彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中外彈道模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊東陽(yáng),毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中外彈道模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

楊東陽(yáng),毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)彈藥外彈道性能的快速預(yù)測(cè)和分析,搭建了外彈道性能分析模塊的軟件體系架構(gòu),詳細(xì)分析了其功能結(jié)構(gòu)組成,并對(duì)經(jīng)典外彈道分析模型及飛行穩(wěn)定性分析模型進(jìn)行梳理,通過(guò)Visual Studio 2010 C++下的MFC框架設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了彈藥外彈道性能分析軟件。利用此軟件對(duì)某制式彈丸的外彈道性能進(jìn)行計(jì)算分析,與實(shí)彈發(fā)射數(shù)據(jù)相比,兩者吻合較好。彈藥外彈道模塊的實(shí)現(xiàn)為彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。

快速設(shè)計(jì);彈藥;外彈道模塊;性能分析

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是高技術(shù)的戰(zhàn)爭(zhēng),戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境瞬息萬(wàn)變,新型目標(biāo)層出不窮,使其對(duì)彈藥的研制提出了更高的要求,傳統(tǒng)“畫加打”的研制模式已不能再適應(yīng)[1]。彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法引入到彈藥設(shè)計(jì)領(lǐng)域,集知識(shí)庫(kù)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體,實(shí)現(xiàn)基于知識(shí)驅(qū)動(dòng)下彈藥結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計(jì)和性能預(yù)估,從而提高彈藥的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量[2]。外彈道性能計(jì)算是彈藥設(shè)計(jì)中必不可缺的重要環(huán)節(jié),它的好壞直接影響彈丸飛向目標(biāo)的精準(zhǔn)性,從而影響最終對(duì)目標(biāo)的打擊效果。因此,在整個(gè)彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中,外彈道模塊的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。文中基于對(duì)整個(gè)彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的考慮,搭建了外彈道模塊的體系框架結(jié)構(gòu),詳細(xì)分析了其功能組成,通過(guò)引入經(jīng)典外彈道模型及相關(guān)飛行穩(wěn)定分析模型,并采用Visual Studio 2010 C++內(nèi)的MFC框架[3]設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了外彈道計(jì)算分析軟件,從而為彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)奠定了重要的基礎(chǔ)。

1 外彈道模塊的設(shè)計(jì)

1.1 外彈道模塊架構(gòu)的搭建

彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)分解、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、部件性能分析、整彈結(jié)構(gòu)拼裝、整彈性能分析等5大功能模塊組成[4],如圖1所示。

圖1 彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)模塊組成

外彈道模塊屬于整彈性能分析模塊中的子模塊,在整彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后,通過(guò)調(diào)用外彈道模塊進(jìn)行外

彈道性能的預(yù)測(cè)。

整彈性能分析模塊將內(nèi)彈道、外彈道、終點(diǎn)彈道性能分析模型以程序代碼的形式嵌入在彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)中。其中內(nèi)彈道模塊根據(jù)彈藥的結(jié)構(gòu)參數(shù)、炮膛藥室容積與發(fā)射藥性質(zhì),計(jì)算最大膛壓、出炮口速度等;外彈道模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈藥參數(shù)與周邊發(fā)射環(huán)境計(jì)算落速、射程、飛行時(shí)間等;終點(diǎn)彈道模塊計(jì)算包括目標(biāo)函數(shù)與約束條件在內(nèi)的需要輸出的能表征彈藥威力的性能參數(shù)。彈藥的快速設(shè)計(jì)在知識(shí)驅(qū)動(dòng)下完成[5]。因此知識(shí)驅(qū)動(dòng)下的外彈道計(jì)算模塊接受參數(shù)化快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)或設(shè)計(jì)人員輸入的彈藥各部件具體尺寸、內(nèi)彈道計(jì)算參數(shù)以及知識(shí)庫(kù)中的各種彈道表參數(shù)、氣動(dòng)參數(shù)、試驗(yàn)結(jié)果等,外彈道模塊的計(jì)算結(jié)果也為終點(diǎn)彈道性能分析模塊的計(jì)算提供前提輸入。

外彈道模塊在體系框架上主要分為3層,即全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)層、功能層、界面層,如圖2所示。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)計(jì)算相關(guān)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)等,為整個(gè)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,主要包括產(chǎn)品實(shí)例庫(kù)、分析模型庫(kù)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等;功能層執(zhí)行系統(tǒng)的主要功能,主要包括模型選擇、氣動(dòng)力計(jì)算、彈道計(jì)算、飛行穩(wěn)定性計(jì)算;界面層即人機(jī)交互界面層,通過(guò)友好的界面與使用者進(jìn)行交互,主要為用戶提供系統(tǒng)界面顯示、數(shù)據(jù)顯示、信息輸入與輸出功能。

圖2 外彈道模塊基本結(jié)構(gòu)

1.2 外彈道模塊的功能設(shè)計(jì)

文中將外彈道功能模塊分為外彈道計(jì)算和飛行穩(wěn)定性計(jì)算兩大模塊,其組成如圖3所示。外彈道計(jì)算中目前主要包含了質(zhì)點(diǎn)彈道分析模型、修正質(zhì)點(diǎn)彈道分析模型和剛體彈道分析模型;飛行穩(wěn)定性計(jì)算主要包含了旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸的急螺穩(wěn)定性分析模型和飛行定向性分析模型[6]。由于系統(tǒng)的開(kāi)放性,系統(tǒng)支持其它外彈道分析模型的擴(kuò)充,可以將某個(gè)特定的外彈道分析模型嵌入到該模塊中,從而進(jìn)行特定分析。

圖3 外彈道模塊功能設(shè)計(jì)

目前,隨著發(fā)射平臺(tái)、彈藥種類的不斷發(fā)展變化以及在外彈道學(xué)中考慮的因素不同,外彈道模型類型眾多,都是以經(jīng)典模型為基礎(chǔ)增加力和力矩建立起來(lái)的新模型[7]。

文中所涵蓋的質(zhì)點(diǎn)彈道模型、修正質(zhì)點(diǎn)彈道模型和剛體彈道模型,這三個(gè)模型能夠滿足使用者基本需要,同時(shí)也方便使用者進(jìn)行操作。

以修正質(zhì)點(diǎn)彈道為例,該模型在質(zhì)點(diǎn)彈道模型基礎(chǔ)上增加了一個(gè)彈丸自轉(zhuǎn)方程(即彈丸繞過(guò)質(zhì)心的彈軸的角運(yùn)動(dòng)方程),考慮了誘導(dǎo)阻力、升力、馬格努斯力、極阻尼力矩對(duì)彈丸運(yùn)動(dòng)的影響,計(jì)算誤差比質(zhì)點(diǎn)彈道方程小得多,計(jì)算速度比剛體彈道方程快,數(shù)學(xué)表達(dá)式[8]如下:

(1)

2 外彈道模塊的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 軟件開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

在Visual Studio 2010集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下,采用C++語(yǔ)言并利用MFC框架對(duì)外彈道模塊進(jìn)行了開(kāi)發(fā)。MFC是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)與應(yīng)用框架的完美結(jié)合,它將傳統(tǒng)的API進(jìn)行分類封裝,并包含一個(gè)應(yīng)用程序框架,從而使得程序設(shè)計(jì)更為便捷。圖4為外彈道模塊中剛體彈道計(jì)算和急螺穩(wěn)定性計(jì)算的工作界面。

圖4 外彈道模塊工作界面圖

2.2 實(shí)例計(jì)算及分析

以某制式殺爆彈為例來(lái)驗(yàn)證外彈道模塊的各項(xiàng)功能和計(jì)算結(jié)果的可靠性。初始條件如下:初始射角45°,初始速度930 m/s,赤道轉(zhuǎn)動(dòng)慣量1.223 6 kg/m2,極轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.142 64 kg/m2,彈重43.7 kg,彈長(zhǎng)703 mm,彈徑152 mm,圓柱部長(zhǎng)246.1 mm,圓柱部直徑151 mm,彈尾長(zhǎng)76 mm,彈尾直徑64 mm,彈形系數(shù)1.002。分別采用質(zhì)點(diǎn)彈道、修正質(zhì)點(diǎn)彈道和剛體彈道對(duì)其外彈道特性進(jìn)行分析,得到的計(jì)算結(jié)果如圖5所示。

圖5 計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖

通過(guò)與實(shí)彈發(fā)射數(shù)據(jù)相對(duì)比,剛體彈道和修正質(zhì)點(diǎn)彈道計(jì)算結(jié)果與實(shí)際數(shù)據(jù)接近,剛體彈道結(jié)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,修正質(zhì)點(diǎn)彈道計(jì)算時(shí)間比剛體彈道更短,質(zhì)點(diǎn)彈道計(jì)算結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)。此外,實(shí)例驗(yàn)證也表明開(kāi)發(fā)的外彈道性能分析模塊操作方便,計(jì)算結(jié)果可信。

3 結(jié)論

文中通過(guò)對(duì)外彈道模塊軟件架構(gòu)的設(shè)計(jì)、功能模塊的分析,以及外彈道分析模型的挖掘整理,最后借助Visual Studio 2010 C++開(kāi)發(fā)了外彈道性能分析軟件。利用某制式彈丸的數(shù)據(jù)對(duì)軟件的可操作性和結(jié)果的可靠性進(jìn)行了對(duì)比分析,結(jié)果表明軟件調(diào)用方便、計(jì)算結(jié)果可信。外彈道模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為彈藥快速設(shè)計(jì)系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了重要的基礎(chǔ)。

[1] 王儒策. 彈藥工程 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

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[4] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東輝, 等. 彈丸設(shè)計(jì)理論 [M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)工業(yè)出版社, 1985.

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[8] 宋丕極. 槍炮與火箭外彈道學(xué) [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1993.

Design and Implementation of Exterior Ballistic Model in Ammunition Rapid Design System

YANG Dongyang,MAO Liang,JIANG Chunlan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To achieve rapid prediction and analysis on ammunition exterior ballistics performance, software architecture of exterior ballistic performance analysis module was built, composition of its structure and functions was analyzed in detail, classical exterior ballistic analysis model and flight stability analysis model were sorted out. Software of exterior ballistic analysis was developed by MFC frame of Visual Studio 2010 C++. The results of exterior ballistics performance of a standard projectile were calculated and analyzed by the software, compared with actual data, both were in good agreement. Achievement of ammunition exterior ballistics module lays an important foundation for development of rapid ammunition design system.

rapid design; ammunition; exterior ballistics model; performance analysis

2014-07-31

國(guó)防基礎(chǔ)科研計(jì)劃(A2220110003)資助

楊東陽(yáng)(1989-),男,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,碩士研究生,研究方向:毀傷與彈藥工程。

TJ012.3

A