任 杰,馬大為,朱忠領(lǐng),朱孫科
(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 江蘇 南京 210094)
防空火箭炮作跟蹤運(yùn)動(dòng)時(shí),發(fā)射裝置在時(shí)刻運(yùn)動(dòng),研究時(shí)需要建立發(fā)射裝置與火箭彈的相關(guān)坐標(biāo)系,完成各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換。選取合適的參考坐標(biāo)系來(lái)研究火箭彈的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,會(huì)使方程形式簡(jiǎn)單、便于求解[1]。本文選取的幾種參考坐標(biāo)系[1-4]如圖1所示,方向均按右手定則確定。
1.1.1 地面坐標(biāo)系Og-XgYgZg
地面坐標(biāo)系與地球表面固連,選取發(fā)射裝置方位回轉(zhuǎn)中心在水平面的投影為坐標(biāo)原點(diǎn)Og,OgXg軸平行于定向器軸線在水平面的投影,向前為正。OgYg軸垂直于水平面,向上為正。OgZg軸垂直于OgXgYg平面。
1.1.2 隨動(dòng)坐標(biāo)系Os-XsYsZs
坐標(biāo)系原點(diǎn)Os取在隨動(dòng)裝置的俯仰回轉(zhuǎn)軸與方位回轉(zhuǎn)軸中心線的交點(diǎn)處,OsXs軸平行于定向器軸線在水平面的投影,向前為正。OsYs軸沿隨動(dòng)裝置的方位回轉(zhuǎn)軸中心線,向上為正。OsZs軸沿隨動(dòng)裝置的俯仰回轉(zhuǎn)軸。
1.1.3 定向器坐標(biāo)系Oq-XqYqZq
坐標(biāo)系原點(diǎn)Oq取為定向器中心線與OsYsZs平面的交點(diǎn)處,OqXq軸沿射向,OqYq軸在定向器縱向?qū)ΨQ(chēng)面內(nèi),向上為正,OqZq軸垂直于發(fā)射架縱對(duì)稱(chēng)面OqXqYq。
1.1.4 彈體坐標(biāo)系Ot-XtYtZt
坐標(biāo)系原點(diǎn)Ot取在火箭彈質(zhì)心處,OtXt軸與火箭彈幾何縱軸重合,指向彈頭為正,OtYt軸在彈體縱向?qū)ΨQ(chēng)平面內(nèi),向上為正,OtZt軸垂直于OtXtYt平面。
1.1.5 彈道坐標(biāo)系Od-XdYdZd
坐標(biāo)系原點(diǎn)取在火箭彈質(zhì)心處,OdXd軸與火箭彈速度方向重合,OdYd軸在彈體縱向?qū)ΨQ(chēng)平面內(nèi),向上為正,Zd軸垂直于OdXdYd平面。
描述彈體運(yùn)動(dòng)的各種參量,可以通過(guò)各坐標(biāo)系及其坐標(biāo)系之間的相互關(guān)系來(lái)考察。將坐標(biāo)系寫(xiě)為矩陣形式,設(shè)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換矩陣為T(mén),采用上下標(biāo)的方式區(qū)分源坐標(biāo)系和目標(biāo)坐標(biāo)系,下標(biāo)代表源坐標(biāo)系,上標(biāo)代表目的坐標(biāo)系[6]。本文限于篇幅,在此不展開(kāi)各坐標(biāo)系之間轉(zhuǎn)換矩陣,請(qǐng)參考有關(guān)文獻(xiàn)[1]。
隨動(dòng)坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換:
(1)
定向器坐標(biāo)系與隨動(dòng)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換:
(2)
定向器坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,由式(1)和式(2)可得:
(3)
(4)
彈道坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換:
(5)
彈道坐標(biāo)系與發(fā)射裝置坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換,采用地面坐標(biāo)系進(jìn)行過(guò)渡轉(zhuǎn)換,由式(1)和式(5)可得:
(6)
(7)
彈體坐標(biāo)系與地面坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換:
(8)
彈體坐標(biāo)系與定向器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換,發(fā)射前彈體坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸與定向器坐標(biāo)系各坐標(biāo)軸平行。
(9)
防空多管火箭發(fā)射裝置在隨動(dòng)系統(tǒng)的控制下對(duì)空中目標(biāo)(低空飛行的巡航導(dǎo)彈或制導(dǎo)炸彈)進(jìn)行跟蹤,需要將發(fā)射方向或火箭彈速度的方向指向目標(biāo)或目標(biāo)前置點(diǎn),發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)特性與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律密切相關(guān)。發(fā)射裝置在空間中的運(yùn)動(dòng)是由繞俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)和繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)所合成的,研究時(shí)將發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)分解為繞俯仰軸和繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。這兩種運(yùn)動(dòng)對(duì)火箭彈離軌運(yùn)動(dòng)參數(shù)產(chǎn)生的影響都不能忽略,不論發(fā)射裝置調(diào)轉(zhuǎn)的角速率多大,其對(duì)火箭彈離軌的影響都必須考慮。如不考慮發(fā)射裝置調(diào)轉(zhuǎn)角速度的影響,將會(huì)使計(jì)算得到的火箭彈的離軌參數(shù)不準(zhǔn)確,使得空間彈道解算存在誤差,當(dāng)攻擊空中目標(biāo)時(shí),較小的誤差也會(huì)使火箭彈偏離目標(biāo)。
研究時(shí)假設(shè)多管火箭武器發(fā)射裝置為剛體,則可以將發(fā)射裝置繞俯仰和方位回轉(zhuǎn)軸的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為剛體繞定軸轉(zhuǎn)動(dòng)問(wèn)題。
(10)
式中:φf(shuō)為俯仰轉(zhuǎn)角;ωf為瞬時(shí)俯仰角速度;εf為瞬時(shí)俯仰角加速度。
發(fā)射裝置繞方位回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一般運(yùn)動(dòng)方程為:
(11)
式中:φh為方位轉(zhuǎn)角;ωh為瞬時(shí)方位角速度;εh為瞬時(shí)方位角加速度。
式(10)與式(11)為發(fā)射裝置繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一般運(yùn)動(dòng)方程,依據(jù)公式可確定火箭彈在離軌瞬間發(fā)射裝置的瞬時(shí)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,發(fā)射裝置的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)角速度是計(jì)算火箭彈牽連速度所需參數(shù)之一。
防空多管火箭炮對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行跟蹤發(fā)射時(shí),火箭彈的速度、攻角和偏角等運(yùn)動(dòng)參數(shù)均隨發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)而進(jìn)行變化,發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)火箭彈的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生了很大的影響??臻g彈道的解算需要火箭彈離軌參數(shù)作為初始條件,而離軌參數(shù)又受到發(fā)射裝置運(yùn)動(dòng)的影響,在計(jì)算火箭彈離軌參數(shù)時(shí),需要將發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)與火箭彈的運(yùn)動(dòng)相耦合,才能獲得準(zhǔn)確的離軌參數(shù)表達(dá)式,從而保證對(duì)目標(biāo)的命中精度,提高火箭彈的毀傷率。為便于研究,假設(shè)火箭彈為剛體,不考慮彈體變形,不計(jì)推進(jìn)劑的損耗,認(rèn)為質(zhì)量不變,轉(zhuǎn)動(dòng)慣量恒定,只受推力、重力與科氏慣性力的作用,彈體的運(yùn)動(dòng)可以視為質(zhì)心的移動(dòng)和繞質(zhì)心的合成運(yùn)動(dòng)[3,7]。
跟蹤狀態(tài)下發(fā)射裝置在隨動(dòng)系統(tǒng)的控制下繞俯仰軸和方位軸轉(zhuǎn)動(dòng),發(fā)射裝置的繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)給火箭彈的運(yùn)動(dòng)帶來(lái)牽連速度,如果將發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)速度分解為繞俯仰軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度和繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)速度,則火箭彈的絕對(duì)離軌速度在地面坐標(biāo)系中可表示為[3,5]
V=Vr+ωf×rf+ωh×rh
(12)
式中:V為火箭彈絕對(duì)離軌速度;Vr為火箭彈相對(duì)定向器的離軌速度;ωf×rf和ωh×rh分別為離軌時(shí)刻發(fā)射裝置繞俯仰回轉(zhuǎn)軸和方位回裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的牽連速度;ωf和ωh為離軌時(shí)刻發(fā)射裝置繞俯仰回轉(zhuǎn)軸和繞方位回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度;rf和rh為離軌時(shí)刻火箭彈質(zhì)心到發(fā)射裝置俯仰回轉(zhuǎn)軸和方位回轉(zhuǎn)軸的矢徑。
相對(duì)離軌速度Vr沿定向器坐標(biāo)系的OqXq方向,將Vr投影至地面坐標(biāo)系,其各向分量為:
通過(guò)對(duì)智能工程建設(shè)過(guò)程中各階段的了解,發(fā)現(xiàn)智能工程建造中存在著各種影響因素。因此,為確保政府大樓智能工程項(xiàng)目可以按時(shí)保質(zhì)完成,需要在智能工程建設(shè)施工中進(jìn)行方案設(shè)計(jì),做好工程進(jìn)度控制。
(13)
將ωf、rf、ωh、rh分別轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系中,并寫(xiě)為矩陣形式。
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
(19)
將式(13)、式(18)、式(19)代入式(12)中,可求解得火箭彈絕對(duì)離軌速度V。
V=Vr+ωf×rf+ωh×rh
(20)
由式(20)可知,火箭彈的絕對(duì)離軌速度與火箭彈的相對(duì)離軌速度、發(fā)射裝置的俯仰回轉(zhuǎn)角速度、方位回轉(zhuǎn)角速度、火箭彈質(zhì)心至俯仰回轉(zhuǎn)軸與方位回轉(zhuǎn)軸的矢徑有關(guān)。多管火箭炮裝彈數(shù)量較多,每一枚火箭彈的位置都不相同,在離軌瞬間,火箭彈的質(zhì)心至俯仰回轉(zhuǎn)軸與方位回轉(zhuǎn)軸的矢徑均不相同,發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致每一枚火箭彈都具有不同的離軌運(yùn)動(dòng)參數(shù),其對(duì)應(yīng)的空間彈道也都不相同。發(fā)射時(shí),火控計(jì)算機(jī)需要根據(jù)離軌參數(shù)表達(dá)式針對(duì)每一枚火箭彈設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)計(jì)算其對(duì)應(yīng)的離軌參數(shù),從而保證其空間彈道初始條件的準(zhǔn)確,使火箭彈能夠命中或毀傷目標(biāo)。
對(duì)于既定結(jié)構(gòu)的防空多管火箭炮來(lái)說(shuō),每根定向器中火箭彈離軌時(shí)質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸的距離是固定的,火箭彈離軌時(shí)發(fā)射裝置繞俯仰軸和回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度也是可以獲知的,火箭彈的相對(duì)離軌速度更是可以依據(jù)火箭彈本身動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算,故依據(jù)式(20)可求解出每一枚火箭彈的絕對(duì)離軌速度,得到絕對(duì)離軌速度后通過(guò)相關(guān)計(jì)算可以獲得離軌時(shí)刻的攻角、側(cè)滑角、彈道偏角和彈道傾角等運(yùn)動(dòng)參數(shù),從而為空間彈道計(jì)算提供初始條件。設(shè)計(jì)中,可針對(duì)幾種較為理想的離軌參數(shù)對(duì)彈體質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸的矢徑、發(fā)射裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及彈體自身動(dòng)力特性進(jìn)行優(yōu)化與組合。對(duì)于已經(jīng)設(shè)計(jì)定型的火箭彈來(lái)說(shuō),雖然彈體自身動(dòng)力特性已經(jīng)固定,仍可通過(guò)改變發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)形式來(lái)改變火箭彈的離軌參數(shù),從而獲取較為理想的離軌參數(shù),使火箭彈具有較好的空間彈道。
火箭彈速度矢量與地面坐標(biāo)系OgXgYg平面的夾角為彈道傾角θ,將火箭彈絕對(duì)離軌速度投影到在彈體坐標(biāo)系中,各向分量寫(xiě)為矩陣形式:
(21)
(22)
彈體速度矢量V在縱向?qū)ΨQ(chēng)面上的投影與彈體縱軸之間的夾角即為攻角α:
(23)
速度方向與彈體軸線在水平面內(nèi)的夾角為側(cè)滑角β:
(24)
彈體速度矢量V與地面坐標(biāo)系OgXgYg平面的夾角為彈道傾角θ:
(25)
彈體速度矢量V與地面坐標(biāo)系OgXg軸的夾角為彈道偏角ψc:
(26)
將離軌角速度ωt投影至彈體坐標(biāo)系中。
(27)
式中:ωxt、ωyt、ωzt為彈體繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度在彈體坐標(biāo)系中的各向分量;ωxs、ωys、ωzs為定向器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在隨動(dòng)坐標(biāo)系中的各向分量,定向器轉(zhuǎn)動(dòng)角速度在隨動(dòng)坐標(biāo)系中表示為[0,ωh,ωf];ωz為火箭彈沿定向器的螺旋導(dǎo)槽運(yùn)動(dòng)時(shí)引起的彈體自轉(zhuǎn)角速度;ωxz、ωyz、ωzz是ωz在彈體坐標(biāo)系中的各向分量,在彈體坐標(biāo)系中ωz為[ωh,0,0]。
對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí),隨動(dòng)控制系統(tǒng)需將射向或火箭彈速度的方向指向目標(biāo)或目標(biāo)前置點(diǎn),調(diào)炮時(shí)發(fā)射裝置繞俯仰和方位回轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)方程形式如式(11)所示,轉(zhuǎn)角φ是時(shí)間t的單值連續(xù)函數(shù)。上一節(jié)對(duì)火箭彈離軌參數(shù)表達(dá)式的推導(dǎo)是基于一般轉(zhuǎn)動(dòng)方程的,沒(méi)有限制發(fā)射裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)形式,故推導(dǎo)得到的離軌參數(shù)表達(dá)式是通用的,在應(yīng)用至實(shí)際工程中,需要根據(jù)發(fā)射裝置具體轉(zhuǎn)動(dòng)形式,將離軌參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行具體化。在實(shí)際工程中,發(fā)射裝置勻速繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)和勻變速繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)是常用的兩種調(diào)炮方式,對(duì)兩種運(yùn)動(dòng)方式下的火箭彈離軌參數(shù)進(jìn)行研究很有必要。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用需求,本節(jié)將對(duì)火箭彈離軌參數(shù)表達(dá)式進(jìn)行細(xì)化,以滿(mǎn)足工程使用,研究時(shí)同樣將這兩種調(diào)炮運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為發(fā)射裝置繞俯仰軸和繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。
發(fā)射裝置繞俯仰回轉(zhuǎn)軸作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的方程為:
(28)
式中:φf(shuō)0為t=0時(shí)φf(shuō)的值;n1為周期。
發(fā)射裝置繞方位回轉(zhuǎn)軸作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的方程為:
(29)
式中:φh0為t=0時(shí)φh的值;n2為周期。
將ωf和ωh分別代入式(20)和式(27),則發(fā)射裝置作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)火箭彈的絕對(duì)離軌速度和離軌角速度可表示為:
(30)
(31)
式(30)和式(31)分別為發(fā)射裝置勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)火箭彈絕對(duì)離軌速度和離軌角速度的表達(dá)式,與式(20)、式(27)相比可知,發(fā)射裝置繞俯仰軸與繞方位軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度均為定值,可用轉(zhuǎn)動(dòng)周期表示,使公式的計(jì)算得到簡(jiǎn)化。當(dāng)發(fā)射裝置作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),可直接應(yīng)用式(30)和式(31)計(jì)算相應(yīng)的絕對(duì)離軌速度和離軌角速度。
發(fā)射裝置繞俯仰回轉(zhuǎn)軸作勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為:
(32)
式中:ωf0、φf(shuō)0分別為t=0時(shí)的角速度和轉(zhuǎn)角;εf為角加速度。
發(fā)射裝置繞方位回轉(zhuǎn)軸作勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)方程為:
(33)
式中:φh0、ωh0分別為t=0時(shí)的轉(zhuǎn)角和角速度;εh為角加速度。
將ωf和ωh分別代入式(20)和式(27),則發(fā)射裝置作勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)火箭彈的絕對(duì)離軌速度和離軌角速度可表示為:
(34)
(35)
式(34)和式(35)分別為發(fā)射裝置勻變速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)火箭彈絕對(duì)離軌速度和離軌角速度的表達(dá)式,與式(20)、式(27)相比,式(34)和式(35)針對(duì)發(fā)射裝置的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了細(xì)化,更為具體,可直接應(yīng)用公式計(jì)算相應(yīng)的絕對(duì)離軌速度和離軌角速度。
本文主要對(duì)防空火箭炮作跟蹤運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)射的火箭彈離軌參數(shù)進(jìn)行了研究,建立了適用于防空多管火箭炮的坐標(biāo)系,完成了相關(guān)坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,在簡(jiǎn)化發(fā)射裝置繞俯仰回轉(zhuǎn)軸和繞方位回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)上,推導(dǎo)了發(fā)射裝置作跟蹤運(yùn)動(dòng)時(shí)火箭彈離軌瞬間的運(yùn)動(dòng)參數(shù)表達(dá)式,能夠根據(jù)火箭彈離軌時(shí)發(fā)射裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、彈體質(zhì)心至回轉(zhuǎn)軸的矢徑以及火箭彈自身動(dòng)力特性計(jì)算相應(yīng)的離軌參數(shù),為火箭彈空間彈道解算提供了較為準(zhǔn)確的初始條件。另外,針對(duì)防空火箭炮常用的勻速跟蹤運(yùn)動(dòng)與勻變速跟蹤運(yùn)動(dòng),將火箭彈絕對(duì)離軌速度和離軌角速度表達(dá)式進(jìn)行了細(xì)化,為實(shí)際工程應(yīng)用提供了參考。
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