多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)進(jìn)展與應(yīng)用*

芮筱亭

(南京理工大學(xué)發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所 南京， 210094)

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?專家論壇?

多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)進(jìn)展與應(yīng)用*

芮筱亭

(南京理工大學(xué)發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究所 南京， 210094)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對(duì)諸如多管火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等常規(guī)武器的射擊密集度的要求不斷提高。射擊密集度差、試驗(yàn)用彈量大、發(fā)射不安全成為制約現(xiàn)代常規(guī)武器發(fā)展的難題。武器射擊密集度和發(fā)射安全性取決于武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，發(fā)射動(dòng)力學(xué)作為研究武器系統(tǒng)發(fā)射過程中受力和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門新興學(xué)科分支，在國際上已成為提高武器射擊密集度和發(fā)射安全性的新技術(shù)突破口。針對(duì)上述情況，介紹了多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)進(jìn)展及其在武器射擊密集度和安全性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)中的應(yīng)用，為武器射擊密集度和安全性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供新理論與技術(shù)。

射擊精度；試驗(yàn)用彈量；發(fā)射安全性；多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)；多體系統(tǒng)傳遞矩陣法

引 言

我國武器裝備在經(jīng)歷了仿制、仿研階段后，現(xiàn)已進(jìn)入自主研發(fā)創(chuàng)新的新階段。在解決了武器裝備有無問題之后，提高武器裝備性能就成為當(dāng)前我國武器裝備發(fā)展急需解決的重要問題。武器發(fā)展面臨著提高射擊密集度、減少試驗(yàn)成本、保證發(fā)射安全三類瓶頸難題。

射擊精度(包括射擊準(zhǔn)確度和射擊密集度)，是必須用試驗(yàn)考核的武器裝備必須滿足的關(guān)鍵戰(zhàn)技指標(biāo)之一。長期以來，對(duì)常規(guī)兵器射擊精度的考核主要是考核射擊密集度。理論與試驗(yàn)研究表明，隨著機(jī)械加工和氣象測試技術(shù)的大幅提高，武器加工誤差和氣象條件對(duì)武器射擊密集度影響的權(quán)重大幅降低了，使彈箭起始擾動(dòng)成為影響火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等武器射擊密集度的主要因素，彈箭起始擾動(dòng)取決于武器發(fā)射過程中武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律[1-5]。

我國武器裝備射擊密集度設(shè)計(jì)由于還未能擺脫傳統(tǒng)的靜態(tài)設(shè)計(jì)模式而難以避免設(shè)計(jì)盲目性，導(dǎo)致武器射擊密集度差，經(jīng)常出現(xiàn)難以滿足指標(biāo)要求的情況，其中一個(gè)主要原因是通常動(dòng)力學(xué)方法難以滿足武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)快速計(jì)算的要求。

武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)快速計(jì)算方法是多體系統(tǒng)動(dòng)力和發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究的迫切需求，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法和有限元法是武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究的主要方法。但所有這些方法均需建立系統(tǒng)總體動(dòng)力學(xué)方程，涉及的系統(tǒng)矩陣階次正比于系統(tǒng)自由度數(shù)。隨著系統(tǒng)矩陣階次的提高，多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算速度成指數(shù)快速降低，因?yàn)閺?fù)雜武器系統(tǒng)總體動(dòng)力學(xué)方程涉及矩陣階次高而導(dǎo)致計(jì)算速度慢，無法滿足復(fù)雜武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)快速計(jì)算需要。

現(xiàn)代武器是由很多物體組成的復(fù)雜多體系統(tǒng)，建立發(fā)射過程武器多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)快速算法、模擬與測試手段，是武器射擊密集度和發(fā)射安全性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)的迫切需要。例如40管火箭，需要從40的階乘即從約8×1047個(gè)射擊順序中確定最佳射擊順序。因以往方法需要很長計(jì)算時(shí)間，所以無法設(shè)計(jì)出最佳射擊順序、結(jié)構(gòu)和射擊密集度，不能滿足多管火箭射擊密集度設(shè)計(jì)需求，這也是許多多管火箭難以達(dá)到最佳射擊密集度狀態(tài)的原因。

武器裝備射擊密集度是否滿足指標(biāo)要求需通過靶場射擊試驗(yàn)鑒定。現(xiàn)代武器研制過程中，武器試驗(yàn)費(fèi)用占據(jù)了武器研制費(fèi)用很大的比例，常規(guī)武器的這一比例通常約為20%～40%，其中，武器射擊密集度試驗(yàn)費(fèi)用通常是所有試驗(yàn)費(fèi)用中占比最大的。隨著現(xiàn)代武器性能不斷提高，其造價(jià)也變得愈來愈昂貴，試驗(yàn)成本很高。以往基于統(tǒng)計(jì)理論的多管火箭射擊密集度試驗(yàn)評(píng)估方法[6]，因無法利用落點(diǎn)坐標(biāo)以外的所有其他信息，需進(jìn)行高、低、常溫各3組，共9組滿管齊射試驗(yàn)。對(duì)某艦載50管火箭武器射擊密集度試驗(yàn)，僅一個(gè)射程角下就需進(jìn)行9組450發(fā)彈滿管齊射試驗(yàn)，試驗(yàn)耗彈量大。對(duì)某遠(yuǎn)程12管火箭，1發(fā)火箭彈的價(jià)格為100多萬元人民幣，一次試驗(yàn)需耗彈108發(fā)，僅耗彈費(fèi)用就超億元，加上試驗(yàn)費(fèi)用就更昂貴，耗資巨大。因此，軍方、工業(yè)部門及國家靶場等各方面急需減少試驗(yàn)用彈量，以大幅減少試驗(yàn)成本。如何減少武器裝備評(píng)估試驗(yàn)成本已成為現(xiàn)代武器裝備發(fā)展急需解決的重大國際難題。

現(xiàn)代武器向著大口徑、遠(yuǎn)射程及大威力方向發(fā)展，高初速、高膛壓和高裝填密度已成為現(xiàn)代武器的重要特征，發(fā)射環(huán)境愈發(fā)惡劣。由于缺乏發(fā)射安全性設(shè)計(jì)與檢測手段，無法揭示現(xiàn)代武器在4 000oC超高溫、7 000大氣壓超高壓、200km/s2超高過載、2km/s超高速以及1 000kN超高沖擊等極端發(fā)射環(huán)境下意外爆炸的機(jī)理，導(dǎo)致世界各國相繼在武器研制、試驗(yàn)、軍事演習(xí)和戰(zhàn)場上頻頻發(fā)生膛炸、早炸及解體等發(fā)射安全性事故，我國在火炮彈藥研制與試驗(yàn)中也發(fā)生了近百次發(fā)射不安全事故。發(fā)射安全性備受國內(nèi)外兵器界的廣泛關(guān)注，如何評(píng)估和提高彈藥武器發(fā)射安全性以避免發(fā)射不安全導(dǎo)致指戰(zhàn)員和武器裝備致命性毀傷已成為各軍事強(qiáng)國競相攻關(guān)解決的重大理論與技術(shù)難題。

武器射擊密集度、發(fā)射安全性等動(dòng)力學(xué)性能取決于武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律，因此，研究發(fā)射過程中武器系統(tǒng)受力與運(yùn)動(dòng)規(guī)律的一門新興學(xué)科分支——發(fā)射動(dòng)力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生[1-5]。發(fā)射動(dòng)力學(xué)的研究為武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供解決提高武器射擊密集度、減少試驗(yàn)成本及保證發(fā)射安全三類共性難題的理論、方法和手段，并在國際上很快就發(fā)展成為提高武器射擊密集度和發(fā)射安全性的新技術(shù)突破口，對(duì)現(xiàn)代武器動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)發(fā)揮了非常重要的作用，成為當(dāng)代兵器科學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)，有關(guān)理論與技術(shù)研究非常活躍。發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究跨度大，涉及到內(nèi)彈道學(xué)、外彈道學(xué)、中間彈道學(xué)、燃燒氣體動(dòng)力學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、火炮動(dòng)力學(xué)、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)、振動(dòng)理論以及現(xiàn)代測試技術(shù)等方面的重要內(nèi)容。

針對(duì)火箭、火炮、坦克及裝甲車輛等武器射擊密集度差、試驗(yàn)用彈量大、發(fā)射不安全等技術(shù)難題，筆者從基本思想、基本理論、關(guān)鍵技術(shù)發(fā)明到重大工程應(yīng)用，建立了多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)體系[1-5]，提升了武器射擊密集度和發(fā)射安全性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)水平，解決了9種國家高新工程等13型武器提高射擊密集度、減少試驗(yàn)消耗、保證發(fā)射安全的國家急需[1-3, 7]，已裝備部隊(duì)，產(chǎn)生了重大的經(jīng)濟(jì)、軍事與社會(huì)效益。

1 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法

為解決現(xiàn)代武器動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)所涉及的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)快速計(jì)算理論、高效仿真與設(shè)計(jì)平臺(tái)、先進(jìn)模擬與測試手段難題，筆者建立了多體系統(tǒng)傳遞矩陣法(transfermatrixmethodformultibodysystems，簡稱MSTMM)及其理論體系[1, 8-16]：1993年開始，提出多體系統(tǒng)傳遞矩陣法，用傳遞方程研究各狀態(tài)矢量之間傳遞關(guān)系，經(jīng)20多年發(fā)展完善，揭示了多體系統(tǒng)中任意端點(diǎn)間的狀態(tài)矢量嚴(yán)格的線性關(guān)系；提出了總傳遞方程自動(dòng)推導(dǎo)定理[15]；創(chuàng)建了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設(shè)計(jì)大型軟件；獲多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)、模擬、測試裝置與方法共17項(xiàng)國家發(fā)明專利，并主持實(shí)施。實(shí)現(xiàn)了多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)研究無需系統(tǒng)總體動(dòng)力學(xué)方程、系統(tǒng)矩陣階次低的快速計(jì)算以及自動(dòng)推導(dǎo)三方面突破[1-5, 8-16]，為武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)快速計(jì)算、設(shè)計(jì)、分析、優(yōu)化及試驗(yàn)提供了新理論與高效的數(shù)字化平臺(tái)，為多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)和發(fā)射動(dòng)力學(xué)研究提供了全新的方法，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜兵器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)及其下述三大類工程應(yīng)用。所取得的成果為復(fù)雜武器射擊密集度和發(fā)射安全性設(shè)計(jì)與試驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)，解決了多項(xiàng)國家高新工程技術(shù)難題[1-5,7]。

多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的思路是：首先“化整為零”，把復(fù)雜的多體系統(tǒng)“分割”成若干個(gè)元件，將各元件的力學(xué)特性用矩陣表示，就像建筑大樓的“磚塊”，可事先建立好元件的傳遞矩陣庫；其次用這些磚塊“拼裝”成系統(tǒng)，建成“大樓”。系統(tǒng)的“拼裝”，僅相當(dāng)于這些矩陣相乘，就能獲得系統(tǒng)的總傳遞方程和總傳遞矩陣，求解傳遞方程，即可求得系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的時(shí)間歷程。通過研究，澄清了國際上爭議已久的彈丸膛內(nèi)逆進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象，并給出了彈丸逆進(jìn)動(dòng)條件，為高精度彈丸設(shè)計(jì)指明了參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方向，為高精度火炮設(shè)計(jì)解決了等齊膛線與漸速膛線的選擇問題。研究了彈丸后效期對(duì)武器精度的影響程度問題，從而確定了提高武器精度的主攻方向。揭示了許多武器普遍存在的嚴(yán)重影響武器精度的“離群彈”、“彈丸落點(diǎn)分堆”、“同一武器在不同硬度地面精度差別大”、“不同裝填方式精度差別大”現(xiàn)象的火炮空回、不同硬度地面使火炮與地面接觸剛度不同等非線性射擊導(dǎo)致彈丸起始擾動(dòng)差別大，從而導(dǎo)致武器精度差別大的機(jī)理。

圖1為多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設(shè)計(jì)軟件界面，圖2為多體系統(tǒng)傳遞矩陣法與Lagrange方法計(jì)算時(shí)間的對(duì)比。

圖1 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設(shè)計(jì)軟件界面Fig.1 Interface for the visual simulation and design software of the transfer matrix method for multibody systems

圖2 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法與Lagrange方法計(jì)算時(shí)間對(duì)比Fig.2 Comparison of the computational time between the transfer matrix method for multibody systems and the Lagrange method

多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的傳遞方程揭示了多體系統(tǒng)力學(xué)參量之間普遍的傳遞規(guī)律，狀態(tài)變量用物理坐標(biāo)描述，傳遞矩陣隨時(shí)間變化。無論線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)中各點(diǎn)的狀態(tài)矢量互呈嚴(yán)格線性關(guān)系，因此其嚴(yán)格適用于一般非線性系統(tǒng)，完全不同于經(jīng)典傳遞矩陣法。經(jīng)典傳遞矩陣法中的狀態(tài)變量用模態(tài)坐標(biāo)描述，傳遞矩陣與時(shí)間無關(guān)，只適用于線性時(shí)不變系統(tǒng)。

多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)，催生了武器動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)65項(xiàng)發(fā)明專利，降低了我國兵器研制成本，縮短了研制周期，提高了我國兵器動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)水平和我國兵器使用安全性三大類應(yīng)用。

2 武器射擊密集度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)發(fā)射動(dòng)力學(xué)新原理

2.1 武器射擊密集度小起始擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)新原理與方法

各國競相提高兵器核心戰(zhàn)技指標(biāo)之一的射擊密集度來提高武器毀傷效能。我國數(shù)百億計(jì)的彈藥武器中的絕大多數(shù)是無控彈藥，為了提高武器密集度，基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法，筆者提出了武器射擊密集度小起始擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)新原理與方法，獲小起始擾動(dòng)武器射擊密集度設(shè)計(jì)方法與試驗(yàn)裝置共21項(xiàng)國家發(fā)明專利[17-19]，并經(jīng)大量工程應(yīng)用加以實(shí)施和完善。據(jù)此，在多種武器工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，牽頭制定了我國首部多管火箭炮射擊精度總體設(shè)計(jì)國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和中國兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，大幅提升了武器射擊密集度設(shè)計(jì)水平。主持完成提高型號(hào)項(xiàng)目某艦載、機(jī)載、車載武器射擊密集度的設(shè)計(jì)方案，分別被我國兵器、船舶、航空及航天工業(yè)部門用于武器設(shè)計(jì)，大幅度提高了8種武器射擊密集度，包括某艦載火箭破障車、某機(jī)載多管火箭、某122多管火箭、某自行加榴炮、某艦載多管火箭炮、某增程彈武器系統(tǒng)、某300mm遠(yuǎn)程多管火箭以及某淺灘火箭破障武器系統(tǒng)，其中某機(jī)載多管火箭精度提高到270%。

武器射擊密集度設(shè)計(jì)的原理是：應(yīng)用上述多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與平臺(tái)，對(duì)武器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與動(dòng)力學(xué)參數(shù)(包括質(zhì)量、剛度、阻尼及其分布與射序和射擊間隔等)優(yōu)化設(shè)計(jì)，減小起始擾動(dòng)，提高武器射擊密集度。武器射擊密集度設(shè)計(jì)的方法是：從武器系統(tǒng)構(gòu)思開始，理論、計(jì)算與試驗(yàn)三方面預(yù)測、評(píng)估、比較當(dāng)前與此前武器射擊密集度總體設(shè)計(jì)方案效果的迭代過程，以獲取最佳的滿足射擊密集度指標(biāo)的設(shè)計(jì)方案。圖3為某新型122mm多管火箭炮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，圖中數(shù)字標(biāo)號(hào)為各元件序號(hào)，內(nèi)涵見文獻(xiàn)[3]。圖4為某新122mm多管火箭炮定向器側(cè)向角速度仿真與測試結(jié)果。圖5為某火炮彈丸膛內(nèi)擺動(dòng)軌跡測試結(jié)果。圖6為應(yīng)用武器系統(tǒng)射擊密集度小起始擾動(dòng)動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)新原理與方法獲得的某新型機(jī)載多管火箭高射擊密集度射序優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，使該新型機(jī)載多管火箭射擊密集度提高了2.7倍，從原來的1/88提高至1/245；并使某車載多管火箭射擊密集度提高了4倍，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

圖3 某新型122 mm多管火箭炮系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Dynamics model of a new type 122 mm multiple launch rocket system

圖4 某新型122 mm多管火箭炮定向器側(cè)向角速度Fig.4 Lateral angular velocity of the directional device of a new type 122 mm multiple launch rocket system

圖5 某火炮彈丸膛內(nèi)擺動(dòng)軌跡測試結(jié)果Fig.5 Test results of the swinging trajectory of a projectile in bore

圖6 某機(jī)載多管火箭高射擊密集度射序優(yōu)化設(shè)計(jì)方案Fig.6 Optimal scheme of firing order of an airborne multiple launch rocket system for improving the firing dispersion

彈箭起始擾動(dòng)即彈箭炮口運(yùn)動(dòng)參量的偏差，是無控武器射擊精度的主要影響因素，減小起始擾動(dòng)可提高武器射擊精度。射擊精度包括射擊密集度和射擊準(zhǔn)確度兩方面，任一方面的改進(jìn)都將提高射擊精度。減小起始擾動(dòng)，通常包括減小其平均值和均方差兩個(gè)方面。減小起始擾動(dòng)平均值將提高射擊準(zhǔn)確度，減小其均方差將提高射擊密集度。當(dāng)起始擾動(dòng)平均值非常小，起始擾動(dòng)減小僅提高射擊密集度，即射擊精度。

射擊精度CEP的一般定義為

dXdZ=P

當(dāng)P=50%時(shí)的R就是CEP。

國軍標(biāo)GJB349.13A-97《火箭炮定型試驗(yàn)規(guī)程》規(guī)定用射擊密集度表征射擊精度

目前，我國有些武器正是用射擊密集度表征射擊精度進(jìn)行試驗(yàn)考核，如某機(jī)載多管火箭等。

需要指出的是，武器射擊密集度小起始擾動(dòng)設(shè)計(jì)是用物理手段達(dá)到的彈箭炮口運(yùn)動(dòng)參量偏差小的實(shí)際物理效果，與小攝動(dòng)理論是完全不同的概念。小攝動(dòng)理論是一種數(shù)學(xué)理論。

2.2 用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)新原理與方法

各軍事強(qiáng)國競相探索試驗(yàn)新方法來減少武器試驗(yàn)消耗。為解決現(xiàn)代武器射擊密集度鑒定試驗(yàn)費(fèi)用昂貴的問題，筆者提出了用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)新原理與方法[3]，獲7項(xiàng)相關(guān)國家發(fā)明專利[20-21]。據(jù)此，在多種武器射擊密集度試驗(yàn)工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，牽頭制定了我國首部非滿管射擊密集度試驗(yàn)評(píng)定中國兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，被國家靶場用于機(jī)載、艦載及車載多管火箭等10種武器系統(tǒng)試驗(yàn)，包括某遠(yuǎn)程多管火箭增程彈、某多管火箭末敏彈、某遠(yuǎn)程火箭炮系統(tǒng)、某艦載火箭破障車、某工程增程彈、某機(jī)載多管火箭、某輪式多管火箭、某履帶式多管火箭、某艦載火箭炮以及某122多管火箭等，用彈量比常規(guī)方法分別減少50%～86%，已產(chǎn)生巨大的直接經(jīng)濟(jì)效益。

用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)的原理是：只要找到與滿管齊射武器起始擾動(dòng)分布相同的非滿管射擊方式，就是兩種武器射擊密集度相同的射擊方式。用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)方法是：以多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，以滿管齊射和非滿管發(fā)射兩個(gè)系統(tǒng)的射擊密集度相同為約束條件，以試驗(yàn)用彈量最少為目標(biāo)，以動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)裝填方式、射序和射擊時(shí)間間隔為手段，通過大量計(jì)算、優(yōu)化，得到與滿管齊射武器射擊密集度分布相同的非滿管射擊武器射擊密集度試驗(yàn)方案，通過統(tǒng)計(jì)方法檢驗(yàn)兩種方案的射擊密集度，使其估計(jì)值無顯著差異，最終確定與滿管齊射方式系統(tǒng)射擊密集度相同的非滿管發(fā)射方式。圖7為某多管火箭武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型，圖中數(shù)字標(biāo)號(hào)含義見文獻(xiàn)[3]。圖8為用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)方法流程圖。圖9為某多管火箭非滿管與滿管齊射密集度試驗(yàn)結(jié)果。

圖7 某多管火箭發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型Fig.7 Dynamics model of a certain type multiple launch rocket system

圖8 用非滿管裝填射擊替代起始擾動(dòng)相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗(yàn)方法流程圖Fig.8 Workflow of firing precision test by using non-full load firing instead of full load firing for equivalent initial disturbance

圖9 非滿管與滿管齊射密集度試驗(yàn)結(jié)果Fig.9 Results of firing dispersion test with non-full load and full load

3 發(fā)射安全性發(fā)射動(dòng)力學(xué)評(píng)估新原理

彈藥發(fā)射安全性主要包括發(fā)射裝藥發(fā)射安全性、炸藥裝藥發(fā)射安全性、引信發(fā)射安全性及彈丸發(fā)射安全性。只有對(duì)彈藥武器系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性與其結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行定量描述，并具有對(duì)彈藥發(fā)射動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算和試驗(yàn)的手段，才能建立發(fā)射安全性判據(jù)，保證武器發(fā)射安全性。針對(duì)我國彈藥安全的問題，亟待揭示膛炸、早炸及解體災(zāi)難性事故機(jī)理，進(jìn)行超高溫、高壓、高速及高過載彈藥發(fā)射安全性評(píng)估，筆者提出了起始動(dòng)態(tài)活度比等發(fā)射安全性評(píng)估新理論，揭示了低溫發(fā)射裝藥-擠壓-破碎-增面-增燃-增壓-膛炸等發(fā)射不安全機(jī)理，確定了新的發(fā)射安全性特征量與定量判據(jù)[7]，獲發(fā)射裝藥、炸藥裝藥、引信、制導(dǎo)炮彈極端發(fā)射環(huán)境模擬和安全性試驗(yàn)裝置與方法，共獲37項(xiàng)國家發(fā)明專利[22-26]，并主持相關(guān)實(shí)施。據(jù)此，在多種武器發(fā)射安全性評(píng)估工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，牽頭制定我國首部發(fā)射裝藥發(fā)射安全性試驗(yàn)定量評(píng)定國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和中國兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等11部標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了我國發(fā)射裝藥等發(fā)射安全性定量評(píng)估，被國家靶場和行業(yè)部門用于某迫榴炮引信、坦克炮發(fā)射裝藥及制導(dǎo)炮彈發(fā)射安全性檢測評(píng)估，提高了我國兵器發(fā)射安全性，保障了8種武器發(fā)射安全，包括某自行加榴炮引信、某迫榴炮引信、某制導(dǎo)炮彈、某新型坦克炮、某反坦克炮、某艦炮引信、某榴彈炮以及某破甲彈武器，消除發(fā)射安全性隱患。

3.1 發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評(píng)估方法

筆者提出了基于多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)原理的發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒與力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)裝置、發(fā)射裝藥動(dòng)態(tài)擠壓破碎試驗(yàn)裝置、發(fā)射裝藥動(dòng)態(tài)活度試驗(yàn)裝置及相應(yīng)的測試技術(shù)，建立了基于發(fā)射裝藥起始動(dòng)態(tài)活度比的發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評(píng)估方法，解決了相關(guān)發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評(píng)估難題[7]。圖10為發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒與力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)裝置。圖11為我國首臺(tái)發(fā)射裝藥動(dòng)態(tài)擠壓破碎試驗(yàn)裝置。

圖10 發(fā)射裝藥膛內(nèi)燃燒與力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)裝置Fig.10 Test device of combustion and mechanical environment in chamber for propellant charge

圖11 我國首臺(tái)發(fā)射裝藥動(dòng)態(tài)擠壓破碎試驗(yàn)裝置Fig.11 The first test device in our country of dynamic extrusion and fragmentation for propellant charge

3.2 炸藥發(fā)射安全性評(píng)估方法

炸藥裝藥發(fā)射安全性評(píng)估的核心，是要較真實(shí)地模擬炸藥裝藥的缺陷和炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境，從而模擬炸藥裝藥加載過程及其爆炸概率。應(yīng)用多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)，建立了膛壓發(fā)生器式炸藥裝藥發(fā)射安全性試驗(yàn)裝置，為揭示炸藥裝藥中空氣絕熱壓縮升溫使炸藥裝藥自燃引起膛炸機(jī)理提供了技術(shù)手段。圖12為炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境縱向過載膛壓模擬器式模擬裝置。圖13為我國首臺(tái)炸藥裝藥縱向和旋轉(zhuǎn)過載綜合模擬裝置。

圖12 炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境縱向過載膛壓模擬器式模擬裝置Fig.12 Simulator of chamber pressure with longitudinal overload during the launch process for explosive charge

圖13 我國首臺(tái)炸藥裝藥縱向和旋轉(zhuǎn)過載綜合模擬裝置Fig.13 The first synthetical simulator in our country of both longitudinal and rotational overload for explosive charge

3.3 引信發(fā)射安全性評(píng)估方法

基于多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)，筆者提出了高速旋轉(zhuǎn)彈丸三自由度角運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置和控制系統(tǒng)，建立了基于發(fā)射環(huán)境的引信早炸故障定位方法，獲得了高速旋轉(zhuǎn)彈丸自轉(zhuǎn)、章動(dòng)及進(jìn)動(dòng)彈道環(huán)境下引信機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線，完成了高速旋轉(zhuǎn)彈丸三自由度角運(yùn)動(dòng)彈道環(huán)境下引信系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)。圖14為我國首臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)彈丸三自由度角運(yùn)動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置，獲得了發(fā)射環(huán)境下渦輪引信擊針拔離盲孔時(shí)渦輪角加速度突變?cè)囼?yàn)曲線，如圖15所示。試驗(yàn)再現(xiàn)了引信早炸現(xiàn)象，揭示了某引信轉(zhuǎn)子在擊針拔離盲孔后迅速旋轉(zhuǎn)到位使擊針接觸雷管的早炸機(jī)理以及其他幾種引信的早炸機(jī)理，為引信設(shè)計(jì)改進(jìn)提供了決定性的手段和依據(jù)，提出了引信改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，消除了該引信早炸現(xiàn)象。

圖14 我國首臺(tái)高速旋轉(zhuǎn)彈丸三自由度角運(yùn)動(dòng)模擬裝置Fig.14 The first simulator of the three-degree-of-freedom angular motion for projectile with high spinning velocity

圖15 渦輪旋轉(zhuǎn)角加速度隨時(shí)間變化Fig.15 Time history of angular acceleration of the turbine

3.4 末制導(dǎo)炮彈發(fā)射安全性評(píng)估方法

基于多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)理論與技術(shù)，筆者提出了末制導(dǎo)炮彈密封試驗(yàn)方法、末制導(dǎo)炮彈預(yù)應(yīng)力試驗(yàn)方法及末制導(dǎo)炮彈強(qiáng)度試驗(yàn)方法，建立了基于發(fā)射環(huán)境的末制導(dǎo)炮彈解體定位方法，揭示了發(fā)射過程中末制導(dǎo)炮彈發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑應(yīng)力超限自燃的解體機(jī)理，提出了發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，消除了末制導(dǎo)炮彈解體現(xiàn)象。圖16為某末制導(dǎo)炮彈發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑高溫膨脹應(yīng)力增加試驗(yàn)照片，再現(xiàn)了發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑高溫發(fā)射應(yīng)力超限現(xiàn)象。

圖16 發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑高溫膨脹應(yīng)力增加試驗(yàn)Fig.16 Experiment of high temperature expansion and increasing stress of engine propellant

4 結(jié)束語

針對(duì)火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等常規(guī)武器發(fā)展面臨的提高射擊密集度、減少試驗(yàn)成本和保證發(fā)射安全等重大瓶頸難題，建立了多體系統(tǒng)傳遞矩陣法及其理論體系，為武器動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)提供了新的理論與技術(shù)。提出了武器系統(tǒng)射擊密集度設(shè)計(jì)與試驗(yàn)發(fā)射動(dòng)力學(xué)新原理，提升了武器系統(tǒng)射擊密集度及其設(shè)計(jì)與試驗(yàn)水平，大幅度減少了試驗(yàn)用彈量。提出了發(fā)射安全性動(dòng)力學(xué)評(píng)估新原理，保障了武器系統(tǒng)發(fā)射安全。研究成果用于9項(xiàng)國家高新工程等13型武器，提高射擊密集度1.2～4倍，減少試驗(yàn)用彈量50%～86%，未再出現(xiàn)發(fā)射安全事故記錄。

多體系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)在解決武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)與試驗(yàn)方面的重要作用得到了國內(nèi)外關(guān)注，并有望在未來幾年內(nèi)形成武器系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)機(jī)械化仿真與設(shè)計(jì)通用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)新概念多管火箭炮工程應(yīng)用、坦克裝甲車輛磁流變智能減振、彈藥發(fā)射安全性定量評(píng)定及其推廣應(yīng)用，進(jìn)一步提高武器動(dòng)力學(xué)性能，減少研制成本，提高武器發(fā)射安全性。

致謝 感謝課題組王國平教授、楊富鋒副教授、于海龍副教授、王燕講師、朱煒講師及丁建國教授的支持！

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*國家基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(613153，613308)

2016-12-28；

2017-01-10

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.02.001

TJ410.6；TH12

芮筱亭，男，1956年8月生，博士、研究員、博士生導(dǎo)師。主要研究方向?yàn)榛鸺c火炮武器系統(tǒng)發(fā)射動(dòng)力學(xué)。作為首席專家主持完成或在研“九七三”等國家重大和重點(diǎn)項(xiàng)目20余項(xiàng)；以排名第1獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)；授權(quán)國家發(fā)明專利82項(xiàng)、軟件著作權(quán)13項(xiàng)；出版專著6部；發(fā)表論文300余篇，其中SCIE收錄52篇，EI收錄176篇；牽頭制定國家軍用標(biāo)準(zhǔn)和中國兵器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)14部。 E-mail: ruixt@163.net