彈道模型在旋轉彈丸穩定性仿真中的應用

廖廣輝

(徐州空軍勤務學院 武漢訓練大隊，武漢 430033)

彈丸飛行穩定性狀況對彈丸飛行彈道有直接影響，是外彈道研究的重要內容。文獻［1］分析了火炮射角和彈丸長徑比對彈丸追隨穩定性和動態穩定性的影響實質，得到其影響規律，該研究對彈丸設計具有重要參考價值。文獻［2 -3］分別建立了脈沖力和脈沖力矩作用于彈道修正彈的彈道數學模型，對脈沖力和脈沖力矩影響下的彈丸穩定性條件進行了分析，其研究成果對彈道修正方案的選取具有參考意義。上述文獻均建立了6 自由度的剛體彈道模型，卻忽略了地球曲率的變化，對彈丸穩定性的分析精度有一定影響。

本文建立了高速旋轉彈丸的質點彈道模型、修正質點彈道模型和剛體彈道模型，且在剛體彈道模型中考慮了地球表面曲率變化的影響，旨在分析和得到不同彈道模型在彈丸穩定性仿真中的優劣與規律。

1 彈道模型

1.1 質點彈道模型

質點彈道方程是實際彈道的最簡單模型，一般作為研究實際彈道的基準。它是將彈丸作為質點處理，僅考慮重力和空氣阻力的作用，忽略攻角的存在(即δ=0)，是3 自由度的彈丸運動微分方程。本文采用綜合考慮自然風、地球表面曲率及重力加速度變化和科氏加速度影響的彈丸質點運動方程組，可參考文獻［4］。

1.2 修正質點彈道模型

修正質點彈道模型是在質點彈道模型的基礎上考慮了升力、馬氏力和彈丸攻角引起的誘導阻力，提高了計算精度，是4 自由度的彈丸運動微分方程。修正質點彈道是空間曲線，相比于質點彈道更接近實際彈道。本文只列出其與質點彈道方程不同的部分［5］:

式中:bx為考慮攻角δ 影響的彈丸阻力系數;δx、δy、δz的直接算法可參考文獻其他符號的物理意義可參考文獻［6］。

1.3 剛體彈道模型

剛體彈道方程包括質心運動的動力學方程、繞心運動的動力學方程和質心運動學方程。本文基于坐標變換理論建立地球曲率影響下的剛體彈道模型。

地球曲率對剛體外彈道模型影響的物理本質是彈丸飛行過程中地面坐標系相對于地面固聯坐標系有旋轉角度φ［7］。考慮地球曲率時的坐標系如圖1 所示。

圖1 考慮地球曲率時的坐標系

此時在彈丸質心運動的動力學方程中，彈丸加速度可分解為地面坐標系中的相對加速度和速度矢量v 隨φ 變化的牽連加速度×v;彈丸繞心運動的動力學方程中，彈丸所受合力矩可分解為地面坐標系中的相對合力矩和動量矩矢量L隨φ 變化的牽連力矩×L。

式中:∑Fix2、∑Fiy2、∑Fiz2為彈丸所受合力在速度坐標系各軸上的分量;∑Miξ、∑Miη、∑Miζ為彈丸所受合力矩在彈軸坐標系各軸上的分量;Bξ、Bη、Bζ和Cξ、Cη、Cζ分別為彈丸飛行t 時刻彈軸坐標系相對于地面坐標系轉動的ω 以及角速度矢量˙φ 與彈丸所受動量矩矢量L 叉乘在彈軸坐標系各軸上的分量。

質心運動學方程反應彈丸飛行過程中相對地面固聯坐標系的位置。考慮地球曲率的作用，只需考慮彈丸的飛行高度和地球半徑將彈丸空中飛行速度向地面投影即可。

2 彈丸飛行穩定性計算

彈丸穩定飛行是指彈丸自發射至命中目標的全飛行過程中攻角δ 始終較小或逐漸減小。彈丸穩定性包括陀螺穩定性、追隨穩定性和動態穩定性。

1)全彈道陀螺穩定性計算

在彈道上任意點的陀螺穩定因子

由4D 彈道模型或6D 彈道模型計算得到任意時刻的彈丸轉速速度v、插值計算的kz，可根據式(4)計算出該時刻的陀螺穩定因子Sg。若每一時刻的Sg均大于1，則全彈道是陀螺穩定的。

2)全彈道追隨穩定性計算

由4D 彈道模型或6D 彈道模型計算得到任意時刻的彈丸攻角δ。若δ 始終不大于動力平衡角的限定值［δp］，則彈丸的運動在全彈道上是追隨穩定的。

3)全彈道動態穩定性的計算

在彈道上任意點的動態穩定因子

由4D 彈道模型或6D 彈道模型計算得到任意時刻的彈道傾角θ，彈丸速度v，插值計算的bx、by、ky、kzz，可根據式(5)計算出該時刻的動態穩定因子Sd。若每一時刻的Sd和Sg均滿足SgSd(2 -Sd)＞1，則全彈道是動態穩定的。

3 案例仿真及分析

由得到的外彈道數學模型，利用四階五級龍格- 庫塔法，借助Matlab 軟件編寫計算程序，并對某口徑榴彈的外彈道過程進行數值仿真。仿真輸入數據如表1。仿真過程中用到的氣動力和氣動力矩系數由11 組試驗數據經過一元三點不等距插值求得。

表1 仿真輸入數據

為研究不同彈道模型在旋轉彈丸外彈道性能仿真中的應用，分別利用質點彈道模型、修正質點彈道模型和剛體彈道模型對上述案例進行仿真，結果如表2 所示，彈丸攻角曲線如圖2 所示，彈丸陀螺穩定性曲線如圖3 所示，彈丸動態穩定性曲線如圖4 所示。

表2 不同彈道模型的仿真結果

表2 中，3D、4D、6D 模型的仿真射程與實驗射程10 575 m的相對誤差［5］分別為0.96%、0.86%、0.60%，由此可知，描述旋轉彈丸的數學模型越精確，其仿真結果越接近實驗值。由彈丸空中飛行總時間tmax知，彈道模型中考慮的氣動力和氣動力矩越全面，彈丸空中飛行的時間越長，仿真射程越小，其仿真結果越精確。

圖2 彈丸攻角曲線

由圖2 知，在彈丸飛行的初始階段，4D 模型不能較好地反映彈丸攻角的變化，這是因為彈丸出炮口時，彈道風是彈丸攻角產生和變化的主要原因，此時彈丸攻角姿態應是震蕩的。在彈丸飛行的下降段，6D 模型求解的彈丸攻角值始終大于4D 模型，這是6D 模型仿真射程比4D 模型小的根本原因，因為彈丸攻角姿態愈差，其所受的氣動力尤其是氣動阻力越大，彈丸射程就愈小。由此可見，4D 模型雖采用了彈丸攻角的直接解法，卻終因忽略次要氣動力矩的作用而不如剛體彈道模型能夠較好反映全彈道彈丸攻角的變化，從側面驗證了次要力矩對彈丸攻角的重要作用。由表2 知，4D 模型的仿真步長和質點模型一致，為0.1，遠大于6D 模型的仿真步長，這使得4D 模型在解算中實時性較剛體彈道模型好，因此，4D 模型常用于火控系統中對來襲目標的實時解算，但需要一定的修正量。

圖3 彈丸陀螺穩定性曲線

由圖3 知，旋轉彈丸在全彈道上滿足Sg＞1，能夠較好滿足陀螺穩定性的要求。由圖4 知，在彈丸飛行的初始階段，彈丸的動態穩定性較差，這是由于彈丸動態穩定性反映攻角的變化趨勢。由圖2 知此時彈丸攻角是震蕩且有增加趨勢的，因此不能滿足彈丸動態穩定性要求。對比圖2 ～4 知，在彈丸飛行的上升階段，4D 模型和6D 模型對彈丸穩定性仿真結果的一致性較好，而在飛行的下降階段一致性則較差。

圖4 彈丸動態穩定性曲線

4 結論

1)彈道模型愈精確，彈丸飛行時間的仿真值愈大，仿真射程愈小，其結果愈接近實驗值。

2)4D 模型與6D 模型對彈丸穩定性的仿真結果在彈丸飛行的上升段一致性較好，而在下降段一致性較差。

［1］高旭東，王曉鳴，劉亞飛.高炮彈丸長徑比與飛行穩定性研究［J］.彈箭與制導學報，2004，24(3):37-38.

［2］王中原，王良明.修正彈道飛行穩定性分析［J］.兵工學報，1998(4):298-300.

［3］王中原，丁松濱，王良明.彈道修正彈在脈沖力矩作用下的飛行穩定性條件［J］. 南京理工大學學報，2000，24(4):322-325.

［4］錢林方，侯保林，徐亞棟.火炮彈道學［M］.北京:北京理工大學出版社，2009:22-31.

［5］李奉昌.動力平衡角的直接求法［J］.兵工學報:彈箭分冊，1992，1 (2):45-51.

［6］王道宏，張長琪.現代火炮設計計算程序選編［M］.北京:國防工業出版社，1993:82-88.

［7］馮德朝，張方方，胡春曉.自然風對旋轉彈丸外彈道性能影響的仿真研究［J］.指揮控制與仿真，2012，34(1):96-98.

［8］林獻武，王中原.超遠程彈箭降弧段動力平衡角的快速計算方法［J］.火力與指揮控制，2010(9):113-116.