隔转鸭舵式修正炮弹飞行特性与弹道模型降阶研究

发布时间：2020-06-13 20:43

【摘要】：隔转鸭舵式修正炮弹的概念为炮射旋转弹的精确化改造提供了低成本的新思路,成为国内外精确打击弹药的研究热点。但是,旋转稳定弹的动力学模型具有强耦合、非线性的特点,加之非对称、双旋的气动布局特性复杂,给隔转鸭舵式修正炮弹的研究和应用提出了难题。因此,本文围绕隔转鸭舵式修正炮弹的飞行特性与控制方法,开展双旋部件和弹道的数学建模,以数值仿真和飞行试验的方式研究修正弹对控制力的动态响应,并构建适合隔转鸭舵式修正炮弹的降阶预测控制方法。以弹轴矢量法构建双旋弹道,提出动力平衡角的响应模型,研究隔转鸭舵式修正炮弹对操纵力的动态响应特性。在刚体弹道的基础上,以弹轴矢量和速度矢量表示作用在修正弹上力的方向,通过在弹轴方向添加双旋滚转通道作为第七个自由度,得到双旋弹道模型。在飞行稳定和小攻角的假设下,提出以动力平衡角描述弹体响应特性的方法,并建立含修正项的动力平衡角响应模型,理论和数值都表明鸭式旋转弹的动力平衡角对修正力的响应方向与控制力输入方向存在近似180°的相位差Δγ。将弹轴运动轨迹可视化,得到修正力作用下旋转弹的稳定、临界稳定和失稳的变化特性,根据动力平衡角的收敛性能够判断修正弹的飞行稳定性。落点的散布规律表明,动力平衡角对修正力的隔转鸭舵式修正炮弹偏置响应是弹道修正的机理所在,落点响应方向与修正力方向也存在约180°的相位差。为完善弹道模型中的气动力模块,建立隔转鸭舵的准静态气动力模型。采用数值和风洞试验相结合的方法,得到修正弹在不同马赫数、攻角条件下的气动力数据库,结果表明:修正弹的阻力系数仍服从43年阻力定律,鸭舵的增阻效果达14%,但操纵舵的升力作用能使射程衰减率降至10%;鸭舵斜置角对修正弹的升力系数影响效果远大于阻力;差动舵导转效果随马赫数和舵偏角增加而提高。通过小扰动分解建立的准静态气动力模型能够考虑复攻角和鸭舵相位角的综合效应,非定常计算结果验证了模型的准确性。小攻角范围内利用对称拟合表征修正弹阻力的误差小于3.3%,阻力受鸭舵相位角的影响可以忽略;升力表现为正弦周期特性,但侧向力在鸭舵相位角γp=180°时会出现二次正弦叠加。基于非定常数值计算和改进形式的LuGre摩擦,建立修正弹的双旋动力学模型。非定常数值模拟采用滑移网格的方法,给鸭舵输入正弦角速率,研究不同攻角下升阻和导转力矩的响应规律。对准静态气动力模型进行参数辨识后,得到模型对鸭舵修正力和导转力矩的估计相对误差小于4 ×10-3,修正力受鸭舵相位角的影响,但鸭舵滚转速率会影响导转力矩的估计精度。将LuGre模型中的库仑效应改进为轴向气动压力相关项,将动态效应与双旋弹相对转速关联,得到改进形式的LuGre摩擦。将准静态气动力与改进形式的LuGre摩擦联合即可得到双旋动力学模型,模型能够独立、快速地预测双旋滚转运动。在获取气动和摩擦系数后,通过数值模拟研究不同发射条件下修正弹的双旋特性。忽略双旋弹的高频角运动,构建基于降阶模型的落点预测控制器,并在双旋弹飞行控制模拟系统内进行效能评估。以弹轴和速度矢量的相互关系表示修正弹的动力平衡角矢量αR,推导出含修正力项的αR解析解,从而能够在仅已知速度和转速的低成本导航平台上近似求解弹体姿态,得到四状态降阶模型(ROM)。通过数值模拟验证降阶模型对落点的预测精度和飞行控制效能,研究结果表明,ROM对落点的预测精度比修正质点弹道(MPM)更高;采用寻优方式得到的控制指令能够对响应相位差△γ进行自适应,控制效率更高,但更新率略低;两种方法都能将传统弹的CEP从175m减小至30m范围内。为验证修正弹双旋动力学模型、动态响应相位差和修正能力,完成了双旋测试和操纵性能的飞行试验。分别计算试验条件下的弹道轨迹和双旋参数,与实测结果进行对比得到:双旋模型能够有效地预测鸭舵在弹道中的自由滚转,验证了鸭式旋转弹响应与修正力之间近似180°的相位差,操纵力作用下双旋弹的修正能力不小于600m,与双旋弹道计算结果相吻合。
【图文】：

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正意义上的炮射制导弹药当属越战中出现的Ｍ７１２铜斑蛇（Ｃｏｐｐｅｒｈｅａｄ，邋１９７２）。铜斑逡逑蛇是１５５ｍｍ激光半主动反坦克弹药，采用尾翼方式稳定，射程１５公里网。最为人熟逡逑知的ＸＭ９８２神剑（图１．１，Ｅｘｃａｌｉｂｕｒ）在２００５年问世，实现了“发射后不用管的”自主逡逑导引控制功能，这款１５５ｍｍ制导炮弹能够实现最大射程２０公里的情况下圆概率误差逡逑（ＣＥＰ）不超过１０米Ｍ。铜斑蛇和神剑都是在设计之初就对整个弹体进行了针对性的优逡逑化，即从底层^u始的新弹种设计，而不是面向大量库存“笨弹”的精确化改造。逡逑Ｉ，逦逡逑—参逡逑图１．１邋ＸＭ９８２神剑制导炮弹Ｅｘｃａｌｉｂｕｒ，逦图１．２邋ＸＭ１１５６精确制导组件ＰＧＫ，邋２００６逡逑２００５年Ｍ逦年［１０丨逡逑考虑到大口径高爆弹的破片杀伤半径通常在５０ｍ左右，使用神剑这种“贵族炮弹”逡逑将ＣＥＰ控制在１０米以内就显得过于奢侈，也不能充分利用现有的库存弹药Ｗ。在这逡逑样的背景下

弹道修正引信,引信

逦图Ｉ．４制导集成引信ＧＩＦ，２0０５年＿逡逑２００５年３月美军在经过多轮分析论证后，对弹道修正组件（Ｃｏｕｒｓｅ邋Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ逡逑Ｆｕｚｅ，邋ＣＣＦ，图１．３）进行了首轮试验。同年７月，装备有ＣＣＦ的Ｍ７９５榴弹实弹射击逡逑达到ＣＥＰ不超过５０ｍ的精度效果＿，２０１０年后该项目进入技术集成阶段与ＣＣＦ逡逑同期开展的另一？款产品是制导集成引信丨２0丨（Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｉｎｔｅｇｒａ悔ｄ邋Ｆｕｚｅ，ＧＩＦ，图Ｉ．４），逡逑主要目的在于适配北约集团的大口径榴弹和迫弹，但是项目在２００７年终止。紧随其逡逑后，ＡＴＫ公司推出精确制导组件ＰＧＫ邋（图１．７）作为后续产品，，ＰＧＫ大量借鉴了邋ＧＩＦ逡逑和Ｍ７８２多模引信（ＭＯＦＡ）的设计经验，因此在２００６年３月就快速地进入了靶场试逡逑验阶段［１Ｑ］。ＰＧＫ的项目规划分为三个阶段：第一阶段，设计模块化的制导组件集成逡逑系统，该阶段ＣＥＰ精度达到５０ｍ以内，同时兼容１５５ｍｍ高爆弹（Ｍ１０７、Ｍ７９５和逡逑Ｍ５４９／Ａ１）和Ｍ２０３Ａ１、Ｍ２３２模块化装药系统（ＭＡＣＳ）；第二阶段
【学位授予单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ410

【参考文献】