于海龍,芮筱亭,王 剛,戎 保

(1南京理工大學(xué)發(fā)射動力學(xué)研究所,南京 210094;2中國華陰兵器試驗(yàn)中心,陜西華陰 714200)

0 引言

“金屬風(fēng)暴”武器是采用彈藥串聯(lián)裝填方式具有超高射頻的新概念武器[1-2],串聯(lián)裝填是指將多發(fā)彈丸預(yù)先裝填在一根身管內(nèi),彈丸與彈丸間用發(fā)射裝藥隔開,電子點(diǎn)火,火藥燃?xì)馔苿忧鞍l(fā)彈丸運(yùn)動,后發(fā)彈丸可在前發(fā)彈丸還沒出炮口或已出炮口后點(diǎn)火,按序依次擊發(fā)所有彈丸,圖1為“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射原理圖。

根據(jù)不同需求,“金屬風(fēng)暴”武器可單管使用,也可多管組合。作為具有可調(diào)射頻、射序的異于一般常規(guī)身管武器的多管連射武器,射序、射擊間隔對其射擊精度影響很大。不同射序、射擊間隔“金屬風(fēng)暴”武器射擊精度不同。“金屬風(fēng)暴”武器的射序?qū)ζ渖鋼艟扔绊懙脑蛟谟诓煌纳湫蛭淦鹘Y(jié)構(gòu)參數(shù)分布、初始條件不同,從而產(chǎn)生了不同的振動特性和不同的彈丸起始擾動。射擊間隔對“金屬風(fēng)暴”武器射擊精度影響的原因在于不同射擊間隔的激勵頻率不同使彈丸起始擾動不同。

文中基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法和發(fā)射動力學(xué)理論[3-5],建立了不同射序?qū)?yīng)的“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)初值求解方法、發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng)、射擊間隔和射序與射擊密集度之間的定量關(guān)系。通過調(diào)整射序、射擊間隔,在不改變“金屬風(fēng)暴”武器外型結(jié)構(gòu)的前提下提高射擊密集度。

1 不同射序?qū)?yīng)的“金屬風(fēng)暴”武器系統(tǒng)初值求解

“金屬風(fēng)暴”武器射擊方式多樣,可單管射擊又可多管齊射,下面以單管射擊為例討論每發(fā)彈丸發(fā)射的系統(tǒng)初值,多管射擊時,初值確定與單管射擊類似。以某四管并聯(lián)“金屬風(fēng)暴”武器演示驗(yàn)證系統(tǒng)為研究對象,每根身管串聯(lián)裝填5發(fā)彈丸,彈丸編號為ji,身管編號j=1,2,3,4,每根身管中彈丸編號i=1,2,3,4,5。

被擊發(fā)彈丸的重力作用通過接觸力體現(xiàn)其對“金屬風(fēng)暴”武器的影響。第j根身管第i發(fā)彈被擊發(fā)時“金屬風(fēng)暴”武器動力響應(yīng)計算的初始條件是相對不含已擊發(fā)彈的系統(tǒng)平衡位置的系統(tǒng)位移v和速度v t(包括角位移和角速度),系統(tǒng)振型、平衡位置、響應(yīng)均對應(yīng)于不含已擊發(fā)彈系統(tǒng)的平衡位置。雖然每發(fā)彈射擊時系統(tǒng)的平衡位置不同,但這些平衡位置都是靜止的,而由一發(fā)彈的重力引起的兩相鄰平衡位置方位角的差別較小。

1.1 第1發(fā)彈發(fā)射時的初值

1)擊發(fā)第1發(fā)彈時系統(tǒng)含19發(fā)彈相對于其平衡位置的初值為:

式中,vk(I,t)表示I點(diǎn)處在時刻t相對于身管中含(20-k)發(fā)彈系統(tǒng)平衡位置的位移,上標(biāo)k表示已擊發(fā)彈丸序號,Δvi-j(I)為某時刻系統(tǒng)I點(diǎn)處相對于身管中含(20-i)發(fā)彈系統(tǒng)平衡位置的位移與相對于身管中含(20-j)發(fā)彈系統(tǒng)平衡位置的位移之差。上標(biāo)“-”表示擊發(fā)前,上標(biāo)“+”表示擊發(fā)后。

2)擊發(fā)第1發(fā)彈后系統(tǒng)相對于滿載平衡位置的初值為:

1.2 第2發(fā)彈發(fā)射時的初值

1)擊發(fā)第2發(fā)彈時系統(tǒng)含18發(fā)彈相對于其平衡位置的初值為:

振型、平衡位置、響應(yīng)均對應(yīng)于含18發(fā)彈系統(tǒng)平衡位置。

2)擊發(fā)第2發(fā)彈后系統(tǒng)相對于滿載平衡位置的初值為:

1.3 第i發(fā)彈發(fā)射時的初值

1)擊發(fā)第i發(fā)彈時系統(tǒng)含(20-i)發(fā)彈相對于其平衡位置的初值為:

振型、平衡位置、響應(yīng)對應(yīng)于含(20-i)發(fā)彈系統(tǒng)的平衡位置。

2)擊發(fā)第i發(fā)彈后系統(tǒng)相對于滿載平衡位置的初值為:

式中:

2 發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng)

基于“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)理論[6]和蒙特卡洛隨機(jī)模擬技術(shù),考慮包括彈丸質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、質(zhì)心位置、動不平衡角、裝填條件、陣風(fēng)、發(fā)射環(huán)境各個隨機(jī)量,建立了“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng)。

2.1 仿真系統(tǒng)組成

“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng)基本模塊如下:

1)總控模塊:調(diào)用各功能模塊,進(jìn)行“金屬風(fēng)暴”武器整個發(fā)射與飛行動力學(xué)仿真、統(tǒng)計分析和結(jié)果輸出;

2)隨機(jī)數(shù)模塊:根據(jù)隨機(jī)參數(shù)的統(tǒng)計特性,用計算機(jī)產(chǎn)生各功能模塊需要的服從規(guī)定分布的隨機(jī)數(shù);

3)振動特性模塊:仿真“金屬風(fēng)暴”武器的頻率、振型、阻尼比等振動模態(tài)參數(shù);

4)內(nèi)彈道模塊:以2)提供的隨機(jī)數(shù)作為基本參數(shù)的一部分,仿真“金屬風(fēng)暴”武器內(nèi)彈道;

5)發(fā)射過程武器動態(tài)特性模塊:根據(jù)2)、3)、4)提供的數(shù)據(jù),仿真彈、炮運(yùn)動,彈炮相互作用,彈丸起始擾動;

6)外彈道模塊:根據(jù)3)、4)和 5)提供的數(shù)據(jù),仿真彈丸飛行氣動力、穩(wěn)定性、彈道諸元和落點(diǎn)散布;

7)統(tǒng)計處理模塊:對仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理;

8)射擊精度影響因素與相關(guān)性分析模塊:根據(jù)5)、6)提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行影響“金屬風(fēng)暴”武器射擊精度因素與相關(guān)性分析;

9)結(jié)果輸出模塊:把仿真結(jié)果按文字、曲線、圖形等形式輸出。

2.2 仿真流程

圖2為“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真流程圖。

圖2 “金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真流程圖

1)產(chǎn)生隨機(jī)變量:用計算機(jī)產(chǎn)生各功能模塊需要的服從規(guī)定分布的隨機(jī)數(shù)。

2)“金屬風(fēng)暴”武器隨機(jī)發(fā)射與飛行動力學(xué)過程仿真:仿真武器運(yùn)動和受力及其相互關(guān)系。

3)仿真結(jié)果統(tǒng)計處理:對各個階段的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計處理,提供仿真結(jié)果的統(tǒng)計特性(如均值和均方差)。

4)射擊精度影響因素與相關(guān)性分析:分析影響射擊精度的各種因素,利用相關(guān)性理論,分析各種因素對”金屬風(fēng)暴”武器動態(tài)性能和射擊精度的影響程度。

3 數(shù)值仿真結(jié)果

應(yīng)用建立的“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng),對某四管并聯(lián)“金屬風(fēng)暴”武器進(jìn)行發(fā)射動力學(xué)仿真。

圖3為射擊間隔為4ms時,某四管并聯(lián)“金屬風(fēng)暴”武器對空射擊形成的彈幕仿真結(jié)果。

進(jìn)行不同射擊間隔下的射擊密集度仿真,圖4、圖5為4管齊射時2000m高低與方向立靶密集度仿真結(jié)果。

圖3 射擊間隔為4ms時形成的彈幕

從圖4、圖5可見,無論高低還是方向射擊密集度,在區(qū)間[4,10]ms內(nèi)存在極小值,因而可通過合理調(diào)整射擊間隔,提高“金屬風(fēng)暴”武器射擊精度。

在射擊間隔為5ms時,進(jìn)行不同發(fā)射管數(shù)和不同射序下射擊密集度仿真,表1、表2為2000m立靶密集度仿真結(jié)果。

表1 3管齊射射擊密集度與射序的關(guān)系

表2 2管齊射射擊密集度與射序的關(guān)系

從表 1、表 2中可見,無論是3管齊射還是2管齊射,射序?qū)ι鋼裘芗扔绊懞艽?3管齊射時,(2,3,4)管射擊時密集度最好;2管齊射時,(2,4)管射擊密集度最好。故可通過優(yōu)化,合理調(diào)整“金屬風(fēng)暴”武器的射序來提高射擊精度。

4 結(jié)束語

綜上所述,可得出如下結(jié)論:

1)建立了“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動力學(xué)仿真系統(tǒng),可仿真振動特性、內(nèi)彈道、彈丸膛內(nèi)運(yùn)動、彈丸起始擾動、系統(tǒng)動力響應(yīng)、外彈道、射擊密集度;

2)建立了射序、射擊間隔與“金屬風(fēng)暴”武器射擊密集度間的定量關(guān)系,射序、射擊間隔對“金屬風(fēng)暴”武器射擊密集度影響很大,可通過調(diào)整射序、射擊間隔來提高“金屬風(fēng)暴”武器射擊密集度。

文中研究成果為在不改變“金屬風(fēng)暴”武器外型結(jié)構(gòu)的前提下,提高“金屬風(fēng)暴”武器射擊密集度提供了可行有效的技術(shù)手段。

[1] Michael.O'Dwyer.Barrel assembly with over-pressure relief,US,0157526[P].2002.

[2] Michael.O'Dwyer.Metal-storm firearms,US,0152918[P].2002.

[3] 芮筱亭,贠來峰,陸毓琪,等.多體系統(tǒng)傳遞矩陣法及其應(yīng)用[M].北京:科學(xué)出版社,2008.

[4] 芮筱亭.多體系統(tǒng)發(fā)射動力學(xué)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1995.

[5] 芮筱亭,陸毓琪,王國平,等.多管火箭發(fā)射動力學(xué)仿真與試驗(yàn)測試方法[M].北京:國防工業(yè)出版社,2003.

[6] 于海龍.金屬風(fēng)暴武器發(fā)射動力學(xué)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008.