变面积增阻式弹道修正机构的设计与分析*

杨 芳,郝永平,布国亮

(1长春理工大学机电工程学院,长春 130022;2沈阳理工大学CAD/CAM技术研究与开发中心,沈阳 110159;3北京航空航天大学机械工程与自动化学院,北京 100191)

0 引言

增阻式弹道修正弹是发射时有意瞄准比实际目标稍远一点的目标进行射击。在弹丸飞行过程中由弹道探测装置测算外弹道诸元,预测实际弹道弹着点及目标偏差,根据偏差量的大小形成控制指令,再把指令传给弹上执行系统,并选择适当时刻展开阻力机构,增大弹丸径向面积从而增加弹丸的空气阻力,实现对射程的修正[1]。其中阻力器是增阻式一维弹道修正系统的主要组成部分,其结构设计、性能特征对弹丸的弹形阻力系数、射程修正能力和命中目标精确度等有重要影响。因此深入研究分析一维弹道修正的阻力机构,对改进其结构设计和提高炮弹的修正精度等都具有重要的指导作用。

1 新型增阻机构设计思想与工作原理

1.1 变面积增阻修正机构的设计思想

由于炮弹飞行时间有限,要求在弹丸飞行的很短时间内根据测量数据解算弹着点偏差,以确定阻力机构的展开时间,这就需要对解算系统有较高要求。若采用自主修正形式,即发射后不管,则需要有较精确、简便的解算方法来实现对射程的修正。从国内外增阻式修正机构的修正方式来看,主要以一次修正为主,即弹丸上的修正执行机构根据指令信息,按要求时间打开阻力片到最大展开位置,但这种修正方式存在一定弊端,若解算值出现较大偏差或外部环境因素对弹丸后段飞行造成一定影响,则无法再对修正面积进行修改,降低了射击精度。另外,影响增阻式弹道修正弹射程精度的又一关键因素是阻力片展开时刻的准确性。一般的方法是以时间为自变量,选取一定步长,依次将原弹道系数用阻力片展开后弹道系数代替,解算出实际落点后再与目标点比较,若不等则继续叠代计算。这样的解算方式虽然简单,但计算时间较长,因此文献[2]中提出一种利用在阻力片展开时刻的近似计算公式的基础上,进行比例加速收敛算法,可节约一些解算时间。但寻求最佳打开时刻的算法都要受到增阻弹道修正弹的阻力片作用时间与修正距离呈二次线性关系的限制,增加叠代次数,容易出现由于解算时间过长而错过最佳打开时刻的弊端。

文中所设计的变面积增阻式弹道修正机构(areachanging and damp-increasing range correction device,ADRCD)能很好的弥补以上的两个问题。一方面由于展开面积可控,就可以使阻力器得到控制指令后,使阻力片打开到指定的位置对弹丸的射程进行修正。如果还存在偏差仍需修正,则可以继续控制阻力片再一次打开到相应位置,如此可提高弹丸的落点精度。另一方面,ADRCD对打开时刻没有十分苛刻的要求。由于阻力片展开面积的大小与弹体在射程方向上的修正距离成一次线性关系,也就是说,在同一位置阻力环展开的面积与修正距离成正比,所以易于快速准确的解算最佳展开面积,而且即使出现误差也有可能通过后续修正来校正。

1.2 变面积增阻式修正机构工作原理

在弹丸飞行稳定后的任意时刻,要通过控制阻力片展开面积来实现弹丸的增阻修正,设计阻力修正机构就显得尤为重要。文中设计的修正机构由微型电机、滚珠丝杠、传动杆、滑块和阻力片等组成,当执行系统得到控制指令后,微型电机根据解算结果转动一定角度,带动4个阻力片展开到相应位置,以此改变弹丸的阻力大小,达到弹道修正的目的,其工作原理如图1所示。阻力片平时收拢在修正机构内部,其外径与制式引信的最大外径一致,当解算模块根据目标点和弹丸姿态得到阻力片展开高度后,将位移控制量转变为微型电机转动控制输出,经联轴器传动到滚珠丝杠,使滚珠丝杠转动,同时带动传动杆一端向上移动,传动杆另一端则带动滑块推动阻力片展开。其间,根据解算展开面积的大小,阻力片可以停留在整个过程的任意位置。阻力片选择半圆形状,这样可保证展开到任意位置时整个弹丸各方向的受力相对平衡。

图1 ADRCD的工作原理图及展开机构简图

2 动力学分析与负载计算

2.1 阻力片机构动力学分析

驱动部件带动执行机构运动时,阻力片向外伸展。阻力片展开后,将会对弹丸局部流场产生影响,弹丸所受空气阻力也将随之发生改变。也就是说阻力片的展开过程是弹丸所受阻力不断变化的过程。另外对阻力片的设计还要满足:展开准确到位、展开同步性好、展开后位置固定的要求。所以除了考虑将上、下阻力片安放在各自对应的滑道内以保证位置外,还需在上下片之间利用滚珠与滑槽相配合的定位方式实现展开不同面积时的同步性要求。上、下阻力片结构示意图如图2所示。

图2 上、下阻力片结构示意图

在下阻力片的某一位置定位一个滚珠,上阻力片与滚珠相配合位置按滚珠尺寸设置一个滑槽。为了保证上、下阻力片展开的同步性,滑槽的设计要保证与基准线成45°夹角。当下阻力片受控展开时,滚珠可在上阻力片滑槽内滑动,并且上阻力片受到滚珠作用力后展开到与下阻力片相同位置。这样在机构运动过程当中上阻力片所受外力为:

2.2 电机主轴的负载分析

对电机主轴负载的计算是较为重要的环节,需考虑4个舵片合力的作用,根据力学分析可以得到主轴所受扭转力矩为:

式中:α为传动杆与竖直方向的夹角(见图3);β为滚珠丝杆的螺旋升角;r为螺杆半径;∑Ff为主轴所受摩擦合力;F1为上阻力片所受合力,其值如前文所述;F2为一个下阻力片所受合力,其值为:

图3 传动部件简图

式中:F2r为下阻力片离心力,∑Ff 2为下片所受摩擦合力,Fh为下片与滑块间作用力。

2.3 算例与分析

根据结构的设计尺寸,假设弹丸旋转角速度为 ω=750rad/s,当4个阻力片展开到最大位置时,各负载最大值见表1。

从以上结果中可以看出,上下阻力片受离心力和空气阻力的作用对滚珠丝杠产生的轴向力最为显著。又因为该设计是以对电机输出的转动控制转化为上下阻力片的平动位移,所以表1中计算得到的滚珠丝杠转动力矩是决定整个系统是否合理的依据,不难看出0.2264N·m的转矩是完全可以满足部分微型电机要求的。可见整个系统从动力学分析角度上讲是具有合理性的。

表1 各项负载最大值

3 运动学仿真分析

采用三维建模软件对变面积增阻修正机构进行实体建模,在Adams软件中进行运动学仿真,研究阻力片展开的同步性和电机转速对展开时间的影响。

3.1 阻力片展开同步性分析

根据阻力器结构的受力情况以及前面所述的动力学算例分析,进行修正机构的总体动态运动仿真。在仿真过程中,需按照弹丸实际飞行环境进行参数设置。以某榴弹为例,取飞行弹道降弧段某一时刻速度为270m/s,弹丸转速ω=750rad/s,一次阻力片展开直径l1=75mm,二次展开直径l2=80mm。

图4 阻力片质心位移变化曲线

通 过运动仿真得到了 4个阻力片的质心位移曲线,如4图所示。从仿真结果可以看出,由于上、下阻力片在结构上的差异,使得质心初始位置有所不同,所以出现图中所示的上下两部分曲线,但不难看出上、下阻力片达到要求位置时的响应时间是相同的。完成展开直径为75mm时系统响应时间为0.061s,二次展开到80mm时的系统响应时间为0.048s。这说明上、下阻力片展开过程是满足同步性、快速性要求的。另外从图中还可以观察到每部分曲线都是由两条曲线重合而成,说明处于对称面上的两个阻力片质心位移相同,同时也具有较好的运动同步性。

图5 阻力片质心位移随电机转速变化曲线

3.2 电机转速对展开时间影响分析

电机转速的大小也是影响执行系统响应时间的因素之一。对电机主轴设定三种不同转速,观察阻力片展开响应时间与转速的关系,如图5所示。当主轴的转速比例关系为1∶2∶3时,阻力片展开到最大位置时的系统响应时间比例关系为1∶1/2∶1/3,可见电机转速越高,则执行系统响应时间也越快,并成倒数比例关系。

4 结论

文中通过对国内外一维弹道修正原理的分析,针对现有增阻式弹道修正机构的设计弊端,提出并建立了一种利用阻力片展开不同增阻面积来实现一维弹道修正的机构。通过对主要部件的动力学分析及系统运动学仿真证明,此结构具有结构简单、易于实现、响应速度快等优点,这将为一维弹道修正机构的进一步工程设计和实验奠定良好基础。

[1]谭凤岗.弹道修正弹的概念研究[J].弹箭技术,1998(4):1-10.

[2]胡荣林,李兴国.确定射程弹道修正弹阻力器展开时刻的算法研究[J].兵工学报,2008,29(2):235-239.

[3]Michael S L Hollis,Fred J Brandon.Design and analysis of prototype range correction device for a mortar projectile,ADA355472[R].1999.

[4]陈科山,马宝华,何光林,等.迫弹一维弹道修正引信平面阻力器的空气阻力算法[J].弹箭与制导学报,2003,23(3):61-64.

[5]解增辉,刘占辰,徐登武.新型一维修正炮弹引信的研究与实现[J].探测与控制学报,2008,30(增):69-71.