炮射无人机弹机转换过程弹道特性

李永泽, 陈 华, 陈 伟

(1.中国工程物理研究院 总体工程研究所,四川 绵阳 621000;2.中国人民解放军96901部队,北京 100000)

炮射无人机是传统炮射弹药与无人机技术的有机结合,具有装载携行方便、起飞快速、升阻特性良好等优点。近年来美国针对特种作战需求研发并装备了“弹簧刀”炮射无人机,如图1所示。“弹簧刀”这个概念由美国在1994年首次提出,是指一种能在目标区上方进行“巡弋飞行”、“待机攻击目标”的新概念弹药,目的在于让地面小规模部队,如班、排和特种作战分队等,在没有空中、地面火力支援的情况下,也能即时打击视距外目标[1-2]。美国雷神公司在“弹簧刀”炮射无人机的基础上发展了“水下发射运载器”,使之成为新型“弹簧刀”潜射无人机[3-4]。本文基于“弹簧刀”炮射无人机的发射过程和原理,对炮射无人机在弹机转换过程中的弹道特性进行了研究,给出了最佳折叠展开方式和展开时间,并通过实际飞行试验对弹机转换过程进行了验证。

图1 “弹簧刀”炮射无人机Fig.1 “Switchblade” gunshot UAV

1 炮射无人机弹机转换过程

炮射无人机通常采用具有前后两对主翼面的串列翼布局,发射前机翼折叠收放在发射筒内,作战时炮射无人机从发射筒中弹射出的同时机翼展开,然后在飞行控制系统的控制下进入巡飞状态。机翼展开完成后炮射无人机的初始状态对炮射无人机后续的姿态稳定及轨迹控制至关重要[5]。“弹簧刀”炮射无人机发射过程如图2所示。

图2 “弹簧刀”炮射无人机的弹机转换过程Fig.2 Projectile-aircraft transition process of “Switchblade” gunshot UAV

目前暂无公开文献研究炮射无人机弹机转换过程。炮射无人机弹机转换过程中,在前后翼展开同步性和左右翼展开对称性的条件下,对比分析了机翼展开时间为0.2、0.3、0.4、0.5 s时炮射无人机气动弹道特性,并在仿真分析基础上选择展开时间0.3 s进行了飞行验证。

2 弹道仿真及验证

2.1 几何建模

炮射无人机采用串列翼布局[6],前翼翼展1.3 m、后翼翼展1.1 m、机翼弦长100 mm,前后翼均为矩形平直翼,翼型相同。在左右翼展开对称性和前后翼展开同步性的条件下,对展开过程气动特性采用先计算典型离散位置构型气动特性,然后线性插值得到整个展开过程气动特性的方法。典型离散位置构型取机翼展开角Λ为0°、30°、60°及90°时的4种典型构型如图3所示。

2.2 展开过程气动特性分析

采用Fluent软件计算了前后翼同时展开过程中特定展开角对应的炮射无人机纵向气动特性,如表1所示。

图3 前后翼同时展开过程Fig.3 Simultaneous expansion of forward and rear wings

表1前后翼同时展开纵向气动特性参数

Tab.1Longitudinalaerodynamicparameterforsimultaneousexpansionofforwardandrearwings

Λ/(°)迎角α/(°)升力系数CL阻力系数CD力矩系数Cm00-0.004 10.011 40.001 330.011 60.012 0-0.008 150.024 70.014 2-0.016 23000.033 60.021 6-0.022 330.178 10.025 4-0.094 750.260 40.034 8-0.138 36000.118 80.020 0-0.068 630.348 00.027 3-0.181 250.490 50.038 6-0.252 09000.174 70.030 8-0.085 830.435 80.038 7-0.199 150.601 60.051 5-0.273 0

2.3 仿真条件

在对展开过程中气动特性参数计算分析的基础上[7],采用六自由度模型进行炮射无人机展开过程弹道仿真。弹道仿真条件如下所示:海拔高度H=800 m,弹体质量m=4 kg,初始位置(x0,y0,z0)=(0,0,0),初始俯仰角θ0=45°,初始方位角ψ0=0°,初始俯仰角速度ω0=0 (°)·s-1,弹射出筒速度v0=25 m·s-1,出筒迎角α0=0°,飞控起控后爬升角25°。

2.4 展开过程弹道仿真

针对炮射无人机弹机转换过程,在前后翼展开同步性和左右翼展开对称性的条件下,分别仿真机翼展开时间为0.2、0.3、0.4、0.5 s时炮射无人机弹道特性。展开完成后飞控立刻对炮射无人机进行姿态稳定和轨迹控制,总仿真时间为1.0 s。炮射无人机机翼展开过程及展开完成后姿态稳定过程弹道参数变化曲线如图4所示。

3 仿真结果分析及试飞验证

由仿真结果可以看出,不同机翼展开时间对应的弹道特性有较大差别,如下所示:

(1)展开时间越长,飞行速度衰减越多。当机翼展开时间为0.5 s时,最小飞行速度约为21 m·s-1,接近失速速度,对应舵效降低,因而对后续姿态稳定及轨迹控制带来很大难度,甚至可能失控。

(2)机翼展开时间对弹射后炮射无人机轨迹影响较小,但机翼展开时间越短,相同时间内爬升高度越高,越有利于弹射起飞,从而降低起飞后触地危险。

图4 不同机翼展开时间对应弹道参数变化Fig.4 Ballistic parameter variation with different expanding times

(3)机翼展开时间越短,展开完成后炮射无人机俯仰角、迎角及俯仰角速度越小,越有利于展开完成后飞控快速稳定炮射无人机姿态,完成弹机转换。

(4)在机翼展开时间为0.5 s时飞控可控制炮射无人机姿态稳定并按预定爬升角爬升,但在0.5 s机翼展开时间时起控速度和最大迎角几乎接近失速速度和失速迎角。考虑飞控自身的起控延时,机翼展开时间最大不应超过0.4 s。

由以上仿真分析可以看出,机翼展开时间越短越有利于炮射无人机机翼展开完成后飞控对飞行姿态进行稳定和控制,越有利于弹机转换。然而,机翼展开时间又受展开机构的约束,因此需要在机翼展开时间和展开机构设计间进行折中考虑。为验证上述弹机转换过程仿真结果,结合实际展开机构设计的实现难度,选择机翼展开时间0.3 s进行了弹机转换动态飞行验证。设定飞控在无人机弹射出筒后0.3 s进行姿态稳定和控制,实飞弹机转换过程如图5所示。炮射无人机顺利完成机翼展开和姿态稳定,并按给定爬升角爬升至预定高度,完成预定飞行航线后安全降落。

图5 弹机转换飞行验证试验Fig.5 Test verification of projectile-aircraft transition flight

4 结语

综合以上仿真分析和试验验证可以看出,机翼展开时间越短越有利于弹机转换过程,但机翼展开时间又受展开机构设计的约束,综合考虑展开机构设计的难度及飞控延迟,飞控最大起控延时应不大于0.5 s,展开机构展开时间应不大于0.4 s。飞行试验验证结果表明,在左右翼展开对称性和前后翼展开同步性的条件下,炮射无人机可顺利实现弹机转换过程。