機(jī)載多管火箭彈變發(fā)射間隔時間方法

文/劉剛

（中國直升機(jī)設(shè)計研究所 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、成本低的優(yōu)點，屬于各國武裝直升機(jī)火力系統(tǒng)的標(biāo)配武器。對于集群目標(biāo)，火箭彈主要用于提供瞬時密集火力，基于此項打擊需求，在武裝直升機(jī)火箭彈武器系統(tǒng)設(shè)計時必須考慮火箭彈的最大連續(xù)發(fā)射數(shù)量及連續(xù)發(fā)射間隔時間，以便發(fā)揮瞬時火箭彈密集殺傷的最大效果?；鸺龔椷B續(xù)發(fā)射時的時間間隔與發(fā)射裝置的振動特性不匹配易導(dǎo)致發(fā)射過程中后座力疊加。假如后座力疊加過大，引起直升機(jī)的姿態(tài)發(fā)生瞬時變化，一方面會對載機(jī)武器發(fā)射精度造成影響，引起火箭彈散布過大，達(dá)不到密集殺傷效果；另一方面，由于后坐力過大影響到載機(jī)飛控系統(tǒng)穩(wěn)定性，可能危及飛行安全。

如果將發(fā)射間隔時間增加，則會影響作戰(zhàn)效果，如果降低發(fā)射裝置的固有頻率，則需增加發(fā)射裝置重量，影響直升機(jī)掛載能力和直升機(jī)留空時間等。因此，有必要提出一種既能不更改發(fā)射裝置結(jié)構(gòu)改變重量調(diào)整發(fā)射裝置振動特性，又能不引起后座力疊加的變時間間隔方法，在方法上有實際的和普遍的工程意義。

1 多管火箭多體系統(tǒng)發(fā)射動力學(xué)

應(yīng)用多體系統(tǒng)發(fā)射動力學(xué)理論，考慮火箭彈發(fā)射裝置振動特性和火箭彈發(fā)動機(jī)燃?xì)馍淞鲗恿憫?yīng)的影響。將火箭燃?xì)馍淞鲗鸺龔棸l(fā)射裝置的沖擊力視為作用在直升機(jī)外掛梁上的系統(tǒng)外力。應(yīng)用多體系統(tǒng)傳遞矩陣法，可得直升機(jī)載多管火箭體動力學(xué)方程：

式中：j為元件編號，如機(jī)體、外掛梁、發(fā)射裝置等；vj體元件位移（含線位移和角位移）的物理坐標(biāo)陣列，下標(biāo)t為關(guān)于時間求導(dǎo)；Mj，Cj，Kj，vj為體元件的參數(shù)矩陣；fj為體元件受到的外力，詳細(xì)含義及動力學(xué)方程見文獻(xiàn)[1][3]。外力fj主要為火箭彈的燃?xì)饬髯饔昧Α?/p>

2 發(fā)射后座力大小影響機(jī)理分析

發(fā)射火箭彈時產(chǎn)生的后坐力是直升機(jī)火箭彈武器系統(tǒng)設(shè)計需考慮的重要指標(biāo)之一，如何減小后坐力是火箭彈武器系統(tǒng)研制過程中的一個關(guān)鍵問題，直接影響直升機(jī)的作戰(zhàn)效能。

機(jī)載火箭彈發(fā)射過程中，火箭彈點火后，沿著定向管向前滑動，發(fā)射裝置主要受到的力有重力、火箭彈推力、火箭彈與發(fā)射管之間的碰撞力摩擦力、發(fā)射管對火箭彈的閉鎖力、火箭彈的燃?xì)饬髯饔?/p>

圖1：火箭彈發(fā)射裝置迎氣面圖

力等，這些力共同作用在發(fā)射裝置上形成后座力。

2.1 火箭彈燃?xì)馍淞鞯挠绊?/h3>

火箭彈推力由火箭發(fā)動機(jī)燃燒時噴出的高速氣體產(chǎn)生，火箭彈推力并不完全作用于發(fā)射裝置上，發(fā)射裝置上所承受的反作用力并不等于火箭彈推力，發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的推力為外力的來源。載機(jī)所受火箭彈推力的大小會受火箭彈發(fā)射角度的不同而變化。如圖1所示。

火箭彈與發(fā)射筒間的作用力是一對作用力與反作用力，包含火箭彈發(fā)射筒與發(fā)射裝置骨架以及火箭彈與發(fā)射筒間的法向碰撞力和切向摩擦力。在動力學(xué)模型中，火箭彈與發(fā)射管之間的碰撞力摩擦力均屬于系統(tǒng)內(nèi)力。

燃?xì)馍淞鲗Πl(fā)射裝置有較大的沖擊力?；鸺?xì)馍淞鞯慕?jīng)典公式可計算燃?xì)馍淞鲗鸺龔棸l(fā)射裝置的沖擊力[2]。若燃?xì)馍淞鳎R赫數(shù)Ma>1）在火箭彈發(fā)射裝置迎氣正面前產(chǎn)生正激波，則采用超聲速皮托管公式計算動壓：

將生活中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象融入到教學(xué)中，可以勾起學(xué)生對生活當(dāng)中存在的想象進(jìn)行回憶，調(diào)動學(xué)生對物理產(chǎn)生學(xué)習(xí)興趣，積極思考問題并將存在的想象進(jìn)行探究.課堂教學(xué)時老師把生活中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行提問，學(xué)生對其問題進(jìn)行思考探究，可以幫助學(xué)生養(yǎng)成在生活當(dāng)中學(xué)會善于探索、觀察、理解、思考物理知識的習(xí)慣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動力，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)能力.將生活當(dāng)中存在的問題通過所學(xué)的物理知識進(jìn)行解釋，使學(xué)生深刻理解學(xué)習(xí)物理知識的重要性.加強(qiáng)生活實際和物理知識相結(jié)合，可以強(qiáng)化學(xué)生的邏輯思維及學(xué)習(xí)能力.高中物理生活化教學(xué)應(yīng)考慮到學(xué)生認(rèn)知水平、生活環(huán)境等，提出的物理問題學(xué)生能夠獨立的解決.

若燃?xì)馍淞黢R赫數(shù)Ma<1，屬于等熵穩(wěn)定流，則用下式計算動壓：

圖2：某型火箭彈19連發(fā)后坐力

圖3：處理流程

進(jìn)而計算燃?xì)馍淞鲗鸺龔棸l(fā)射裝置的沖擊力。燃?xì)馍淞鲗鸺龔棸l(fā)射裝置的沖擊力也可近似計算：

從上式可知，燃?xì)饪跊_擊力取決于火箭彈性能、發(fā)射裝置中的發(fā)射筒排列、發(fā)射筒的長度、迎氣面積（隨發(fā)射角度、火箭彈發(fā)射出去后空發(fā)射管與有彈發(fā)射管的相對位置及數(shù)量而變化）。在火箭彈性能一定的情況下，火箭彈發(fā)射產(chǎn)生的后坐力與燃?xì)庥瓪饷娣e成正比，然而火箭彈發(fā)射順序直接影響迎氣面積，因此合理選擇火箭彈的發(fā)射順序?qū)笞χ档拇笮≈陵P(guān)重要。

2.2 發(fā)射間隔時間的影響

由于火箭彈的質(zhì)量大于發(fā)射裝置發(fā)射管的質(zhì)量，使得后座力與發(fā)射裝置振動特性（固有頻率、振型等）和發(fā)射頻率有關(guān)?；鸺龔棇儆谶B射武器，發(fā)射過程是動態(tài)變化的過程，因此發(fā)射裝置振動特性會隨著發(fā)射過程中發(fā)射裝置里的火箭彈余彈量的減少而變化，當(dāng)外掛梁固有頻率接近發(fā)射頻率時易導(dǎo)致后坐力快速疊加。

為使火箭彈起到火力覆蓋的效果，機(jī)載火箭彈連發(fā)發(fā)射時間間隔應(yīng)盡可能的短，若發(fā)射間隔固定為110ms，則前后兩發(fā)火箭彈相距4米。火箭彈發(fā)射時發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的燃?xì)馍淞髦饕绊憛^(qū)集中在火箭彈尾噴口3米范圍內(nèi)。

從圖2中可知第15發(fā)開始后座力有所疊加，此時固有頻率和110ms發(fā)射間隔時間接近，導(dǎo)致后坐力值突變。

2.3 密集度的影響

火箭彈發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生推力，當(dāng)推力大于閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖力時，火箭彈在定向管中運動、加速，以一定射角飛離發(fā)射裝置，在空中高速旋轉(zhuǎn)靠慣性飛向目標(biāo)。

火箭彈發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的燃?xì)馍淞骷斑B發(fā)發(fā)射間隔時間會對后坐力值大小產(chǎn)生較大的影響，后坐力值大小同樣會影響火箭彈密集度[4]。當(dāng)火箭彈發(fā)射時產(chǎn)生的后坐力過大，引起外掛梁、定向管、發(fā)射裝置等結(jié)構(gòu)不同程度的形變，影響火箭彈的發(fā)射角，從而導(dǎo)致火箭彈的密集度偏大。

3 變發(fā)射間隔時間方案

機(jī)載火控根據(jù)發(fā)射指令以一定時間間隔將發(fā)射脈沖下發(fā)給發(fā)射裝置，發(fā)射裝置收到脈沖信號依次對各管火箭彈進(jìn)行點火，火箭彈靠發(fā)動機(jī)推力離膛。如果發(fā)射脈沖間隔時間固定，當(dāng)發(fā)射系統(tǒng)固有頻率與發(fā)射脈沖間隔接近時導(dǎo)致后坐力疊加。

為避免火箭彈在發(fā)射過程中由于火箭彈余彈量的變化引起固有頻率和發(fā)射頻率接近，導(dǎo)致后座力疊加的問題?，F(xiàn)提出連發(fā)發(fā)射狀態(tài)下，火箭彈發(fā)射間隔時間隨余彈量的變化而自動調(diào)整的方法，處理流程如圖3所示。

每次武器系統(tǒng)上電初始時刻，發(fā)射裝置通過內(nèi)部檢測電路檢測火箭彈在膛內(nèi)情況，并將在位情況轉(zhuǎn)化為余彈量報給火控外掛計算機(jī)，火控外掛計算機(jī)根據(jù)發(fā)射裝置上報的火箭彈余彈情況及火箭彈連發(fā)數(shù)量自動調(diào)整發(fā)射間隔時間。設(shè)火箭彈各數(shù)量下的固有頻率為：火箭彈連發(fā)時發(fā)射間隔時間其中b0為火箭彈連發(fā)發(fā)射要求的最小間隔時間。連發(fā)發(fā)射過程中火箭彈發(fā)射裝置給火箭彈發(fā)送的點火脈沖間隔時間如下式所示：

4 結(jié)論

本文通過對后座力產(chǎn)生機(jī)理的分析得出，火箭彈發(fā)射時載機(jī)所受后座力大小受發(fā)射角度、發(fā)射平臺振動特性的影響，連發(fā)間隔時間與發(fā)射平臺固有頻率接近時會造成后座力的疊加，并通過試驗驗證。

最后提出機(jī)載多管火箭發(fā)射系統(tǒng)根據(jù)火箭彈余彈量變化情況自動調(diào)整發(fā)射間隔時間，避開發(fā)射裝置的固有頻率的發(fā)射方案，減輕載機(jī)由于火箭彈連發(fā)發(fā)射時后座力疊加造成的擾動。