非標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性影響的研究

吳漢洲，宋衛(wèi)東，徐敬青

(1.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，河北 石家莊　050003；2.軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊　050003)

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非標(biāo)準(zhǔn)條件對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性影響的研究

吳漢洲1，宋衛(wèi)東1，徐敬青2

(1.軍械工程學(xué)院 火炮工程系，河北 石家莊050003；2.軍械工程學(xué)院 彈藥工程系，河北 石家莊050003)

分析了阻力片打開前后彈丸彈道穩(wěn)定性的變化規(guī)律，分析了彈道風(fēng)、初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響。以某型100 mm一維彈道修正彈為研究對(duì)象，建立了6自由度剛體彈道模型。仿真結(jié)果表明：彈道風(fēng)、初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響較小，在一般氣象條件及初始擾動(dòng)下，阻力片打開后彈丸可穩(wěn)定飛行；阻力片打開會(huì)使彈丸攻角增大并伴隨一定幅值的振蕩，陀螺穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性先減弱后增強(qiáng)，追隨穩(wěn)定性減弱，落點(diǎn)側(cè)偏有一定增加。

一維彈道修正；彈道風(fēng)；初始角速度擾動(dòng)； 彈道穩(wěn)定性

隨著科技的進(jìn)步，精確制導(dǎo)武器在作戰(zhàn)中使用頻率不斷升高，從海灣戰(zhàn)爭到伊拉克戰(zhàn)爭，戰(zhàn)爭中使用的精確制導(dǎo)彈藥占總投彈量由8.36%提升到68%。彈道修正彈因只對(duì)常規(guī)彈藥的引信加以改進(jìn)，在改造成本不高的情況下卻能使射擊精度成倍提高，所以其一經(jīng)提出便很快得到迅速發(fā)展[1-2]。

一維彈道修正彈在飛行中通過增加軸向空氣阻尼進(jìn)行射程上的修正，增加阻尼的方式主要是在彈頭部彈出阻力片(環(huán))。文獻(xiàn)[3]從阻力環(huán)安裝位置及展開面積入手，分析了阻力環(huán)對(duì)彈丸阻力系數(shù)、升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)及壓心系數(shù)的影響。文獻(xiàn)[4]以一維彈道修正彈傘形阻力器為對(duì)象，在分析該阻力器對(duì)彈丸阻力系數(shù)等的影響基礎(chǔ)上，通過數(shù)值模擬分析得出了阻力傘展開角度、修正時(shí)刻等因素與彈丸修正距離之間的規(guī)律。文獻(xiàn)[5]以某型57 mm彈丸為研究對(duì)象，利用Fluent流體仿真軟件，獲得了彈丸在不同馬赫數(shù)、阻力環(huán)不同展開高度、不同展開時(shí)刻及作用時(shí)間情況下的氣動(dòng)力參數(shù)，并通過外彈道程序驗(yàn)證了阻力環(huán)的增阻效果。以上文獻(xiàn)總的結(jié)論為:彈丸飛行過程中，阻力片(環(huán))對(duì)局部的流場(chǎng)有較大的影響，但產(chǎn)生的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)和攻角的變化規(guī)律沒有改變；阻力片(環(huán))打開后彈丸阻力系數(shù)增加明顯，極阻尼力矩略有增加，升力系數(shù)有所減小，俯仰力矩系數(shù)減小，壓心后移，有利于彈丸飛行穩(wěn)定性[3,6]。

上述研究內(nèi)容主要側(cè)重于標(biāo)準(zhǔn)條件下通過風(fēng)洞試驗(yàn)或計(jì)算流體力學(xué)軟件分析阻力片(環(huán))對(duì)彈丸飛行穩(wěn)定性及對(duì)射程的修正量的影響等，而對(duì)非標(biāo)準(zhǔn)條件下彈丸飛行過程中阻力片(環(huán))打時(shí)及打開后彈丸彈道穩(wěn)定性的研究較少。

筆者以某型100 mm一維彈道修正彈為例通過彈道建模、仿真等分析了彈道風(fēng)、初始角速度擾動(dòng)等非標(biāo)準(zhǔn)條件下一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性。

1　彈道建模及穩(wěn)定性判據(jù)

1.1彈道微分方程組

運(yùn)用Simulink軟件建立了某型100 mm一維彈道修正彈剛體彈道模型。鑒于該彈為小射程近距離殺傷武器，模型忽略了地球表面曲率、彈丸質(zhì)量偏心等對(duì)彈丸飛行的影響。依據(jù)文獻(xiàn)[7]可建立相應(yīng)彈道方程組。

1.2穩(wěn)定性判據(jù)

1.2.1陀螺穩(wěn)定性判據(jù)

(1)

式中:A、C分別為彈丸赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;M為彈丸受到的靜力矩;vr為彈丸相對(duì)速度。

當(dāng)Sg≥1.3時(shí)彈丸具有陀螺穩(wěn)定性。

1.2.2動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判據(jù)

僅滿足陀螺穩(wěn)定性判據(jù)的彈丸，在飛行中雖能穩(wěn)定飛行，但其攻角可能會(huì)一直較大，特別當(dāng)彈丸飛行中受到一定擾動(dòng)出現(xiàn)攻角振蕩時(shí)，彈丸攻角會(huì)一直振蕩下去，而同時(shí)滿足動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的彈丸，飛行中在攻角阻尼作用下，攻角會(huì)趨于減小，攻角振蕩減弱。動(dòng)態(tài)穩(wěn)定因子為

(2)

(3)

1.2.3追隨穩(wěn)定性判據(jù)

動(dòng)力平衡角過大會(huì)影響彈丸射程，增大落點(diǎn)散布，甚至出現(xiàn)彈底著地，引信不起爆現(xiàn)象。動(dòng)力平衡角最大值出現(xiàn)在最大射角射擊時(shí)的彈道頂點(diǎn)附近，只要該值小于限制值δpm,則認(rèn)為彈丸具有追隨穩(wěn)定性。對(duì)于右旋彈丸只考慮靜力矩時(shí)的動(dòng)力平衡角為

(4)

2　存在彈道風(fēng)時(shí)阻力片打開對(duì)彈丸彈道穩(wěn)定性的影響

彈道風(fēng)主要包括彈道縱風(fēng)(彈丸射擊方向)和彈道橫風(fēng)(垂直于射擊方向)。彈道風(fēng)大小是隨大氣高度不斷變化的，以我國某地區(qū)不同高度實(shí)測(cè)風(fēng)速數(shù)據(jù)[7]為依據(jù)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行一定簡化，假設(shè)彈道風(fēng)大小隨高度變化公式為

(5)

2.1彈道橫風(fēng)對(duì)阻力片不同打開時(shí)刻彈丸彈道穩(wěn)定性影響

以某型100 mm一維彈道修正彈阻力片打開后產(chǎn)生原彈丸3.5倍阻力系數(shù)為仿真初始條件，在36°射角下設(shè)立如下仿真條件(無彈道縱風(fēng))：

A0:無風(fēng)條件下彈丸不打開阻力片。

A1:順射擊方向看橫風(fēng)風(fēng)向由左向右，彈丸飛行10 s打開阻力片。

A2:順射擊方向看橫風(fēng)風(fēng)向由左向右，彈丸飛行17 s打開阻力片。

A3:順射擊方向看橫風(fēng)風(fēng)向由右向左，彈丸飛行10 s打開阻力片。

A4:順射擊方向看橫風(fēng)風(fēng)向由右向左，彈丸飛行17 s打開阻力片。

其中彈丸飛行10 s左右一般為彈載計(jì)算機(jī)開始工作后能產(chǎn)生修正指令的最早時(shí)刻，彈丸飛行17 s時(shí)為彈道頂點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[3]的研究結(jié)論，在彈丸亞聲速飛行條件下，設(shè)阻力片打開后彈丸升力系數(shù)、靜力矩系數(shù)不變，壓心位置后移約30%后不再隨速度的變化而移動(dòng)。

仿真結(jié)果表明，不同射角、阻力片不同時(shí)刻打開都會(huì)使彈丸陀螺穩(wěn)定性增強(qiáng)，這也驗(yàn)證了文獻(xiàn)[5]、[6]的結(jié)論，對(duì)此筆者不再列出仿真結(jié)果圖。

圖1、圖2分別為存在彈道橫風(fēng)時(shí)阻力片不同打開時(shí)刻條件下彈丸攻角變化、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判定值曲線圖。表1為不同彈道橫風(fēng)及阻力片不同打開時(shí)刻下彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。

表1　存在彈道橫風(fēng)時(shí)彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)

仿真序列 x/mz/mA1 6461.0262.5A3 6449.145.7無風(fēng)10s打開阻力片6459.7152.8A2 6989.8234.3A4 6979.549.0無風(fēng)17s打開阻力片6989.6140.2

從圖1中可看出，阻力片張開后彈丸攻角會(huì)不同程度的增大，且出現(xiàn)明顯的振蕩，但彈丸飛行一段時(shí)間后攻角減小，振蕩幅值減小。圖2為1/Sg+Sd2值隨時(shí)間變化曲線，結(jié)合式(3)可知，阻力片在不同時(shí)刻打開時(shí)，由于阻力系數(shù)突然增加產(chǎn)生的擾動(dòng)，使彈丸動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性降低，但判定曲線會(huì)很快下降到無控彈動(dòng)態(tài)穩(wěn)定判定值以下，說明彈丸動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性增強(qiáng)。這與圖1中阻力片打開后彈丸攻角突然增加且振蕩，一段時(shí)間后又開始減小并趨于穩(wěn)定相對(duì)應(yīng)。從圖2中可看出，阻力片打開時(shí)間越早曲線瞬間跳變值越大，說明對(duì)彈丸動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響越大。限于篇幅，沒有列出彈丸過彈道頂點(diǎn)以后打開阻力片彈道特性變化。圖1、圖2中A1與A3、A2與A4曲線幾乎重合，說明不同方向的彈道橫風(fēng)對(duì)彈丸飛行穩(wěn)定性的影響相似。

從表1可看出，不同方向的彈道橫風(fēng)對(duì)彈丸引起的側(cè)偏與無風(fēng)條件下彈丸側(cè)偏相差值較小，從射程上看，由左向右方向的彈道橫風(fēng)在一定程度上會(huì)增加彈丸射程，相反方向的彈道橫風(fēng)在一定程度上會(huì)減小彈丸射程。

2.2彈道橫風(fēng)對(duì)不同射角下打開阻力片后彈丸彈道穩(wěn)定性影響

根據(jù)2.1節(jié)研究結(jié)論，只研究存在由左向右彈道橫風(fēng)，風(fēng)速變化遵循式(5)，無彈道縱風(fēng)條件下，不同射角下阻力片打開彈丸飛行彈道穩(wěn)定性。

仿真條件設(shè)分別在20°、28°、36°和44°射角下彈丸飛行彈道頂點(diǎn)處打開阻力片。阻力片張開后彈丸攻角、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變化規(guī)律與2.1節(jié)中對(duì)一定彈道橫風(fēng)、阻力片不同時(shí)刻條件下對(duì)彈丸攻角、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律相似。

圖3為存在彈道橫風(fēng)時(shí)不同射角下阻力片打開對(duì)彈丸追隨穩(wěn)定性判定值曲線圖。

從圖3中可看出，阻力片張開后彈丸追隨穩(wěn)定性下降，在射角為44°條件下打開阻力片后，δ2p最大值超過1.3°，彈丸失去追隨穩(wěn)定性(該型彈最大射角下δpm為0.951 6°)。該仿真條件下彈丸側(cè)偏為319.2 m，阻力片不打開條件下側(cè)偏為261.7 m，側(cè)偏增大的原因有：前者仿真條件下彈丸飛行時(shí)間較后者多1.33 s；阻力片張開后一段時(shí)間里彈丸失去追隨穩(wěn)定性，但飛行一段時(shí)間后彈丸恢復(fù)追隨穩(wěn)定性?？傮w還可認(rèn)為彈丸滿足飛行穩(wěn)定性，只是因阻力片打開增加了彈丸橫向散布。

2.3彈道縱風(fēng)對(duì)阻力片不同打開時(shí)刻彈丸彈道穩(wěn)定性影響

設(shè)彈道縱風(fēng)大小按照式(5)變化(無彈道橫風(fēng))，在36°射角下設(shè)立如表2仿真條件，仿真結(jié)果如圖4和表3所示。

表2　不同彈道縱風(fēng)下阻力片不同打開時(shí)間仿真條件設(shè)置表

表3　存在縱風(fēng)時(shí)彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)

仿真序列x/mz/mB16682.1157.5B36225.3151.6無風(fēng)10s打開阻力片6459.7152.8B27194.6144.5B46770.2139.7無風(fēng)17s打開阻力片6989.6140.2

其中圖4為存在彈道縱風(fēng)時(shí)阻力片不同時(shí)刻打開阻力片彈丸攻角變化曲線，表3為相應(yīng)彈丸落點(diǎn)坐標(biāo)。

從圖4中可看出，相同大小彈道縱風(fēng)、相同時(shí)間打開阻力片條件下，彈道順風(fēng)環(huán)境下阻力片打開后對(duì)彈丸攻角的影響較彈道逆風(fēng)大。在彈丸動(dòng)穩(wěn)定性判定值曲線圖中B1、B3，B2、B4曲線幾乎重合，說明相同大小、不同方向的彈道縱風(fēng)環(huán)境下，阻力片打開后彈丸動(dòng)穩(wěn)定變化基本相同。從表3中可看出，阻力片在10 s打開時(shí)彈道順風(fēng)和彈道逆風(fēng)引起的射程改變量分別為222.4 m、-234.4 m，阻力片在17 s打開時(shí)彈道順風(fēng)和彈道逆風(fēng)引起的射程改變量分別為205 m、-219.4 m，說明相同大小彈道縱風(fēng)條件下，彈道逆風(fēng)引起的射程改變量較彈道順風(fēng)大。彈道縱風(fēng)對(duì)彈丸側(cè)偏較無風(fēng)條件下影響較小。

2.4彈道縱風(fēng)對(duì)不同射角下打開阻力片后彈丸彈道穩(wěn)定性影響

根據(jù)2.3節(jié)研究結(jié)論，只研究存在彈道順風(fēng)，風(fēng)速變化遵循式(5)，無彈道橫風(fēng)時(shí)，不同射角下阻力片打開彈丸飛行彈道穩(wěn)定性。

仿真條件設(shè)分別在20°、28°、36°、44°射角下彈丸飛行彈道頂點(diǎn)處打開阻力片。

仿真結(jié)果表明：阻力片張開后彈丸攻角、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性變化規(guī)律與2.3節(jié)中同一彈道縱風(fēng)、不同時(shí)刻打開阻力片對(duì)彈丸攻角、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響規(guī)律相似，筆者不再列圖說明。

圖5為不同射角下彈道縱風(fēng)對(duì)彈丸追隨穩(wěn)定性判定值影響，從圖5中可看出，阻力片張開后彈丸追隨穩(wěn)定性下降，在射角為44°條件下打開阻力片后， 最大值約為1.4°，彈丸失去追隨穩(wěn)定性。該仿真條件下彈丸側(cè)偏為200.7 m，阻力片不打開條件下側(cè)偏為178.1 m，側(cè)偏增大的原因有：前者仿真條件下彈丸飛行時(shí)間較后者多1.31 s；阻力片張開后一段時(shí)間里彈丸失去追隨穩(wěn)定性，但飛行一段時(shí)間后彈丸恢復(fù)追隨穩(wěn)定性?？傮w還可認(rèn)為彈丸滿足飛行穩(wěn)定性，只是因阻力片打開增加了彈丸橫向散布。

3　初始角速度擾動(dòng)對(duì)彈丸彈道穩(wěn)定性的影響

初始角速度擾動(dòng)主要包括Oη(位于鉛垂面內(nèi)，垂直于彈軸，向上為正)、Oζ(由右手螺旋定則確定)2個(gè)方向上的擾動(dòng)，設(shè)2個(gè)方向上的初始角速度擾動(dòng)分別為ωη0、ωζ0。在前期的研究中發(fā)現(xiàn)，2個(gè)方向上的初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響相似，筆者以O(shè)η方向上存在初始角速度為例，進(jìn)行仿真說明。

3.1初始角速度擾動(dòng)下阻力片不同打開時(shí)刻彈丸彈道穩(wěn)定性研究

在36°射角下，設(shè)立如表4仿真初始條件，仿真結(jié)果如圖6～8和表5所示，其中，圖6～8分別為不同初始角速度擾動(dòng)、阻力片不同打開時(shí)間下彈丸攻角曲線、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性判定值曲線和追隨穩(wěn)定性判定值曲線圖，表5為不同仿真條件下彈丸落點(diǎn)側(cè)偏數(shù)據(jù)。

表4　不同角速度擾動(dòng)時(shí)仿真條件設(shè)置

圖6～8中，C1被C3曲線覆蓋，C4被C6曲線覆蓋。從圖6中可看出，存在初始角速度擾動(dòng)時(shí)，彈丸在出炮口后攻角會(huì)出現(xiàn)劇烈的振蕩，從攻角變化趨勢(shì)看，在彈丸出現(xiàn)攻角振蕩期間阻力片打開對(duì)彈丸飛行攻角變化影響不大。從圖7中可看出，初始角速度擾動(dòng)總體對(duì)彈丸動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響較小。從圖8中可看出阻力片打開時(shí)間越早，追隨穩(wěn)定性判定值(動(dòng)力平衡角)最大值越大，說明對(duì)彈丸追穩(wěn)定性影響越大。從表5彈丸落點(diǎn)側(cè)偏來看，阻力片打開對(duì)比不打開，彈丸落點(diǎn)側(cè)偏明顯增大，且打開時(shí)間越早引起的側(cè)偏值越大，這與阻力片打開時(shí)間越早，對(duì)飛行追隨穩(wěn)定性影響越大相對(duì)應(yīng)。

表5　彈丸落點(diǎn)側(cè)偏表

3.2初始角速度擾動(dòng)下射角取不同值時(shí)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性研究

從3.1節(jié)中可看出，在36°射角條件下，初始角速度擾動(dòng)對(duì)彈丸彈道穩(wěn)定性影響不大，為研究在其他射角下初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響，筆者主要研究在20°、28°、44°射角條件下，初始角速度擾動(dòng)ωη0=3 rad/s、阻力片在彈道頂點(diǎn)打開時(shí)對(duì)彈丸彈道穩(wěn)定性的影響。圖9～10分別為一定初始角速度擾動(dòng)、不同射角下阻力片打開后彈丸攻角曲線圖和追隨穩(wěn)定性判定值曲線圖。

圖9曲線變化規(guī)律與圖6相似，說明初始角速度擾動(dòng)對(duì)不同射角情況下彈丸飛行攻角影響規(guī)律相同，都使彈丸出炮口后產(chǎn)生較大的攻角幅值振蕩，但對(duì)阻力片打開后攻角變化規(guī)律影響不大。不同射角下初始角速度擾動(dòng)對(duì)彈丸陀螺穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性影響不大，較無擾動(dòng)情況沒有明顯變化，本文不再列圖說明。從圖10中可看出在44°射角射擊時(shí)若阻力片在彈頂甚至之前打開，則彈丸飛行將明顯失去追隨穩(wěn)定性，飛行一段時(shí)間后將再恢復(fù)追隨穩(wěn)定性，這將使彈丸落點(diǎn)側(cè)偏不同程度增大。

總體來說初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響較小，在初始角速度擾動(dòng)合理范圍內(nèi)，一維彈道修正彈阻力片打開對(duì)彈丸飛行穩(wěn)定性影響不大，彈丸可繼續(xù)穩(wěn)定飛行。

4　結(jié)論

筆者以某型100 mm一維彈道修正彈為例，分析了彈道風(fēng)、初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響。仿真結(jié)果表明：彈道風(fēng)的存在使彈丸出炮口后產(chǎn)生較大攻角，但攻角會(huì)很快減小；阻力片的張開會(huì)使彈丸攻角瞬間增大，并伴有一定幅值的振蕩，一段時(shí)間后攻角及振蕩幅值都會(huì)減??；阻力片的張開會(huì)使彈丸陀螺穩(wěn)定性增強(qiáng)，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性先減弱后增強(qiáng)，追隨穩(wěn)定性減弱，且阻力片張開越早，追隨穩(wěn)定性減弱越明顯，彈丸落點(diǎn)側(cè)偏增大。初始角速度擾動(dòng)會(huì)使彈丸出炮口后產(chǎn)生較大幅值的攻角振蕩，阻力片打開后攻角增加，且仍伴隨一定的幅值振蕩。總體來說，彈道風(fēng)、初始角速度擾動(dòng)對(duì)一維彈道修正彈彈道穩(wěn)定性的影響較小，在一般氣象條件及初始角速度擾動(dòng)下，阻力片打開后彈丸可照樣保持一定的飛行穩(wěn)定性。

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SONG Piji. Exterior ballistics of gun and rocket[M]. Beijing：The Publishing House of Ordance Industry, 1993：140- 146.(in Chinese)

Study on Ballistic Stability of One Dimension Trajectory Correction Projectile in Non-standard Conditions

WU Hanzhou1，SONG Weidong1，XU Jingqing2

(1.Department of Artillery Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China；2.Department of Ammunition Engineering, Ordnance Engineering College, Shijiazhuang050003, Hebei, China)

An analysis is made of the ballistic stability around the time when the damper opened, and also of the influence of trajectory wind and initial angular velocity perturbation to the ballistic stability of one dimension ballistic correction projectiles. With a certain type of 100mm one dimension trajectory correction projectile as the research object, six DOF rigid body model was established. The simulation results show that the influence of trajectory wind and initial angular velocity on the ballistic stability of one dimension ballistic correction projectiles is slight. The projectile can have stable flight under the general meteorology conditions and initial angular velocity perturbation when the damper opened. The opening of the damper can increase the attack angle, accompanied with a measure of concussion. The gyro stability is enhanced, and the following stability weakened when the damper opened. First, the dynamic stability is at first weakened and then enhanced when the damper opened. The yaw is increased after the damper opened.

one dimension trajectory correction；trajectory wind；initial angular velocity perturbation；ballistic stability

10.19323/j.issn.1673-6524.2016.02.005

2015-07-02

吳漢洲(1989—)，男，碩士研究生，主要從事彈箭彈道理論與應(yīng)用技術(shù)研究。E-mail：18633049479@163.com

TJ012.3+1

A

1673-6524(2016)02-0019-06