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        直升機(jī)掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈發(fā)射角度的影響性

        2020-06-12 07:29:58劉剛
        電子技術(shù)與軟件工程 2020年3期
        關(guān)鍵詞:發(fā)射裝置載機(jī)火箭彈

        劉剛

        (中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所 江西省景德鎮(zhèn)市 333000)

        航空火箭彈具有射程遠(yuǎn)、威力大、火力猛、成本低等優(yōu)點(diǎn),屬于各型武裝直升機(jī)火力系統(tǒng)的標(biāo)配武器。對(duì)于集群目標(biāo),火箭彈主要用于提供瞬時(shí)密集火力,基于此項(xiàng)打擊需求,在武裝直升機(jī)火箭彈武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮火箭彈的密集度,即火箭彈落在一定范圍內(nèi)。機(jī)載火控系統(tǒng)牽涉面廣,涉及到各傳感器精度、掛架隨動(dòng)、發(fā)射裝置制造精度、火控解算精度等等,因此要嚴(yán)格控制各環(huán)節(jié)的技術(shù)指標(biāo)才能達(dá)到武裝直升機(jī)發(fā)射火箭彈殺傷敵方目標(biāo)的要求。

        機(jī)載掛架為火箭彈實(shí)時(shí)提供發(fā)射角度,掛架的角度精度、角速度等各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)直接影響到火箭彈的發(fā)射角,從而影響火箭彈的作戰(zhàn)效能。在掛架的各項(xiàng)性能指標(biāo)中掛架隨動(dòng)角速度與火箭彈發(fā)射角度息息相關(guān),機(jī)載火控通過(guò)模型解算賦予火箭彈一定射向、射角,掛架角速度的產(chǎn)生對(duì)火箭彈射角帶來(lái)了初始擾動(dòng)。因此,分析掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈發(fā)射角的影響,具有實(shí)際工程意義。

        1 機(jī)載武器系統(tǒng)工作流程

        直升機(jī)載武器系統(tǒng)由火控計(jì)算機(jī)、平視顯示器、光電系統(tǒng)、慣導(dǎo)、大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、掛架、發(fā)射裝置等設(shè)備組成。光電系統(tǒng)搜索到目標(biāo)獲取目標(biāo)參數(shù)(含方位、俯仰、距離等)給機(jī)載火控計(jì)算機(jī)。慣導(dǎo)、大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等獲取載機(jī)空速、姿態(tài)、風(fēng)向風(fēng)速等數(shù)據(jù)。平視顯示器用于飛行員對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)。掛架用于提供武器初始發(fā)射角。發(fā)射裝置用于火箭彈點(diǎn)火及初始射向。

        常用的機(jī)載無(wú)控武器轟炸原理主要分為連續(xù)計(jì)算投放點(diǎn)(CCRP,Continuously Computed Release Point)瞄準(zhǔn)原理和連續(xù)計(jì)算命中點(diǎn)(CCIP,Continuously Computed Impact Point)瞄準(zhǔn)原理?;鹂赜?jì)算機(jī)根據(jù)載機(jī)飛行高度、空速、姿態(tài)角、火箭彈性能參數(shù)和風(fēng)向風(fēng)速等攻擊條件,連續(xù)計(jì)算出如果當(dāng)前投彈,該火箭彈在地面上的命中點(diǎn)的位置,以命中點(diǎn)標(biāo)志符號(hào)在平視顯示器上顯示出來(lái),飛行員操縱直升機(jī)將瞄準(zhǔn)符號(hào)與目標(biāo)重合,火控計(jì)算機(jī)算出初始射角,掛架將發(fā)射裝置驅(qū)動(dòng)到一定角度,發(fā)射裝置發(fā)出點(diǎn)火信號(hào),將火箭彈發(fā)動(dòng)機(jī)工作將火箭彈發(fā)射出去。

        從整個(gè)直升機(jī)發(fā)射火箭彈的工作流程可知,影響直升機(jī)發(fā)射火箭彈的散布的因素是火箭彈原有散布和機(jī)載武器系統(tǒng)產(chǎn)生。機(jī)載武器系統(tǒng)的誤差源是平視顯示器安裝誤差、慣導(dǎo)測(cè)量誤差、大氣數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量誤差、火控計(jì)算誤差等。本文主要分析機(jī)載火控計(jì)算誤差。

        2 機(jī)載火控及外彈道原理

        直升機(jī)發(fā)射的火箭彈是否能命中目標(biāo),取決于機(jī)載火控解算的發(fā)射角及離膛后的火箭彈外彈道。

        2.1 機(jī)載火控原理

        圖1:空速、地速、風(fēng)速矢量圖

        圖2:瞄準(zhǔn)圖

        圖3:掛架運(yùn)動(dòng)對(duì)火箭彈施加的力

        在航向坐標(biāo)系中,直升機(jī)發(fā)射火箭彈瞬間載機(jī)、火箭彈、目標(biāo)三者相互位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系見(jiàn)圖1所示。無(wú)風(fēng)時(shí),載機(jī)相對(duì)地面固定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度等于載機(jī)相對(duì)靜止大氣的運(yùn)動(dòng)速度,即載機(jī)的空速矢量V1。然而在真實(shí)環(huán)境中,風(fēng)的變化是極其復(fù)雜的,為順利建立火控模型,在空對(duì)地射擊火力控制問(wèn)題中,不考慮垂直風(fēng)的影響,認(rèn)為風(fēng)速矢量始終在水平面內(nèi),垂直面內(nèi)無(wú)風(fēng);且在武器射擊范圍內(nèi)風(fēng)速、風(fēng)向無(wú)變化。風(fēng)速矢量為U,載機(jī)相對(duì)地面固定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度稱(chēng)為地速,地速矢量為W,則空速、地速、風(fēng)速關(guān)系為:

        在航向坐標(biāo)系(OXYZ)H中建立載機(jī)、火箭彈、目標(biāo)的相互位置和運(yùn)動(dòng)關(guān)系。載機(jī)空速矢量V1和XH軸向一致。載機(jī)火控計(jì)算機(jī)根據(jù)載機(jī)飛行高度H、空速V1、火箭彈的性能參數(shù)和風(fēng)速U、風(fēng)向角ε等攻擊條件,連續(xù)計(jì)算出如果當(dāng)前發(fā)射火箭彈,該火箭彈落在地面上的爆炸點(diǎn)的位置。在無(wú)風(fēng)情況下,火箭彈落在M1點(diǎn)。在有風(fēng)情況下,在投彈點(diǎn)O處用瞄準(zhǔn)線(xiàn)瞄準(zhǔn)目標(biāo)M并發(fā)射火箭彈,經(jīng)過(guò)火箭彈飛行時(shí)間T后,火箭彈命中M點(diǎn)。如果載機(jī)發(fā)射火箭彈后,仍然保持原有飛行狀態(tài)不變,則載機(jī)會(huì)沿著OE方向運(yùn)動(dòng),α為偏流角,為載機(jī)航向與載機(jī)航路的夾角。如圖2所示。

        在航向坐標(biāo)系(OXYZ)H中,命中點(diǎn)M的位置為[1]:

        式中,AXH為縱向射程,AYH為側(cè)向射程,AZH為垂直射程,A0為火箭彈無(wú)風(fēng)射程。

        2.2 火箭彈運(yùn)動(dòng)方程

        為了從原理上分析載機(jī)發(fā)射火箭彈的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,有必要分析傳統(tǒng)火箭彈運(yùn)動(dòng)模型?;鸺龔椩诳罩酗w行狀態(tài),可簡(jiǎn)化為自由剛體質(zhì)心的平面運(yùn)動(dòng)以及繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)所組成的合成運(yùn)動(dòng)。通常采用牛頓第二定律對(duì)火箭彈的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究,利用動(dòng)量矩定理對(duì)火箭彈繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。由于火箭彈在飛行過(guò)程中,質(zhì)量會(huì)發(fā)生改變,為了便于分析研究,將火箭彈重量視為定常物體。在火箭彈的主動(dòng)段飛行過(guò)程中,在外力上加上發(fā)動(dòng)機(jī)推力。

        以火箭彈的質(zhì)心位置為原點(diǎn),火箭彈在彈道坐標(biāo)系中的標(biāo)量形式,運(yùn)動(dòng)方程組[2]如下:

        火箭彈所受合外力F包括重力、推力、空氣阻力、升力、馬格努斯力、科式慣性力;Fx為切向力,改變v的大小,v為火箭彈速度;Fy為法向力,使速度在鉛垂面上發(fā)生變化;Fz為橫向力,使彈道偏轉(zhuǎn);ψ為側(cè)向偏角;θ為高度傾角;m為火箭彈質(zhì)量,當(dāng)做定值。

        3 問(wèn)題分析與建議

        通過(guò)調(diào)整火箭彈發(fā)射平臺(tái)速度、火箭彈發(fā)射角度和發(fā)射平臺(tái)與目標(biāo)的相對(duì)高度,均可實(shí)現(xiàn)火箭彈對(duì)不同距離目標(biāo)的打擊。直升機(jī)作戰(zhàn)高度與戰(zhàn)場(chǎng)生存力息息相關(guān),通過(guò)調(diào)整直升機(jī)的飛行狀態(tài)達(dá)到瞄準(zhǔn)目標(biāo)效果顯然不可取。為了提高火箭彈的發(fā)射包線(xiàn),將載機(jī)上掛架設(shè)計(jì)成角度可調(diào)的狀態(tài),如此飛行員無(wú)需通過(guò)調(diào)整載機(jī)飛行狀態(tài)同樣可使瞄準(zhǔn)圓瞄準(zhǔn)目標(biāo),大大增加載機(jī)作戰(zhàn)效能。

        載機(jī)火控計(jì)算機(jī)根據(jù)目標(biāo)相對(duì)載機(jī)的位置、載機(jī)速度、風(fēng)速、風(fēng)向等數(shù)據(jù)解算出發(fā)射角,掛架依據(jù)火控計(jì)算機(jī)發(fā)送的發(fā)射角將發(fā)射裝置抬至某個(gè)角度。由于火控計(jì)算機(jī)一直在周期性的解算發(fā)射角,掛架的角度一直在變化,火箭彈點(diǎn)火后離膛時(shí),掛架隨動(dòng)時(shí)的角運(yùn)動(dòng)易給火箭彈發(fā)射角產(chǎn)生初始擾動(dòng)。文中2.1節(jié)機(jī)載火控原理的瞄準(zhǔn)方程與2.2節(jié)火箭彈動(dòng)力學(xué)運(yùn)動(dòng)方程組中并未考慮掛架隨動(dòng)狀態(tài)下對(duì)火箭彈的強(qiáng)擾動(dòng)是否會(huì)產(chǎn)生載機(jī)對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)偏差和火箭彈彈道偏差。如若會(huì)產(chǎn)生影響,則直接影響載機(jī)的作戰(zhàn)效能。

        掛架運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)火箭彈施加的力如圖3所示。當(dāng)掛架向上俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí),火箭彈所受的力F架垂直Fx向上;當(dāng)掛架向下俯仰運(yùn)動(dòng)時(shí),火箭彈所受的力F架垂直Fx向下。當(dāng)掛架不隨動(dòng)時(shí),火箭彈的運(yùn)動(dòng)方程如式(3)所示。當(dāng)掛架隨動(dòng)并對(duì)火箭彈運(yùn)動(dòng)軌跡有強(qiáng)擾動(dòng)時(shí),需考慮掛架隨動(dòng)對(duì)火箭彈發(fā)射角的影響。擾動(dòng)影響方程如下:

        其中,β為掛架隨動(dòng)時(shí)對(duì)火箭彈產(chǎn)生的擾動(dòng)角,即合速度與v的夾角;v架為發(fā)射裝置前端的線(xiàn)速度;ω為掛架角速度,向上俯仰為正,向下俯仰為負(fù);r為轉(zhuǎn)動(dòng)半徑,即掛架轉(zhuǎn)軸到發(fā)射裝置前端的距離。

        假設(shè)火控計(jì)算機(jī)解算的火箭彈的發(fā)射角為γ=3度,掛架隨動(dòng)狀態(tài)。若掛架角速度ω=90°/s,轉(zhuǎn)動(dòng)半徑r=1m,火箭彈出膛速度v=180m/s,則計(jì)算可得β=0.5°。表明在火箭彈離膛時(shí)刻掛架的角速度ω=90°/s時(shí),火箭彈離膛后發(fā)射初始角度會(huì)比火控計(jì)算機(jī)解算的發(fā)射角γ多0.5度。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知發(fā)射角存在0.5度偏差的情況會(huì)造成火箭彈命中精度偏差大。

        為了降低掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈散布的影響可從三方面開(kāi)展工作:

        (1)火箭彈設(shè)計(jì)廠家考慮掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈彈道的影響,在火箭彈運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型中增加掛架隨動(dòng)角速度變量;

        (2)機(jī)載火控算法設(shè)計(jì)時(shí)考慮掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈命中點(diǎn)的影響,在火箭彈瞄準(zhǔn)方程中增加掛架隨動(dòng)角速度變量;

        (3)依據(jù)火箭彈發(fā)射角精度設(shè)計(jì)掛架隨動(dòng)角速度值,即使掛架隨動(dòng)角速度引起的火箭彈擾動(dòng)角小于火箭彈發(fā)射角精度值??紤]工作難度及工程實(shí)現(xiàn),本文建議采用通過(guò)控制掛架隨動(dòng)角速度設(shè)計(jì)值的方案降低掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈發(fā)射角的影響。

        4 結(jié)論

        本文通過(guò)對(duì)武裝直升機(jī)火箭彈發(fā)射流程的分析,發(fā)現(xiàn)機(jī)載掛架隨動(dòng)角速度會(huì)影響火箭彈發(fā)射角,從而影響火箭彈的散布。追根溯源,本文分析了直升機(jī)火箭彈瞄準(zhǔn)轟炸原理和火箭彈運(yùn)動(dòng)學(xué)方程數(shù)學(xué)模型,發(fā)現(xiàn)機(jī)載火控及火箭彈運(yùn)動(dòng)方程并未考慮掛架隨動(dòng)角速度對(duì)發(fā)射角的影響。

        最后本文對(duì)發(fā)射火箭彈時(shí)機(jī)載掛架隨動(dòng)角速度對(duì)火箭彈發(fā)射角度的影響機(jī)理進(jìn)行分析,當(dāng)掛架運(yùn)動(dòng)角速度在一定范圍內(nèi)時(shí),掛架的運(yùn)動(dòng)不足以對(duì)火箭彈命中精度造成影響,同時(shí)給出減小此種影響的合理建議。

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