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        陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對(duì)末制導(dǎo)炮彈彈道特性的影響

        2014-12-26 06:33:22佟德飛宋衛(wèi)東
        彈道學(xué)報(bào) 2014年1期

        佟德飛,宋衛(wèi)東,賈 波

        (1.軍械工程學(xué)院 火炮工程系,石家莊050003;2.西安軍代局,西安710043)

        某型末制導(dǎo)炮彈的慣導(dǎo)飛行控制是通過(guò)計(jì)算慣導(dǎo)陀螺外框架相對(duì)彈體的偏轉(zhuǎn)角度并形成指令,進(jìn)而控制舵機(jī)偏轉(zhuǎn)完成的。陀螺外框擺角的計(jì)算通過(guò)彈體坐標(biāo)系、慣導(dǎo)陀螺坐標(biāo)系以及地面坐標(biāo)系之間相對(duì)角位置關(guān)系進(jìn)行推導(dǎo)得出[1]。然而該計(jì)算方式以轉(zhuǎn)子軸方位相對(duì)于慣性空間不變?yōu)榍疤幔且环N理想情形,并未考慮陀螺轉(zhuǎn)子因動(dòng)力學(xué)的作用產(chǎn)生定向性的變化。理論上,為了保證陀螺的定向性,陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)心應(yīng)該位于內(nèi)框軸和外框軸的交叉點(diǎn)位置,但由于工藝控制原因,轉(zhuǎn)子質(zhì)心與內(nèi)框框架幾何中心存在一定程度的偏離,因而產(chǎn)生偏心力矩導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)。本文在已有研究的基礎(chǔ)上,運(yùn)用動(dòng)量矩定理[2]研究轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心條件下的定向特性,結(jié)合末制導(dǎo)炮彈六自由度剛體彈道模型以及慣導(dǎo)控制模型[1],考慮慣導(dǎo)陀螺質(zhì)量偏心引起的控制誤差對(duì)彈道特性產(chǎn)生的影響。

        1 陀螺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程描述

        為描述慣導(dǎo)陀螺轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng),首先建立其空間坐標(biāo)系。設(shè)轉(zhuǎn)子的幾何中心與內(nèi)框架、外框架幾何中心O重合,以O(shè)為原點(diǎn),將慣性坐標(biāo)系平移至原點(diǎn)建立陀螺基準(zhǔn)坐標(biāo)系Oξηζ,η軸鉛垂向上。令Oξηζ繞η軸轉(zhuǎn)過(guò)ψgd角,再繞ζ軸新位置轉(zhuǎn)過(guò)θgd角,建立轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩坐標(biāo)系OXYZ,其中X軸為轉(zhuǎn)子相對(duì)原點(diǎn)的動(dòng)量矩矢量方向,動(dòng)量矩為L(zhǎng),其中ψgd,θgd為動(dòng)量矩坐標(biāo)系相對(duì)慣性坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度。令OXYZ繞X軸轉(zhuǎn)過(guò)γgd角后的位置為轉(zhuǎn)子的主軸坐標(biāo)系Oxryrzr,xr軸為轉(zhuǎn)子的對(duì)稱(chēng)軸,如圖1所示。參考文獻(xiàn)[3]中對(duì)陀螺內(nèi)外框架坐標(biāo)系的描述,本文將轉(zhuǎn)子主軸坐標(biāo)系繞yr軸轉(zhuǎn)過(guò)ψg角,建立慣導(dǎo)陀螺內(nèi)框坐標(biāo)系Ox1y1z1,再繞z1軸旋轉(zhuǎn)θg角(此角度即為慣導(dǎo)陀螺外框擺動(dòng)角),建立外框架坐標(biāo)系Ox2y2z2,如圖2所示。轉(zhuǎn)子質(zhì)心相對(duì)幾何中心的偏心距矢量為er,er取在轉(zhuǎn)子主軸坐標(biāo)系。分別研究轉(zhuǎn)子在軸向、徑向存在質(zhì)量偏心時(shí)產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)作用。

        圖1 動(dòng)量矩坐標(biāo)系角度坐標(biāo)

        圖2 轉(zhuǎn)子相對(duì)動(dòng)量矩坐標(biāo)系偏轉(zhuǎn)角度坐標(biāo)

        1.1 轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程

        偏心距矢量在慣性坐標(biāo)系下表示為e=PT(γgd,θgd,ψgd)er,PT(γgd,θgd,ψgd)為慣性系向轉(zhuǎn)子主軸坐標(biāo)系投影矩陣,寫(xiě)成分量形式:

        慣性系中,重力加速度表示為g=(0 -g0)T。由于存在質(zhì)量偏心,則偏心力矩為M=e×mg,其在慣性坐標(biāo)系中的分量為

        再將轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩矢量投影至慣性坐標(biāo)系,則

        將式(1)~式(3)代入動(dòng)量矩定理dL/dt=M。由于存在dLη/dt=0的情況,則轉(zhuǎn)子動(dòng)量矩在慣性系的垂直方向守恒,因此-Lsinθgdcosψgd與動(dòng)量矩在慣性系垂直分量的初值一致,存在初始的偏角,即

        對(duì)式(3)兩端進(jìn)行求導(dǎo),則可以得到和,分別表示為

        忽略微小偏心對(duì)主軸慣性主矩的影響[4],設(shè)轉(zhuǎn)子極軸慣性主矩為C,轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為Ω,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)量矩大小為L(zhǎng)0=CΩ。

        1.2 內(nèi)、外框架運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程

        將轉(zhuǎn)子偏心力矩分別向轉(zhuǎn)子內(nèi)框坐標(biāo)系Ox1y1z1、外框坐標(biāo)系Ox2y2z2進(jìn)行投影,得到:

        根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子內(nèi)、外框廣義自由坐標(biāo)的定義,繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程是獨(dú)立的,而其余方向的運(yùn)動(dòng)是非獨(dú)立的,反映內(nèi)、外框軸之間的力矩關(guān)系,則僅僅給出影響框架轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)方程,即

        為簡(jiǎn)化起見(jiàn),式中將轉(zhuǎn)子軸相對(duì)于慣性坐標(biāo)系的方向余弦記為dij,i,j=1,2,3。

        1.3 外框架偏轉(zhuǎn)角度計(jì)算

        外框架偏轉(zhuǎn)角度的計(jì)算方法仍通過(guò)幾何關(guān)系的轉(zhuǎn)換求解,求解關(guān)系式為

        式中:γ,φ,ψ為末制導(dǎo)炮彈彈體姿態(tài)角;γg為慣導(dǎo)陀螺相對(duì)彈體的安裝角。隨著轉(zhuǎn)子偏心力矩的不斷作用,慣導(dǎo)陀螺轉(zhuǎn)子產(chǎn)生進(jìn)動(dòng),定向性發(fā)生改變,轉(zhuǎn)子姿態(tài)角的計(jì)算可由初始定向角和進(jìn)動(dòng)偏移角度進(jìn)行疊加。內(nèi)、外框偏轉(zhuǎn)角度的值由幾何關(guān)系求解得到,原計(jì)算方法中的轉(zhuǎn)子定向角度由進(jìn)動(dòng)后轉(zhuǎn)子姿態(tài)角度替換。

        2 陀螺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)值仿真

        陀螺轉(zhuǎn)子角度變化以及動(dòng)量矩的變化均可通過(guò)積分進(jìn)行求解。轉(zhuǎn)子受到外力矩的作用,產(chǎn)生與外力矩方向垂直的動(dòng)量矩,轉(zhuǎn)子軸的空間方位不斷地發(fā)生改變。由于外力矩的主要形式為重力偏心力矩,所以產(chǎn)生的力矩作用主要有2種情況:一種為軸向偏心力矩,在轉(zhuǎn)子軸坐標(biāo)系內(nèi)相對(duì)轉(zhuǎn)子幾何中心的作用方向不發(fā)生改變;另一種為轉(zhuǎn)子徑向偏心力矩,由于轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn),偏心力矩的大小和方向不斷發(fā)生變化,產(chǎn)生的動(dòng)量矩矢量也不斷變化方向。對(duì)轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值求解,通過(guò)給定不同偏心距離以分析轉(zhuǎn)子定向方位的變化規(guī)律及特點(diǎn)。

        圖3所示為轉(zhuǎn)子軸軸向偏心距不同條件下的水平方向偏轉(zhuǎn)角度ψ的變化規(guī)律。結(jié)果表明,軸向偏心距ex為1mm時(shí),轉(zhuǎn)子軸便發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn),從慣導(dǎo)陀螺啟動(dòng)到炮彈落地的整個(gè)過(guò)程,轉(zhuǎn)子在水平方向的偏轉(zhuǎn)為0~4.15°;當(dāng)軸向偏心距ex=-1mm時(shí),偏轉(zhuǎn)范圍為0~4.21°;軸向偏心距ex=2mm時(shí),轉(zhuǎn)子軸在水平方向偏轉(zhuǎn)范圍為0~16.48°;軸向偏心距ex=-2mm時(shí),偏轉(zhuǎn)范圍為0~16.85°。

        圖3 軸向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

        圖4 所示為不同軸向偏心距條件下的俯仰角θ的變化規(guī)律。可以看出,轉(zhuǎn)子軸在俯仰方向產(chǎn)生明顯的偏轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子軸向偏心相對(duì)幾何中心在轉(zhuǎn)子軸正方向時(shí)轉(zhuǎn)子向下偏轉(zhuǎn),相反則向上偏轉(zhuǎn)。當(dāng)偏心距離ex=1mm時(shí),轉(zhuǎn)子軸向下偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)0~-1°;ex=2mm時(shí),偏轉(zhuǎn)角度為0~-2°;當(dāng)軸向偏心距ex=-1mm時(shí),轉(zhuǎn)子軸向上偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)角度為0~1°,ex=-2mm時(shí),偏轉(zhuǎn)角度為0~2°。

        圖4 軸向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

        在進(jìn)行轉(zhuǎn)子軸徑向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子定向性影響分析時(shí),轉(zhuǎn)子軸坐標(biāo)選定y軸方向或z軸方向都具有一般性。選定對(duì)y軸徑向偏心進(jìn)行仿真,結(jié)果表明,y軸徑向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子定向性的改變并不顯著,當(dāng)y軸徑向偏心距ey=1mm時(shí),轉(zhuǎn)子側(cè)向偏轉(zhuǎn)角度約為0~0.2°,如圖5所示。

        圖5 徑向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子水平方向轉(zhuǎn)動(dòng)角度的影響

        俯仰方向角度偏轉(zhuǎn)曲線(xiàn)形式接近具有確定周期和幅值的簡(jiǎn)諧曲線(xiàn),但其偏轉(zhuǎn)角度平均并不為零。當(dāng)偏心距在相對(duì)幾何中心相反方向時(shí),轉(zhuǎn)子偏轉(zhuǎn)方向相反,平均偏轉(zhuǎn)角度θe約為0~0.04°,如圖6所示。

        圖6 徑向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子垂直方向角度變化的平均作用

        因此,質(zhì)量偏心的轉(zhuǎn)子在重力矩的作用下可產(chǎn)生空間中的進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。軸向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)作用明顯,進(jìn)動(dòng)角度與偏心距離成正比例關(guān)系。徑向偏心隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),所產(chǎn)生的動(dòng)量矩矢量也同時(shí)隨之改變,轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)角速度呈周期性變化,但產(chǎn)生平均不為零的進(jìn)動(dòng)角度,表現(xiàn)為空間中的緩慢轉(zhuǎn)動(dòng),該結(jié)果可解釋?xiě)T導(dǎo)陀螺漂移現(xiàn)象。

        該型號(hào)末制導(dǎo)炮彈零漂數(shù)據(jù)為15s時(shí)間內(nèi)水平方向漂移為-1.3°~0.4°,鉛垂方向的漂移為-0.5°~-2.3°。因此,根據(jù)數(shù)值仿真結(jié)果分析,轉(zhuǎn)子在x軸、y軸、z軸存在偏心情況下,仿真結(jié)果是可以解釋轉(zhuǎn)子漂移值的。

        3 陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對(duì)外框擺動(dòng)角度的影響

        陀螺轉(zhuǎn)子空間方位的改變,最本質(zhì)的是改變了內(nèi)、外框架的擺動(dòng)角度。由于控制指令的發(fā)出取決于外框架的偏轉(zhuǎn),當(dāng)轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離幾何中心而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí),外框擺動(dòng)角中則包含了轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)角度因素。

        通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)子空間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的數(shù)值計(jì)算,可以確定任意時(shí)刻轉(zhuǎn)子軸的空間方位,利用式(8)求解外框擺動(dòng)角。圖7為轉(zhuǎn)子存在軸向偏心與不存在軸向偏心條件下的慣導(dǎo)陀螺外框擺動(dòng)角曲線(xiàn)(局部)。圖8為轉(zhuǎn)子存在徑向偏心與不存在徑向偏心條件下的慣導(dǎo)陀螺外框擺動(dòng)角曲線(xiàn)(局部)。

        圖7、圖8中的差異充分表明,轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心導(dǎo)致陀螺外框擺動(dòng)角的變化,改變了慣導(dǎo)控制舵片指令生成時(shí)機(jī),表現(xiàn)為慣導(dǎo)飛行時(shí)超前或滯后的舵面偏轉(zhuǎn)。這使得末制導(dǎo)炮彈控制力和控制力矩不再相對(duì)彈體正上方或正下方對(duì)稱(chēng),對(duì)末制導(dǎo)炮彈的彈道性能產(chǎn)生影響。

        圖7 軸向偏心對(duì)外框擺動(dòng)角的影響

        圖8 徑向偏心對(duì)外框擺動(dòng)角的影響

        4 陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對(duì)彈道性能的影響分析

        末制導(dǎo)炮彈射程、側(cè)偏、落角等參數(shù)是末制導(dǎo)炮彈在彈道設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮的參數(shù)。初始段、無(wú)控段以及慣導(dǎo)飛行階段結(jié)束時(shí),彈體激光制導(dǎo)陀螺啟動(dòng),進(jìn)入末段導(dǎo)引段,控制系統(tǒng)導(dǎo)引彈體攻擊目標(biāo),若飛行距離過(guò)小或者側(cè)偏過(guò)大都將導(dǎo)致彈體不能按預(yù)定目標(biāo)飛抵捕獲區(qū)域,導(dǎo)致失去目標(biāo)。因此慣導(dǎo)飛行階段的精度控制對(duì)末端導(dǎo)引階段打擊精度影響很大。根據(jù)末制導(dǎo)炮彈彈道方程,結(jié)合慣導(dǎo)陀螺運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程,對(duì)末制導(dǎo)炮彈彈道特性進(jìn)行數(shù)值仿真。針對(duì)轉(zhuǎn)子軸在3個(gè)方向上的偏心距導(dǎo)致彈道特性的變化分別進(jìn)行仿真計(jì)算。

        4.1 軸向偏心對(duì)彈道特性的影響

        對(duì)轉(zhuǎn)子軸向偏心距分別取ex=2mm,1mm,0mm,-1mm,-2mm時(shí)的名義彈道進(jìn)行仿真。不同條件下炮彈落點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)如表1所示。

        從表1中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子軸向偏心對(duì)名義彈道落點(diǎn)影響很大。當(dāng)軸向偏心距ex=1mm時(shí),射程X減小49m,側(cè)偏Z變化約125.18m;當(dāng)ex=2mm時(shí),射程X減小114m,側(cè)偏Z變化約488.38m;當(dāng)ex=-1mm時(shí),射程X增加61m,側(cè)偏Z變化約123.18m;ex=-2mm時(shí),射程X增加101m,側(cè)偏Z變化約500.02m。當(dāng)軸向偏心距在轉(zhuǎn)子軸正方向時(shí)射程會(huì)相應(yīng)減小,而軸向偏心距在轉(zhuǎn)子軸負(fù)方向時(shí)射程會(huì)相應(yīng)增加。在表1計(jì)算范圍內(nèi),射程X變化215m;飛行時(shí)間t、落速v、落角θ變化不大;側(cè)偏Z變化規(guī)律有所不同,只要軸向偏心距存在,不論是正、負(fù)方向,偏心距離絕對(duì)值相等時(shí)會(huì)產(chǎn)生大約一致的變化。

        表1 軸向偏心對(duì)名義彈道落點(diǎn)諸元的影響

        4.2 徑向偏心對(duì)彈道特性的影響

        對(duì)轉(zhuǎn)子y軸徑向偏心距分別取ey=2mm,1mm,0mm,-1mm,-2mm時(shí)的名義彈道進(jìn)行仿真。不同條件下炮彈落點(diǎn)計(jì)算數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

        表2 y軸徑向偏心對(duì)名義彈道落點(diǎn)諸元的影響

        表3 z軸徑向偏心對(duì)名義彈道落點(diǎn)諸元的影響

        從表2中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子軸y軸徑向偏心的存在對(duì)末制導(dǎo)炮彈名義彈道落點(diǎn)有一定的影響,且具有一定的規(guī)律性,即y軸徑向偏心由正到負(fù)變化時(shí),射程變化趨勢(shì)為增大,射程變化約13m;對(duì)側(cè)偏變化也有一定的影響,且隨偏心距增大而增大。

        從表3中數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)子軸z軸徑向偏心的存在對(duì)末制導(dǎo)炮彈名義彈道落點(diǎn)有一定的影響,比y軸徑向偏心的影響偏大,但同樣具有一定的規(guī)律性。z軸徑向偏心ez由正到負(fù)變化時(shí),射程變化趨勢(shì)為不斷減小,射程變化約96m;側(cè)偏變化隨偏心距增大而增大。對(duì)比表1和表2、表3,軸向偏心相比徑向偏心對(duì)彈道特性影響大,轉(zhuǎn)子軸z軸方向徑向偏心距離對(duì)彈道特性的影響比y軸徑向偏心距離對(duì)彈道特性的影響大,主要表現(xiàn)在射程變化以及側(cè)偏的變化。

        因此,慣導(dǎo)陀螺轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心對(duì)末制導(dǎo)炮彈空間飛行的彈道諸元影響很大,為保證足夠的射擊精度,必須對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心進(jìn)行控制,以減少由于轉(zhuǎn)子進(jìn)動(dòng)帶來(lái)的影響。

        本文對(duì)轉(zhuǎn)子質(zhì)心偏離幾何中心時(shí)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值仿真,并分析其對(duì)慣導(dǎo)飛行控制過(guò)程以及末制導(dǎo)炮彈彈道特性影響的特點(diǎn),得出了以下結(jié)論:

        ①存在質(zhì)量偏心的轉(zhuǎn)子在重力矩的作用下失去慣性空間中的定軸特性,表現(xiàn)為陀螺漂移運(yùn)動(dòng)。其中軸向偏心對(duì)陀螺轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)的作用明顯,根本原因是重力矩不隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而改變方向;而徑向偏心對(duì)陀螺漂移作用并不明顯,重力矩方向隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而不斷改變,但轉(zhuǎn)子受重力矩作用的平均值不為零。

        ②軸對(duì)稱(chēng)轉(zhuǎn)子質(zhì)量偏心使轉(zhuǎn)子發(fā)生漂移,改變了陀螺外框角度偏轉(zhuǎn)信號(hào)的變化規(guī)律,對(duì)舵片控制信號(hào)的形成造成超前或滯后的影響。

        ③軸向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子水平或垂直方向偏轉(zhuǎn)角度貢獻(xiàn)較大,對(duì)射程和側(cè)偏改變很大。徑向偏心對(duì)轉(zhuǎn)子水平或垂直方向偏轉(zhuǎn)角度貢獻(xiàn)較小,對(duì)射程和側(cè)偏產(chǎn)生一定的影響。若要保證射擊精度,必須減小陀螺裝配誤差。

        5 結(jié)束語(yǔ)

        本文通過(guò)建立轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程,分析了轉(zhuǎn)子定向軸變化對(duì)慣導(dǎo)飛行控制的影響,結(jié)合末制導(dǎo)炮彈外彈道模型,進(jìn)行了數(shù)值仿真,并分別研究了轉(zhuǎn)子軸向偏心和徑向偏心對(duì)彈道特性的影響。為提高末制導(dǎo)炮彈射擊精度,必須減少陀螺轉(zhuǎn)子漂移角度,采取提高陀螺安裝準(zhǔn)確性的有效措施,也為研制新型末制導(dǎo)炮彈時(shí)陀螺部件的設(shè)計(jì)提供理論支持。

        [1]宋衛(wèi)東,張進(jìn)忠.慣導(dǎo)陀螺零漂對(duì)末制導(dǎo)炮彈彈道性能的影響[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào),2010,34(2):162-165.SONG Wei-dong,ZHANG Jin-zhong.Influence of zero drift of inertial guide gyro on trajectory characteristics of terminal guide shell[J].Journal of Nanjing University of Science and Technology,2010,34(2):162-165.(in Chinese)

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