機載多管火箭彈變發射間隔時間方法

文/劉剛

（中國直升機設計研究所 江西省景德鎮市 333000）

航空火箭彈具有射程遠、威力大、火力猛、成本低的優點，屬于各國武裝直升機火力系統的標配武器。對于集群目標，火箭彈主要用于提供瞬時密集火力，基于此項打擊需求，在武裝直升機火箭彈武器系統設計時必須考慮火箭彈的最大連續發射數量及連續發射間隔時間，以便發揮瞬時火箭彈密集殺傷的最大效果。火箭彈連續發射時的時間間隔與發射裝置的振動特性不匹配易導致發射過程中后座力疊加。假如后座力疊加過大，引起直升機的姿態發生瞬時變化，一方面會對載機武器發射精度造成影響，引起火箭彈散布過大，達不到密集殺傷效果；另一方面，由于后坐力過大影響到載機飛控系統穩定性，可能危及飛行安全。

如果將發射間隔時間增加，則會影響作戰效果，如果降低發射裝置的固有頻率，則需增加發射裝置重量，影響直升機掛載能力和直升機留空時間等。因此，有必要提出一種既能不更改發射裝置結構改變重量調整發射裝置振動特性，又能不引起后座力疊加的變時間間隔方法，在方法上有實際的和普遍的工程意義。

1 多管火箭多體系統發射動力學

應用多體系統發射動力學理論，考慮火箭彈發射裝置振動特性和火箭彈發動機燃氣射流對動力響應的影響。將火箭燃氣射流對火箭彈發射裝置的沖擊力視為作用在直升機外掛梁上的系統外力。應用多體系統傳遞矩陣法，可得直升機載多管火箭體動力學方程：

式中：j為元件編號，如機體、外掛梁、發射裝置等；vj體元件位移（含線位移和角位移）的物理坐標陣列，下標t為關于時間求導；Mj，Cj，Kj，vj為體元件的參數矩陣；fj為體元件受到的外力，詳細含義及動力學方程見文獻[1][3]。外力fj主要為火箭彈的燃氣流作用力。

2 發射后座力大小影響機理分析

發射火箭彈時產生的后坐力是直升機火箭彈武器系統設計需考慮的重要指標之一，如何減小后坐力是火箭彈武器系統研制過程中的一個關鍵問題，直接影響直升機的作戰效能。

機載火箭彈發射過程中，火箭彈點火后，沿著定向管向前滑動，發射裝置主要受到的力有重力、火箭彈推力、火箭彈與發射管之間的碰撞力摩擦力、發射管對火箭彈的閉鎖力、火箭彈的燃氣流作用

圖1：火箭彈發射裝置迎氣面圖

力等，這些力共同作用在發射裝置上形成后座力。

2.1 火箭彈燃氣射流的影響

火箭彈推力由火箭發動機燃燒時噴出的高速氣體產生，火箭彈推力并不完全作用于發射裝置上，發射裝置上所承受的反作用力并不等于火箭彈推力，發動機產生的推力為外力的來源。載機所受火箭彈推力的大小會受火箭彈發射角度的不同而變化。如圖1所示。

火箭彈與發射筒間的作用力是一對作用力與反作用力，包含火箭彈發射筒與發射裝置骨架以及火箭彈與發射筒間的法向碰撞力和切向摩擦力。在動力學模型中，火箭彈與發射管之間的碰撞力摩擦力均屬于系統內力。

燃氣射流對發射裝置有較大的沖擊力。火箭燃氣射流的經典公式可計算燃氣射流對火箭彈發射裝置的沖擊力[2]。若燃氣射流（馬赫數Ma>1）在火箭彈發射裝置迎氣正面前產生正激波，則采用超聲速皮托管公式計算動壓：

將生活中出現的物理現象融入到教學中，可以勾起學生對生活當中存在的想象進行回憶，調動學生對物理產生學習興趣，積極思考問題并將存在的想象進行探究.課堂教學時老師把生活中出現的現象進行提問，學生對其問題進行思考探究，可以幫助學生養成在生活當中學會善于探索、觀察、理解、思考物理知識的習慣，激發學生的學習動力，提升學生的學習能力.將生活當中存在的問題通過所學的物理知識進行解釋，使學生深刻理解學習物理知識的重要性.加強生活實際和物理知識相結合，可以強化學生的邏輯思維及學習能力.高中物理生活化教學應考慮到學生認知水平、生活環境等，提出的物理問題學生能夠獨立的解決.

若燃氣射流馬赫數Ma<1，屬于等熵穩定流，則用下式計算動壓：

圖2：某型火箭彈19連發后坐力

圖3：處理流程

進而計算燃氣射流對火箭彈發射裝置的沖擊力。燃氣射流對火箭彈發射裝置的沖擊力也可近似計算：

從上式可知，燃氣口沖擊力取決于火箭彈性能、發射裝置中的發射筒排列、發射筒的長度、迎氣面積（隨發射角度、火箭彈發射出去后空發射管與有彈發射管的相對位置及數量而變化）。在火箭彈性能一定的情況下，火箭彈發射產生的后坐力與燃氣迎氣面積成正比，然而火箭彈發射順序直接影響迎氣面積，因此合理選擇火箭彈的發射順序對后坐力值的大小至關重要。

2.2 發射間隔時間的影響

由于火箭彈的質量大于發射裝置發射管的質量，使得后座力與發射裝置振動特性（固有頻率、振型等）和發射頻率有關。火箭彈屬于連射武器，發射過程是動態變化的過程，因此發射裝置振動特性會隨著發射過程中發射裝置里的火箭彈余彈量的減少而變化，當外掛梁固有頻率接近發射頻率時易導致后坐力快速疊加。

為使火箭彈起到火力覆蓋的效果，機載火箭彈連發發射時間間隔應盡可能的短，若發射間隔固定為110ms，則前后兩發火箭彈相距4米。火箭彈發射時發動機燃燒產生的燃氣射流主要影響區集中在火箭彈尾噴口3米范圍內。

從圖2中可知第15發開始后座力有所疊加，此時固有頻率和110ms發射間隔時間接近，導致后坐力值突變。

2.3 密集度的影響

火箭彈發動機燃燒產生推力，當推力大于閉鎖機構閉鎖力時，火箭彈在定向管中運動、加速，以一定射角飛離發射裝置，在空中高速旋轉靠慣性飛向目標。

火箭彈發動機產生的燃氣射流及連發發射間隔時間會對后坐力值大小產生較大的影響，后坐力值大小同樣會影響火箭彈密集度[4]。當火箭彈發射時產生的后坐力過大，引起外掛梁、定向管、發射裝置等結構不同程度的形變，影響火箭彈的發射角，從而導致火箭彈的密集度偏大。

3 變發射間隔時間方案

機載火控根據發射指令以一定時間間隔將發射脈沖下發給發射裝置，發射裝置收到脈沖信號依次對各管火箭彈進行點火，火箭彈靠發動機推力離膛。如果發射脈沖間隔時間固定，當發射系統固有頻率與發射脈沖間隔接近時導致后坐力疊加。

為避免火箭彈在發射過程中由于火箭彈余彈量的變化引起固有頻率和發射頻率接近，導致后座力疊加的問題。現提出連發發射狀態下，火箭彈發射間隔時間隨余彈量的變化而自動調整的方法，處理流程如圖3所示。

每次武器系統上電初始時刻，發射裝置通過內部檢測電路檢測火箭彈在膛內情況，并將在位情況轉化為余彈量報給火控外掛計算機，火控外掛計算機根據發射裝置上報的火箭彈余彈情況及火箭彈連發數量自動調整發射間隔時間。設火箭彈各數量下的固有頻率為：火箭彈連發時發射間隔時間其中b0為火箭彈連發發射要求的最小間隔時間。連發發射過程中火箭彈發射裝置給火箭彈發送的點火脈沖間隔時間如下式所示：

4 結論

本文通過對后座力產生機理的分析得出，火箭彈發射時載機所受后座力大小受發射角度、發射平臺振動特性的影響，連發間隔時間與發射平臺固有頻率接近時會造成后座力的疊加，并通過試驗驗證。

最后提出機載多管火箭發射系統根據火箭彈余彈量變化情況自動調整發射間隔時間，避開發射裝置的固有頻率的發射方案，減輕載機由于火箭彈連發發射時后座力疊加造成的擾動。