鴨舵修正機構(gòu)舵偏角選擇方法*

邵 盼，郭煜洋，郝永平，張 華

(沈陽理工大學兵器科學技術(shù)研究中心，沈陽 110159)

0 引言

目前精確打擊彈藥在信息化戰(zhàn)爭中有著非常重要的作用，其中二維彈道修正彈成本較低并具有一定的打擊精度，而修正能力是保證打擊精度的基礎(chǔ)。二維彈道修正的方式主要分為鴨舵修正和微小型推進器修正，其中微小型推進器修正對彈丸的修正能力次數(shù)是有限的，并且在引信中集成的難度系數(shù)很大，而鴨舵修正能對彈丸實施較為平穩(wěn)的修正，修正能力連續(xù)靈活，且可以對較長飛行時間的彈丸彈道進行修正，是目前二維彈道修正技術(shù)的主要方法。

文中以某普通制式彈丸為研究對象，使用固定式鴨舵對其進行二維彈道修正。首先分析了不同舵偏角下彈丸的氣動特性，并運用ADAMS仿真得到不同舵偏角下的彈丸飛行穩(wěn)定性特征，綜合考慮電機控制能力和修正能力得出合理選擇鴨舵舵偏角的方法。

1 固定式鴨舵修正彈修正方法

鴨舵式二維彈道修正彈的修正機構(gòu)主要包括舵翼、探測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、引信激發(fā)裝置等，修正執(zhí)行機構(gòu)主要是兩對帶偏角的舵翼，其中一對是減旋舵，另一對是修正舵。當減旋舵受到空氣動力作用時，導致引信的導轉(zhuǎn)力矩與原旋轉(zhuǎn)方向相反，為控制引信提供部分動力。當需要修正偏移量時，修正舵會提供所需的氣動力?？梢娦拚鎸椡璧男拚Ч泻艽蟮挠绊?，而不同的舵偏角又對舵片的選擇具有重要的意義，所以合理的舵偏角是保證彈道修正彈打擊精度的必要條件之一。二維彈道修正原理如圖1所示:當需要打擊某一目標時，在彈丸發(fā)射前將目標落點的相關(guān)參數(shù)輸入到二維彈道的修正引信中，彈丸發(fā)射后，引信中的彈載系統(tǒng)結(jié)合彈丸的發(fā)射初始條件和目標參數(shù)，計算出理論彈道;在彈丸飛行過程中，彈丸的實時飛行參數(shù)傳給彈丸的探測裝置，彈載系統(tǒng)對此進行計算得到實際彈道，并與理論彈道的相關(guān)數(shù)據(jù)進行比較，對彈道進行俯仰和偏航修正。當偏差達到預先設(shè)置的修正量極限時，控制系統(tǒng)就會利用修正機構(gòu)對彈道進行修正，從而可以更好的導向目標落點，實現(xiàn)提高打擊精度、高效毀傷目標的目的。

圖1 鴨舵式二維彈道修正彈修正系統(tǒng)原理圖

2 不同舵偏角氣動特性分析

二維修正彈的修正鴨舵迎風面積相同，舵偏角度數(shù)不同時對彈丸的氣動特性是有影響的，而且不同的偏角度數(shù)對彈丸的整體氣動特性的影響也是不同的，直接影響著舵翼的側(cè)向力、導轉(zhuǎn)力矩和整個彈丸的阻力、翻轉(zhuǎn)力矩等方面，可能會使彈丸在飛行過程中出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)、過穩(wěn)定等情況，影響彈丸的打擊能力，故選擇合理的舵偏角同樣是保證彈丸修正機構(gòu)氣動布局設(shè)計合理的重要條件。

為了觀察鴨舵式二維彈道修正舵偏角對全彈氣動特性的影響，以確定合理的舵偏角。在此以某炮彈為研究背景設(shè)計了舵翼迎風面積、形狀、位置等相同，舵偏角不同的仿真模型，其中彈丸布局如圖2所示。

圖2 鴨舵機構(gòu)與全彈布局簡圖

現(xiàn)建立以非對稱舵為例，分別取舵偏角2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°的仿真模型進行氣動仿真，得到圖3～圖5的結(jié)果。

圖3 舵偏角大小對舵翼側(cè)向力與彈丸阻力之比影響

從圖3中可以看出，舵翼側(cè)向力與彈丸阻力的比例關(guān)系是隨著舵偏角的增加而有增大趨勢的，其中2°～8°偏角時，比例關(guān)系基本呈線性關(guān)系。

從圖4可以看出，彈丸翻轉(zhuǎn)力矩隨舵偏角的增大而增加，其中2°～12°偏角時，比例關(guān)系基本呈線性關(guān)系，舵偏角增加的幅度比較大，這對彈丸的穩(wěn)定性影響比較大。

圖4 翻轉(zhuǎn)力矩與舵偏角關(guān)系

圖5 舵翼導轉(zhuǎn)力矩與舵偏角關(guān)系

從圖5中可以看出，舵翼導轉(zhuǎn)力矩隨著舵偏角的增加呈線性關(guān)系增加，由于引信部分的轉(zhuǎn)動慣量一定，當導轉(zhuǎn)力矩越大則引信旋轉(zhuǎn)的速度越快，對電機的要求越高。若選擇的舵偏角過大，則會因無法選擇合適的電機而不能實現(xiàn)彈丸的合理設(shè)計。

以2°、6°、10°舵偏角時的壓力等值線圖為例，如圖6比較可以看出:不同的舵偏角所展現(xiàn)出的彈丸周圍云圖有明顯差異。

圖6 數(shù)值模擬仿真

從以上分析可以看出，舵偏角對彈丸的舵翼升力、舵翼導轉(zhuǎn)力矩、彈丸翻轉(zhuǎn)力矩影響是非常明顯的，其中舵偏角越大彈丸舵翼的升力、導轉(zhuǎn)力矩以及彈丸的翻轉(zhuǎn)力矩越大。

3 邊力學仿真分析

以某普通制式彈丸為基礎(chǔ)的修正彈，在射角50°，初速800 m/s等初始條件下，基于動力學分析軟件，結(jié)合彈丸在飛行過程中，受靜不穩(wěn)定力矩的作用，在擾動產(chǎn)生攻角及彈丸在重力作用下彈道出現(xiàn)彎曲等的影響。通過動力學仿真分析，得到不同舵偏角下修正彈丸的實時運動狀態(tài)。其中舵偏角在6°及以下時彈丸均能克服上述影響，從而滿足陀螺穩(wěn)定性、動態(tài)穩(wěn)定性、追隨穩(wěn)定性，進行穩(wěn)定的全彈道飛行，而在8°偏角時則修正彈丸無法完成穩(wěn)定的全彈道飛行。其中部分偏角下的彈丸飛行狀態(tài)動態(tài)情形如圖7、圖8所示。

圖7 6°舵偏時彈丸穩(wěn)定運動姿態(tài)

圖8 8°舵偏時彈丸不穩(wěn)定運動狀態(tài)

通過動力學仿真可以觀察到，當舵偏角為6°時，修正彈丸的外彈道飛行是穩(wěn)定的。舵偏角達到8°時，修正彈丸的飛行狀態(tài)是不穩(wěn)定的，出炮口后彈丸很快出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)。同理，可以知道當舵偏角大于8°時，修正彈丸的飛行是不穩(wěn)定的。

4 電機控制能力分析

固定在彈丸頭部位置的鴨舵，包含一對減旋舵和一對修正舵，其中減旋舵受空氣作用而產(chǎn)生的導轉(zhuǎn)力矩與電磁力矩結(jié)合起來共同控制引信的低速旋轉(zhuǎn)及目標姿態(tài)。減旋舵的導轉(zhuǎn)力矩的變化趨勢如圖9所示。

圖9 6°舵偏角時減旋舵導轉(zhuǎn)力矩變化

從圖9中引信的導轉(zhuǎn)力矩變化趨勢可以看出，在彈丸出炮口后10 s的時間內(nèi)，導轉(zhuǎn)力矩變化率很大，且力矩的值變化也很大。在10 s以后，導轉(zhuǎn)力矩變化率較小，且力矩值的變化也相對較小。

結(jié)合上述的導轉(zhuǎn)力矩變化趨勢，利用電機對引信姿態(tài)進行控制，當電機的電磁力矩取值范圍在1.5 N·m內(nèi)時，設(shè)定在出炮口5 s后開始控制引信滾轉(zhuǎn)在目標姿態(tài)，則在5～80 s的控制范圍之內(nèi)，引信實際被控制的時間是13～80 s，如圖10所示。

圖10 電磁力矩在1.5 N·m內(nèi)時的控制能力

當電機的電磁力矩取值范圍在2.0 N·m范圍內(nèi)時，同樣設(shè)定在炮彈出炮口后5 s時起控，則在5～80 s的控制范圍內(nèi)，引信實際被有效控制的時間是7～80 s，如圖11所示。

圖11 電磁力矩在2 N·m內(nèi)時的控制能力

綜合以上可以得到，電磁力矩的取值直接影響引信姿態(tài)的控制時間，電磁力矩越大則對引信的控制能力越強，但對電機的要求會大大提高并會增加成本。

5 修正能力分析

以舵偏角為6°時的修正彈模型為例，已知該炮彈按照射角50°，初速800 m/s發(fā)射。在上述條件下的修正彈經(jīng)過彈道方程解算，得到射程約為22.5 km。當修正舵處于特定位置時，它能為橫向修正提供側(cè)向力，而在特定時間內(nèi)持續(xù)性的固定在某一值則能得到此位置下的最大修正能力，在此選取時間t=35 s處作為固定修正舵時間點并進行持續(xù)修正，來觀察舵偏角分別為2°、4°、6°時彈道修正效果如圖12。通過外彈道仿真分析，得到6°舵偏角時的修正量，如表1所示。

圖12 修正彈最大修正能力

表1 彈丸修正能力與舵偏角關(guān)系

由結(jié)果可以看出，彈丸的修正能力與舵偏角有直接關(guān)系，舵偏角越大，彈丸的修正能力越強，但必須滿足彈丸的飛行穩(wěn)定性和電機控制能力。

6 結(jié)論

文中重點探討了如何對固定式鴨舵修正機構(gòu)舵偏角進行選擇，建立了不同舵偏時的氣動仿真模型，并得到了各情形下的氣動力數(shù)據(jù)，通過分析可以得出:舵偏角對彈丸翻轉(zhuǎn)力矩及舵翼升力影響較大，且舵翼升力隨著舵偏角的增大而增大;對鴨舵導轉(zhuǎn)力矩影響較大，且舵偏角越大則舵面導轉(zhuǎn)力矩越大。

建立了運動學仿真模型，通過對彈丸外彈道飛行狀態(tài)的模擬，可以看出當舵偏角在6°以下時，彈丸可以全彈道穩(wěn)定飛行，但當舵偏角達到8°時，彈丸無法穩(wěn)定飛行。

通過對電機控制能力的分析，可以得出舵翼導轉(zhuǎn)力矩的大小直接影響對電機的合理選擇。同時，電機的電磁力矩取值范圍也限制了舵偏角的取值。

通過利用適合修正彈的彈道模型對彈丸的修正能力進行仿真，得出了穩(wěn)定飛行時不同舵偏角下的修正能力。

綜合以上得出，若要合理選擇舵偏角，須把彈丸的飛行穩(wěn)定性、修正能力、電機的合理性等綜合考慮才能最終合理的選擇一種符合修正機構(gòu)氣動布局的舵偏角。

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