彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)中外彈道模塊的設(shè)計與實現(xiàn)*

楊東陽,毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室,北京 100081)

彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)中外彈道模塊的設(shè)計與實現(xiàn)*

楊東陽,毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學(xué)爆炸科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室,北京 100081)

為實現(xiàn)對彈藥外彈道性能的快速預(yù)測和分析,搭建了外彈道性能分析模塊的軟件體系架構(gòu),詳細(xì)分析了其功能結(jié)構(gòu)組成,并對經(jīng)典外彈道分析模型及飛行穩(wěn)定性分析模型進(jìn)行梳理,通過Visual Studio 2010 C++下的MFC框架設(shè)計開發(fā)了彈藥外彈道性能分析軟件。利用此軟件對某制式彈丸的外彈道性能進(jìn)行計算分析,與實彈發(fā)射數(shù)據(jù)相比,兩者吻合較好。彈藥外彈道模塊的實現(xiàn)為彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)奠定了重要的基礎(chǔ)。

快速設(shè)計;彈藥;外彈道模塊;性能分析

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭是高技術(shù)的戰(zhàn)爭,戰(zhàn)場環(huán)境瞬息萬變,新型目標(biāo)層出不窮,使其對彈藥的研制提出了更高的要求,傳統(tǒng)“畫加打”的研制模式已不能再適應(yīng)[1]。彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)將現(xiàn)代設(shè)計方法引入到彈藥設(shè)計領(lǐng)域,集知識庫技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)于一體,實現(xiàn)基于知識驅(qū)動下彈藥結(jié)構(gòu)的快速設(shè)計和性能預(yù)估,從而提高彈藥的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量[2]。外彈道性能計算是彈藥設(shè)計中必不可缺的重要環(huán)節(jié),它的好壞直接影響彈丸飛向目標(biāo)的精準(zhǔn)性,從而影響最終對目標(biāo)的打擊效果。因此,在整個彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)中,外彈道模塊的設(shè)計與開發(fā)至關(guān)重要。文中基于對整個彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)的考慮,搭建了外彈道模塊的體系框架結(jié)構(gòu),詳細(xì)分析了其功能組成,通過引入經(jīng)典外彈道模型及相關(guān)飛行穩(wěn)定分析模型,并采用Visual Studio 2010 C++內(nèi)的MFC框架[3]設(shè)計開發(fā)了外彈道計算分析軟件,從而為彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)的開發(fā)實現(xiàn)奠定了重要的基礎(chǔ)。

1 外彈道模塊的設(shè)計

1.1 外彈道模塊架構(gòu)的搭建

彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)主要由戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo)分解、部件結(jié)構(gòu)設(shè)計、部件性能分析、整彈結(jié)構(gòu)拼裝、整彈性能分析等5大功能模塊組成[4],如圖1所示。

圖1 彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)模塊組成

外彈道模塊屬于整彈性能分析模塊中的子模塊,在整彈結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后,通過調(diào)用外彈道模塊進(jìn)行外

彈道性能的預(yù)測。

整彈性能分析模塊將內(nèi)彈道、外彈道、終點(diǎn)彈道性能分析模型以程序代碼的形式嵌入在彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)中。其中內(nèi)彈道模塊根據(jù)彈藥的結(jié)構(gòu)參數(shù)、炮膛藥室容積與發(fā)射藥性質(zhì),計算最大膛壓、出炮口速度等;外彈道模塊根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)、彈藥參數(shù)與周邊發(fā)射環(huán)境計算落速、射程、飛行時間等;終點(diǎn)彈道模塊計算包括目標(biāo)函數(shù)與約束條件在內(nèi)的需要輸出的能表征彈藥威力的性能參數(shù)。彈藥的快速設(shè)計在知識驅(qū)動下完成[5]。因此知識驅(qū)動下的外彈道計算模塊接受參數(shù)化快速設(shè)計系統(tǒng)或設(shè)計人員輸入的彈藥各部件具體尺寸、內(nèi)彈道計算參數(shù)以及知識庫中的各種彈道表參數(shù)、氣動參數(shù)、試驗結(jié)果等,外彈道模塊的計算結(jié)果也為終點(diǎn)彈道性能分析模塊的計算提供前提輸入。

外彈道模塊在體系框架上主要分為3層,即全局?jǐn)?shù)據(jù)庫層、功能層、界面層,如圖2所示。全局?jǐn)?shù)據(jù)庫主要存儲計算相關(guān)的動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)等,為整個系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持,主要包括產(chǎn)品實例庫、分析模型庫、實驗數(shù)據(jù)庫等;功能層執(zhí)行系統(tǒng)的主要功能,主要包括模型選擇、氣動力計算、彈道計算、飛行穩(wěn)定性計算;界面層即人機(jī)交互界面層,通過友好的界面與使用者進(jìn)行交互,主要為用戶提供系統(tǒng)界面顯示、數(shù)據(jù)顯示、信息輸入與輸出功能。

圖2 外彈道模塊基本結(jié)構(gòu)

1.2 外彈道模塊的功能設(shè)計

文中將外彈道功能模塊分為外彈道計算和飛行穩(wěn)定性計算兩大模塊,其組成如圖3所示。外彈道計算中目前主要包含了質(zhì)點(diǎn)彈道分析模型、修正質(zhì)點(diǎn)彈道分析模型和剛體彈道分析模型;飛行穩(wěn)定性計算主要包含了旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸的急螺穩(wěn)定性分析模型和飛行定向性分析模型[6]。由于系統(tǒng)的開放性,系統(tǒng)支持其它外彈道分析模型的擴(kuò)充,可以將某個特定的外彈道分析模型嵌入到該模塊中,從而進(jìn)行特定分析。

圖3 外彈道模塊功能設(shè)計

目前,隨著發(fā)射平臺、彈藥種類的不斷發(fā)展變化以及在外彈道學(xué)中考慮的因素不同,外彈道模型類型眾多,都是以經(jīng)典模型為基礎(chǔ)增加力和力矩建立起來的新模型[7]。

文中所涵蓋的質(zhì)點(diǎn)彈道模型、修正質(zhì)點(diǎn)彈道模型和剛體彈道模型,這三個模型能夠滿足使用者基本需要,同時也方便使用者進(jìn)行操作。

以修正質(zhì)點(diǎn)彈道為例,該模型在質(zhì)點(diǎn)彈道模型基礎(chǔ)上增加了一個彈丸自轉(zhuǎn)方程(即彈丸繞過質(zhì)心的彈軸的角運(yùn)動方程),考慮了誘導(dǎo)阻力、升力、馬格努斯力、極阻尼力矩對彈丸運(yùn)動的影響,計算誤差比質(zhì)點(diǎn)彈道方程小得多,計算速度比剛體彈道方程快,數(shù)學(xué)表達(dá)式[8]如下:

(1)

2 外彈道模塊的實現(xiàn)與應(yīng)用

2.1 軟件開發(fā)與實現(xiàn)

在Visual Studio 2010集成開發(fā)環(huán)境下,采用C++語言并利用MFC框架對外彈道模塊進(jìn)行了開發(fā)。MFC是面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計與應(yīng)用框架的完美結(jié)合,它將傳統(tǒng)的API進(jìn)行分類封裝,并包含一個應(yīng)用程序框架,從而使得程序設(shè)計更為便捷。圖4為外彈道模塊中剛體彈道計算和急螺穩(wěn)定性計算的工作界面。

圖4 外彈道模塊工作界面圖

2.2 實例計算及分析

以某制式殺爆彈為例來驗證外彈道模塊的各項功能和計算結(jié)果的可靠性。初始條件如下:初始射角45°,初始速度930 m/s,赤道轉(zhuǎn)動慣量1.223 6 kg/m2,極轉(zhuǎn)動慣量0.142 64 kg/m2,彈重43.7 kg,彈長703 mm,彈徑152 mm,圓柱部長246.1 mm,圓柱部直徑151 mm,彈尾長76 mm,彈尾直徑64 mm,彈形系數(shù)1.002。分別采用質(zhì)點(diǎn)彈道、修正質(zhì)點(diǎn)彈道和剛體彈道對其外彈道特性進(jìn)行分析,得到的計算結(jié)果如圖5所示。

圖5 計算結(jié)果對比圖

通過與實彈發(fā)射數(shù)據(jù)相對比,剛體彈道和修正質(zhì)點(diǎn)彈道計算結(jié)果與實際數(shù)據(jù)接近,剛體彈道結(jié)算結(jié)果更為準(zhǔn)確,修正質(zhì)點(diǎn)彈道計算時間比剛體彈道更短,質(zhì)點(diǎn)彈道計算結(jié)果誤差在可接受范圍內(nèi)。此外,實例驗證也表明開發(fā)的外彈道性能分析模塊操作方便,計算結(jié)果可信。

3 結(jié)論

文中通過對外彈道模塊軟件架構(gòu)的設(shè)計、功能模塊的分析,以及外彈道分析模型的挖掘整理,最后借助Visual Studio 2010 C++開發(fā)了外彈道性能分析軟件。利用某制式彈丸的數(shù)據(jù)對軟件的可操作性和結(jié)果的可靠性進(jìn)行了對比分析,結(jié)果表明軟件調(diào)用方便、計算結(jié)果可信。外彈道模塊的設(shè)計與實現(xiàn)為彈藥快速設(shè)計系統(tǒng)的構(gòu)建奠定了重要的基礎(chǔ)。

[1] 王儒策. 彈藥工程 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2005.

[2] 宋峰, 蔣建偉. 殺爆戰(zhàn)斗部設(shè)計專家系統(tǒng)研究 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2007, 27(4): 119-122.

[3] Ivor Horton. Visual C++2010入門經(jīng)典 [M]. 蘇正泉, 李文娟, 譯. 5版. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2010.

[4] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東輝, 等. 彈丸設(shè)計理論 [M]. 北京: 國防工業(yè)工業(yè)出版社, 1985.

[5] 羅仕鑒, 朱上上, 唐云開. 知識驅(qū)動的產(chǎn)品設(shè)計情境 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報: 工學(xué)版, 2008, 42(11): 1849-1855.

[6] 華恭, 歐林爾. 彈丸作用和設(shè)計理論: 榴彈和迫擊炮彈 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1976.

[7] 韓子鵬. 彈箭外彈道學(xué) [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2008.

[8] 宋丕極. 槍炮與火箭外彈道學(xué) [M]. 北京: 兵器工業(yè)出版社, 1993.

Design and Implementation of Exterior Ballistic Model in Ammunition Rapid Design System

YANG Dongyang,MAO Liang,JIANG Chunlan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To achieve rapid prediction and analysis on ammunition exterior ballistics performance, software architecture of exterior ballistic performance analysis module was built, composition of its structure and functions was analyzed in detail, classical exterior ballistic analysis model and flight stability analysis model were sorted out. Software of exterior ballistic analysis was developed by MFC frame of Visual Studio 2010 C++. The results of exterior ballistics performance of a standard projectile were calculated and analyzed by the software, compared with actual data, both were in good agreement. Achievement of ammunition exterior ballistics module lays an important foundation for development of rapid ammunition design system.

rapid design; ammunition; exterior ballistics model; performance analysis

2014-07-31

國防基礎(chǔ)科研計劃(A2220110003)資助

楊東陽(1989-),男,內(nèi)蒙古呼倫貝爾人,碩士研究生,研究方向:毀傷與彈藥工程。

TJ012.3

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