
конструкции аппарата, узлов и деталей системы управления, или к 
расширению бортового приборного состава, становятся причиной 
увеличения сухого веса летательного аппарата. 
Поэтому на практике широкое распространение получили алгоритмические способы, позволяющие целенаправленно изменять 
с помощью электронных, механических устройств частотные характеристики контура стабилизации. Среди алгоритмических способов следует выделить амплитудную фильтрацию и фазовую 
коррекцию. 
Необходимо отметить, что, несмотря на определенные достоинства указанных выше способов обеспечения устойчивости системы стабилизации на частотах упругих колебаний корпуса летательного аппарата, проблема, связанная с необходимостью иметь 
в данном случае достаточно точную априорную информацию о  
характеристиках упругих свойств конструкции аппарата, затрудняет применение этих способов. 

 
 
 
Введение 
10

Следует отметить, что в последнее время в области развития 
системы управления широкий интерес вызывают вопросы, связанные с разработкой систем стабилизации, основанных на использовании нелинейных законов регулирования. Однако несмотря на 
некоторые достоинства систем стабилизации с нелинейными законами регулирования, разработка и использование таких законов на 
практике часто становятся затруднительными. Причины этого заключаются в отсутствии общих инженерных методов анализа и 
синтеза нелинейных законов регулирования, а также в возможности возникновения в системе автоколебаний, что крайне нежелательно на активном участке траектории. 
В последнее время у разработчиков систем управления вызывают интерес методы обеспечения устойчивости углового движения динамически сложных объектов нежесткой конструкции, основанные на получении информации об упругих колебаниях корпуса, элементов конструкции объектов регулирования. 
Исследованиям этих методов посвящено значительное число 
работ, наиболее интересными являются те, в которых рассматриваются алгоритмы управления, основанные на использовании моделей движения. Анализ их позволяет сделать вывод, что применение в структуре системы стабилизации объектов управления упругой конструкции моделей дает возможность во многом избежать 
тех недостатков, которые присущи указанным выше методам. 
Книга содержит четыре главы. В первой главе рассмотрены 
основы баллистического и математического обеспечения проектирования алгоритмов систем стабилизации. Приведены общие сведения о системах координат и управления движением летательных 
аппаратов, рассмотрены методы линеаризации уравнений движения. Описан вид основных передаточных функций в трех каналах 
стабилизации летательного аппарата. Рассмотрены характерные 
траектории беспилотных летательных аппаратов, а также проанализированы известные и перспективные методы управления движением центра масс объектов управления данного типа. 
Вторая глава книги имеет методическое значение, так как в ней 
предложена методика проектирования системы стабилизации, которая включает: 
– анализ требований, предъявляемых к системе стабилизации; 
– типовой состав и структуру автомата стабилизации; 
– методику расчета корректирующих контуров автомата стабилизации; 
– метод оценки помехоустойчивости системы стабилизации.