某輪式戰(zhàn)車導(dǎo)彈行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)特性研究

信義兵，黃 立，劉榮華，蔣華劍，張 凱

（武漢高德紅外股份有限公司，武漢 430070）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)形式變得異常復(fù)雜，如何提高武器系統(tǒng)的生存能力和多樣化作戰(zhàn)能力是近幾年重要的研究課題。美軍《2010 年聯(lián)合作戰(zhàn)設(shè)想》明確提出“武器系統(tǒng)要能在停止時(shí)使用，也能在運(yùn)動(dòng)中使用，以持續(xù)機(jī)動(dòng)的火力達(dá)到最大的作戰(zhàn)效能”［1］，這反映了美軍作戰(zhàn)原則的新變化，武器的發(fā)射方式將從固定式向機(jī)動(dòng)式跨越，近年來隨著光電跟蹤及伺服控制技術(shù)的成熟，使武器系統(tǒng)具備了邊走邊打的能力，因此，行進(jìn)間射擊必然成為衡量未來武器系統(tǒng)作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)。

某輪式戰(zhàn)車導(dǎo)彈武器系統(tǒng)導(dǎo)彈采用圖像主動(dòng)尋的制導(dǎo)體制，發(fā)射前通過導(dǎo)彈導(dǎo)引頭鎖定目標(biāo)，發(fā)射過程中必須滿足彈體擾動(dòng)要求，否則會(huì)因?yàn)閷?dǎo)引頭丟失鎖定的目標(biāo)使發(fā)射失?。?］。本文主要通過計(jì)算和仿真手段，借助SIMULINK 和ADAMS 軟件分別得到標(biāo)準(zhǔn)路面譜數(shù)據(jù)、路面和多剛體動(dòng)力學(xué)模型，并重點(diǎn)分析戰(zhàn)車在不同等級(jí)地面、不同行駛速度下導(dǎo)彈發(fā)射的出筒姿態(tài)參數(shù)，得到系統(tǒng)行進(jìn)間發(fā)射的初始邊界，為后續(xù)武器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和優(yōu)化提供必要的依據(jù)。

1 路面譜及路面文件

1.1 路面不平度模型

戰(zhàn)車在規(guī)定路面上行駛時(shí)，系統(tǒng)振動(dòng)激勵(lì)主要來自道路高低不平度。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB7031《車輛振動(dòng)輸入路面-路面平度表示方法》中建議采用垂直位移單邊功率譜密度Gd（n），來描述路面不平度的統(tǒng)計(jì)特性［3］：

標(biāo)準(zhǔn)中把路面不平度按照8 級(jí)進(jìn)行分類，規(guī)定了不同路面的Gd（n0）幾何平均值，路面譜的頻率指數(shù)t=2，表1 列出了0.011 m-1～2.83 m-1范圍內(nèi)的路面不平度對(duì)應(yīng)的均方根值jrms（σd）的數(shù)值［4］。

表1 路面不平度8 級(jí)分類標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Classification standard for 8-level road surface roughness

1.2 路面不平度的重構(gòu)

目前，路面譜模型的建立方法主要有4 種［5］：濾波白噪聲法、泊松過程模型、AR 模型參數(shù)法和諧波疊加法。本文應(yīng)用諧波疊加法重構(gòu)路面不平度，根據(jù)文獻(xiàn)［6］路面不平度的方差為：

把大區(qū)間［n1，n2］分割成n 個(gè)相等的小區(qū)間，Gd（n0）在小區(qū)間內(nèi)的值用每個(gè)小區(qū)間的中心頻率nm，i（i=1，…，n）處的譜密度值Gn（nm，i）代替，式（2）經(jīng)離散化后可以近似為：

把對(duì)應(yīng)于每個(gè)區(qū)間中的正弦波函數(shù)疊加起來，就形成了隨機(jī)路面不平度模型，即：

式中，θi為［0，2π］的均勻分布隨機(jī)數(shù)；x 為路面的縱向位置?；谏鲜瞿Ｐ?，在Matlab 中編制相應(yīng)的程序，得到路面不平度數(shù)據(jù)樣本，圖1 為典型的B級(jí)路面譜數(shù)據(jù)，基于篇幅，本文只列出B 級(jí)路面譜曲線。

圖1 100 m B 級(jí)路面譜Fig.1 Level-B road surface spectrum of 100 meters

將生成的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到ADAMS 中格式為rdf 的路面文件中進(jìn)行修改，便形成了三維路面。

2 行進(jìn)間發(fā)射動(dòng)力學(xué)模型創(chuàng)建

在建立動(dòng)力學(xué)模型之前要作如下假設(shè)：

1）全系統(tǒng)均為剛體，不考慮彈性變形；

2）車體以行走部分為主，不考慮動(dòng)力系統(tǒng)；

3）導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)無推力偏心；

4）導(dǎo)彈采用固定仰角19°發(fā)射，方位角0°。

將Croe 中建立的三維模型導(dǎo)入ADAMS 中，定義各種約束及物理屬性，其中，前橋、后橋與底盤之間采用軸套力模擬懸架，前橋、后橋與輪胎之間采用旋轉(zhuǎn)副，輪胎模型采用ADAMS/View 自帶的UA輪胎模型，該輪胎模型具有求解精度較高、速度更快等特點(diǎn)，是目前使用較多的模型［7］，文中計(jì)算接觸力是基于Hertz 接觸理論，并在此基礎(chǔ)上作了改進(jìn)［8］。對(duì)TPF 輪胎特性文件進(jìn)行修改，其中，輪胎自由半徑0.47 m，輪胎斷面寬0.318 m，徑向剛度350 000 N/m，徑向阻尼50 Ns/m；路面選擇RDF 生成的路面模型，路面初始運(yùn)動(dòng)段為水平路面。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 行進(jìn)間射擊動(dòng)力學(xué)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.2 Topological structure diagram of on-the-move firing dynamics

系統(tǒng)行進(jìn)間導(dǎo)彈動(dòng)力學(xué)模型如圖3 所示。

3 動(dòng)力學(xué)分析

按如下發(fā)射流程進(jìn)行仿真，0～2 s 戰(zhàn)車在絕對(duì)水平路面上由初始靜平衡狀態(tài)加速到預(yù)定速度，3～4 s戰(zhàn)車按照預(yù)定速度勻速行駛在預(yù)定等級(jí)（A 級(jí)、C 級(jí)和D 級(jí)）路面上，分析該導(dǎo)彈從開始點(diǎn)火到出筒瞬間的滾轉(zhuǎn)角速度、偏航角速度、俯仰角速度和輪胎與路面的垂直作用力等參數(shù)，其中，發(fā)動(dòng)機(jī)推力數(shù)據(jù)由導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)推力試驗(yàn)獲得，并由AKISPL 函數(shù)進(jìn)行擬合后施加在導(dǎo)彈尾部［9］。

3.1 20 km/h 行駛速度不同路面下發(fā)射擾動(dòng)分析

戰(zhàn)車行進(jìn)速度為20 km/h，戰(zhàn)車驅(qū)動(dòng)輪施加角度函數(shù)：STEP（TIME，0，0，2，0678 d）。

導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰角速度如圖4～圖6所示。

圖4 A、C、D 級(jí)路面、同速度下導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)角速度Fig.4 Roll rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

圖5 A、C、D 級(jí)路面、同速度下導(dǎo)彈的偏航角速度Fig.5 Yaw rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

圖6 A、C、D 級(jí)路面、同速度下導(dǎo)彈的俯仰角速度Fig.6 Pitch angular velocities of missiles at level A、C、D road surface and same speed

輪胎與地面垂直作用力如圖7 所示。

仿真結(jié)果如表2 所示，C 級(jí)相較A 級(jí)路面，導(dǎo)彈出筒的滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰角速度均有所增加，在A級(jí)和C 級(jí)路面上，懸架會(huì)起到一定的緩沖吸振的作用，但在D 級(jí)路面上，滾轉(zhuǎn)角速度已經(jīng)超過50°/s，偏航角速度也呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，此時(shí)輪胎與地面產(chǎn)生的碰撞力經(jīng)懸架已嚴(yán)重耦合到彈體上，此時(shí)彈體姿態(tài)表明已不滿足發(fā)射條件。另由圖7 也可以看出，隨著路面等級(jí)的增加，發(fā)射架垂直最大加速度越大，符合實(shí)際工況，說明所建的動(dòng)力學(xué)仿真模型基本合理。

3.2 15 km/h 行駛速度不同路面下發(fā)射擾動(dòng)分析

戰(zhàn)車行進(jìn)速度為15 km/h，戰(zhàn)車驅(qū)動(dòng)輪施加角度函數(shù)：STEP（TIME，0，0，2，508.5 d）。

導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)、偏航和俯仰角速度如圖8～圖10所示。

圖8 A、C、D 級(jí)路面、同速度下導(dǎo)彈的滾轉(zhuǎn)角速度Fig.8 Roll rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

圖9 A、C、D 級(jí)路面、同速度下導(dǎo)彈的偏航角速度Fig.9 Yaw simulation results at level A、C、D road surface and same speed

輪胎與地面垂直作用力如圖11 所示。

圖11 A、C、D 級(jí)路面、同速度下發(fā)射架垂直最大加速度Fig.11 The vertical force between tire and ground at level A、C、D road surface and same speed

由表3 的仿真結(jié)果可知，隨著路面等級(jí)的增加，滾轉(zhuǎn)角速度也隨之增加，但偏航和俯仰角速度呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，均滿足指標(biāo)要求，導(dǎo)彈可以正常發(fā)射。

表3 A、C、D 級(jí)路面、15km/h 行駛速度下仿真結(jié)果匯總Table 3 Summary of simulation results at level A，C，D and speed of 15 km/h

綜上所述，路面越惡劣，行駛速度越高，發(fā)射架垂直的加速度越大，耦合到彈體的姿態(tài)變化越大，發(fā)射安全性可靠性也就越差，因此，通過仿真可以得出如下兩點(diǎn)：

1）戰(zhàn)車行駛速度為大于15 km/h（不含15 km/h）小于20 km/h 時(shí)，可以允許在C 級(jí)以上（含C 級(jí)）路況進(jìn)行作戰(zhàn)；

2）戰(zhàn)車行駛速度為小于15 km/h（含15 km/h），可以允許在D 級(jí)以上（含D 級(jí)）路況進(jìn)行作戰(zhàn)。

4 結(jié)論

輪式戰(zhàn)車在進(jìn)行行進(jìn)間射擊時(shí)，引起的振動(dòng)隨路面等級(jí)的高低而呈現(xiàn)不同的特點(diǎn)，應(yīng)盡量選擇在質(zhì)量好的路面上實(shí)施行進(jìn)間射擊，這將會(huì)降低系統(tǒng)的振動(dòng)，改善系統(tǒng)的行駛平穩(wěn)性。本文只是從兩個(gè)方面進(jìn)行研究，得到不同速度、不同路面導(dǎo)彈發(fā)射的出筒動(dòng)力學(xué)參數(shù)，后續(xù)仿真將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修正模型，并著重分析導(dǎo)彈出筒速度以及懸掛剛度對(duì)導(dǎo)彈行進(jìn)間發(fā)射的影響，進(jìn)一步增強(qiáng)對(duì)輪式戰(zhàn)車行進(jìn)間發(fā)射導(dǎo)彈的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)武器試驗(yàn)提供必要的數(shù)據(jù)支撐。