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脈沖推沖器性能參數(shù)確定與試驗驗證研究*1

李超旺a，高敏a，劉秋生b，王毅c

(軍械工程學(xué)院,a.導(dǎo)彈工程系; b．彈藥工程系; c.火炮工程系，河北 石家莊050003)

摘要：針對脈沖推沖器工作特點，分析了脈沖推沖器本身性能參數(shù)對于彈道修正彈修正效能的影響，提出了為獲取最大修正效能應(yīng)如何確定相關(guān)參數(shù)，設(shè)計了性能參數(shù)獲取與驗證試驗，進(jìn)行了驗證性試驗。試驗結(jié)果證明，設(shè)計的試驗可判斷出脈沖推沖器的相關(guān)性能參數(shù)，試驗結(jié)果可為控制方案設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：脈沖推沖器；彈道修正彈；點火延遲時間；驗證試驗

0引言

脈沖推沖器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)時間短和受大氣環(huán)境影響小的優(yōu)點[1-3]，是彈道修正彈常用的一種修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)。目前主要研究脈沖推沖器工作級數(shù)、修正時刻和修正角度與修正偏差之間的關(guān)系[4-12]，而實際飛行試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)控制邏輯正常時脈沖推沖器性能參數(shù)是決定彈道修正性能的最主要因素，從現(xiàn)有資料看還未見有關(guān)這方面的研究。

本文主要分析了脈沖推沖器性能參數(shù)對于彈道修正效能的影響并設(shè)計了驗證試驗。第1部分分析了脈沖推沖器性能參數(shù)對于彈道修正性能的影響，為了提高修正效能，提出了如何確定相關(guān)參數(shù)；第2部分設(shè)計了脈沖推沖器性能參數(shù)驗證試驗，可有效獲得脈沖推沖器的相關(guān)參數(shù)；最后對試驗結(jié)果進(jìn)行了總結(jié)并得出了結(jié)論。

1性能參數(shù)對修正效能影響分析

脈沖推沖器通過改變彈體的速度達(dá)到修正彈道的目的。為了提高脈沖推沖器的修正效能，需要分析各個參數(shù)對于修正效能的影響。脈沖推沖器主要性能參數(shù)包括：工作時間、點火延遲時間、最大推力和1/2總沖量對應(yīng)的時間。各性能參數(shù)之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1　等邊三角形脈沖推力性能參數(shù)示意圖Fig.1　Relationship of the parameters of the　　　equilateral triangle impulse force

如圖1所示，tp為脈沖推沖器的工作時間，td為脈沖點火延遲時間，F(xiàn)m為脈沖推沖器提供的最大推力，t1/2為1/2總沖對應(yīng)的時間，當(dāng)推力對稱時，t1/2=0.5tp。

1.1工作時間

脈沖推沖器工作時間(tp)是指脈沖推沖器產(chǎn)生推力至脈沖推沖器停止提供推力的一段時間，工作時間長短由工作介質(zhì)的量決定，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計前需要分析工作時間對修正效能的影響。

(1)

式中：

(2)

將式(2)代入式(1)積分得脈沖推沖器的合沖量為

(3)

從式(3)可以看出，對于非旋轉(zhuǎn)彈來說，脈沖推沖器提供的沖量大小只跟最大推力和工作時間有關(guān)系，當(dāng)工作時間一定時，最大推力越大脈沖推沖器產(chǎn)生的沖量就越大；當(dāng)最大推力一定時，工作時間越長產(chǎn)生的合沖量越大。將脈沖推沖器用于非旋轉(zhuǎn)彈彈道修正時，可以通過增加脈沖推沖器工作時間和最大推力的方式提高脈沖推沖器的沖量。

對旋轉(zhuǎn)彈進(jìn)行修正時，脈沖推沖器會隨著彈體的旋轉(zhuǎn)而轉(zhuǎn)動，脈沖力不斷地在改變方向，脈沖推沖器工作時間越長，脈沖力方向變化范圍就越大，在合沖量方向的分量就越小，甚至?xí)窒糠譀_量，降低修正效能。根據(jù)沖量定理可得旋轉(zhuǎn)彈上脈沖推沖器工作所產(chǎn)生的合沖量為

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)得

(6)

從式(6)可以看出，對于旋轉(zhuǎn)彈來說，脈沖推沖器產(chǎn)生的合沖量不僅與脈沖推沖器最大推力和工作時間有關(guān)還與彈體轉(zhuǎn)速相關(guān)。設(shè)脈沖推沖器用于非旋轉(zhuǎn)彈修正時產(chǎn)生的修正效能為基準(zhǔn)，則脈沖推沖器用于旋轉(zhuǎn)彈修正時其工作效率為

(7)

從式(7)可以看出，脈沖推沖器修正效率只與彈體轉(zhuǎn)速和推沖器工作時間有關(guān)系。彈體轉(zhuǎn)速分別為5，10和15 r/s時脈沖推沖器工作時間和工作效率對比關(guān)系如圖2所示。

圖2　不同轉(zhuǎn)速下脈沖推沖器工作時間和　　　工作效率對比關(guān)系圖Fig.2　Impulse jet work time &work efficiency　　　under different spin rates

從圖2可以看出，當(dāng)彈體轉(zhuǎn)速一定時，脈沖推沖器工作時間越長，其工作效率越低；彈體轉(zhuǎn)速越快，脈沖推沖器工作效率下降速度越快。將脈沖推沖器用于旋轉(zhuǎn)彈彈道修正時，當(dāng)彈體旋轉(zhuǎn)速度不能改變時，為了提高其修正效率，要縮短脈沖推沖器工作時間。

1.2點火延遲時間

點火延遲時間(td)是指脈沖推沖器點火指令發(fā)出時刻至脈沖推沖器產(chǎn)生推力時的時間間隔。

對于非旋轉(zhuǎn)彈來說，由于彈體不旋轉(zhuǎn)，脈沖推沖器產(chǎn)生的脈沖力方向?qū)⒈３植蛔?，點火延遲時間只會影響到起始修正時刻，不會影響到其修正效率。

脈沖推沖器用于旋轉(zhuǎn)彈修正時，彈體一直處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，為確保合沖量在需求修正方向上，對脈沖推沖器進(jìn)行點火控制時需要對點火延遲時間進(jìn)行補(bǔ)償。

點火延遲時間是否補(bǔ)償準(zhǔn)確將直接影響到脈沖推沖器的修正效率。假設(shè)脈沖推沖器理論點火延遲時間為td，為了確保合沖量方向在理想方向上，需要提前td發(fā)出激活指令。由于加工工藝誤差的存在，實際點火延遲時間與理論點火延遲時間將會存在一定的偏差，設(shè)此值為Δtd，當(dāng)彈體轉(zhuǎn)速為ω時，實際合沖量方向?qū)⑵x理想沖量方向一定的角度A，則A=ωΔtd。

點火延遲偏差對脈沖修正效率的影響為

ηd=cosA=cos(ωΔtd).

(8)

根據(jù)式(8)繪制不同轉(zhuǎn)速條件下點火延遲時間對應(yīng)的脈沖推沖器修正效率，如圖3所示。

圖3　不同轉(zhuǎn)速條件下點火延遲偏差和工作效率對比圖Fig.3　Impulse jet delay time &work efficiency　　　under different spin rates

從圖3可以看出，點火延遲時間偏差對于脈沖推沖器修正效率的影響較為明顯。彈體轉(zhuǎn)速為15 r/s時，延遲偏差為7 ms左右時，脈沖推沖器修正效率降低到80%以下，延遲時間達(dá)到10 ms左右時，修正效率降低到60%以下。點火延遲時間偏差越大修正效率越低，這種效率降低的趨勢隨著彈體轉(zhuǎn)速的增高而不斷增加。當(dāng)無法改變彈體轉(zhuǎn)速時，為了提高脈沖推沖器的修正效率，要嚴(yán)格控制脈沖推沖器點火延遲時間偏差值。

1.3脈沖推力模型

脈沖推沖器由于所填裝的火藥化學(xué)性能不同，脈沖推沖器將產(chǎn)生不同的推力曲線。脈沖推力模型采用等邊梯形函數(shù)逼近時有時比等邊三角形函數(shù)逼近更能反應(yīng)實際情況。等邊梯形函數(shù)推力曲線如圖4所示。

圖4　等邊梯形脈沖推力曲線示意圖Fig.4　Ladder shaped impulse force line

如圖4所示，等邊梯形脈沖推力曲線推力上升時間為t1，最大推力持續(xù)時間為t2，全程工作時間為tp。根據(jù)沖量定理可知，用于非旋轉(zhuǎn)彈修正產(chǎn)生的合沖量為

(9)

式中：

(10)

由式(9)，(10)聯(lián)立可得：

(11)

用于修正旋轉(zhuǎn)彈時，脈沖推沖器產(chǎn)生的合沖量為

(12)

設(shè)脈沖推沖器用于非旋轉(zhuǎn)彈修正時合沖量為基準(zhǔn)，則脈沖推沖器用于旋轉(zhuǎn)彈修正時其工作效率為

(13)

從式(13)可以看出，當(dāng)t2=0時，即不存在最大推力持續(xù)時間，梯形推力曲線將化簡為等邊三角形推力曲線，式(13)可化簡為式(7)的形式。

假設(shè)2種脈沖力模型的工作時間相同，則梯形推力曲線和三角形推力曲線的效率比值為

η=ηlad/ηtri=

(14)

假設(shè)彈體轉(zhuǎn)速為10 r/s，脈沖推沖器工作時間為10 ms，梯形推力曲線最大推力持續(xù)時間和效率比值的對比關(guān)系如圖5所示。

圖5　梯形推力曲線最大推力持續(xù)時間和效率比值關(guān)系圖Fig.5　Ladder-shaped maximum Impulse force　　　lasting time & work efficiency

從圖5中可以看出，最大推力持續(xù)時間越長，脈沖推沖器修正能力就越強(qiáng)。當(dāng)脈沖推沖器工作時間一定時，為了有效提高脈沖推沖器的修正能力，要盡量縮短推力上升時間，延長最大推力持續(xù)時間，以此為原則選用合適的脈沖推沖器火藥推進(jìn)劑。

2參數(shù)性能驗證試驗設(shè)計

脈沖推沖器用于非旋轉(zhuǎn)彈修正時，性能參數(shù)不會影響修正效能，故此處主要對彈體旋轉(zhuǎn)情況下脈沖推沖器參數(shù)性能進(jìn)行試驗驗證。

當(dāng)完成脈沖推沖器的設(shè)計并加工完樣品后需要準(zhǔn)確獲知脈沖推沖器1/2總沖時間和點火延遲時間，以提高彈道修正效能。為了分析脈沖推沖器在旋轉(zhuǎn)情況下點火控制邏輯是否正確和獲得相關(guān)性能參數(shù)，可將脈沖推沖器陣列安裝在一個電動機(jī)驅(qū)動的轉(zhuǎn)軸實驗臺上，試驗臺結(jié)構(gòu)如圖6所示。

從圖6可以看出，脈沖推沖器陣列和彈載控制器、熱電池都安裝在轉(zhuǎn)軸內(nèi)，隨著轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)軸通過2個滑輪固定在支架上，轉(zhuǎn)軸可以繞自身縱軸線自由轉(zhuǎn)動，在轉(zhuǎn)軸的一側(cè)安裝了電動機(jī)，通過電動機(jī)控制板可以使得轉(zhuǎn)軸能以固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。將一臺高速攝影機(jī)放置在轉(zhuǎn)軸延長方向用以記錄脈沖推沖器工作過程，通過錄像可解算出脈沖推沖器的工作時間。為了增加對比度，準(zhǔn)確判斷點火方位角，在轉(zhuǎn)臺后面放置一塊對比背景板。

考慮到拍攝效果和拍攝時長，試驗時采取了500幀的拍攝速度，連續(xù)圖片之間的時間間隔為2 ms。由拍攝畫面可以看出脈沖推沖器在旋轉(zhuǎn)情況下工作情況，如圖7所示。

圖6　脈沖推沖器性能參數(shù)驗證試驗臺示意圖Fig.6　Impulse jet parameters confirm test block diagram

圖7　某一個脈沖推沖器旋轉(zhuǎn)工作圖Fig.7　One impulse jet working with the spin axis

第1幅圖片中脈沖推沖器隨轉(zhuǎn)軸在旋轉(zhuǎn)，第2幅圖片中脈沖推沖器已產(chǎn)生了較大的火焰，意味著脈沖推沖器在2幅圖片中的某點已開始工作。第3和第4幅圖片中脈沖推沖器正在工作，第3幅圖片產(chǎn)生的火焰明顯偏大，而第5幅只能看到零星尾焰，脈沖推沖器已經(jīng)停止工作。從脈沖推沖器連續(xù)工作的這幾幅圖片中可以判斷出推沖器工作時間大約為8 ms左右，與設(shè)計值基本一致，說明了該方法的有效性。

從圖7還可以看出，脈沖推沖器在點火初期產(chǎn)生的火焰較大，后期較小，說明脈沖推沖器產(chǎn)生的推力上升時間較短，推力很快達(dá)到最大值。推力下降時間相對較長，可以推斷1/2合沖量對應(yīng)的時間將小于脈沖推沖器工作時間，這一時間為3 ms左右，與設(shè)計值基本相當(dāng)。

通過電動機(jī)控制板的設(shè)定，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速恒定，控制器按照設(shè)定好的程序固定時間間隔發(fā)出點火指令，通過多個脈沖推沖器工作情況可判斷出脈沖推沖器點火延遲時間為2 ms左右。

通過試驗，準(zhǔn)確地獲得了脈沖推沖器的相關(guān)性能參數(shù)，為脈沖推沖器飛行控制提供了有效數(shù)據(jù)，結(jié)果證明了試驗的可行性及有效性。

3結(jié)束語

本文針對脈沖推沖器的工作特點，研究了脈沖推沖器性能參數(shù)對于修正效能的影響，設(shè)計了性能參數(shù)獲取和驗證試驗方法。通過試驗獲得了脈沖推沖器的主要控制參數(shù)，為彈道飛行控制提供了重要的依據(jù)。文中只是針對脈沖推沖器本身性能參數(shù)進(jìn)行研究的，下一步可將脈沖推沖器工作特點和彈道特性結(jié)合起來進(jìn)行研究。

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Parameters Determination and Confirmation Experimentation of Lateral Pulse Jet

LI Chao-wanga, GAO Mina, LIU Qiu-shengb, WANG Yic

(Ordnance Engineering College,a.Missile Engineering Department;b.Ammunition Engineering Department; c. Artillery Engineering Department,Hebei Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The impact of the impulse jet parameters on the correction performance is investigated before used on the trajectory correction munitions. In order to improve the correction ability of the impulse jet, the methods on how to determine related parameters are given, and experimentation is designed for getting the real value of the parameter and confirming it. Then, the experimentation is carried out and the results show that the impulse jet parameters can be obtained with this experimentation.

Key words:lateral pulse jet; trajectory correction munitions; fire delay time; verification test

中圖分類號：TJ760.35;TJ765

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0077-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.013

通信地址：050003河北省石家莊軍械工程學(xué)院導(dǎo)彈工程系E-mail：lichaowangzxz@163.com

作者簡介：李超旺(1985-)，男，山東嘉祥人。博士生，研究方向為彈藥智能化與信息化。

*收稿日期：2014-07-05；修回日期：2014-09-09