小口径高炮弹道修正技术与仿真分析

Abstract : Co rrectio n p rinciple of t rajectory correctio n p rojectile was analyzed. A t rajecto ry cor2 rectio n scheme of small caliber p rojectile was bro ught forward. Co mbined wit h radar technique , t rajectory correctio n technology and auto matic co nt rol t heory , t rajectory correctio n technology of p rojectile was st udied by numerical value simulatio n met hod. The model of t he t rajectory correc2 tio n p rojectile was set up , and t rajectory correctio n scheme was simulated. The result of simula2 tio n indicates t hat t rajectory correctio n p rojectile can fly stable , and t he p rojectile hit p recisio n is imp roved in t he large extent . The st udy offers reference for t he design of t rajectory co rrectio n p rojectiles. Key words : exterior ballistics ; p rojectile ; t rajecto ry correctio n ; simulatio n
(7)
θORD
=
a
rct
a
n
Δvβ Δvε
=
arctan
tan (Δβ) tan (Δε)
(8)
式 (7) 中的横向速度增量由脉冲作用力提供 ,脉冲推
力冲量为
IΣ = m (Δv)
(9)
由式 (7) 和式 (9) 可知 ,脉冲推力越大 ,角度修正
量就越大 ;对于相同的角度修正量 ,弹丸速度越大所
需的横向速度越大 ,则所需的脉冲修正力越大.
( x1 , y1 , z1 ) ,经过 tf 后目标的位置为
xq = x1 +φTx ( tf )
yq = y1 +φTy ( tf )
(4)
zq = z1 +φTz ( tf )
式中 ,φTx ,φTy ,φTz 分别为目标关于时间的函数. 弹
丸在 t1 时刻的位置坐标为 M1 ( x M1 , yM1 , z M1 ) , 此时
ωζ = M zζ -
M zzζ A
M Fζ
+
ωξωηC
A
-
ωηωζt a nφ2
v = - Gsinθ1 - Rx + Px2
m
φa
=
ωζ co sφ2
φ2 = - ωη
γ=ωξ - ωζtanφ2
x = vco sψ2 co sθ1
y = vco sψ2 sinθ1
z = vsinψ2
φa =θ1 +δ1
2 脉冲作用力模型
图 3 所示为微型脉冲推力器点火后的推力2时 间曲线. 对于每个脉冲推力器 ,其冲量大小一般认为 是一个固定值 , 记为 I0 ; 且其工作时间也认为是一 个固定值 ,记为Δt.
图 1 高炮弹道修正系统组成
1. 2 弹道修正过程描述 图 2 是弹丸修正后击中目标的示意图.
图 2 弹道修正过程示意图
首先雷达探测到目标后 ,将信息传送给火控计
图 3 脉冲力作用曲线
由图可得其冲量关系式 :
∫t0 +Δt F( t) d t = I0 t0
(1)
式中 , F( t) 为 t 时刻的脉冲作用力 ,Δt 为脉冲作用
力的作用时间.
脉冲推力器在工作过程中转过一个角度Δα:
∫ Δα=
t0 +Δt ωd t
t0
根据Δε和Δβ, 可得高低和方向上的速度增量
为Δvε 和Δvβ ,即
Δvε = v1 tan (Δε)
Δvβ = v1 tan (Δβ)
(6)
式中 , v1 为弹丸在 t1 时刻的飞行速度 ,由式 (6) 可得
弹丸的速度增量和命令角分别为
Δv = (Δvε) 2 + (Δvβ) 2 = v1 tan2 (Δε) + tan2 (Δβ)
火 ,则 t 时刻作用在弹体上的作用力在η方向和ζ
方向的分量可表示为
Fη( t) = F( t) co s[αn ( t0 ) +ωt ]
Fζ( t) = F( t) sin[αn ( t0 ) +ωt ]
(3)
式中 ,αn ( t0 ) 为脉冲推力器开始点火时刻 t0 时 n 号
脉冲推力器与垂直基准的夹角.
防空炮弹具有初速高 、飞行时间短 、反应快 、弹
药威力大 、命中即毁等特点. 近几次局部战争的经验 表明 ,对于失去制空权的一方 ,高炮能取得较好的作 战效果. 但传统高炮的命中精度低 ,很难对付高性能 的空中目标 ,因此提高弹药性能和命中精度是当今 各国致力研究的课题. 对于防空技术力量和经济实 力相对薄弱的国家来说 ,发展以传统弹药技术为基 础的经济实用的高精度弹药具有很高的应用价值和 现实意义.
算机 ,计算机根据这些信息预测目标未来的坐标和 运动轨迹. 假设在 t0 时刻火炮向目标未来点进行射 击 ,弹丸出炮口 , 雷达对炮弹进行跟踪. 在 t1 时刻 , 计算机根据雷达探测到的目标和炮弹的弹道参数估 算出未来的弹道偏差 ,经编码形成弹道修正指令 ,将 这些指令传送给弹上接收装置. 当炮弹接收到控制 指令信号后 ,弹上执行机构对炮弹进行控制和修正 弹道. 如有需要 , 在 t2 时刻重复上述过程 , 进行第 2 次弹道修正. 经过几个时间点的弹道修正 , 即可将 炮弹较准确地导向目标.
图 6 、图 7 分别表示脉冲数 n 为 2 、4 、6 时俯仰
角φ1 以及纵向攻角δ1 变化情况. 由于脉冲力 F ( t) 作用时间很短 , 约为 10 ms , 对应的弧长约为 6 ～ 10 m , F( t) 类似于冲击力. 瞬时的脉冲力作用下 , 弹 丸会产生由横向速度增量引起的附加攻角. 由攻角 变化曲线可知 ,在受到脉冲作用后的短时间内攻角 出现了短暂的振荡 ,但在经过一段过渡时间后 ,能够 回到平衡状态 ,且振荡的幅值较小 ,不影响炮弹的飞 行稳定性.
随着现代科技的快速发展 ,精确打击显得越来 越重要 ,如何提高弹丸的命中精度 ,是近年来各国研 究的重点. 1991 年的“海湾战争”以及最近发生的伊 拉克战争都是以大规模 、高强度的空袭拉开战幕的. 科索沃战争中 ,空袭与反空袭是战争的唯一作战模 式. 这些是比较典型的局部高新技术常规战争. 在未 来战争中 ,能否有效地防御空中打击已成为现代国 防中极为重要的一环.
(2)
式中 ,ω为炮弹的滚转角速度. 由于作用时间短 ,ω
变化很小 ,可认为ω是常量 ,式 (2) 可写成Δα=ωΔt.
因此其作用力的方向是变化的 , 脉冲作用力线
扫过的区域形成角度为Δα的扇形. 如图 4 所示 , 建
立坐标系 Oξηζ, Oξ轴满足右手定则 ( Oξ轴与弹轴方
向一致) ,任意的 t0 时刻 ,第 n 号脉冲推力器开始点
4 弹道模型
建立弹道修正弹刚体运动仿真模型如下 :
θ1 =
-
Gco sθ1 + R yy2 + m vco sψ2
Fy2 +
Py2
ψ2
=
Gψ2 sinθ1
+
R yz2 mv
+
Fz2
+
Pz2
ωξ =
-
M xd C
+
M xω C
ωη =
-
M zη A
-
M zzη A
-
M Fη A
-
ωξቤተ መጻሕፍቲ ባይዱζC
A
+ωζ2 tanφ2
第 20 卷第 1 期 2008 年 3 月
弹道学报 J o urnal of Ballistics
Vol. 20 No . 1 March 2008
小口径高炮弹道修正技术与仿真分析
郑友胜 ,王良明 ,林正才
(南京理工大学 动力工程学院 ,南京 210094)
摘要 :分析了弹道修正弹的修正原理 ,针对某小口径高炮提出了一种弹道修正方案. 结合雷达技术 、弹道修正技术 以及自动控制理论 ,运用数值仿真方法 ,研究了炮弹的弹道修正技术 ,建立了某小口径高炮的弹道修正弹模型 ,并 进行了仿真. 仿真结果表明 ,弹道修正弹在全弹道中能够保持飞行稳定 ,并在很大程度上提高了炮弹的命中精度. 该项研究对于弹道修正弹有一定的参考价值. 关键词 :外弹道 ;炮弹 ;弹道修正 ;仿真 中图分类号 : TJ 412 文献标识码 :A 文章编号 :10042499X(2008) 0120039204
φ2 =ψ2 +δ2
(10) 式中各符号的意义见参考文献[1 ].
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弹道学报
第 20 卷
5 仿真分析
本文对某小口径高炮尾翼稳定弹丸进行仿真 , 初速为 940 m/ s ,出炮口时转动角速度为 15 rad/ s , 单个脉冲推力器冲量为 1. 5 N ·s ,脉冲推力器位于 质心前 2 mm ,火炮射角为 49°.
收稿日期 :2007205222 作者简介 :郑友胜 (1980 - ) ,男 ,博士研究生 ,研究方向为弹箭飞行动力学与控制.