一維彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

徐永杰, 王志軍, 吳國(guó)東, 尹建平, 董方棟 ,潘守禮

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國(guó)兵器第二〇八研究所, 北京 102202)

【彈道工程和火藥工程】

一維彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真

徐永杰1, 王志軍1, 吳國(guó)東1, 尹建平1, 董方棟1 2,潘守禮2

(1.中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.中國(guó)兵器第二〇八研究所, 北京 102202)

設(shè)計(jì)適用于小口徑榴彈的分層三片式阻力修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用虛擬樣機(jī)軟件驗(yàn)證阻力機(jī)構(gòu)的可靠性；建立阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)安裝在不同位置、不同展開(kāi)高度的修正彈模型;利用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)不同彈丸模型進(jìn)行繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬，獲得其在不同馬赫數(shù)、不同攻角情況下的氣動(dòng)力參數(shù)并分析其飛行穩(wěn)定性。結(jié)果表明，阻尼片能夠順利展開(kāi)，可以為修正彈提供的阻力系數(shù)比值范圍為：1.86～5.19。

彈道修正；修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)；數(shù)值仿真

20世紀(jì)90年代以來(lái)的局部戰(zhàn)爭(zhēng)都能顯示出“外科手術(shù)式精確打擊”與“斬首行動(dòng)”等新型作戰(zhàn)思想[1-2]在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中得到了充分運(yùn)用，這使得現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的模式發(fā)生了根本性變化，參戰(zhàn)方想要掌握戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)就要擁有精確打擊彈藥；現(xiàn)代化信息戰(zhàn)爭(zhēng)對(duì)武器彈藥的射擊精度提出了越來(lái)越高的要求[3]，低成本彈道修正技術(shù)在提高武器作戰(zhàn)性能、節(jié)約成本方面有明顯優(yōu)勢(shì)，幾乎涵蓋了全部類型的常規(guī)彈藥[4]。彈道修正彈是通過(guò)有限次彈道修正減小射彈散布，要求彈丸落在以目標(biāo)為中心的小區(qū)域內(nèi)，以此提高毀傷效果。

為了提高彈丸的射擊精確度和密集度，開(kāi)展適用于小口徑榴彈的一維彈道修正技術(shù)研究，設(shè)計(jì)阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)并利用虛擬樣機(jī)技術(shù)驗(yàn)證其可靠性，利用計(jì)算流體力學(xué)軟件分析加裝阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的彈道修正彈的飛行穩(wěn)定性及阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)的增阻效果，以期為一維彈道修正技術(shù)研究及彈道修正彈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的原則[5-6]有：(1)彈道性能的一致性；(2)阻力機(jī)構(gòu)的模塊化；(3)有效利用環(huán)境能保證阻力器有效展開(kāi)；(4)有效的阻尼比范圍；(5)阻尼片有效展開(kāi)。

1.1 零部件設(shè)計(jì)

以一維彈道修正阻力器技術(shù)原理為依據(jù)，設(shè)計(jì)修正機(jī)構(gòu)及零部件，按照阻尼片組裝時(shí)距離彈頭部的距離，如圖1、圖2和圖3所示；連接主軸和風(fēng)帽，如圖4所示；阻尼片展開(kāi)時(shí)裝配圖，如圖5所示。

圖1 阻尼片

圖2 阻尼片

圖3 阻尼片

圖4 主軸與風(fēng)帽

圖5 阻尼片展開(kāi)時(shí)整體裝配體圖

修正彈在彈道初期階段阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)一直處于鎖閉狀態(tài)，使得修正彈與原彈丸外形一致，不影響修正彈的外彈道特性[7]。

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真

開(kāi)始仿真計(jì)算之前，需要對(duì)對(duì)樣機(jī)模型進(jìn)行檢驗(yàn)以排除在模型建立、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程中的隱含錯(cuò)誤，確保仿真分析順利完成[8]。

1.2.1 動(dòng)力學(xué)仿真相關(guān)參數(shù)設(shè)置

假設(shè)彈丸繞軸心的轉(zhuǎn)動(dòng)為定量，阻尼片與主軸具有相同初始自轉(zhuǎn)速度，設(shè)定重力加速度為9.8 m/s2，方向沿-Y方向。通過(guò)ADAMS/View提供的模型檢查功能(Tools->Model Verify)來(lái)對(duì)模型的自由度進(jìn)行檢查。動(dòng)力學(xué)仿真模型檢查信息報(bào)告如圖6所示。

圖6 動(dòng)力學(xué)仿真模型檢查信息報(bào)告

從圖6所示的檢查報(bào)告可以看出，模型由4個(gè)運(yùn)動(dòng)體組成，1個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，19個(gè)自由度，模型檢查沒(méi)有多余的約束錯(cuò)誤，可以進(jìn)行仿真。

1.2.2 動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果及分析

根據(jù)參考文獻(xiàn)[9-10]可知，35 mm榴彈的自轉(zhuǎn)速度為12 000 r/min，設(shè)定時(shí)間為0.006 s，迭代步數(shù)1 000步。圖7所示為阻尼片完全展開(kāi)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型。

圖7 阻尼片完全展開(kāi)時(shí)的動(dòng)力學(xué)模型

圖8顯示的是阻尼片P1、P2、P3質(zhì)心角速度隨時(shí)間變化曲線，是阻尼片質(zhì)心位置相對(duì)于中軸的速度變化規(guī)律，在第2.8 ms時(shí)，三片阻尼片的質(zhì)心角速度穩(wěn)定，阻尼片完全展開(kāi)到位并隨彈軸穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖8 阻尼片質(zhì)心角速度隨時(shí)間t變化曲線

2 修正彈氣動(dòng)特性分析

2.1修正彈模型

以35mm口徑榴彈為彈丸平臺(tái)，設(shè)計(jì)阻力機(jī)構(gòu)、修正彈模型，研究彈丸氣動(dòng)力特性與阻力片展開(kāi)面積及安裝位置的變化規(guī)律，應(yīng)有展開(kāi)不同高度、不同安裝位置的阻力片模型；修正彈模型共3組，以代碼M-XX表示，其中第一個(gè)X取值：1、2、3，分別代表阻力片安裝位置距離彈丸頭部7 mm、15 mm、20 mm，第二個(gè)X取值：1、2、3，分別代表阻力片展開(kāi)位置偏移彈軸3 mm、5 mm、7 mm，普通35 mm口徑彈丸以代碼M0表示，三維模型效果圖如圖9，圖10為修正彈模型效果圖。

圖9 M0彈丸模型效果圖

圖10 修正彈模型效果圖

2.2 氣動(dòng)特性

2.2.1 氣動(dòng)力仿真參數(shù)設(shè)置

氣動(dòng)力數(shù)值仿真選用ANSYS FLUENT軟件， Flux-Type通量類型選擇Roe-FDS通量差分方法，湍流粘性方程的差分格式選擇高精度的Second Order Upwind二階迎風(fēng)格式[11]。

來(lái)流馬赫數(shù)為0.8、0.7、0.58、0.47、0.35、0.23，攻角為0°，2°，4°。

2.2.2 氣動(dòng)力仿真結(jié)果與分析

典型氣動(dòng)力數(shù)值仿真結(jié)果如圖11和圖12。

圖11 Ma=0.58 M0彈丸速度云圖

圖12 Ma=0.58 修正彈速度云圖

可以看出，阻尼片展開(kāi)后，增大彈丸迎風(fēng)面積，使得彈丸所受的空氣動(dòng)力發(fā)生變化。

阻力系數(shù)比即彈丸阻力片張開(kāi)后的阻力系數(shù)與原彈阻力系數(shù)之比，由于氣動(dòng)計(jì)算在各馬赫數(shù)下計(jì)存在差異，故先計(jì)算原彈及阻力片張開(kāi)后的阻力系數(shù)值，再計(jì)算阻力系數(shù)比，不同攻角情況下，各修正彈模型阻力系數(shù)比計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 阻力系數(shù)比

阻力系數(shù)比的范圍越寬，即彈道修正彈的射程修正能力越大，從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，所設(shè)計(jì)的阻力修正機(jī)構(gòu)加裝在35 mm口徑榴彈時(shí)，可提供的有效阻力系數(shù)比范圍是：1.86～5.19。

圖13顯示在有攻角情況下，修正彈模型的壓力中心系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系，壓力中心位置在質(zhì)心之后，說(shuō)明彈丸飛行穩(wěn)定性較好。

圖13 壓心位置與馬赫數(shù)關(guān)系

阻尼片展開(kāi)會(huì)產(chǎn)生明顯的彈丸壓力中心位置后移現(xiàn)象，壓力中心位置后移有利于彈丸的飛行穩(wěn)定。

3 結(jié)論

為了提高榴彈的射擊精確度和密集度，設(shè)計(jì)適用于小口徑榴彈的分層三片式阻力修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)，利用虛擬樣機(jī)軟件驗(yàn)證阻力機(jī)構(gòu)的可靠性；利用流體力學(xué)軟件獲得修正彈的氣動(dòng)力參數(shù)并分析其飛行穩(wěn)定性。結(jié)果表明，阻尼片能夠順利展開(kāi)，可以為修正彈提供的阻力系數(shù)比范圍為：1.86～5.19，且在有攻角存在時(shí)，彈丸飛行穩(wěn)定性較好，修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案可信度較高。研究結(jié)果可以為一維彈道修正技術(shù)研究及彈道修正彈工程應(yīng)用提供幫助。

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OneDimensionTrajectoryCorrectionExecutiveMechanismDesignandSimulation

XU Yongjie1, WANG Zhijun1, WU Guodong1，YIN Jianping1, DONG Fangdong1,2, PAN Shouli2

(1.School of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan Shanxi 030051, China; 2.No.208 Research Institute of China Ordnance， Beijing 102202， China)

This design stratified three piece type’s correction executive mechanism suitable for the small caliber grenade, verify its reliability using virtual prototype software; numerical simulation taken for different projectile model with correction execution mechanism installed in different position, different expansion height, obtain the air dynamic parameters and analysis its flying stability in different mach numbers and different angle of attack. Results show that the damping fins can unfold smoothly, range of drag coefficient ratio provided for trajectory correction projectiles is: 1.86～5.19.

trajectory correction; correction executive mechanism; numerical simulation

2017-09-04；

2017-09-28

瞬態(tài)沖擊技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金 (61426060101); 山西省研究生聯(lián)合培養(yǎng)基地人才培養(yǎng)項(xiàng)目(20160033,20170028)

徐永杰(1987—),男,博士,主要從事彈箭飛行與控制研究。

10.11809/scbgxb2017.12.024

本文引用格式：徐永杰, 王志軍, 吳國(guó)東，等.一維彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(12):102-105.

formatXU Yongjie, WANG Zhijun, WU Guodong, et al.One Dimension Trajectory Correction Executive Mechanism Design and Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(12):102-105.

TJ410.3

A

2096-2304(2017)12-0102-04

(責(zé)任編輯唐定國(guó))