增程修正彈地面密集度影響因素量化分析*

韓 宇,楊 瑩,卜祥磊,倪慶杰

(1 海軍駐沈陽彈藥專業軍事代表室,沈陽 110045;2 遼沈工業集團有限公司,沈陽 110045)

0 引言

復合增程修正彈是新型的信息化彈藥,不同于常規彈藥,也不同于制導彈藥,目前國內還沒有彈道修正彈試驗的國軍標及其它相關標準,復合增程修正彈地面密集度試驗考核具有以下特點:

1)影響地面密集度的環節多(試驗條件:氣象、火炮等;彈藥平臺:初速、彈丸外形及質量的一致性、底排、火箭等;修正引信:信息接收、彈道解算及修正控制機構、安保及發火機構等),為分析試驗數據,需對各影響因素進行量化分析;

2)修正引信不同于普通引信,它參與全彈地面密集度指標考核,修正引信作為彈道修正的執行部件,是地面密集度的主要影響因素。

文中結合國內某增程修正彈的特點及研制,對影響地面密集度的因素及量化分析方法進行了探討。

1 某復合增程修正彈結構組成及工作原理

1.1 結構組成

國內某復合增程修正彈采用底排火箭復合增程技術,射程較制式彈增加60%;采用衛星探測飛行彈道參數、阻力環修正技術,縱向地面密集度由原1/180提高到1/600以上,其結構如圖1、圖2所示。

圖1 某復合增程修正彈結構圖

圖2 復合增程修正彈阻力片張開圖

1.2 工作原理

彈藥在發射前進行信息裝定(包括射擊諸元、

氣

象諸元、最新衛星星歷數據、炮位坐標、目標位置坐標等)。發射后,彈上的底排藥在膛內被發射藥點燃,出炮口后,底排藥繼續工作,減阻增程;約16 s時,火箭發動機點火,工作時間約1.5 s,助推增程。

火炮擊發彈丸運動后,修正引信的電源激活,衛星信號接收機進行搜索和定位,飛行控制器對衛星定位數據進行處理,預測彈丸落點坐標位置,并與目標坐標位置進行比較,解算出阻力環展開時間,控制阻力環適時展開,增加彈丸飛行阻力,減小射程,從而使彈丸飛向目標位置,實現距離上彈道修正[1],原理如圖3所示。

圖3 衛星體制的修正彈工作原理圖

2 影響地面密集度的因素分析

由復合增程修正彈的結構組成及工作原理分析,影響該型彈縱向地面密集度的因素較多,需對這些影響因素進行分析。

2.1 試驗條件的影響

試驗條件對地面密集度結果具有直接影響。如地面和高空氣象條件不穩定、火炮狀態不好、射手瞄準情況以及一組彈丸射擊時間長短等都會對地面密集試驗結果產生影響。

2.2 彈藥平臺的影響

彈藥平臺的穩定程度對地面密集度結果具有重要影響。如彈丸初速跳動大,彈丸外形及質量的一致性不好,底排、火箭工作不穩定等都會對地面密集試驗結果產生影響。彈藥平臺影響地面密集度結果的故障樹如圖4。

2.3 修正引信的影響

修正引信的作用可靠程度對地面密集度結果具有顯著影響。如接收機信息接收不穩定、衛星沒有定位或定位精度不準、彈道解算及修正控制機構作用不可靠、阻力修正機構、安保及發火機構作用不正確等都會對地面密集試驗結果產生影響[2]。

3 影響因素的量化判別

由于影響復合增程修正彈的因素較多,進行地面密集度試驗時,如果出現地面密集度結果不滿足指標要求的情況,需要對這些影響因素進行量化分析,確定影響因素,為后續改進設計提供依據。

圖4 彈藥平臺影響地面密集故障樹

3.1 對試驗條件的影響分析

按照國軍標要求,地面密集度考核試驗需滿足嚴格的試驗條件:

1)氣象要求:按照現行國軍標,地面平均風速不大于10 m/s,陣風風速不超過平均風速的50%。

2)射擊時間要求:一組試驗時間在30 min以內。

3)試驗用火炮:要求在1/4周期壽命周期內,穩炮狀態良好。

4)射擊瞄準:射角、射向裝定按規定操作。

地面密集度考核試驗應在滿足上述軍標要求的試驗條件下進行,如在未滿足上述試驗條件的情況下進行地面密集度試驗,出現不滿足指標的情況,試驗條件對密集度影響情況需進行重點分析。

3.2 對彈藥平臺的影響分析

按照國軍標要求,地面密集度考核試驗需用測速雷達測彈丸的初速,用全彈道跟蹤雷達進行全彈道跟蹤。通過雷達數據,可以看出彈藥平臺各指標對地面密集度的影響情況[3]。

3.2.1 初速的影響

測量彈丸初速,分析初速均值與或然誤差是否滿足指標要求。如果初速均值和或然誤差滿足指標要求,則可排除初速因素的影響。

3.2.2 底排工作可靠性的影響

利用彈道跟蹤雷達數據,觀測底排工作段速度曲線,考核底排工作時間及減阻效率的一致性,如圖5所示。

圖5 雷達跟蹤的速度曲線

不同彈的速度降不同,對該彈要求:

1)2 s時的速度降(組內最大值)Δv2≤100 m/s(考核底排工作時間的一致性);

2)10 s時的速度降(組內最大值)Δv10≤180 m/s;

3)15 s時的速度降(組內最大值)Δv15≤410 m/s(考核底排減阻效率的一致性)。

通過數據對比,若出現底排工作時間及減阻效率的一致性不好的彈丸,則可判定底排因素為主要影響因素。

3.2.3 火箭工作可靠性的影響

利用外彈道跟蹤雷達數據,觀測火箭點火時間及火箭發動機增速,分析判斷火箭工作是否正常。

不同彈的發動機點火時間及增速不同,對該彈要求:

1)延期點火具點火時間:(15±1.5) s范圍內;

2)發動機增速≥110 m/s,一組增速散差≤8 m/s。

通過數據對比,若出現火箭點火時間及火箭發動機增速不穩定的彈丸,則可判定火箭因素為主要影響因素。

3.2.4 無控段彈丸飛行阻力系數的影響

無控段彈丸飛行阻力系數跳差大小影響彈丸的地面密集度。利用彈道跟蹤雷達測彈丸無控段彈道飛行參數,對無控段彈丸阻力系數辯識,統計無控段彈體阻力系數跳差百分數,進而判別無控彈的彈丸飛行阻力是否滿足設計要求。

3.2.4.1 提取彈丸飛行阻力系數的方法

基于測量的速度、速度分量和空間坐標,利用外彈道方程組中關于速度與阻力系數之間的數學關系,結合彈丸的結構參數、環境參數、空間坐標等,可將彈丸無控飛行段的阻力系數提取出來。處理方法詳見《彈箭外彈道學》[4]。

3.2.4.2 數學模型

考慮主要影響因素,彈丸質心速度方程可簡化為:

(1)

考慮到實際射擊過程中風的影響,彈丸質心速度方程可修正為如下形式:

(2)

(3)

式中:wx為縱風；wz為橫風。

將彈丸的阻力系數cx從方程(2)中反求出來,可得:

(4)

這樣就得到了阻力系數的解析表達式。

3.2.4.3 計算步驟

實施上述方法時,按以下步驟:

1)讀取彈道上每一點的雷達數據:時間t、距離x、高度y、側偏z、總速度v以及速度分量vx,vy,vz;

2)利用該彈道點所測高度y,從實測氣象數據中插值得到該彈道點的氣壓P、虛溫τ、縱風wx以及橫風wz,并利用式(2)計算出彈丸空速vr;

3)利用外彈道學公式[5]計算出該彈道點對應的馬赫數Ma和大氣密度ρ:

(5)

4)利用該彈道點上的速度分量,計算出彈道偏角和彈道傾角:

(6)

(7)

6)彈丸參數m、S均為已知量,重力加速度取g=9.80 m/s2,并將式(5)～式(7)代入方程(4),即求得阻力系數cx,該阻力系數對應一定的馬赫數。由于不同彈道點對應不同的馬赫數,則可得到不同馬赫數下的阻力系數cx。

采用以上方法,辯識該彈的無控段彈體阻力系數跳差百分數((組內最大阻力系數-最小阻力系數)/組平均阻力系數)。對該彈,一組彈要求:無控段彈體阻力系數跳差百分數≤8.5%(馬赫數Ma=1.5)。若出現跳差百分數跳動過大情況,則可判定無控段彈丸飛行阻力系數為主要影響因素。

3.3 修正引信的影響分析

通過彈道跟蹤雷達,對以下幾個因素進行分析、判斷。

3.3.1 阻力環是否張開

對無控彈藥平臺的各因素進行分析,如果彈藥平臺工作正常,無控彈的預估射程大于修正射程點,理論上阻力環應張開。通過雷達跟蹤曲線上的拐點來判別阻力環是否正常張開。

如果阻力環沒有正常張開,需對以下因素進行分析:

1)衛星是否定位;

2)衛星定位精度是否不準,導致阻力環張開時間計算不準確;

3)阻力環有沒有接到張開信息或阻力環因變形而沒有張開。

試驗時,如果采用惰性戰斗部,可通過對彈丸回收檢測來判別具體原因。

3.3.2 阻力環開環時間

試驗后,計算每發彈的阻力環理論張開時間,通過雷達跟蹤曲線拐點,判斷阻力片的具體開環時間,分析阻力環是否按照設定的開環時間張開。

3.3.3 阻力環阻力系數跳差

如果阻力片張開不一致、沒張開到位,會影響修正效果。

利用彈道跟蹤雷達測得的阻力環張開后的飛行彈道參數(方法同3.2.4.2),辯識阻力環張開后阻力系數,統計阻力環阻力系數跳差百分數((組內最大阻力系數-最小阻力系數)/組平均阻力系數)。對該彈,一組彈要求:≤12%(馬赫數Ma=1.5)。

4 結論

對影響復合增程修正彈縱向地面密集度的因素進行分析,進而判斷各個環節是否工作正常。對于初速、火箭、阻力環張開等因素判別相對容易且直觀;對底排工作可靠性、阻力片張開一致性需要通過提取飛行阻力系數的方法來區別,且需要一定的試驗數據的積累。

文中為復合增程修正彈地面密集度試驗結果分析提供了理論依據及技術支持,通過對復合增程修正彈地面密集度影響因素的量化分析,可以確定試驗中各影響因素對密集度的影響程度,為產品的后續改進設計提供依據。