固定鸭舵高速旋转弹修正减旋技术研究*

袁　备,郝永平,陶迎迎,徐浩军,赵　达

(沈阳理工大学机械工程学院,沈阳　110159)



固定鸭舵高速旋转弹修正减旋技术研究*

袁备,郝永平,陶迎迎,徐浩军,赵达

(沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110159)

摘要:为了实现对高速旋转弹进行低成本的二维弹道修正,采用在高速旋转弹弹头加装两对固定鸭舵的二维弹道修正原理和减旋技术。为了研究鸭舵的减旋能力,建立了二维弹道修正弹模型,对不同弹丸飞行速度、攻角、舵偏角对应的导转力矩进行动力学和运动学联合仿真,以及对导转力矩在全弹道进行数值计算。结果表明,固定鸭舵能够满足对高速旋转弹修正减旋要求,研究结果对二维弹道修正技术研究有较好的参考作用。

关键词:固定鸭舵;减旋;导转力矩;仿真

0引言

目前二维弹道修正弹因其成本较低同时具有相对的射击精度，从而在未来信息化战争中将扮演着必不可少的重要角色[1]。弹道修正弹是基于原有普通弹药，通过在弹丸头部安装弹道修正引信机构，同时监测弹丸的空中姿态，通过控制引信机构进而对弹丸进行弹道修正，从而保证二维修正弹的射击精度[2]。针对二维弹道修正弹,美国提出了XM1156“精确制导组件(PGK)”弹道修正引信机构，其运用控制头部鸭舵引信机构的旋转姿态实现弹道的二维修正，现已进入试射阶段[3-5]。弹道修正弹处于常规无控弹药和智能导弹之间，其成本相对较低且打击精度较高，因此性价比相对高，因而研究相当迅速，各国在这此领域的竞争也相当激烈。现阶段，修正弹的修正引信机构的发展方向主要有微型脉冲喷气推冲火箭装置、燃气射流发动机控制和空气动力鸭舵[6]。文中将对高速旋转弹加装两对固定鸭舵弹道修正技术进行探索性研究。

1固定鸭舵弹道修正原理

基于固定鸭舵的弹道修正技术是在弹丸空中飞行时，依据实时测得的攻击目标坐标持续输出修正控制命令，操控鸭舵舵片位于理想的修正位置，鸭舵舵片由于受到空气动力的作用产生的修偏力，利用此力对弹道的射程和横偏进行二维修正，控制弹丸处于更为精确地路径攻击目标，实现预定打击效果。

对于高速旋转弹丸，在飞行时弹丸转速非常大，不易控制，从而使舵机对鸭舵的控制非常困难。因此，为解决这一难题，文中采用一种基于鸭舵减旋理论的控制方法[7]。

2固定鸭舵弹道减旋技术

如图1所示，为两组固定式鸭舵片的三维模型图。图中1号和2号为一对舵片，遵循相同的舵偏角且二者同向对称，在修正控制时在气动舵片产生修偏力。图中3号和4号是另一对舵片，二者具有相同舵偏角且反向差动不对称安装，由于空气作用，在弹丸头部会产生与弹丸转速方向相反的导转力矩，用于控制鸭舵转速。

图1　固定鸭舵三维模型图

如图2所示，对一个固定鸭舵片进行受力分析,已知4个鸭舵的舵偏角为θ,F为鸭舵所受的风阻力,其中F1为风阻力F的分力,方向垂直于鸭舵斜面,大小为F1=Fsinθ;F2为风阻力F的另一个分力,方向平行于鸭舵斜面,大小F2=Fcosθ。由于舵偏角的存在,使图中所示鸭舵片的左侧受力面积大于右侧受力面积,因此在X轴的正向产生舵偏力,在Y轴的负方向形成阻力。

图2　鸭舵舵片受力分解图

在弹丸的飞行过程中,如图3所示,头部鸭舵同向舵受到气动力Ft1和Ft2的作用,但是由于固定鸭舵轴对称,旋转一周Ft1和Ft2对鸭舵质心所产生的合力矩正好相互抵消,二者的合力为修正力。头部差动舵受到的气动力Fc1和Fc2的作用,旋转一周Fc1和Fc2对鸭舵质心产生合力矩T,方向与弹丸旋转方向相反,从而使得在弹丸头部绕弹轴反向旋转。

弹道修正过程为:在弹丸发射前,鸭舵舵片与弹体固连在一起,因此在弹丸发射瞬间,鸭舵舵片与弹体以同一转速绕逆时针方向旋转。鸭舵与弹体通过两个轴承连接在一起，由于导转力矩作用于差动舵片上，会产生绕弹轴的反向转矩，此力矩能够抵消掉轴承摩擦力矩和滚转阻尼力矩的作用，使鸭舵转速先减小到零然后反向不断增加，形成弹丸弹体与鸭舵舵片的旋转方向相反情况，从而使得鸭舵与弹体形成隔转。通过控制电磁力矩的大小来调节鸭舵的转速，使其处于微旋状态，为接下来弹丸弹道轨迹修正做准备。

图3　鸭舵舵片受力分析图

3固定鸭舵参量计算

弹丸在飞行过程中,固定鸭舵舵片受到的力矩有导转力矩、滚转阻尼力矩、轴承摩擦力矩、电磁力矩,如图4所示。

图4　鸭舵所受力矩图

1)导转力矩是由弹丸头部的一对差动舵受到气动力的作用产生的与弹丸转速相反的力矩[8],用符号T表示,则

(1)

2)鸭舵滚转阻尼力矩是弹丸头部绕弹轴自转时，由于空气的粘性牵动弹头周边的空气随弹头一起旋转，使弹丸头部自转角速度不断衰减的力矩[9]，用符号Tg表示,则

(2)

3)轴承摩擦力矩[10]

在弹丸飞行时，弹体和鸭舵之间运用两个轴承连接且二者形成隔转，因此弹体与鸭舵间会形成轴承摩擦力矩。

根据能量守恒定律可以得出轴承所受总摩擦力矩,如下式所示:

(3)

式中：E总是在单位时间内损失的总能量,表达式如式(3);i、e下角标分别表示轴承内外圈数;j表示第j个钢球;z表示钢球数量。

4固定鸭舵减旋能力仿真分析

4.1固定鸭舵气动特性仿真分析

文中重点研究鸭舵翼面导转力矩对鸭舵转速和减旋能力的影响。由式(1)可知,翼面导转力矩主要与弹丸飞行速度、攻角和参考面积,而参考面积主要与鸭舵的舵偏角有关。

以高速旋转弹丸为例,运用CFD对弹丸的气动参数进行动力学仿真计算,通过建立模型、边界选取、网格划分,仿真计算得出导转力矩T与马赫数Ma、攻角δ、舵偏角ε的关系。

1)在弹丸攻角和舵偏角一定的条件下,不同马赫数下对应的导转力矩的仿真数据如表1和图5所示。

表1　导转力矩随马赫数的变化

图5　导转力矩随马赫数的变化

2)在弹丸飞行中的马赫数和舵偏角一定的条件下,不同攻角对应的导转力矩的仿真数据如表2和图6所示。

表2　导转力矩随攻角的变化

图6　导转力矩随攻角的变化

3)在弹丸飞行过程中马赫数和攻角一定的条件下,不同舵偏角对应的导转力矩的仿真数据如表3和图7所示。

表3　导转力矩随舵偏角的变化

图7　导转力矩随舵偏角的变化

通过对表1～表3中数据和图5～图7中趋势分析,可以得到以下结论:

1)随着马赫数和舵偏角的增大,翼面导转力矩都随之增加,但增加趋势不同,导转力矩与马赫数呈二次函数关系,而与舵偏角呈线性关系,与式(1)理论公式相符;随着攻角的增大翼面导转力矩反而减小。

2)马赫数对翼面导转力矩的影响最大,1.75 Ma是0.5 Ma的17.5倍;舵偏角影响其次,舵偏角为10°对应导转力矩的影响是舵偏角为2°的6.4倍;攻角对导转力矩影响最小,攻角由0°到8°,导转力矩减小了6.2%。

因此,在考虑鸭舵的减旋能力设计固定鸭舵合理的气动布局时,应综合重点考虑弹丸飞行速度和舵偏角的影响。对于超音速弹丸,需要选取大输出功率的舵机,仿真弹丸的初速度为516m/s,应该选取输出转矩为1.5N·m的舵机。

4.2全弹道运动学仿真分析

以高速旋转弹丸为例,弹丸初速度为516m/s,出炮口转速为170r/s,对弹丸进行全弹道运动学仿真。在全弹道飞行过程中,鸭舵差动舵产生的导转力矩的变化趋势图如图8所示;全弹道过程中,弹丸的速度变化曲线图如图9所示;弹丸出炮口0～0.5s固定鸭舵转速变化趋势如图10所示。

图8　全弹道导转力矩变化趋势图

图9　全弹道弹丸速度变化曲线图

图10　0～0.5 s鸭舵转速变化曲线图

通过对图8～图10变化曲线分析可以看出:

1)导转力矩变化趋势与弹丸速度的变化趋势相似,与式(1)理论公式二者关系相符合。

2)在出炮口的瞬间,弹丸速度最大,对应导转力矩最大,T=1.52N·m,全弹道导转力矩的变化较大,最后大约稳定在约为T=0.18N·m。

3)在弹丸出炮口后约12s的时间内,导转力矩递减较快,递减量为初始值84.7%;12s后导转力矩的变化相对较小,趋于稳定值。

4)由于导转力矩的作用,鸭舵转速从出炮口170r/s经历0.1s降为零,然后鸭舵相对弹体反向高速旋转。

如果没有舵机的控制,鸭舵转速会一直增加,当鸭舵转速过高,鸭舵和弹体的转速差过大,会使轴承温度过高,轴承会出现抱死,从而弹体会失稳。因此,在鸭舵刚刚反向旋转转速很小时,适当调整电机电磁力矩的大小即可起到减旋作用,控制鸭舵处于微速旋转状态,为后期弹丸的修正做准备。

5结论

文中阐述了高速旋转弹通过安装两对固定式鸭舵对弹丸弹道轨迹进行二维弹道修正,并重点阐述了修正原理、减旋技术和相关参量的计算。通过建立高速旋转弹模型,对其进行了气动力和运动学仿真分析,研究了马赫数、攻角、舵偏角对导转力矩的影响,以及全弹道导转力矩的变化,结果表明,通过适当调节弹丸速度、舵偏角来改变导转力矩,在鸭舵反向旋转的瞬间与电机电磁力矩配合可以达到减旋的目的。文中为该种二维修正弹修正技术的研究和应用提供了理论和数据依据。

参考文献:

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[10]郝永平, 郭煜洋, 张嘉易, 等. 轴承摩擦力矩对智能引信控制效率的影响 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(4): 69-73.

*收稿日期:2015-05-06

作者简介:袁备(1989-),男,山东枣庄人,硕士研究生,研究方向:弹道修正技术。

中图分类号:TJ012.3

文献标志码:A

TrajectoryCorrectionAnti-rotationResearchofHigh-speedRotatingProjectilewithFixedRudder

YUANBei,HAOYongping,TAOYingying,XUHaojun,ZHAODa

(SchoolofMechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110159,China)

Abstract:In order to correct high-speed rotation of two-dimensional trajectory correction projectile and realize two-dimensional correction at low cost, according to two-dimensional trajectory correction principle and anti-rotation technique, high-speed rotating projectile was fixed with two fixed canards in warhead. In order to research anti-rotation ability of canards, the two-dimensional trajectory correction projectile model was established. Different projectile flight speed, attack angle, rudder angle were included in dynamics and kinematics simulation, and rotation moment in the whole trajectory was calculated. The results indicate that the fixed canards can satisfy modified anti-rotation requirements of high-speed rotary missile. The results offer reference for further research of 2D trajectory correction.

Keywords:fixed canards; anti-rotation; rotation moment; simulation