WikiDer > Инерциальная навигационная система ЛН-3 - Википедия

LN-3 inertial navigation system - Wikipedia

Инерционная платформа LN3-2A в Музее электроники RNLAF, Ренен, Нидерланды.

В Инерциальная навигационная система ЛН-3 является инерциальная навигационная система (INS), который был разработан в 1960-х годах Litton Industries. Он оборудован Lockheed F-104 Истребитель версии, используемые как ударный самолет в европейских силах. Инерциальная навигационная система - это система, которая постоянно определяет положение транспортного средства на основе измерений, проводимых полностью внутри транспортного средства с использованием чувствительных инструментов. Эти инструменты акселерометры которые обнаруживают и измеряют ускорение транспортного средства, и гироскопы которые удерживают акселерометры в правильной ориентации.

Фон

Платформа ЛН3-2А в исторической среде

Разработка первой INS Литтона была результатом сговора инженера Макса Липскомба из База ВВС Райт в Огайо и доктор Генри Э. Синглтон, Руководитель недавно созданного отдела руководства и контроля Litton Industries в Беверли-Хиллз, Калифорния.

Отделу Липскомба не разрешили заниматься разработкой навигационных систем, но разрешили заниматься другими самолетами. авионика такие как индикаторы тангажа, крена и рыскания. Синглтон предложил создать систему, которая обеспечивала бы высокоточные индикаторы тангажа, крена и рыскания. Система будет стабильной платформой для поиска севера, управляемой гироскопы и акселерометры. Такая система автоматически обеспечивала бы скорости в направлении восток-запад и север-юг. А позже, предоставив интеграторы для этих двух осей, можно получить полноценную инерциальную навигационную систему.

Примерно в середине 1956 года база ВВС Райт заключила с Litton Industries контракт на сумму около 300 000 долларов на разработку такой «Системы определения положения самолета». Синглтон назначил Сидни Шапиро инженером проекта этой программы. К концу 1958 года система была завершена и готова к летным испытаниям.

Г-н Шапиро выбран Пол Манц, партнер в Tallmantz Aviation для поставки самолетов, главным образом, из-за большого опыта Mantz в киноиндустрии. Они сделали свою работу над несколькими рассказами о путешествиях по Cinerama. Люди Манца также недавно закончили работу над картиной «На север через северо-запад» с Кэри Грантом в главной роли, в которой было много трюков. Идея Шапиро заключалась в том, чтобы периодически фотографировать землю в одно и то же время, чтобы сфотографировать выходные данные инерциальной навигационной системы. Таким образом, было невозможно показать пальцем, поскольку никто из людей Шапиро не участвовал в сборе данных. Таким образом, были установлены два дополнительных интегратора, и к началу 1959 года система была готова к испытаниям.

К 1959 году дела пошли достаточно хорошо, и Шапиро смог совершить три последовательных полета с точностью более одной мили в час. На основе этих результатов Litton Industries получила контракт на поставку 2000 систем для Истребитель НАТО F104 Самолет.[1]

В Холодная война ракетная гонка стимулировала разработку более компактных, легких и более точных инерциальных систем. Независимо от окружающей среды, инерциальная система обеспечивает точную и мгновенную информацию о скорости и местоположении для всех маневров, а также является точным ориентиром для ориентации и курса. LN3-2A была первой инерциальной навигационной системой, небольшой, легкой и достаточно точной, чтобы ее можно было установить на высокопроизводительном истребителе.

Ранние F-104, модели от A до F, не имели инерциального навигатора. LN-3 был внедрен в самолет при разработке F-104G примерно в 1959 году для европейских ВВС с тактическими бомбардировочными / ударными возможностями.[2] LN-3 давал F-104G возможность ориентироваться на малой высоте в неблагоприятных погодных условиях и сбрасывать ядерное оружие на дальности 1000 км с максимально возможной точностью; это жизненно важно для программы F-104G.

LN-3 - это полный инерциальный штурман с тремя степенями свободы и четырьмя карданными подвесами, охватывающий диапазон летных характеристик F-104G на высоте от 0 до 70 000 футов; Скорость от 0 до 2+ Маха и ускорение от −5 до +9 g.

Функциональное описание

Функциональное описание LN3-2A требует некоторых знаний некоторых основных принципов инерциальной навигации, чтобы понять их применение в LN3-2A. Основным элементом системы является устойчивая платформа, на которой установлены три акселерометра и два гироскопа. Эта устойчивая платформа установлена ​​в системе подвесов платформы. Ускорение самолета в любой плоскости или направлении измеряется акселерометрами и интегрируется в компьютер для получения скорости. Скорости, в свою очередь, интегрируются для получения расстояния. Имея известную контрольную точку, представляющую начальное положение самолета по отношению к земле, эти данные могут быть преобразованы в расстояние и пройденный курс, а также расстояние и пеленг до пункта назначения.

Платформа

Следующие характеристики Платформа описаны:[3]

  1. Три акселерометра в ортогональных направлениях обеспечивают основные чувствительные элементы. Они измеряют ускорение по двум осям координат сетки и вертикальной оси (Z). Акселерометр Z не используется самим LN3-2A, но предоставляет данные о вертикальном ускорении для автоматической системы управления полетом. Оси X и Y восток-запад и север-юг используются для LN3-2A. На выходе акселерометра крутящий момент гироскопов на их чувствительных осях, пока самолет находится в полете, для сохранения ориентации устойчивой платформы на землю и на север по координатной сетке через подвесы платформы.
  2. Два гироскопа стабилизируют устойчивую платформу и обеспечивают внесение различных компенсаций, поддерживая устойчивую платформу на уровне земли, а не инерционного пространства, и обеспечивая систему координат из трех осей. Каждый гироскоп имеет две степени свободы и ориентирован таким образом, что оси вращения находятся на расстоянии 90 градусов. Верхний гироскоп имеет ось вращения, ориентированную вдоль координатной оси сетки север-юг, и чувствителен к крутящему моменту (вращению самолета) вокруг оси восток-запад и вертикальной оси координат. Ось вращения нижнего гироскопа ориентирована вдоль оси сетки восток-запад, и он чувствителен к крутящему моменту вокруг оси север-юг и вертикальной оси. Следовательно, два гироскопа управляют всеми тремя осями.
  3. Подвесы платформы - это узлы, которые фактически обеспечивают устойчивость акселерометров платформы и позволяют самолету маневрировать относительно гиростабилизированной платформы, ориентированной на землю. Платформа LN3-2A представляет собой систему с четырьмя карданами (внешний крен, тангаж, внутренний крен и азимут), позволяющий самолету вращаться на 360 градусов во всех направлениях. В стабилизаторах азимута, шага и внешнего крена используются контактные кольца и щетки для электрических контактов, что обеспечивает неограниченную свободу. Подвес с внутренним валком обеспечивает встроенное резервирование для предотвращения карданный замок ситуация, когда оси подвеса азимута и внешнего крена выровнены под углом 90 градусов.

Компьютер

LN3-2A компьютер управляет платформой, вычисляет навигационную информацию и обеспечивает специальные напряжения переменного и постоянного тока, необходимые для работы оборудования.

Функции компьютера:

  1. для позиционирования подвесов платформы по азимуту, тангажу и крену. Основная последовательность состоит в том, что ошибка прецессии гироскопа из-за маневрирования самолета регистрируется и передается на синхронизатор азимута платформы. Гиросигналы преобразуются в напряжения ошибки тангажа и крена, которые усиливаются в компьютере. Компьютер приводит в движение серводвигатели кардана крена и тангажа платформы. Нижний гироскоп приводится в действие для прецессии по азимуту, чтобы управлять двигателями азимутального кардана. Верхний гироскоп привязан к нижнему по азимуту. Серводвигатели подвеса позиционируют подвесы, чтобы компенсировать первоначальное отклонение.
  2. для обеспечения напряжения для запуска и работы вращательных двигателей гироскопа. Во время запуска системы гироскопы доводятся до скорости вращения самолета мощностью 115 В переменного тока, 400 Гц. После 1-минутной фазы грубой настройки источником частоты для гироскопов является электрический камертон, который обеспечивает опорную частоту 3 кГц, которая делится на 8, чтобы обеспечить рабочую частоту 375 Гц и рабочее напряжение 90 вольт.
  3. для управления нагревом компонентов печи, платформы, гироскопов и акселерометров. Некоторым схемам в компьютере, например усилителям, требуется очень стабильный коэффициент усиления, который может поддерживаться только в том случае, если определенные компоненты поддерживаются при точно установленной температуре. Эти компоненты помещаются в печь для компонентов при температуре 71 ° C. Также гироскопы и акселерометры хранятся при температуре 71 ° C ± 1,1 ° C. Температура окружающей среды внутри платформы поддерживается на уровне 51,7 ° C с помощью набора нагревателей и циркуляционного вентилятора, а также клапана охлаждающего воздуха с приводом от двигателя, регулирующего поток сжатого воздуха через крышку платформы с двойными стенками.
  4. для вычисления информации о скорости и расстоянии от ускорения. Эти навигационные вычисления выполняются с помощью тщательно разработанных электронных схем в гармонии с прецизионными электромеханическими компонентами. Электронные компоненты представляют собой усилитель восстановления акселерометра, который выдает напряжение, пропорциональное ускорению. В диапазоне от микро-G до единиц G они охватывают очень впечатляющий динамический диапазон. Кроме того, сервоусилители, улавливающие крошечные сигналы гироскопа и усиливающие их для управления двигателями карданного подвеса платформы, имеют жесткие спецификации. Фактическая интеграция сигнала акселерометра в сигнал скорости выполняется электронным усилителем, который управляет двигателем скорости, который приводит в действие емкостной тахометр. Эта обратная связь с датчиком и датчиком обеспечивает основной сигнал интегратора, поскольку скорость датчика скорости пропорциональна входному ускорению. Обратная связь обнуляет входное ускорение для остановки двигателя. Двигатель позиционирует вал скорости, чтобы получить соответствующий сигнал потенциометра, который представляет скорость. Сеть мертвой зоны приводит в движение скоростной двигатель ступенчато, которые сглаживаются для обеспечения интегрированного сигнала ускорения (= скорости). Интеграторы скорости работают аналогично интеграторам ускорения, за исключением того, что выходной сигнал не сглаживается, поскольку так называемые M-передатчики являются устройствами ступенчатой ​​функции. M-передатчики отправляют интегрированный сигнал скорости (= расстояние) в систему позиционирования и самонаведения PHI-4.
  5. для упорядочивания и контроля фаз грубого и точного выравнивания в зависимости от температуры платформы.
  6. обнаруживать неисправности, приводить в действие непроходную схему инерционного навигатора.
  7. Поскольку навигационная система LN-3 / PHI-4 должна использоваться по всему земному шару, некоторые систематические поправки для использования на этом вращающемся сфероиде реализованы в LN-3: скорость Земли, скорость переноса и поправка Кориолиса. А для подавления внутренних ошибок система Шулер настроен.

Эксплуатация ЛН-3

Перед запуском инерциального навигатора пилот должен ввести координаты начальной точки на панели «Align Control» на правой консоли F-104G. Первый выбор в стартовой последовательности - повернуть переключатель режимов. Панели управления инерциальной навигацией из Выключенный к Ожидать.

В этом режиме платформа и печь для компонентов поднимаются в Рабочая Температура; на это указывает световой индикатор «обогрев» на панели управления IN, который занимает несколько минут в зависимости от температуры окружающей среды и температуры системы.

Все при рабочей температуре система может быть переключена на "Выровнять", позволяя машине начать работу. Компьютер включается и обнуляет его оси скорости; гироскопы получают питание от 115 В и 400 Гц и набирают обороты; платформа выравнивается по тангажу, внутреннему и внешнему крену относительно самолета с помощью синхронизаторы карданного подвеса и азимутальная ось перемещается в северном направлении сетки с помощью магнитного датчика направления.Эта фаза выравнивания занимает 1 минуту и ​​называется грубым выравниванием.

По истечении этой 1 минуты система переключается на фаза точного выравнивания, во время которого мощность вращательного двигателя гироскопа снижается до 95 В и 375 Гц, чтобы избежать любых магнитных помех любой другой системе самолета, использующей 400 Гц. Выравнивание платформы осуществляется акселерометрами по осям X и Y, которые определяют даже мельчайший компонент силы тяжести, что свидетельствует о неточном уровне. Выравнивание стабильного элемента достигается путем затягивания соответствующих крутящих моментов гироскопа, что заставляет подвесные двигатели следовать за устойчивым элементом и выравнивать его. Расстояние между валами установлено на ноль; гироскопы работают с рабочей скоростью, и компьютер непрерывно подает на гироскопы и, следовательно, на устойчивый элемент поправки на местное вращение Земли. Это называется фаза выравнивания точного выравнивания.

Выравнивание заканчивается автоматически, когда компьютер решает, что стабильный элемент платформы находится точно локально, что может занять несколько минут. Если уровень, то включается финальная фаза выравнивания; гирокомпасинг.Стабильный элемент стоит ровно и Настроенный на Шулера но гироскопы еще не выровнены с осью вращения Земли. Следовательно, стабилизирующий элемент имеет тенденцию отключаться по уровню, что регистрируется акселерометром Y, сигнал которого подается на гироскопический крутящий момент для поворота азимутальной оси стабильного элемента. Этот процесс продолжается в течение нескольких минут, пока сигнал коррекции не станет меньше и его можно будет поддерживать почти нулевым в течение 50 секунд, что дает уверенность в том, что система выровнена и выровнена. Это видно пилоту, потому что мигает зеленый индикатор навигации.

Теперь система готова к использованию, и пилот выбирает "Nav"на панели управления IN, и все схемы, которые участвовали в различных фазах выравнивания, переключаются на режим навигации.

Другие возможные режимы: Только компас который может быть выбран после отказа LN3 в полете, и Выравнивание предупреждений чтобы сократить этап выравнивания. После последнего полета, но до отключения питания самолета, точный курс работающего LN3 сохраняется и может использоваться при запуске в следующий раз, если самолет не перемещается.

Спектакль

Установленная точность навигации для LN-3 составляет 50%. вероятность круговой ошибки (c.e.p.) двух морских миль после одного часа работы, что эквивалентно 98% c.e.p. четырех морских миль. До начала эксплуатации LN-3-2A версии -9 (~ 1963 г.) результаты выходили за эти пределы со значительным отрывом, но с тех пор они были значительно превышены в ряде групп полетов.

Во время разработки завода-изготовителя в Палмдейле было совершено около 1167 полетов до октября 1961 г., и c.e.p. LN-3 и PHI-4 вместе взятые были на милю или около того за пределами спецификации. С октября 1961 года по январь 1962 года были оценены еще 123 полета в Палмдейле после включения модификаций −9 и c.e.p. подошел почти к спецификации.

На авиабазе Эдвардс во время испытаний категории 2 и в Палмдейле в период "брака авионики" среднее время наработки на отказ систем до 9-го поколения было значительно ниже установленных 200 часов, но с тех пор цель была превышена.[4]

В ноябре 1965 года система LN-3 была установлена ​​на подготовленном «Летающем тигре» Боинге 707 (Pole Cat) для проведения полета от полюса до полюса в течение 51 часа и сравнения ее характеристик с другими средствами навигации. Указанная ошибка на Южном полюсе составила 2 мили.


Генеалогия

Litton Systems Inc. или Litton Industries, подразделение систем наведения и управления в Беверли-Хиллз, Калифорния, были одним из основных производителей инерциальных систем в США в 1950-х и 1960-х годах и изготовили серию систем для ряда американских самолетов.[5]

Происхождение инерциальных навигационных систем объясняется в следующей ссылке.

  • В LN-1 был эталоном отношения разработчиков для XB-70 Valkyrie.[6]
  • В LN-1A был эталоном точного позиционирования для Grumman E-1A Tracer.[7][8]
  • В ЛН-2А (военное обозначение AN / ASN-31 или -36) была доплеровско-инерциальной системой для A-6A Intruder.
  • В ЛН-2Б была система для E-2A Hawkeye,
  • и LN-2C была система для P-3A Orion.[9][10]
  • В ЛН-3-2А (или же LN3-2A) была инерциальной навигационной системой, используемой в истребителе F-104G Super Starfighter. (разработка 195? –195?, производство 1960-196?) Улучшенные версии LN3-2A были -9, -11 и -13.[11]
  • В ЛН-3-2Б инерциальная навигационная система, используемая в канадском CF-104.[12]
  • В LN-3-13 устанавливается на итальянские F-104S / CI и F-104S / CB;[13] улучшенные варианты F-104G с 1969 года и далее. В начале 1980-х годов дальнейшая модернизация привела к созданию версии F-104S ASA, которая сохранила оригинальный LN-3; но версия 90-х ASA-M оснащалась инерциальной навигационной системой LN-30A2.[14]
  • В LN-4 миниатюрная инерциальная система для «пилотируемого орбитального корабля».[15]
  • В LN-5 представляет собой (1963 г.) "современную экспериментальную астроинерциальную систему, установленную на Convair 340 R4Y".[16]
  • В LN-7 представляет собой астроинерциально-доплеровскую систему для секретного применения.[17]
  • В LN-12A / B серии являются развитием LN-3 и используются в F-4C (AN / ASN-48), F-4D и F-4E (AN / ASN-63), RF-4C (AN / ASN-56 ), все с небольшими отличиями.[18]

В карданная платформа из LN3-2A - платформа Litton P200; гироскоп - это гироскоп G200; а акселерометр - это акселерометр A200.[19] (и Litton doc) Гироскоп G-200 обычно используется в системах LN-2, LN-3 и LN-12.[20]

Обозначение LN3-2A

Заводское обозначение системы F-104G - LN3-2A. Отметьте разницу в обозначениях LN-3 и LN3-2A положением разделительного тире «-». Обозначение LN3-2A оставляет место для LN3-1, неизвестного автору. Любая дополнительная информация о ранних Litton's приветствуется!

Другие инерциальные системы США начала 1960-х годов

Litton LN-3 был одним из первых инерциальных навигаторов на серийном самолете, но существовали и другие системы, инерциальные навигаторы или инерциальные измерительные устройства других марок и для различных приложений с сопоставимой технологией.

Усовершенствованная инерциальная навигационная система (REINS) Autonetics Radar Североамериканский A-5 Vigilante был более или менее сопоставим с LN-3 / PHI-4. Эта система была создана на основе системы XN-6, разработанной для SM-64 Навахо, система N5G для АГМ-28 гончая и система N2C / N2J / N3A / N3B для XB-70, и был связан с навигационной системой N6A-1, используемой в USS Nautilus (SSN-571) и инерциальную систему наведения N10 для LGM-30 Minuteman.[21] Обратите внимание, что история Boeing утверждает, что REINS - это первая инерциальная система навигации в серийном самолете.

Nortronics разработала и произвела Астро-инерциальное наведение/ системы навигации для СМ-62 Снарк. Система разработана для GAM-87 Skybolt позже был адаптирован для использования в Локхид SR-71 Блэкберд и чаще всего упоминается как NAS-14 и / или NAS-21.

В UGM-27 Polaris Ракета была оснащена инерциальной системой, разработанной MIT, которая позже была преобразована в IMU производства Delco. Аполлон PGNCS.

В Сатурн V был оснащен разработанным MSFC Инерциальная платформа СТ-124-М3 что было дальнейшим развитием PGM-19 ЮпитерST-90.

В Convair B-58 Hustler была оснащена доплер-инерциальной системой AN / ASQ-42 производства Sperry Corporation.

Ремонтно-испытательное оборудование ЛН-3

Система LN-3 предназначена для постоянного контроля критических параметров и предупреждения пилота в случае неисправности. В зависимости от проблемы пилот может выключить систему или продолжить движение в счисление режим. В случае серьезных проблем, выявленных самим, система автоматически отключится.

Лётное обслуживание

Лётное обслуживание LN-3, такое как системные проверки и устранение неисправностей, проводилось с использованием специального испытательного оборудования:

Консоль для тестирования системы с адаптером и компьютером, а также платформа на пьедестале в Фолькеле, Нидерланды
  • MATS (мобильная автоматизированная испытательная система) (RNLAF управляла MATS не на линии полета, а на уровне цеха).
  • Анализатор линейных испытаний
  • Набор для проверки смещения гироскопа

Обслуживание базового уровня

На уровне базового (навигационного) цеха платформа, компьютер и адаптеры были испытаны и отремонтированы с использованием следующего испытательного оборудования:

  • Консоль тестирования системы (STC).
  • Стендовая тестовая консоль (BTC).
Консоль функционального тестирования платформы и платформа на пьедестале в DELM, Ренен, Нидерланды

Техническое обслуживание на уровне депо

Для ремонта, выходящего за рамки возможностей базового уровня, склад электроники RNLAF (DELM, в Ренене) был оборудован специальным испытательным оборудованием и инструментами для выполнения ремонта (более высокого) уровня депо системы LN-3.

Основные используемые испытательные станции:

  • Консоль функционального тестирования платформы (PFTC).
  • Модуль тестовой консоли.

Промышленная поддержка

Ремонт датчиков системы, гироскопов и акселерометров выполнял Литтон. Датчики RNlAF отремонтировала компания Litton Canada, которая также предоставила все необходимые запасные части. Другие европейские пользователи полагались на немецкие или итальянские дочерние компании / лицензиатов, такие как LITEF во Фрайбурге и Гамбурге.[22]

Установки ЛН-3 на выставке

Германия

  • Wehr Technische Studiensammlung (WTS) в Кобленц.

Экспонат системы LN3-2A (без модуля Alert Align) в витрине. Подвесы платформы могут вращаться посетителем с помощью пульта дистанционного управления.

Нидерланды

  • Группа HVV (Historische Vliegtuigen Volkel / Historical Fighters Volkel) на базе ВВС Фолькель (Нидерланды) приняла коллекцию навигационных систем бывшего музея DELM / Rhenen.

Отображение полной системы, работающей как новая. По запросу предоставляется экспликация и демонстрация системы.[23]

Система LN-3 была продемонстрирована на Дне ВВС RNlAF в пятницу 14 и субботу 15 июня 2019 года в Фолькеле, ангар 1.

Рекомендации

Сноски

  1. ^ Липскомб и Уилбур (1965).
  2. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  3. ^ Руководство по техническому обслуживанию истребителя F-104G.
  4. ^ Ламберт (1963), стр. 376.
  5. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  6. ^ Бертрам.
  7. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  8. ^ Парш (2008).
  9. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  10. ^ Парш (2008).
  11. ^ Руководство по техническому обслуживанию истребителя F-104G.
  12. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  13. ^ Гебель (2017).
  14. ^ Баугер (2015).
  15. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  16. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  17. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  18. ^ Анонимный (2005).
  19. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  20. ^ Корпорация Навхаус.
  21. ^ «Архивная копия». Архивировано из оригинал 28 октября 2010 г.. Получено 25 октября 2010.CS1 maint: заархивированная копия как заголовок (связь)
  22. ^ Ламберт (1963), стр. 375.
  23. ^ http://www.historicalfighters.com

Библиография

внешняя ссылка