邵 盼，郭煜洋，郝永平，張 華

(沈陽(yáng)理工大學(xué)兵器科學(xué)技術(shù)研究中心，沈陽(yáng) 110159)

0 引言

目前精確打擊彈藥在信息化戰(zhàn)爭(zhēng)中有著非常重要的作用，其中二維彈道修正彈成本較低并具有一定的打擊精度，而修正能力是保證打擊精度的基礎(chǔ)。二維彈道修正的方式主要分為鴨舵修正和微小型推進(jìn)器修正，其中微小型推進(jìn)器修正對(duì)彈丸的修正能力次數(shù)是有限的，并且在引信中集成的難度系數(shù)很大，而鴨舵修正能對(duì)彈丸實(shí)施較為平穩(wěn)的修正，修正能力連續(xù)靈活，且可以對(duì)較長(zhǎng)飛行時(shí)間的彈丸彈道進(jìn)行修正，是目前二維彈道修正技術(shù)的主要方法。

文中以某普通制式彈丸為研究對(duì)象，使用固定式鴨舵對(duì)其進(jìn)行二維彈道修正。首先分析了不同舵偏角下彈丸的氣動(dòng)特性，并運(yùn)用ADAMS仿真得到不同舵偏角下的彈丸飛行穩(wěn)定性特征，綜合考慮電機(jī)控制能力和修正能力得出合理選擇鴨舵舵偏角的方法。

1 固定式鴨舵修正彈修正方法

鴨舵式二維彈道修正彈的修正機(jī)構(gòu)主要包括舵翼、探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、引信激發(fā)裝置等，修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要是兩對(duì)帶偏角的舵翼，其中一對(duì)是減旋舵，另一對(duì)是修正舵。當(dāng)減旋舵受到空氣動(dòng)力作用時(shí)，導(dǎo)致引信的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩與原旋轉(zhuǎn)方向相反，為控制引信提供部分動(dòng)力。當(dāng)需要修正偏移量時(shí)，修正舵會(huì)提供所需的氣動(dòng)力?？梢娦拚鎸?duì)彈丸的修正效果有很大的影響，而不同的舵偏角又對(duì)舵片的選擇具有重要的意義，所以合理的舵偏角是保證彈道修正彈打擊精度的必要條件之一。二維彈道修正原理如圖1所示:當(dāng)需要打擊某一目標(biāo)時(shí)，在彈丸發(fā)射前將目標(biāo)落點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)輸入到二維彈道的修正引信中，彈丸發(fā)射后，引信中的彈載系統(tǒng)結(jié)合彈丸的發(fā)射初始條件和目標(biāo)參數(shù)，計(jì)算出理論彈道;在彈丸飛行過程中，彈丸的實(shí)時(shí)飛行參數(shù)傳給彈丸的探測(cè)裝置，彈載系統(tǒng)對(duì)此進(jìn)行計(jì)算得到實(shí)際彈道，并與理論彈道的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，對(duì)彈道進(jìn)行俯仰和偏航修正。當(dāng)偏差達(dá)到預(yù)先設(shè)置的修正量極限時(shí)，控制系統(tǒng)就會(huì)利用修正機(jī)構(gòu)對(duì)彈道進(jìn)行修正，從而可以更好的導(dǎo)向目標(biāo)落點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)提高打擊精度、高效毀傷目標(biāo)的目的。

圖1 鴨舵式二維彈道修正彈修正系統(tǒng)原理圖

2 不同舵偏角氣動(dòng)特性分析

二維修正彈的修正鴨舵迎風(fēng)面積相同，舵偏角度數(shù)不同時(shí)對(duì)彈丸的氣動(dòng)特性是有影響的，而且不同的偏角度數(shù)對(duì)彈丸的整體氣動(dòng)特性的影響也是不同的，直接影響著舵翼的側(cè)向力、導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩和整個(gè)彈丸的阻力、翻轉(zhuǎn)力矩等方面，可能會(huì)使彈丸在飛行過程中出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、過穩(wěn)定等情況，影響彈丸的打擊能力，故選擇合理的舵偏角同樣是保證彈丸修正機(jī)構(gòu)氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)合理的重要條件。

為了觀察鴨舵式二維彈道修正舵偏角對(duì)全彈氣動(dòng)特性的影響，以確定合理的舵偏角。在此以某炮彈為研究背景設(shè)計(jì)了舵翼迎風(fēng)面積、形狀、位置等相同，舵偏角不同的仿真模型，其中彈丸布局如圖2所示。

圖2 鴨舵機(jī)構(gòu)與全彈布局簡(jiǎn)圖

現(xiàn)建立以非對(duì)稱舵為例，分別取舵偏角2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°的仿真模型進(jìn)行氣動(dòng)仿真，得到圖3～圖5的結(jié)果。

圖3 舵偏角大小對(duì)舵翼側(cè)向力與彈丸阻力之比影響

從圖3中可以看出，舵翼側(cè)向力與彈丸阻力的比例關(guān)系是隨著舵偏角的增加而有增大趨勢(shì)的，其中2°～8°偏角時(shí)，比例關(guān)系基本呈線性關(guān)系。

從圖4可以看出，彈丸翻轉(zhuǎn)力矩隨舵偏角的增大而增加，其中2°～12°偏角時(shí)，比例關(guān)系基本呈線性關(guān)系，舵偏角增加的幅度比較大，這對(duì)彈丸的穩(wěn)定性影響比較大。

圖4 翻轉(zhuǎn)力矩與舵偏角關(guān)系

圖5 舵翼導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩與舵偏角關(guān)系

從圖5中可以看出，舵翼導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩隨著舵偏角的增加呈線性關(guān)系增加，由于引信部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量一定，當(dāng)導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩越大則引信旋轉(zhuǎn)的速度越快，對(duì)電機(jī)的要求越高。若選擇的舵偏角過大，則會(huì)因無法選擇合適的電機(jī)而不能實(shí)現(xiàn)彈丸的合理設(shè)計(jì)。

以2°、6°、10°舵偏角時(shí)的壓力等值線圖為例，如圖6比較可以看出:不同的舵偏角所展現(xiàn)出的彈丸周圍云圖有明顯差異。

圖6 數(shù)值模擬仿真

從以上分析可以看出，舵偏角對(duì)彈丸的舵翼升力、舵翼導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩、彈丸翻轉(zhuǎn)力矩影響是非常明顯的，其中舵偏角越大彈丸舵翼的升力、導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩以及彈丸的翻轉(zhuǎn)力矩越大。

3 邊力學(xué)仿真分析

以某普通制式彈丸為基礎(chǔ)的修正彈，在射角50°，初速800 m/s等初始條件下，基于動(dòng)力學(xué)分析軟件，結(jié)合彈丸在飛行過程中，受靜不穩(wěn)定力矩的作用，在擾動(dòng)產(chǎn)生攻角及彈丸在重力作用下彈道出現(xiàn)彎曲等的影響。通過動(dòng)力學(xué)仿真分析，得到不同舵偏角下修正彈丸的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。其中舵偏角在6°及以下時(shí)彈丸均能克服上述影響，從而滿足陀螺穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性、追隨穩(wěn)定性，進(jìn)行穩(wěn)定的全彈道飛行，而在8°偏角時(shí)則修正彈丸無法完成穩(wěn)定的全彈道飛行。其中部分偏角下的彈丸飛行狀態(tài)動(dòng)態(tài)情形如圖7、圖8所示。

圖7 6°舵偏時(shí)彈丸穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)姿態(tài)

圖8 8°舵偏時(shí)彈丸不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

通過動(dòng)力學(xué)仿真可以觀察到，當(dāng)舵偏角為6°時(shí)，修正彈丸的外彈道飛行是穩(wěn)定的。舵偏角達(dá)到8°時(shí)，修正彈丸的飛行狀態(tài)是不穩(wěn)定的，出炮口后彈丸很快出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。同理，可以知道當(dāng)舵偏角大于8°時(shí)，修正彈丸的飛行是不穩(wěn)定的。

4 電機(jī)控制能力分析

固定在彈丸頭部位置的鴨舵，包含一對(duì)減旋舵和一對(duì)修正舵，其中減旋舵受空氣作用而產(chǎn)生的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩與電磁力矩結(jié)合起來共同控制引信的低速旋轉(zhuǎn)及目標(biāo)姿態(tài)。減旋舵的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的變化趨勢(shì)如圖9所示。

圖9 6°舵偏角時(shí)減旋舵導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩變化

從圖9中引信的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩變化趨勢(shì)可以看出，在彈丸出炮口后10 s的時(shí)間內(nèi)，導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩變化率很大，且力矩的值變化也很大。在10 s以后，導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩變化率較小，且力矩值的變化也相對(duì)較小。

結(jié)合上述的導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩變化趨勢(shì)，利用電機(jī)對(duì)引信姿態(tài)進(jìn)行控制，當(dāng)電機(jī)的電磁力矩取值范圍在1.5 N·m內(nèi)時(shí)，設(shè)定在出炮口5 s后開始控制引信滾轉(zhuǎn)在目標(biāo)姿態(tài)，則在5～80 s的控制范圍之內(nèi)，引信實(shí)際被控制的時(shí)間是13～80 s，如圖10所示。

圖10 電磁力矩在1.5 N·m內(nèi)時(shí)的控制能力

當(dāng)電機(jī)的電磁力矩取值范圍在2.0 N·m范圍內(nèi)時(shí)，同樣設(shè)定在炮彈出炮口后5 s時(shí)起控，則在5～80 s的控制范圍內(nèi)，引信實(shí)際被有效控制的時(shí)間是7～80 s，如圖11所示。

圖11 電磁力矩在2 N·m內(nèi)時(shí)的控制能力

綜合以上可以得到，電磁力矩的取值直接影響引信姿態(tài)的控制時(shí)間，電磁力矩越大則對(duì)引信的控制能力越強(qiáng)，但對(duì)電機(jī)的要求會(huì)大大提高并會(huì)增加成本。

5 修正能力分析

以舵偏角為6°時(shí)的修正彈模型為例，已知該炮彈按照射角50°，初速800 m/s發(fā)射。在上述條件下的修正彈經(jīng)過彈道方程解算，得到射程約為22.5 km。當(dāng)修正舵處于特定位置時(shí)，它能為橫向修正提供側(cè)向力，而在特定時(shí)間內(nèi)持續(xù)性的固定在某一值則能得到此位置下的最大修正能力，在此選取時(shí)間t=35 s處作為固定修正舵時(shí)間點(diǎn)并進(jìn)行持續(xù)修正，來觀察舵偏角分別為2°、4°、6°時(shí)彈道修正效果如圖12。通過外彈道仿真分析，得到6°舵偏角時(shí)的修正量，如表1所示。

圖12 修正彈最大修正能力

表1 彈丸修正能力與舵偏角關(guān)系

由結(jié)果可以看出，彈丸的修正能力與舵偏角有直接關(guān)系，舵偏角越大，彈丸的修正能力越強(qiáng)，但必須滿足彈丸的飛行穩(wěn)定性和電機(jī)控制能力。

6 結(jié)論

文中重點(diǎn)探討了如何對(duì)固定式鴨舵修正機(jī)構(gòu)舵偏角進(jìn)行選擇，建立了不同舵偏時(shí)的氣動(dòng)仿真模型，并得到了各情形下的氣動(dòng)力數(shù)據(jù)，通過分析可以得出:舵偏角對(duì)彈丸翻轉(zhuǎn)力矩及舵翼升力影響較大，且舵翼升力隨著舵偏角的增大而增大;對(duì)鴨舵導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩影響較大，且舵偏角越大則舵面導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩越大。

建立了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模型，通過對(duì)彈丸外彈道飛行狀態(tài)的模擬，可以看出當(dāng)舵偏角在6°以下時(shí)，彈丸可以全彈道穩(wěn)定飛行，但當(dāng)舵偏角達(dá)到8°時(shí)，彈丸無法穩(wěn)定飛行。

通過對(duì)電機(jī)控制能力的分析，可以得出舵翼導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的大小直接影響對(duì)電機(jī)的合理選擇。同時(shí)，電機(jī)的電磁力矩取值范圍也限制了舵偏角的取值。

通過利用適合修正彈的彈道模型對(duì)彈丸的修正能力進(jìn)行仿真，得出了穩(wěn)定飛行時(shí)不同舵偏角下的修正能力。

綜合以上得出，若要合理選擇舵偏角，須把彈丸的飛行穩(wěn)定性、修正能力、電機(jī)的合理性等綜合考慮才能最終合理的選擇一種符合修正機(jī)構(gòu)氣動(dòng)布局的舵偏角。

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