巡飛器載重能力與裝載火箭彈間匹配關(guān)系研究

李永澤, 孫傳杰, 盧永剛

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900)

巡飛器載重能力與裝載火箭彈間匹配關(guān)系研究

李永澤, 孫傳杰, 盧永剛

(中國(guó)工程物理研究院 總體工程研究所, 四川 綿陽(yáng) 621900)

為了研究巡飛器載重能力與火箭彈間的匹配關(guān)系,針對(duì)折疊式巡飛器普遍采用的串列翼布局,建立了串列翼布局下并列式和重疊式兩種機(jī)翼折疊裝載方案對(duì)應(yīng)的巡飛器任務(wù)載重與裝載火箭彈空間之間的匹配關(guān)系模型,對(duì)比分析了兩種方案下火箭彈直徑隨巡飛器任務(wù)載重的變化特點(diǎn),并得出重疊式方案更具載重優(yōu)勢(shì)的結(jié)論,初步給出了特定條件下兩種方案任務(wù)載重與火箭彈直徑間的對(duì)應(yīng)取值。

巡飛器; 串列翼; 火箭彈; 匹配關(guān)系

0 引言

基于火箭彈投放的折疊式巡飛器通過(guò)遠(yuǎn)程火箭彈折疊裝載發(fā)射,可用于偵查監(jiān)視、遠(yuǎn)程炮射擊校瞄、毀傷評(píng)估、電子干擾、通訊中繼等[1]。與傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)相比,除其具有可快速部署的優(yōu)點(diǎn)以外,由于需在有限的空間里折疊裝載,也給設(shè)計(jì)帶來(lái)了諸多約束和挑戰(zhàn)。其中火箭彈有限的裝載空間、裝載重量與巡飛器任務(wù)載重、任務(wù)性能需求間的相互約束最為嚴(yán)格和苛刻。因此分析和推導(dǎo)巡飛器任務(wù)載重與火箭彈裝載空間的約束關(guān)系對(duì)設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定、方案初步設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。

目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)該問(wèn)題的相關(guān)研究報(bào)道。國(guó)內(nèi)已有對(duì)巡飛器的研究主要集中在調(diào)研國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及關(guān)鍵技術(shù)[1-3]、任務(wù)軌跡規(guī)劃等方面[4-5],僅文獻(xiàn)[6]對(duì)裝載約束下的巡飛器概念設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究,但僅得出了?155 mm榴彈裝載約束下的最大理論任務(wù)載荷,并未對(duì)巡飛器任務(wù)載重與裝載空間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行研究。

本文針對(duì)已有折疊式巡飛器普遍采用的串列翼布局方案,建立了裝載約束下巡飛器的幾何模型、采用電動(dòng)動(dòng)力方式的巡飛器總重模型、串列翼布局的升力估算模型,最后推導(dǎo)得出了巡飛器載重與裝載火箭彈直徑間的匹配關(guān)系模型,并計(jì)算了特定條件下任務(wù)載重與火箭彈直徑間的對(duì)應(yīng)值,以便為設(shè)計(jì)指標(biāo)擬定、方案初步設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 匹配關(guān)系建模

1.1 總體布局方案選擇

相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果表明,在有限空間約束下串列翼布局方案相比常規(guī)布局可能達(dá)到的性能更好[6]。另外,在已有的巡飛器方案中,Aerovironment公司的“彈簧刀”、俄羅斯的R-90及波音公司的SECC均采用了串列翼的布局方案,如圖1所示。參照已有的研究成果,本文針對(duì)串列翼布局方案的巡飛器進(jìn)行建模,布局方案如圖2所示。

圖1 部分已有串列翼布局的巡飛器Fig.1 Part of the loitering units with tandem wing layout

圖2 本文建模針對(duì)的串列翼布局方案Fig.2 Tandem wing layout scheme for modeling in this paper

1.2 幾何約束模型

串列翼布局折疊后截面一般為四邊形,由于正四邊形截面在裝載約束下對(duì)應(yīng)的翼弦最小,在其它條件相同的情況下對(duì)應(yīng)的升力最小,因此選擇正四邊形截面的裝載情況進(jìn)行分析。

考慮兩種機(jī)翼在機(jī)身上的疊放方式(見(jiàn)圖3),一種為并列式,即左右兩翼折疊后并排在機(jī)身上,相互無(wú)重疊,各自有獨(dú)立的折疊機(jī)構(gòu);另一種為重疊式,即左右兩翼折疊后重疊在機(jī)身上,共用一個(gè)折疊機(jī)構(gòu)。

圖3 兩種機(jī)翼折疊裝載方案Fig.3 Two folding schemes of the wing for loading

(1)并列式方案幾何約束模型

設(shè)裝載火箭彈有效直徑為D,有效長(zhǎng)度為l。在并列式裝載方案下,翼弦c由如下幾何關(guān)系可得:

(1)

設(shè)機(jī)翼翼展為b,最大展弦比為Amax,引入折疊后機(jī)翼長(zhǎng)度與火箭彈有效長(zhǎng)度間比值參數(shù)fw,則可以初步估算得到翼展:

b=2fw(l-c/2)

(2)

將式(1)帶入式(2)可得:

(3)

其中,fw的大小又受最大展弦比Amax的約束,可得fw的范圍為:

(4)

設(shè)裝載火箭彈的有效長(zhǎng)徑比為σ,則可進(jìn)一步將式(4)寫(xiě)為:

(5)

對(duì)于平直翼,可得機(jī)翼面積S為:

(6)

串列翼的前后翼由于各參數(shù)取值存在差別,前后翼面積計(jì)算應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)分別確定。

(2)重疊式方案幾何約束模型

同理可得重疊式裝載方案對(duì)應(yīng)的c,b及S分別為:

(7)

(8)

(9)

(10)

同樣,前后翼面積計(jì)算應(yīng)根據(jù)具體設(shè)計(jì)分別確定。

1.3 全機(jī)總重模型

由文獻(xiàn)[7]可得電動(dòng)動(dòng)力方式巡飛器的全機(jī)重量為:

Wt=(Wload+Wcontr+Wavion)/(1-fbody-fbatt-feng)

(11)

式中,任務(wù)載荷重量Wload根據(jù)任務(wù)選定;導(dǎo)航與飛控系統(tǒng)(包含舵機(jī))重量Wcontr、通訊裝置重量Wavion可通過(guò)任務(wù)需求確定;空機(jī)重量系數(shù)fbody參考統(tǒng)計(jì)值并考慮抗過(guò)載設(shè)計(jì)帶來(lái)的重量增加,取為0.2;feng參考統(tǒng)計(jì)值取為0.15[8];電池重量系數(shù)fbatt具體計(jì)算如下:

(12)

式中,f為修正系數(shù);g為重力加速度;V為巡航速度;t為巡航時(shí)間;η為動(dòng)力系統(tǒng)效率(主要包括螺旋槳、電機(jī)效率);e為電池重量比能量;L/D為升阻比。

1.4 升力模型

對(duì)于串列翼布局,目前沒(méi)有成熟的升力估算公式,初步參照正常式布局機(jī)翼與平尾升力估算方法[9],考慮前翼對(duì)后翼的氣動(dòng)干擾及速度阻滯,以及前后翼設(shè)計(jì)的差別,可得全機(jī)升力為:

(13)

式中,V為來(lái)流速度;ρ為大氣密度;CL1為前翼升力系數(shù);CL2為后翼升力系數(shù);S1為前翼機(jī)翼面積;S2為后翼機(jī)翼面積;kv為修正系數(shù),主要考慮速度阻滯及氣流干擾給后翼升力帶來(lái)的影響,取0.8。

1.5 任務(wù)載重與裝載約束關(guān)系模型

取定直平飛的巡航狀態(tài)為設(shè)計(jì)點(diǎn),對(duì)于兩種不同的機(jī)翼折疊裝載方案,由上述幾何約束模型、全機(jī)總重模型及升力模型,可推導(dǎo)得到巡飛器任務(wù)載重與裝載約束間的關(guān)系模型分別為:

(1)對(duì)于并列式方案,由式(6)、式(11)及式(13)得:

(2)對(duì)于重疊式方案,由式(10)、式(11)及式(13)得:

2 算例分析

選用以鋰聚合物電池為動(dòng)力的電動(dòng)動(dòng)力方式,任務(wù)要求帶自駕儀但無(wú)需信息回傳。性能要求為:巡飛高度H=1 km,巡飛速度Vmax=25 m/s,巡飛時(shí)間t=1 800 s。其它參數(shù)根據(jù)調(diào)研資料及工程經(jīng)驗(yàn)取值為:Wcontr=0.5 kg,Wavion=0 kg,e=150 Wh/kg,σ=6,fw1=0.6,fw2=0.8,η=0.65,f=1.2,L/D=8,CL1=CL2=0.5,Amax=15。計(jì)算可得兩種機(jī)翼折疊裝載方案下巡飛器任務(wù)載重與裝載火箭彈口徑間的關(guān)系如圖4所示,任務(wù)載重與巡飛器的總重關(guān)系如圖5所示。

從圖中可以看出,在給定H,V,t,L/D及Amax的條件下,對(duì)于并列式方案,Wload與D間近似呈線性關(guān)系,斜率約為70 mm/kg,即載荷每增加(或減少)1 kg,對(duì)應(yīng)的裝載容器口徑需增加(或減少)70 mm;對(duì)于重疊式方案,Wload與D間也近似呈線性關(guān)系,斜率約為48 mm/kg,即載荷每增加(或減少)1 kg,對(duì)應(yīng)的裝載容器口徑需增加(或減少)48 mm。

從上述曲線可以初步得到兩種方案下特定任務(wù)載荷分別對(duì)應(yīng)的裝載火箭彈的有效直徑,并根據(jù)給出的火箭彈有效長(zhǎng)徑比,可初步確定裝載火箭彈的尺寸,為裝載火箭彈的選取及裝載方案的設(shè)計(jì)提供依據(jù);也可得到給定裝載火箭彈直徑所對(duì)應(yīng)的最大任務(wù)載荷重量,可為任務(wù)載荷的選取、設(shè)計(jì)指標(biāo)的擬定及巡飛器方案的初步設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖4 任務(wù)載荷與裝載口徑關(guān)系曲線Fig.4 Curves for the relation between Wlaod and D

圖5 任務(wù)載荷與總重關(guān)系曲線Fig.5 Curves for the relation between Wlaod and Wt

3 結(jié)論

基于火箭彈投放的折疊式巡飛器設(shè)計(jì)相比傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)設(shè)計(jì)面臨更為嚴(yán)苛的尺寸和重量約束條件。通過(guò)建立和分析串列翼布局巡飛器任務(wù)載重與裝載火箭彈間的匹配關(guān)系,可得出以下結(jié)論:

(1)串列翼布局下,兩種機(jī)翼折疊裝載方案中重疊式方案更具優(yōu)勢(shì)。在相同的裝載直徑下可搭載更重的任務(wù)載荷,在滿足特定載重要求的情況下所需的裝載火箭彈直徑更小,且裝載火箭彈直徑隨任務(wù)載重變化斜率更小,更有利于方案設(shè)計(jì)。但重疊式方案會(huì)減小機(jī)身的裝載空間。

(2)對(duì)于兩種機(jī)翼折疊裝載方案,初步得到了不同任務(wù)載荷對(duì)應(yīng)的裝載火箭彈直徑和巡飛器總重,以及特定裝載火箭彈直徑對(duì)應(yīng)的任務(wù)載荷大小,可為擬定任務(wù)載荷、選取裝載火箭彈及裝載方案設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

(3)本文建立的任務(wù)載重與裝載約束間的關(guān)系模型,雖做了必要的假設(shè)和簡(jiǎn)化,但仍考慮了機(jī)翼厚度、最大展弦比約束、前后翼設(shè)計(jì)差別、前后翼氣動(dòng)干擾等因素,得到了巡飛器任務(wù)載荷與裝載火箭彈直徑間的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系式,對(duì)應(yīng)關(guān)系明確,具有一定的合理性,可為設(shè)計(jì)指標(biāo)的擬定、方案的初步設(shè)計(jì)提供理論支撐,具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

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Matchingrelationbetweenthepayloadofloiteringmonitionandtheloadingspaceoflongrangrocketmissile

LI Yong-ze, SUN Chuan-jie, LU Yong-gang

(Institute of Systems Engineering, CAEP, Mianyang 621900, China)

In order to study influence of dispension parameters on distribution radius and falling time of submunition striking moving sea-object, point mass ballistic equations is build and then programmed. Analysis of effect of diffent dispension parameters on distribution radius and falling time of submunition is carried out, the results show that the dispension height and velocity of cluster munition are very important parameters, therefore emphasis should be paid on them when designing dispension parameters.

loitering monition; tandem wing; cluster munition matching relation

V279

A

1002-0853(2013)06-0570-04

2013-03-11;

2013-10-07; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間:2013-10-22 14:12

李永澤(1987-),男,寧夏固原人,碩士,主要從事飛行器總體設(shè)計(jì)研究。

(編輯：姚妙慧)