脉冲推冲器性能参数确定与试验验证研究*1



脉冲推冲器性能参数确定与试验验证研究*1

李超旺a，高敏a，刘秋生b，王毅c

(军械工程学院,a.导弹工程系; b．弹药工程系; c.火炮工程系，河北 石家庄050003)

摘要：针对脉冲推冲器工作特点，分析了脉冲推冲器本身性能参数对于弹道修正弹修正效能的影响，提出了为获取最大修正效能应如何确定相关参数，设计了性能参数获取与验证试验，进行了验证性试验。试验结果证明，设计的试验可判断出脉冲推冲器的相关性能参数，试验结果可为控制方案设计提供重要的参考依据。

关键词：脉冲推冲器；弹道修正弹；点火延迟时间；验证试验

0引言

脉冲推冲器具有结构简单、响应时间短和受大气环境影响小的优点[1-3]，是弹道修正弹常用的一种修正执行机构。目前主要研究脉冲推冲器工作级数、修正时刻和修正角度与修正偏差之间的关系[4-12]，而实际飞行试验结果发现，当控制逻辑正常时脉冲推冲器性能参数是决定弹道修正性能的最主要因素，从现有资料看还未见有关这方面的研究。

本文主要分析了脉冲推冲器性能参数对于弹道修正效能的影响并设计了验证试验。第1部分分析了脉冲推冲器性能参数对于弹道修正性能的影响，为了提高修正效能，提出了如何确定相关参数；第2部分设计了脉冲推冲器性能参数验证试验，可有效获得脉冲推冲器的相关参数；最后对试验结果进行了总结并得出了结论。

1性能参数对修正效能影响分析

脉冲推冲器通过改变弹体的速度达到修正弹道的目的。为了提高脉冲推冲器的修正效能，需要分析各个参数对于修正效能的影响。脉冲推冲器主要性能参数包括：工作时间、点火延迟时间、最大推力和1/2总冲量对应的时间。各性能参数之间的关系如图1所示。

图1　等边三角形脉冲推力性能参数示意图Fig.1　Relationship of the parameters of the　　　equilateral triangle impulse force

如图1所示，tp为脉冲推冲器的工作时间，td为脉冲点火延迟时间，Fm为脉冲推冲器提供的最大推力，t1/2为1/2总冲对应的时间，当推力对称时，t1/2=0.5tp。

1.1工作时间

脉冲推冲器工作时间(tp)是指脉冲推冲器产生推力至脉冲推冲器停止提供推力的一段时间，工作时间长短由工作介质的量决定，进行结构设计前需要分析工作时间对修正效能的影响。

(1)

式中：

(2)

将式(2)代入式(1)积分得脉冲推冲器的合冲量为

(3)

从式(3)可以看出，对于非旋转弹来说，脉冲推冲器提供的冲量大小只跟最大推力和工作时间有关系，当工作时间一定时，最大推力越大脉冲推冲器产生的冲量就越大；当最大推力一定时，工作时间越长产生的合冲量越大。将脉冲推冲器用于非旋转弹弹道修正时，可以通过增加脉冲推冲器工作时间和最大推力的方式提高脉冲推冲器的冲量。

对旋转弹进行修正时，脉冲推冲器会随着弹体的旋转而转动，脉冲力不断地在改变方向，脉冲推冲器工作时间越长，脉冲力方向变化范围就越大，在合冲量方向的分量就越小，甚至会抵消部分冲量，降低修正效能。根据冲量定理可得旋转弹上脉冲推冲器工作所产生的合冲量为

(4)

(5)

将式(5)代入式(4)得

(6)

从式(6)可以看出，对于旋转弹来说，脉冲推冲器产生的合冲量不仅与脉冲推冲器最大推力和工作时间有关还与弹体转速相关。设脉冲推冲器用于非旋转弹修正时产生的修正效能为基准，则脉冲推冲器用于旋转弹修正时其工作效率为

(7)

从式(7)可以看出，脉冲推冲器修正效率只与弹体转速和推冲器工作时间有关系。弹体转速分别为5，10和15 r/s时脉冲推冲器工作时间和工作效率对比关系如图2所示。

图2　不同转速下脉冲推冲器工作时间和　　　工作效率对比关系图Fig.2　Impulse jet work time &work efficiency　　　under different spin rates

从图2可以看出，当弹体转速一定时，脉冲推冲器工作时间越长，其工作效率越低；弹体转速越快，脉冲推冲器工作效率下降速度越快。将脉冲推冲器用于旋转弹弹道修正时，当弹体旋转速度不能改变时，为了提高其修正效率，要缩短脉冲推冲器工作时间。

1.2点火延迟时间

点火延迟时间(td)是指脉冲推冲器点火指令发出时刻至脉冲推冲器产生推力时的时间间隔。

对于非旋转弹来说，由于弹体不旋转，脉冲推冲器产生的脉冲力方向将保持不变，点火延迟时间只会影响到起始修正时刻，不会影响到其修正效率。

脉冲推冲器用于旋转弹修正时，弹体一直处于高速旋转状态，为确保合冲量在需求修正方向上，对脉冲推冲器进行点火控制时需要对点火延迟时间进行补偿。

点火延迟时间是否补偿准确将直接影响到脉冲推冲器的修正效率。假设脉冲推冲器理论点火延迟时间为td，为了确保合冲量方向在理想方向上，需要提前td发出激活指令。由于加工工艺误差的存在，实际点火延迟时间与理论点火延迟时间将会存在一定的偏差，设此值为Δtd，当弹体转速为ω时，实际合冲量方向将偏离理想冲量方向一定的角度A，则A=ωΔtd。

点火延迟偏差对脉冲修正效率的影响为

ηd=cosA=cos(ωΔtd).

(8)

根据式(8)绘制不同转速条件下点火延迟时间对应的脉冲推冲器修正效率，如图3所示。

图3　不同转速条件下点火延迟偏差和工作效率对比图Fig.3　Impulse jet delay time &work efficiency　　　under different spin rates

从图3可以看出，点火延迟时间偏差对于脉冲推冲器修正效率的影响较为明显。弹体转速为15 r/s时，延迟偏差为7 ms左右时，脉冲推冲器修正效率降低到80%以下，延迟时间达到10 ms左右时，修正效率降低到60%以下。点火延迟时间偏差越大修正效率越低，这种效率降低的趋势随着弹体转速的增高而不断增加。当无法改变弹体转速时，为了提高脉冲推冲器的修正效率，要严格控制脉冲推冲器点火延迟时间偏差值。

1.3脉冲推力模型

脉冲推冲器由于所填装的火药化学性能不同，脉冲推冲器将产生不同的推力曲线。脉冲推力模型采用等边梯形函数逼近时有时比等边三角形函数逼近更能反应实际情况。等边梯形函数推力曲线如图4所示。

图4　等边梯形脉冲推力曲线示意图Fig.4　Ladder shaped impulse force line

如图4所示，等边梯形脉冲推力曲线推力上升时间为t1，最大推力持续时间为t2，全程工作时间为tp。根据冲量定理可知，用于非旋转弹修正产生的合冲量为

(9)

式中：

(10)

由式(9)，(10)联立可得：

(11)

用于修正旋转弹时，脉冲推冲器产生的合冲量为

(12)

设脉冲推冲器用于非旋转弹修正时合冲量为基准，则脉冲推冲器用于旋转弹修正时其工作效率为

(13)

从式(13)可以看出，当t2=0时，即不存在最大推力持续时间，梯形推力曲线将化简为等边三角形推力曲线，式(13)可化简为式(7)的形式。

假设2种脉冲力模型的工作时间相同，则梯形推力曲线和三角形推力曲线的效率比值为

η=ηlad/ηtri=

(14)

假设弹体转速为10 r/s，脉冲推冲器工作时间为10 ms，梯形推力曲线最大推力持续时间和效率比值的对比关系如图5所示。

图5　梯形推力曲线最大推力持续时间和效率比值关系图Fig.5　Ladder-shaped maximum Impulse force　　　lasting time & work efficiency

从图5中可以看出，最大推力持续时间越长，脉冲推冲器修正能力就越强。当脉冲推冲器工作时间一定时，为了有效提高脉冲推冲器的修正能力，要尽量缩短推力上升时间，延长最大推力持续时间，以此为原则选用合适的脉冲推冲器火药推进剂。

2参数性能验证试验设计

脉冲推冲器用于非旋转弹修正时，性能参数不会影响修正效能，故此处主要对弹体旋转情况下脉冲推冲器参数性能进行试验验证。

当完成脉冲推冲器的设计并加工完样品后需要准确获知脉冲推冲器1/2总冲时间和点火延迟时间，以提高弹道修正效能。为了分析脉冲推冲器在旋转情况下点火控制逻辑是否正确和获得相关性能参数，可将脉冲推冲器阵列安装在一个电动机驱动的转轴实验台上，试验台结构如图6所示。

从图6可以看出，脉冲推冲器阵列和弹载控制器、热电池都安装在转轴内，随着转轴的旋转而旋转，转轴通过2个滑轮固定在支架上，转轴可以绕自身纵轴线自由转动，在转轴的一侧安装了电动机，通过电动机控制板可以使得转轴能以固定的转速旋转。将一台高速摄影机放置在转轴延长方向用以记录脉冲推冲器工作过程，通过录像可解算出脉冲推冲器的工作时间。为了增加对比度，准确判断点火方位角，在转台后面放置一块对比背景板。

考虑到拍摄效果和拍摄时长，试验时采取了500帧的拍摄速度，连续图片之间的时间间隔为2 ms。由拍摄画面可以看出脉冲推冲器在旋转情况下工作情况，如图7所示。

图6　脉冲推冲器性能参数验证试验台示意图Fig.6　Impulse jet parameters confirm test block diagram

图7　某一个脉冲推冲器旋转工作图Fig.7　One impulse jet working with the spin axis

第1幅图片中脉冲推冲器随转轴在旋转，第2幅图片中脉冲推冲器已产生了较大的火焰，意味着脉冲推冲器在2幅图片中的某点已开始工作。第3和第4幅图片中脉冲推冲器正在工作，第3幅图片产生的火焰明显偏大，而第5幅只能看到零星尾焰，脉冲推冲器已经停止工作。从脉冲推冲器连续工作的这几幅图片中可以判断出推冲器工作时间大约为8 ms左右，与设计值基本一致，说明了该方法的有效性。

从图7还可以看出，脉冲推冲器在点火初期产生的火焰较大，后期较小，说明脉冲推冲器产生的推力上升时间较短，推力很快达到最大值。推力下降时间相对较长，可以推断1/2合冲量对应的时间将小于脉冲推冲器工作时间，这一时间为3 ms左右，与设计值基本相当。

通过电动机控制板的设定，转轴转速恒定，控制器按照设定好的程序固定时间间隔发出点火指令，通过多个脉冲推冲器工作情况可判断出脉冲推冲器点火延迟时间为2 ms左右。

通过试验，准确地获得了脉冲推冲器的相关性能参数，为脉冲推冲器飞行控制提供了有效数据，结果证明了试验的可行性及有效性。

3结束语

本文针对脉冲推冲器的工作特点，研究了脉冲推冲器性能参数对于修正效能的影响，设计了性能参数获取和验证试验方法。通过试验获得了脉冲推冲器的主要控制参数，为弹道飞行控制提供了重要的依据。文中只是针对脉冲推冲器本身性能参数进行研究的，下一步可将脉冲推冲器工作特点和弹道特性结合起来进行研究。

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Parameters Determination and Confirmation Experimentation of Lateral Pulse Jet

LI Chao-wanga, GAO Mina, LIU Qiu-shengb, WANG Yic

(Ordnance Engineering College,a.Missile Engineering Department;b.Ammunition Engineering Department; c. Artillery Engineering Department,Hebei Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The impact of the impulse jet parameters on the correction performance is investigated before used on the trajectory correction munitions. In order to improve the correction ability of the impulse jet, the methods on how to determine related parameters are given, and experimentation is designed for getting the real value of the parameter and confirming it. Then, the experimentation is carried out and the results show that the impulse jet parameters can be obtained with this experimentation.

Key words:lateral pulse jet; trajectory correction munitions; fire delay time; verification test

中图分类号：TJ760.35;TJ765

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2015)-05-0077-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.013

通信地址：050003河北省石家庄军械工程学院导弹工程系E-mail：lichaowangzxz@163.com

作者简介：李超旺(1985-)，男，山东嘉祥人。博士生，研究方向为弹药智能化与信息化。

*收稿日期：2014-07-05；修回日期：2014-09-09