小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响

【装备理论与装备技术】

小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响

张嘉易，谢天祥，郝永平，李曙光，谢贺勇

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳110159)

摘要：为了研究小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响，建立了不同尾翼斜置角下弹丸的三维模型，利用滑移网格技术对其进行了气动仿真，得出了阻力、升力、翻转力矩、滚转力矩等空气动力数据，并对其气动特性进行了分析；利用气动和动力学多学科联合仿真的方法，得到了不同尾翼斜置角下弹丸飞行稳定性特征；同时，研究了不同尾翼斜置角对弹丸修正能力的影响；结果表明：在满足全弹气动布局、飞行稳定、弹丸修正能力的基础上，尾翼斜置角越大修正能力越强。

关键词：弹道修正；尾翼斜置角；飞行稳定性；修正能力；小口径尾翼弹

作者简介：张嘉易(1968—)，男，博士，主要从事弹道修正技术研究。

doi:10.11809/scbgxb2015.09.007

中图分类号：TJ760.35

文章编号：1006-0707(2015)09-0026-04

本文引用格式：张嘉易，谢天祥，郝永平，等.小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响[J].四川兵工学报，2015(9):26-29.

Citation format:ZHANG Jia-yi, XIE Tian-xiang, HAO Yong-ping, et al.Influence of Small-Caliber Correction Projectile Fin Oblique Angle on Correction Capability[J].Journal of Sichuan Ordnance,2015(9):26-29.

Influence of Small-Caliber Correction Projectile Fin Oblique

Angle on Correction Capability

ZHANG Jia-yi, XIE Tian-xiang, HAO Yong-ping, LI Shu-guang, XIE He-yong

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:In order to study small-caliber projectile tail correction oblique angle on correction capability, we established the 3D model of different fin deflections of the projectile, and used sliding grid technology on the aerodynamic simulation, and came to drag, lift, overturning moment, rolling moment and so aerodynamic data and analyzed its aerodynamic characteristics. Used the method of multidisciplinary joint pneumatic and dynamics simulation, we obtained different fin deflections stability characteristics of the projectile. At the same time, we studied the influence of different fin deflections on the projectile correction ability. The results show that, based on the aerodynamic layout, flight stability, effective control and motor projectile correction ability, the bigger of the fin oblique angle, and the stronger of the correction.

Key words: trajectory correction; fin deflection; the flight stability; correction ability; small caliber fin

小口径弹丸以其发射率较高、瞄准快速、维护便捷、重量较轻、结构紧凑、机动灵活和弹丸破坏威力大等特点在军事中有广泛的应用。因此，将数以万计小口径弹丸改装成具有修正能力的二维弹道修正弹对维护祖国统一、安全有着极其重要的意义。

目前，二维弹道修正弹最理想的修正机构是自由滚转鸭舵机构，鸭舵执行机构是利用舵机控制鸭舵偏转来改变弹丸飞行姿态，从而进行弹道修正[1]。由此想到能否利用尾翼偏转改变弹丸飞行姿态来进行弹道修正，答案是肯定的。据美国“数字趋势”网站报道，美国洛克希德·马丁公司桑迪亚国家实验室对外宣布研制了一种类似飞镖的激光制导子弹。主要是一个驱动电机和一个类似“鱼鳍”的微型弹尾，驱动电机可为传动系统提供持续动力，微型弹尾可不断旋转，调整方向，控制子弹迂回、曲折地击中目标。

本文以30 mm小口径弹丸为背景，为弹丸添加了类似“鱼鳍”的尾翼，研究小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响。首先建立了不同尾翼斜置角下弹丸的三维模型，并分析了不同尾翼斜置角下弹丸的气动特性，再运用ADAMS仿真得到不同尾翼斜置角下的弹丸飞行稳定性特征，综合考虑弹丸飞行稳定性特征和电机控制能力研究小口径弹尾翼斜置角对修正能力影响。

1小口径尾翼弹修正方法

小口径尾翼修正弹的修正机构主要由修正执行机构、探测系统、控制系统、引信激发装置等组成，修正执行机构主要由两对斜置尾翼组成，其中一对为旋转尾翼，另一对为修正尾翼。在弹丸飞行过程中，空气作用在旋转尾翼斜面上会产生导转力矩，该力矩可以使弹丸转速不断增加，与此同时，由于弹丸极阻尼力矩的作用，最终使弹丸转速处于某平衡值[2]，在结合电机电磁力矩的作用下可以有效地控制弹丸尾部转速，从而控制修正尾翼处于特定位置，而处于特定位置的修正尾翼能为横向修正提供侧向力[3]，使小口径尾翼弹具有修正能力。而作用在不同斜置角尾翼斜面上的空气动力导转力矩不同，进而不同尾翼斜置角下弹丸平衡转速也不同，所以选择合理的尾翼斜置角是保证弹道修正弹打击精度的必要条件之一。工作过程：当弹丸出炮口后，引信中的弹载系统结合弹丸的发射初始条件参数和目标落点的相关参数计算出理论弹道[4]；在弹丸飞行过程中，弹丸的探测装置能够获取弹丸的实时飞行参数，弹载系统对弹丸实时飞行参数进行计算得到实际弹道；弹载系统将理论弹道与实际弹道进行比较，当射程和横向偏差达到预先设置的修正范围时，控制系统就会利用修正机构对弹道进行射程和偏航的修正，从而提高小口径尾翼弹的打击精度。

2不同尾翼斜置角气动特性分析

小口径尾翼修正弹尾翼斜置角不同对弹丸的气动特性的影响很大，直接影响着修正尾翼的修正侧向力、旋转尾翼的导转力矩和整个弹丸的阻力、升力、翻转力矩。为了观察小口径尾翼修正弹旋转尾翼斜置角对全弹气动特性的影响，其中弹丸布局如图1所示。在此以小口径尾翼修正弹为研究背景，在修正尾翼斜置角和各尾翼迎风面积、形状、位置等相同情形下，建立了旋转尾翼斜置角分别为0°、0.5°、1°、1.5°、2°、3°、4°、5°的三维模型，在利用空气动力学软件建立针对以上弹丸模型的气动仿真模型，并对其进行气动仿真，得到图2～图5的结果。

图1　全弹布局简图

图2　弹丸阻力与尾翼斜置角关系

从图2中可以看出，弹丸阻力是随着尾翼斜置角的增加而有减小趋势，但减小幅度不大。

图3　弹丸升力与尾翼斜置角关系

从图3可以看出，弹丸升力随尾翼斜置角的增大而增加，但增加幅度不大。

图4　弹丸翻转力矩与尾翼斜置角关系

翻转力矩越大弹丸的飞行稳定性就会越差，由图4中可以看出，弹丸翻转矩随尾翼斜置角的增大而增加，可知尾翼斜置角越大弹丸的飞行稳定性就会越差。

图5　尾翼导转力矩与尾翼斜置角关系

从图5中可以看出，弹尾导转力矩随着尾翼斜置角的增加而增加，当引信部分的转动惯量一定，斜置尾翼的导转力矩越大，引信旋转的速度就越快，则尾翼斜置角越大对电机的要求就越高。

3弹道稳定性分析

小口径尾翼修正弹在射角38.76°，初速870 m/s等初始条件下，基于运动学分析软件，模拟弹丸飞行过程，得到不同尾翼斜置角下小口径尾翼修正弹的实时运动状态。尾翼斜置角在0.5°及其以下时，在小口径尾翼修正弹由不旋转而逐步加速到平衡转速过程中，由于停留共振转速的时间过长，因共振产生近弹[5]。尾翼斜置角达到5°时，修正弹丸的飞行状态是不稳定的，出现翻转。同理，可以知道当尾翼斜置角小于0.5°大于5°时，小口径尾翼修正弹丸的飞行是不稳定的。其中部分斜置角下的弹丸飞行状态动态情形，如图6～图8所示。

图6　0.5°尾翼斜置角时弹丸不稳定运动姿态

图7　4°尾翼斜置角时弹丸稳定运动姿态

图8　5°尾翼斜置角时弹丸不稳定运动状态

4小口径尾翼弹修正能力分析

以尾翼斜置角为2°时的小口径尾翼修正弹模型为例，已知该炮弹按照射角38.76°，初速870 m/s发射。在上述条件下的修正弹经过弹道方程解算，得到射程约为4.512 km。旋转尾翼受空气作用而产生的导转力矩和弹体的极阻尼力矩，使弹丸转速保持某平衡转速，不同斜置角尾翼受空气作用而产生的导转力矩不同，弹丸达到的平衡转速就不同，则修正过程中弹头平衡转速就不同，尾翼斜置角越大，弹丸平衡转速越大，如表1所示。由于修正尾翼斜置角相同，当修正尾翼处于特定位置时，它能为横向修正提供侧向力相同，所以修正尾翼的修正能力相同，而在特定时间内持续性的固定在这一位置则能的到此位置下的最大修正能力[6]。在此选取时间t=12 s处作为固定修正尾翼时间点并进行持续修正，来观察旋转尾翼斜置角分别为1°、2°、3°、4°时所对应的弹道修正效果，如图9所示。通过外弹道仿真分析，得到各尾翼斜置角时的修正量，如表2所示。

表1　不同尾翼斜置角的平衡转速

表2　弹丸修正能力与尾翼斜置角关系

图9　修正弹修正能力

由结果可以看出，4°尾翼斜置角修正效果最好，在满足弹丸的飞行稳定性和电机控制能力的条件下，旋转尾翼斜置角越大，弹丸平衡转速越大，弹头在修正过程中的平衡转速就越大，小口径尾翼修正弹的偏航修正能力越强，但旋转尾翼斜置角对射程影响相差不大。

5结论

本文重点探讨了小口径修正弹尾翼斜置角对修正能力影响,建立了不同尾翼斜置角时的气动仿真模型，并得到了各情形下的气动力数据，通过分析可以得出:尾翼斜置角对弹丸阻力和升力影响不大；但对弹丸翻转力矩和弹尾导转力矩影响较大，且弹丸翻转力矩和弹尾导转力矩随着尾翼斜置角的增大而增大。建立了不同尾翼斜置角运动学仿真模型，通过对弹丸外弹道飞行状态的模拟，可以得出当尾翼斜置角在1°～4°之间时，弹丸可以全弹道稳定飞行，当尾翼斜置角小于0.5°大于5°时弹丸无法稳定飞行。通过对弹丸的修正能力进行仿真，得出在满足弹丸的飞行稳定性和电机控制能力的条件下，尾翼斜置角越大修正能力越强。

参考文献：

[1]杨慧娟，霍鹏飞，黄铮.弹道修正弹的概念研[J].四川兵工学报，2011,32(1):7-9.

[2]焦志刚.炮弹设计理论[M].沈阳：沈阳理工大学出版社,2008.

[3]张嘉易，王广，郝永平.二维弹道修正弹鸭舵修正机构气动特性研究[J].弹箭与制导学报，2013,33(2):88-91.

[4]邵盼，郭煜洋，郝永平.鸭舵修正机构舵偏角选择方法[J].弹箭与制导学报，2014,34(6)：33-36.

[5]徐明友.火箭外弹道学[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2004.

[6]郝永平，郭煜洋，张嘉易.二维弹道修正弹修正机构气动布局研究[J].弹箭与制导学报，2013,33(6):121-124.

(责任编辑周江川)