鸭舵式修正机构修正能力的分析与研究*

邵伟平, 汪亚利, 郝永平, 郝 启, 许 巍

(沈阳理工大学机械工程学院, 沈阳 110159)

鸭舵式修正机构修正能力的分析与研究*

邵伟平, 汪亚利, 郝永平, 郝 启, 许 巍

(沈阳理工大学机械工程学院, 沈阳 110159)

为了研究鸭舵式修正机构的修正能力,建立了不同舵高和不同舵偏角的二维弹道修正弹丸三维模型,采用了流体动力学和运动学的联合仿真,重点分析了弹丸的升阻比气动特性、舵片减旋和姿态控制,得出修正效果。得出结论:50 mm高的舵片对射程的修正效果最好,55 mm高的舵片对偏航的修正效果最好;舵偏角越大的舵片对射程和射高的修正效果越好,但对航偏的修正效果不佳,而偏角较小的舵片对航偏的修正效果较好。

鸭舵;修正机构;舵高;舵偏角;修正能力

0 引言

近年来,国内外在对武器装备的研制中,越来越多的把二维修正弹作为其重点研制对象。世界上发展修正弹的国家主要有美国、英国、法国、瑞典、以色列、俄罗斯等,其中以美国发展最快[1]。弹道修正弹是在原来普通弹药的弹头上加装弹道修正引信,通过实时监测弹丸的飞行姿态控制修正引信来对弹丸进行二维弹道修正,从而保证修正弹的打击精度[2]。精确制导和避免平民人员伤亡一直以来是武器装备界不断追求的目标,而具有低成本的二维修正弹能够较好的实现这一目标。

二维修正弹主要通过两种方式来实现弹道修正:其一,利用脉冲修正机构;其二,利用鸭舵式修正机构[3]。前者需要改变弹丸的结构来实现修正,并且对机构的安装位置有较高要求;后者虽也存在难以控制等缺点,但其不需要改变原弹丸结构,只需在原有炮弹上稍作修改就能明显提高命中精度[4]。鸭舵式修正机构作为二维修正弹丸的主要组成部分,文中对其修正能力进行了研究与分析。

1 鸭舵式修正机构的修正原理

鸭舵式修正机构是加装在二维修正弹丸原有引信上的起到修正控制作用的能够提高弹丸散落点精度的一种修正系统。该修正机构主要由舵翼、约束机构、传动机构、驱动机构、激发装置等组成,在弹丸飞行过程中利用测量装置测出实际弹道参数,并将实际弹道参数与理想弹道参数进行对比计算射程和方向偏差,最后由修正执行机构对弹道进行修正[5]。鸭舵式修正机构修正原理图如图1。

舵翼作为弹丸改变自身弹道的执行元件,不同高度、不同偏角的舵翼使得弹丸整体的气动特性不同,弹丸整体气动特性的变化将直接影响舵片的修正能力[6]。文中将以某高速旋转弹为研究对象,重点分析不同高度、不同舵偏角度对弹丸整体气动特性的影响,并得出鸭舵式修正机构的修正能力。

2 鸭舵式修正机构气动特性分析

2.1 不同舵片高度的弹丸气动特性分析

为了研究鸭舵式修正机构对弹丸整体气动特性和其修正能力的影响,现以XXX炮弹为研究对象设计了形状相同、同一舵偏角度、舵片高度分别为45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm的5组模型。舵片形状为菱形,两对舵片在弹丸上的整体布局图如图2[7]。

利用流体动力学仿真软件分别对装有上述不同高度舵片的弹丸进行了动力学仿真,得到了以下结果,如图3。

从图3的分析结果可以看出,当舵片形状和舵偏角相同的情况下,弹丸整体升阻比随舵片高度的增大而增大,当舵片高度增大到一定程度时,升阻比又会急速下降而变得很小,所以在选择舵片高度时不宜过大,一般应在55 mm左右;在不同的速度下,装有不同高度舵片弹丸的升阻比的变化不完全一致,当舵片高度不超过一定范围时,整体升阻比随速度的增大先减小再增大,在亚音速下的升阻比最高。

2.2 不同舵偏角的弹丸气动特性分析

形状和高度均相同的舵片,其面积是一样的,但在弹丸飞行过程中不同舵偏角会使得舵片的迎风面积不同,从而直接影响弹丸整体的气动特性[8]。现以高度为45 mm的舵片为例,设计3组舵偏角分别为4°、6°、8°的弹丸模型,并分别对其进行流体动力学仿真,得到以下结果,如图4。

从图4可以看出,不同舵偏角的修正弹丸整体升阻比随马赫数的增大先减小后增大,跨音速下的升阻比最小;亚音速下6°舵偏角的升阻比较大,而跨音速和超音速下8°舵偏角的升阻比较大。

3 鸭舵式修正机构修正能力分析

3.1 舵片姿态控制分析

鸭舵式修正机构包含一对减旋舵和一对修正舵,弹丸发射后在空中高速旋转,为了便于获取实时弹道的参数和满足弹丸姿态控制要求,首先利用控制系统和驱动系统使舵片转速降到较小的转速,即做减旋处理[9]。转速降下来以后,根据获得的实时弹道的参数与理想弹道的参数进行对比,若偏差超过预定的值,修正执行机构便以某固定姿态不动,利用风对一对修正舵片的作用力使弹丸向理想弹道方向靠近以达到修正的作用[10]。图5为舵片减旋过程图。

当舵片转速降下来以后,引信中的控制系统就会实时监测实际弹道是否超过预期范围,若超过,将控制舵片以固定姿态停在某一位置,修正舵受空气作用而产生修正力从而使实际弹道接近理想弹道,达到提高打击精度的目的。图6为舵片姿态控制图。

3.2 不同舵片高度下弹丸修正能力分析

以某炮弹为例,按照15°射角,713 m/s的小初速发射,分别对无舵片弹丸和装有不同高度舵片的弹丸进行动力学仿真。图7～图9为不同舵片修正前与修正后射程、射高、航偏的变化量。

从图7可以看出,45 mm、50 mm、55 mm高的舵片修正后射程增大了,而60 mm、65 mm高的舵片修正后射程减小了,其中,50 mm高的舵片修正后射程增量最大,所以选择舵片高度时不宜过大。

从图8以看出,修正后只有45 mm、50 mm高的舵片的射高有变化,但变化非常小,从而可以得出结论:舵片高度对修正弹丸射高的影响不大。

从图9可以看出,对偏航影响最大的为55 mm高的舵片,即55 mm高的舵片对偏航的修正最好。此外,其他舵片随着舵高的增大修正效果越来越差,65 mm高的舵片修正量为零。图10为不同舵高舵片在运动学仿真软件中对偏航的修正效果图,从图10可以更直观地看出55 mm高的舵片对偏航修正效果最好。

3.3 不同舵偏角下弹丸修正能力分析

仍以上述弹丸为例,选择高为45 mm的舵片分别以4°、6°、8°的舵偏角安装在弹丸上,以同样的初始条件进行动力学仿真,得到以下结果,如图11～图13。

图13 不同舵偏角修正前后航偏的变化量从图11～图13可以看出,8°舵偏角的舵片使射程和射高的增量最大,但对偏航的修正量最小;6°舵偏角的舵片对偏航的修正量比4°舵偏角的舵片大,但射程和射高的修正量,4°舵偏角要比6°舵偏角的修正效果好。所以在选择舵偏角时,一定要综合考虑修正对射高、射程和偏航的修正效果,从上述的分析可以看出,舵偏角越大对偏航的修正效果越好,而舵偏角越小对射程和射高的修正效果就越好。

4 结论

文中以某固定鸭舵式旋转稳定弹为例,阐述了二维修正弹的修正原理以及两对鸭舵在弹丸上的整体布局,以不同舵片高度和不同舵偏角大小分别建立了三维模型,并对模型进行了流体力学和运动学仿真,重点分析和研究了不同舵片对修正弹丸整体气动特性和舵片修正能力的影响。结果表明,舵片高度对射高的影响不大,50 mm高的舵片对射程的修正效果最好,55 mm高的舵片对偏航的修正效果最好;在研究舵偏角对修正效果的影响时发现,舵偏角越大的舵片对射程和射高的修正效果越好,但对偏航的修正效果不佳,而舵偏角较小的舵片对偏航的修正效果较好。

[1] 张通, 赵晓利. 弹道修正弹及其关键技术分析 [J]. 飞航导弹, 2014(5): 38-42.

[2] 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.

[3] 杨慧娟, 霍鹏飞, 黄铮. 弹道修正弹修正执行机构综述 [J]. 四川兵工学报, 2011, 32(1): 7-9.

[4] 邵盼, 郭煜洋, 郝永平, 等. 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] 吴萍, 陈少松, 杨晋伟, 等. 旋转控制固定鸭舵二维弹道修正弹气动特性 [J]. 弹道学报, 2014, 26(3): 7-9.

[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: 10-15.

[7] ROPERT J G, SIEWART J. 2-Dprojectile trajectory corrector：6502786 B2 [P]. 2003-01-07.

[8] HAMEL Nicolas, GAGNON Eric. CFD and parametric study on a 155 mm artillery shell equipped with a roll-decoupled course correction fuze：DRDC-VALCARTIER-SL-2011-297 [R]. [S.l.:s.n.], 2011.

[9] GLEISSL R, DESLANDES R M, BAETEN A. Assessment of missile plume impact characteristics: AIAA 2007-675 [R]. [S.l.:s.n.], 2007.

[10] SMITH Douglas L. Fractional roll control apparatus for a spinning projectile: 7412930[P]. 2008-08-19.

TheAnalysisandStudyofCorrectionAbilityofCanardCorrectionMechanism

SHAO Weiping, WANG Yali, HAO Yongping, HAO Qi, XU Wei

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

In order to study the correction ability of the canard correction mechanism, establishing 3D models of two-dimensional trajectory correction artillery with different heights and different rudder angles and conducting fluid dynamics and kinematics simulation. Using hydrodynamics and kinematics co-simulation, analyzing aerodynamic characteristics, anti-rotation and position-control of rudder specially. Drawing a conclusion:the rudder with 50 mm height makes the correction-result of range best, the rudder with 55 mm height makes the correction-result of deviation best; the bigger rudder angle, the better the correction-result of rang and cross, but the correction-result of deviation is not good and the smaller rudder angle makes the correction-result of deviation better.

canards; correction institution; the height of rudder; rudder angle; correction ability

TJ012.3

A

2016-03-31

邵伟平(1968-),女,重庆合川人,教授,博士,研究方向:机械设计及理论。