鴨舵式修正機構修正能力的分析與研究*

邵偉平, 汪亞利, 郝永平, 郝 啟, 許 巍

(沈陽理工大學機械工程學院, 沈陽 110159)

鴨舵式修正機構修正能力的分析與研究*

邵偉平, 汪亞利, 郝永平, 郝 啟, 許 巍

(沈陽理工大學機械工程學院, 沈陽 110159)

為了研究鴨舵式修正機構的修正能力,建立了不同舵高和不同舵偏角的二維彈道修正彈丸三維模型,采用了流體動力學和運動學的聯合仿真,重點分析了彈丸的升阻比氣動特性、舵片減旋和姿態控制,得出修正效果。得出結論:50 mm高的舵片對射程的修正效果最好,55 mm高的舵片對偏航的修正效果最好;舵偏角越大的舵片對射程和射高的修正效果越好,但對航偏的修正效果不佳,而偏角較小的舵片對航偏的修正效果較好。

鴨舵;修正機構;舵高;舵偏角;修正能力

0 引言

近年來,國內外在對武器裝備的研制中,越來越多的把二維修正彈作為其重點研制對象。世界上發展修正彈的國家主要有美國、英國、法國、瑞典、以色列、俄羅斯等,其中以美國發展最快[1]。彈道修正彈是在原來普通彈藥的彈頭上加裝彈道修正引信,通過實時監測彈丸的飛行姿態控制修正引信來對彈丸進行二維彈道修正,從而保證修正彈的打擊精度[2]。精確制導和避免平民人員傷亡一直以來是武器裝備界不斷追求的目標,而具有低成本的二維修正彈能夠較好的實現這一目標。

二維修正彈主要通過兩種方式來實現彈道修正:其一,利用脈沖修正機構;其二,利用鴨舵式修正機構[3]。前者需要改變彈丸的結構來實現修正,并且對機構的安裝位置有較高要求;后者雖也存在難以控制等缺點,但其不需要改變原彈丸結構,只需在原有炮彈上稍作修改就能明顯提高命中精度[4]。鴨舵式修正機構作為二維修正彈丸的主要組成部分,文中對其修正能力進行了研究與分析。

1 鴨舵式修正機構的修正原理

鴨舵式修正機構是加裝在二維修正彈丸原有引信上的起到修正控制作用的能夠提高彈丸散落點精度的一種修正系統。該修正機構主要由舵翼、約束機構、傳動機構、驅動機構、激發裝置等組成,在彈丸飛行過程中利用測量裝置測出實際彈道參數,并將實際彈道參數與理想彈道參數進行對比計算射程和方向偏差,最后由修正執行機構對彈道進行修正[5]。鴨舵式修正機構修正原理圖如圖1。

舵翼作為彈丸改變自身彈道的執行元件,不同高度、不同偏角的舵翼使得彈丸整體的氣動特性不同,彈丸整體氣動特性的變化將直接影響舵片的修正能力[6]。文中將以某高速旋轉彈為研究對象,重點分析不同高度、不同舵偏角度對彈丸整體氣動特性的影響,并得出鴨舵式修正機構的修正能力。

2 鴨舵式修正機構氣動特性分析

2.1 不同舵片高度的彈丸氣動特性分析

為了研究鴨舵式修正機構對彈丸整體氣動特性和其修正能力的影響,現以XXX炮彈為研究對象設計了形狀相同、同一舵偏角度、舵片高度分別為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm的5組模型。舵片形狀為菱形,兩對舵片在彈丸上的整體布局圖如圖2[7]。

利用流體動力學仿真軟件分別對裝有上述不同高度舵片的彈丸進行了動力學仿真,得到了以下結果,如圖3。

從圖3的分析結果可以看出,當舵片形狀和舵偏角相同的情況下,彈丸整體升阻比隨舵片高度的增大而增大,當舵片高度增大到一定程度時,升阻比又會急速下降而變得很小,所以在選擇舵片高度時不宜過大,一般應在55 mm左右;在不同的速度下,裝有不同高度舵片彈丸的升阻比的變化不完全一致,當舵片高度不超過一定范圍時,整體升阻比隨速度的增大先減小再增大,在亞音速下的升阻比最高。

2.2 不同舵偏角的彈丸氣動特性分析

形狀和高度均相同的舵片,其面積是一樣的,但在彈丸飛行過程中不同舵偏角會使得舵片的迎風面積不同,從而直接影響彈丸整體的氣動特性[8]。現以高度為45 mm的舵片為例,設計3組舵偏角分別為4°、6°、8°的彈丸模型,并分別對其進行流體動力學仿真,得到以下結果,如圖4。

從圖4可以看出,不同舵偏角的修正彈丸整體升阻比隨馬赫數的增大先減小后增大,跨音速下的升阻比最小;亞音速下6°舵偏角的升阻比較大,而跨音速和超音速下8°舵偏角的升阻比較大。

3 鴨舵式修正機構修正能力分析

3.1 舵片姿態控制分析

鴨舵式修正機構包含一對減旋舵和一對修正舵,彈丸發射后在空中高速旋轉,為了便于獲取實時彈道的參數和滿足彈丸姿態控制要求,首先利用控制系統和驅動系統使舵片轉速降到較小的轉速,即做減旋處理[9]。轉速降下來以后,根據獲得的實時彈道的參數與理想彈道的參數進行對比,若偏差超過預定的值,修正執行機構便以某固定姿態不動,利用風對一對修正舵片的作用力使彈丸向理想彈道方向靠近以達到修正的作用[10]。圖5為舵片減旋過程圖。

當舵片轉速降下來以后,引信中的控制系統就會實時監測實際彈道是否超過預期范圍,若超過,將控制舵片以固定姿態停在某一位置,修正舵受空氣作用而產生修正力從而使實際彈道接近理想彈道,達到提高打擊精度的目的。圖6為舵片姿態控制圖。

3.2 不同舵片高度下彈丸修正能力分析

以某炮彈為例,按照15°射角,713 m/s的小初速發射,分別對無舵片彈丸和裝有不同高度舵片的彈丸進行動力學仿真。圖7～圖9為不同舵片修正前與修正后射程、射高、航偏的變化量。

從圖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減小了,其中,50 mm高的舵片修正后射程增量最大,所以選擇舵片高度時不宜過大。

從圖8以看出,修正后只有45 mm、50 mm高的舵片的射高有變化,但變化非常小,從而可以得出結論:舵片高度對修正彈丸射高的影響不大。

從圖9可以看出,對偏航影響最大的為55 mm高的舵片,即55 mm高的舵片對偏航的修正最好。此外,其他舵片隨著舵高的增大修正效果越來越差,65 mm高的舵片修正量為零。圖10為不同舵高舵片在運動學仿真軟件中對偏航的修正效果圖,從圖10可以更直觀地看出55 mm高的舵片對偏航修正效果最好。

3.3 不同舵偏角下彈丸修正能力分析

仍以上述彈丸為例,選擇高為45 mm的舵片分別以4°、6°、8°的舵偏角安裝在彈丸上,以同樣的初始條件進行動力學仿真,得到以下結果,如圖11～圖13。

圖13 不同舵偏角修正前后航偏的變化量從圖11～圖13可以看出,8°舵偏角的舵片使射程和射高的增量最大,但對偏航的修正量最小;6°舵偏角的舵片對偏航的修正量比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。所以在選擇舵偏角時,一定要綜合考慮修正對射高、射程和偏航的修正效果,從上述的分析可以看出,舵偏角越大對偏航的修正效果越好,而舵偏角越小對射程和射高的修正效果就越好。

4 結論

文中以某固定鴨舵式旋轉穩定彈為例,闡述了二維修正彈的修正原理以及兩對鴨舵在彈丸上的整體布局,以不同舵片高度和不同舵偏角大小分別建立了三維模型,并對模型進行了流體力學和運動學仿真,重點分析和研究了不同舵片對修正彈丸整體氣動特性和舵片修正能力的影響。結果表明,舵片高度對射高的影響不大,50 mm高的舵片對射程的修正效果最好,55 mm高的舵片對偏航的修正效果最好;在研究舵偏角對修正效果的影響時發現,舵偏角越大的舵片對射程和射高的修正效果越好,但對偏航的修正效果不佳,而舵偏角較小的舵片對偏航的修正效果較好。

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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

邵偉平(1968-),女,重慶合川人,教授,博士,研究方向:機械設計及理論。