一维弹道修正理论与仿真
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一维弹道修正弹气动分析与射程修正控制算法魏志芳;郎田;吴建萍【摘要】为了提高炮弹的射击密集度,以安装有阻力环的一维弹道修正弹为研究对象,研究了阻力环结构对弹丸气动特性的影响情况,及通过控制阻力环打开时刻实现射程修正控制的算法.基于数值模拟方法,通过对相同外露高度和不同安装位置的阻力环结构方案进行外流场数值仿真和气动力参数计算,得出不同模型的增阻情况,为一维弹道修正弹气动外形设计提供参考.应用自编的一维弹道修正弹外弹道计算程序,分析了阻力环打开时刻对修正能力的影响,研究了阻力环打开时刻的计算方法.研究结果可为一维弹道修正炮弹的外弹道设计提供依据.【期刊名称】《弹箭与制导学报》【年(卷),期】2013(033)002【总页数】4页(P98-100,166)【关键词】一维弹道修正弹;气动特性;阻力环;射程修正能力【作者】魏志芳;郎田;吴建萍【作者单位】中北大学机电工程学院,太原030051【正文语种】中文【中图分类】TJ0120 引言一维弹道修正弹的主要工作原理是在炮弹发射时,瞄准比实际目标稍远的一点发射,在炮弹飞行过程中,通过弹道偏差探测装置测量出实际弹道,并与理想弹道进行比较,得出偏差,发出控制指令,在适当的时刻展开炮弹头部引信上的阻力器,以增大炮弹头部的径向面积,从而增大炮弹所受空气阻力,减小射程,接近目标,以达到修正的目的[1-3]。
简单一点说,一维弹道修正弹就是采用“打远修近”的方式进行射程修正。
文中讨论的是火箭增程一维弹道修正炮弹,弹丸发射后火箭助推装置先工作,以增加射程。
当助推结束,通过实时测量弹丸弹道参数,作为弹道初值,计算弹道预计落点,与目标进行比较,解算修正量,控制阻力环打开时刻,增大作用在炮弹上的空气阻力,调整炮弹落点处纵向的位置,实现一维弹道修正的目的。
影响一维弹道修正射程精度最关键的因素是阻力环结构、阻力环打开时刻的准确性与弹道探测的准确度。
1 一维弹道修正弹气动特性分析采用阻力环装置的一维弹道修正弹是在普通旋转弹的头部增加阻力环装置,因此气动力计算包括阻力环未展开前的旋转弹气动力计算和阻力环展开后的气动力计算。
舰炮一维弹道修正弹对岸校射方法研究李元生【摘要】One dimensional trajectory correction projectile is the weapon in the field of new research of a low cost information ammunition,at present the firing correction methods yet mature standard. Through the analysis of one dimension trajectory correction projectile to the against shore working principle, based on calculation of uncontrolled bomb and bomb control test, the paper puts forward the naval gun weapon system firing correction method by firing controlled one⁃dimensional trajectory correction projectile, and puts forward the shooting number of groups and group number. Then it is proved by simu⁃lation that this model can greatly improve the naval gun weapon system firing effect. The proposed method to improve the fir⁃ing effect of naval gun weapon system has a strong theoretical value and reference significance.%一维弹道修正弹是近年来兵器领域新研制的一种低成本信息化弹药,目前对其校射方法尚未有成熟的标准。
一维弹道修正弹修正机构设计和修正规律研究的开题报告一、研究背景及意义一维弹道修正弹是一种能够通过自身控制实现弹道修正的武器,其最大的优势就在于能够在射程远的情况下仍然保持较高的精度和穿透能力。
然而,一维弹道修正弹在飞行过程中可能受到多种干扰因素的影响,从而导致偏差和误差的出现,因此需要一种可靠的修正机构来进行精细的修正。
本研究旨在设计一种优秀的一维弹道修正弹修正机构,研究其修正规律,为发展高精度的一维弹道修正弹提供技术支持,并为配合其它军事资源进行精准打击提供技术支持。
该研究具有重要的现实意义和发展潜力,有望为提高我国军队的战斗力和综合实力做出贡献。
二、已有研究进展目前,一维弹道修正弹修正机构研究还处于起步阶段,已有的一些研究成果主要集中在三个方面:1. 基于惯性导航系统的修正机构设计;2. 基于GPS导航系统的修正机构设计;3. 基于激光制导系统的修正机构设计。
尽管这些研究成果在一定程度上提高了一维弹道修正弹的精度和可靠性,但设计的工程设备对操作人员要求较高,价格昂贵。
此外,考虑到一维弹道修正弹常常处于复杂的环境中,如强风、高温等,因此还需要进一步探索新的修正机构设计方案。
三、研究内容及方法本文的研究内容主要包括一维弹道修正弹修正机构的设计和修正规律的研究,具体研究方法如下:1. 分析一维弹道修正弹在飞行过程中可能受到的干扰因素,如空气阻力、风速、温度等,并根据分析结果提出合理的修正机构设计目标和要求。
2. 设计一种基于惯性导航系统和激光制导系统相结合的修正机构,并进行仿真分析,验证其修正效果和实际应用性能。
3. 根据仿真分析的结果,深入研究一维弹道修正弹的修正规律,分析其修正过程中的机理和要点,提出相应的操作方法和指导意见。
4. 基于实验结果对设计方案进行优化和改进,提高修正机构的修正效能和适应性。
四、预期成果及研究价值通过本研究,预计可以获得以下成果:1. 设计出一种基于惯性导航系统和激光制导系统相结合的一维弹道修正弹修正机构,具有较高的修正效能和实际应用性能。
一维弹道修正弹分段解算控制算法的研究张丽艳;杜忠华;张志安;曹永山【摘要】针对目前国内外一维弹道修正弹控制算法的研究,提出了一种弹道修正弹分段控制算法,利用改进的欧拉法进行解算弹道.该算法不同于其他控制算法的解算方式,将根据一组GPS数据一次性计算得到弹丸的落点坐标,改成了弹道分成若干段,在每段中进行解算,上一段的终点坐标作为下一段解算的初始坐标点,重新开始进行解算,利于解算很大距离的弹道飞行,减少弹道程序在弹载处理器中的解算时间,降低对硬件设计的要求,得到更全面的弹道飞行数据,进而提高弹丸的命中精度.%According to the study of control algorithm about the one-dimensional trajectory correction projectile all over the world,this paper presents a segmented control algorithm for trajectory correction projectile. This algorithm uses the improved Euler method to sole the trajectory. This algorithm is different from other methods of control algorithm. It uses a set of GPS date to divide the trajectory into several sections rather than to calculate the coordinates one time. In each of the solver, the coordinate point of end point is taken as the initial point of the next period,and then it can restart the solver. This method is beneficial to solving the flight of a great distance,and reducing the solve time of the ballistic missile program in the processor. The algorithm reduces the requirements for hardware design. It can receive more comprehensive flight date of ballistic,and then it can improve the accuracy of the projectile.【期刊名称】《火力与指挥控制》【年(卷),期】2015(040)008【总页数】4页(P143-145,149)【关键词】弹道修正弹;分段解算;控制算法;欧拉法【作者】张丽艳;杜忠华;张志安;曹永山【作者单位】南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;南京理工大学机械工程学院,南京 210094;解放军驻四七四厂军事代表处,辽宁抚顺 113003【正文语种】中文【中图分类】TJ012.4一维弹道修正弹控制算法的研究逐步走向主流,控制算法研究的发展推进了一维弹道修正弹登上历史的舞台。
一维弹道修正弹综述作者:胡雪岑王桂萍刘昊来源:《科技信息·下旬刊》2017年第04期摘要:根据目前国内外修正技术发展情况,概述了一维弹道修正弹原理及作用过程,对修正机构进行了分析比较,并提出了我国一维弹道修正弹的发展前景。
关键词:弹道修正;一维修正;修正机构;修正扩展量随着科技的发展,武器装备对信息化需求越来越高,因此涌现出越来越多不同类型的信息化弹药,其目的是提高弹丸命中率。
弹道修正弹是近年来随着信息化弹药的发展,产生的一种新型弹药,不同于导弹的点目标,修正弹仍是以面为目标,通过弹道修正减小散布,从而提高命中率。
论精确打击能力,修正弹虽然不及导弹,但成本相比于导弹低很多,可大量装备部队,提升整体作战效能。
从目前国内外修正弹发展看来,主要分为两种:一维弹道修正弹和二维弹道修正弹,一维弹道修正弹主要实现射程修正,二维弹道修正弹可实现射程及方向的修正。
相比于二维修正弹,一维修正弹技术相对简单,成本也更低廉,一维弹道修正弹道修正弹国内已研制多年,技术已趋于成熟。
1 一维弹道修正弹射程修正原理一维弹道修正弹大多以增加弹丸末端弹道的阻力来实现弹道修正,作用原理简单说即“打远修近”,射击瞄准点要比目标点增加一个射程扩展量的距离。
见图1。
射程扩展量是指,在实际射击时要求火炮瞄准比命中点更远的瞄准点,瞄准点与命中点的距离称为射程扩展量。
如果射程扩展量取大了,需要修正的距离变大了,则增加了修正机构作用时间,增大了弹体扰动对弹丸的影响,则起不到提高密集度的效果;如果射程扩展量取小了,则会出现较多的发射弹丸在修正机构作用前的预测落点在目标点附近而无法修正射程,同样起不到增加密集度的作用[1]。
确定修正扩展量的基本原则是保证修正机构工作前的弹丸落点位于修正后散步椭圆内部或远方的前提下,使射程扩展量最小。
修正前散步中心取以瞄准点B为中心的射击诸元散布椭圆最左侧的点,此时的修正前散布中心保证一维弹道修正弹修正机构工作前的弹丸落点位于修正后散布椭圆内部或远方的最近点。
0引言
弹道修正引信技术将引信的功能从安全控制、炸点控制和起爆控制拓宽到命中点控制,使引信不仅控制对目标实施有效的毁伤,而且还控制对目标的命中精度。
也就是说,弹道修正引信不仅具有传统引信系统保证弹药安全和控制战斗部起爆的功能,还具有感知及辨识弹道环境和修正弹道的功能。
它通过对弹丸实际弹道环境的辨识,预估弹道偏差,迅速产生弹道修正指令并传输给相应的执行机构,以达到对无控弹药的弹道修正。
发射后,炮弹即不受地面控制,因此抗干扰能力较强。
本文探讨的迫击炮一维弹道修正引信的基本目的是在不增加士兵后勤负担的情况下,提高步兵迫击炮间接射击的有效性。
一维弹道修正模块使之成为一个灵巧武器,能减小射程误差,提高其打击毁伤效率。
1一维弹道修正模块设计
引信对弹道修正模块在各方面有严格的要求和限制,具体如下:
(1)弹道修正模块必须在系统通过测量、计算得到的不定时刻t起,通过某种方式显著增加引信在飞行中所受的空气阻力;
(2)在t时刻之前,弹道修正模块的附加不应对原弹道特性产生显著影响;
(3)由于现实条件限制,引信提供给修正模块的最大空间仅为17 cm3,因此空间利用率愈高愈好;
(4)目前技术条件下,引信无法为修
正模块提供过多电能,以带动电机
等耗能设备;
(5)弹丸在飞行过程中不作任何旋
转运动,不能提供任何大小的离心
力。
基于以上要求,本设计选取可以存
储能量的扭转弹簧作为机构打开
的动力源。
如图1所示:8个叶
片分别受起始角为0°,自然角为
108°扭转弹簧作用;固定盘受起
始角为0°,自然角为17.5°的扭
转弹簧作用。
控制装置在一定时刻释放桨式叶片,通过增大飞行装置与空气的接触面积达到增大空气阻力的目的。
其工作过程如下:机构张开前,8个叶片紧贴飞行装置圆锥状外表面,以尽可能减小对飞行装置原飞行特性的影响。
固定盘由固定销固定于起始位置,其8个支爪则分别抵于8个叶片的底部,从而固定了叶片。
系统发出张开指令后,控制装置引爆微型雷管,利用其爆炸产生的能量拔出固定销,释放固定盘。
固定盘在弹簧势能作用下转过一定角度,进而释放叶片。
8个叶片在空气和弹簧的共同作用下高速打开至与飞行装置外表面垂直位置,与飞行装置壳体发生碰撞后,运动终止。
叶片在空气作用下固定于张开位置,从而增大飞行装置受到的空气阻力。
2弹道修正模块动力学仿真
2.1弹道修正模块在运动状态下机构的受力仿真
2.1.1仿真目的
由于叶片在高速运动过程中打开时,空气和扭转弹簧将给其一个较大推动力,使得其迅速加速,并在运动过程中积累了较大动能。
而修正装置依靠叶片和模块壳体之间的碰撞达到终止运动的目的。
这样在高速碰撞过程中,截面积很小的叶片片尾部和旋转轴将受到相对很大剪切应力。
仿真的主要目的就是计算这一剪切力,以防止由于叶片尾部和旋转轴的断裂致使机构整体失效。
2.1.2数学模型的建立
为了在Working Model中模拟修正模块在空气中高速运动时的受力情况,同时不给仿真运算带来过大负担,就必须建立一个简单有效的数学模型。
由于8个叶片的受力情况完全相同且互相之间无互相影响,为了减轻模型对计算时间和空间上的要求,仅选取了其中一片进行分析,如图2所示。
图3为修正模块在空气中高速运动过程中的叶片受力图,从中可以看出空气对叶片的作用可用等量随角度θ不断变化的力矩M代替。
力矩M的具体推导过程如下:
从式(1)、(2)、(3)可得:
式中:Cx为阻力系数;S为叶片与空气的接触面积;v为弹丸飞行速度;P0为大气压力;θ为叶片和弹丸飞行方向的夹角;L为叶片上空气作用中心至旋转中心的距离;F为空气对叶片的合力;Lf不同时刻的实际力臂;M为空气对叶片作用的等效力矩。
2.1.3仿真结果分析
图4为修正模块受力仿真结果,从中可以看出叶片受到的碰撞力最大值约为25 N,而叶片尾部截面积为10 mm2,旋转轴截面积为1.76 mm2,材料均为硬铝。
所以在高速碰撞过程中叶片和旋转轴不会断裂。
2.2弹道修正模块在静止状态下机构的运动仿真
在现实设计过程中,由于设计人员、设计手段等方面的限制,往往会出现种种意想不到的情况,如机构不能正常工作,零件间存在严
重干涉等。
这些问题往往在实物加工
完成后才被发现,造成了人力和才力
的巨大浪费。
仿真实验不仅能很好地
预防和解决上述问题,而且通过设置
不同参数,还可以为设计的修改和优
化提供可靠、直观的参照。
这也是本
仿真目的。
就该仿真目的来说,飞行装
置是否运动并无多大关系,为了减轻
运算负担,本仿真采用了静止模型。
图6为固定盘和叶片的角度变化曲线
图。
其中,从图6(a)可以看出固定盘在扭转弹簧作用下做绕支架轴做往复旋转运动。
值得注意的是固定盘在第一个往复运动周期临近终止,约为0.035 s时和正在加速的叶片发生了意外碰撞。
由于此时大部分能量存储于弹簧中,未对叶片运动产生严重影响。
但是为了保证设计的可靠性,今后仍需结合弹丸运动时的实际情况对其加以改进。
从图6(b)中可以看出弹丸在静止状态下,叶片稳定位置正常,相对起始位置的夹角为108°。
叶片从释放到稳定的时间t 约为0.06 s。
碰撞造成的回程角α过大,约为68°。
在实际飞行装置高速运动情况下,由于运动末段几倍于扭转弹簧的空气阻力矩的作用,时间t和碰撞回程均会明显减小,通过和上一仿真实验中得到的单个叶片角度变化曲线(图5)的比较,这一点得到很好的证实:t约为0.01 s,α约为10°。
综上,叶片运动的运动过程和张开位置均满足设计要求,机构能够正常工作。
3一维弹道修正规律模拟
弹道模拟就是用已知的各方面数据模拟炮弹的实际飞行过程及飞行中的各种姿态,并绘出弹道轨迹。
通过模拟弹道,可以容易地得出修正距离与叶片张开时刻的对应关系,找出其一维时间控制射程的规律,从而提供一维弹道修正引信控制叶片张开的最佳时间。
应用MA TLAB软件,以空气动力学仿真结果为基础,模拟三种形式的某飞行弹道:未加修正模块、加修正模块但叶片不张开、加修正模块并且叶片张开,如图7所示。
同时,对加叶片张开的情况分别给定不同的初始条件,让叶片在不同的时刻张开,就会得到不同的修正距离。
例如,设初始条件为:步长step=0.1,初射角θ0=60°,初速v0=328 m/s;当在t=28 s时叶片张开,得到的修正距离为1 750 m。
在这一初始条件下得到的叶片张开时刻t与修正距离L之间的关系曲线图,如图8所示。
这样,就可以得到叶片在任一时刻张开,炮弹所能达到的修正距离,也可以得到要达到某一修正距离需要在何时张开。
4结论
通过修正模块的机构设计和仿真研究表明,该模块结构合理,各零件间无干涉等不正常现象,满足一维弹道修正引信的设计要求。
通过将两个相对独立的仿真模型相结合,选取不同参数获得的仿真结果(如叶片的稳定时间t等),有利于修正模块设计的进一步优化。
同时,从弹道模拟的结果可以看出,修正模块在弹道的某一点张开,确实能达到修正射程的效果,而且张开越早,修正距离越大。
并且,未加修正模块的原始弹的飞行弹道与加修正模块但叶片不张开的飞行弹道很接近,说明不张开的修正模块的增加对炮弹的飞行特性没有太大的影响。
参考文献: 曲秀杰,李杰《控制学报》。