一维弹道修正机构优化设计和仿真分析

赵雄飞，吴国东，王志军，徐永杰，陈 勇

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

【装备理论与装备技术】

一维弹道修正机构优化设计和仿真分析

赵雄飞，吴国东，王志军，徐永杰，陈 勇

(中北大学 机电工程学院，太原 030051)

深入分析了国内外一维弹道阻尼修正机构优缺点，优化设计了一种新型可控阻力系数的一维阻尼机构；通过对该机构进行气动特性模拟和修正能力计算，验证机构平均增阻系数达到2.677 5，其修正能力强；阻尼片能随意展开指定大小，便于实现多次修正。

阻尼机构 ；可控阻力系数；多次修正

以微电子技术为代表的高新技术已得到越来越广泛的军事应用，在炮兵武器领域，弹道修正弹技术正在受到越来越高的重视。一般先根据射击时的已知参量计算出弹道修正弹基准弹道，然后对比飞行中的攻击弹道，给出数次的修正力来修正弹道，以增加弹道密集度，提高命中精度，也能起到压缩攻击成本的作用。一维弹道修正弹是在传统制式炮弹基础上加装了弹道修正模块，利用增阻机构改变弹丸原有飞行弹道[1]。修正机构展开时间和展开面积大小是射程修正的主要影响因素。修正机构主要有：D型环阻力机构、桨型阻力机构、“虹膜”型阻力机构、柔性面料刚性支撑的伞状阻力器等。但多数可控制机构较为复杂，体积占用较大，成本也较高。有些机构可以小型化[2-3]，通过离心力达到阻尼片展开的目的，但不能真正控制其展开面积。而且，阻尼片展开后半径明显超过弹体最大半径，这甚至可能会在弹体发射时由于其他不可知原因导致阻尼片提前展开卡膛，造成安全隐患。很多小型阻尼机构展开后展开面积不能达到最大，且阻尼片之间存在间隙，不能使阻尼机构增阻系数达到最大，而且由于存在间隙对弹丸气动分布产生不利影响，影响弹丸飞行。因此提出了一种新型可控的阻尼机构，这种机构展开面积达到最大并且消除由于间隙所产生不利影响。

1 主要设计思想

本文提出的新型一维弹道修正机构设计的主要设计思想是：修正机构设计是在不改变弹体形状基础上增加的阻力机构，该机构可以控制阻尼片面积展开的大小，使机构简单化、小型化。为了防止机构提前展开发生安全隐患，机构展开半径不得超过弹体最大半径。在此基础上，尽量增加阻尼机构展开面积增加阻力系数，达到最大修正效果。

2 阻尼机构设计和研究对象

2.1 阻尼机构设计

本文设计的新型机构是通过小型齿轮选装控制阻尼片的展开，齿轮旋转角度控制展开面积，展开平稳容易。阻尼片同层四片式展开，呈圆周阵列，展开后所受阻力合力方向与弹体同轴，不会因阻尼片展开所受的阻尼力导致偏心。机构设计图1所示。

图1 机构设计图

为了使展开面积最大化，设计了如图2的阻力片，这样设计的目的是使阻力片在同层展开的同时使展开后阻力片之间完全无间隙，增加阻力系数，阻力片通过四杆同步控制，不会导致阻尼片展开因为偏心失稳。机构展开原理[4]如图3所示。当连杆由齿轮控制旋转时，滑块退出滑槽，阻力片展开。

图2 装配后全展开图 图3 运动简图

2.2 研究对象

本文研究的一维弹道修正弹弹丸平台是以美式M107型155 mm口径榴弹为对象。弹丸外形基本参数：总长702.34 mm，头部长度382.88 mm，尾部长度69.62 mm，尾部倾角8°，几何外形如图4所示。

图4 155 mm口径榴弹弹丸平台

为防止修正机构提前触发造成卡膛等现象，在距弹头部57.8 mm引信部最大尺寸位置加装阻尼机构。

3 气动特性仿真

气动参数对弹道修正能力有着决定性的影响，因此，对火箭弹安装阻尼机构前后的气动特性仿真尤为重要。用SolidWorks建模后保存为x-t格式导入gambit前处理软件中，分别对机构进行展开前和展开后网格处理如图5所示。保存msh文件导入fluent中进行气动特性分析。本文仿真使用密度基求解器，采用基于节点的高斯克林函数求梯度的方法以得到更准确的仿真值。湍流模型选择比较适合于具有壁面限制流动问题的Spalart-Allmaras模型。Density中选择ideal-gas，Viscosity中选择sutherland，即用萨兰德定律计算粘性。边界条件设置：弹体表面设置为WALL，为无滑移绝热粘性固壁面；圆柱形计算域外表面设置为压力远场。Courant Number采用默认值1；Flux Type通量类型保持默认的Roe-FDS通量差分方法；Muhigrid Levels设定为5。Residual Smoothing保持为0，端流粘性方程的差分格式选择二阶迎风格式[5]。设置参考面积为弹体定心部横截面积。

图5 机构全展开时网格图

本文仅对机构展开和未展开时进行0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4马赫数下的气动特性仿真，图6、图7是机构展开前和展开后的气动压力云图，图8、图9为机构展开前和机构展开后在1.2马赫下的X方向速度云图。其阻力系数如表1所示。

图6 未展开时1.2马赫下压力云图

图7 全展开时1.2马赫下压力云图

图8 未展开时1.2马赫下x方向速度云图

图9 全展开时1.2马赫下x方向速度云图

马赫数未展开阻力系数全展开阻力系数增阻系数0.40.214540.586612.7340.60.202630.627843.0980.80.203100.637843.1401.00.328430.800572.4371.20.493981.109152.2451.40.480771.159472.411

本文以155 mm口径榴弹为建模对象进行气动分析。从图10可以清晰地看出阻尼机构展开后对榴弹的增阻情况，阻力系数在1.3马赫数之前阻力系数随马赫数增大而增大，在0.8马赫数时增阻系数达到3.140，未安装阻尼机构时该弹的平均增阻系数为2.677 5，该阻尼机构增阻效果良好。

图10 阻力系数随马赫数变化图

4 修正能力评估

本文采用Matlab对该榴弹编程计算其修正大小，初定义射角为φ0=40°，计算了音速时的修正距离。弹道方程[6]：

由图11、图12、图13可知阻尼机构展开时间对弹丸射程修正以及因为增阻原因对弹丸速度的影响，弹丸在16.078 s时达到最高点，34.947 s时落地。如表2所示本文计算了16 s到32 s时的修正距离。16 s处修正距离为104.769 m，修正能力强。

图11 展开时间和修正距离关系

修正时间/s修正距离/m修正时间/s修正距离/m16104.76902612.37501876.8230285.94802052.9490302.24902235.8610320.56702422.1600max0

5 结论

本文在分析国内外阻尼修正机构优缺点后设计了一种新型阻尼机构，该机构增阻能力强，展开面积可控，且机构装置简单化，小型化。通过气动仿真可知，该机构修正能力强，达到优化的目的。但该阻尼机构展开前后转针转角范围较小，增大该阻尼机构转角是后续研究的主要方向。

[1] 赵金强，龙飞.弹道修正弹综述[J].制导与引信，2005，26(4)：16-19.

[2] 魏波.新型一维弹道修正机构的设计[J].弹箭与制导学报，2014，34(6):79-82.

[3] 徐永杰，吴国东.增阻式一维弹道修正弹气动分析[J].弹箭与制导学报，2013，33(6):133-136.

[4] 盖强，胡江. 舰炮一维弹道修正弹射击安全界研究[J].兵工自动化，2016(11):4-6.

[5] 于勇.FLUENT入门与进阶教程[M].北京：北京理工大学出版社，2011：100-108.

[6] 徐明友.火箭外弹道学[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

[7] 王保国,刘淑艳,刘艳明.空气动力学基础[M].4版.北京：北京理工大学出版社,2009.

(责任编辑 周江川)

Optimized Design of One-Dimensional Trajectory Correction Machine and Simulation Analysis

ZHAO Xiong-fei，WU Guo-dong， WANG Zhi-jun，XU Yong-jie，CHEN Yong

(College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China)

This paper in-depth analyzed the basis of the one-dimensional trajectory correction advantages and disadvantages both at home and abroad, and a flexible and variable drag coefficient of correction mechanism was optimized and designed, and mechanism of the aerodynamic characteristics and correction ability was verified by simulation. This mechanism gained an average resistance coefficient to 2.677 5 and correction ability is better. Damping can be arbitrarily specified size, which makes the multiple corrections be realized.

correction mechanism；variable drag coefficient；multiple correction

2016-10-16；

2016-11-20 基金项目：国家自然基金资助项目(11572291)

赵雄飞(1991—)，男，硕士研究生,主要从事弹道修正技术研究。

10.11809/scbgxb2017.03.010

赵雄飞，吴国东，王志军，等.一维弹道修正机构优化设计和仿真分析[J].兵器装备工程学报，2017(3):42-45.

format:ZHAO Xiong-fei，WU Guo-dong， WANG Zhi-jun，et al.Optimized Design of One-Dimensional Trajectory Correction Machine and Simulation Analysis[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):42-45.

TJ430.3

A

2096-2304(2017)03-0042-04