芮筱亭

(南京理工大學發(fā)射動力學研究所 南京， 210094)

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多體系統(tǒng)發(fā)射動力學進展與應用*

芮筱亭

(南京理工大學發(fā)射動力學研究所 南京， 210094)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對諸如多管火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等常規(guī)武器的射擊密集度的要求不斷提高。射擊密集度差、試驗用彈量大、發(fā)射不安全成為制約現(xiàn)代常規(guī)武器發(fā)展的難題。武器射擊密集度和發(fā)射安全性取決于武器系統(tǒng)動力學規(guī)律，發(fā)射動力學作為研究武器系統(tǒng)發(fā)射過程中受力和運動規(guī)律的一門新興學科分支，在國際上已成為提高武器射擊密集度和發(fā)射安全性的新技術突破口。針對上述情況，介紹了多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術進展及其在武器射擊密集度和安全性設計與試驗中的應用，為武器射擊密集度和安全性設計與試驗提供新理論與技術。

射擊精度；試驗用彈量；發(fā)射安全性；多體系統(tǒng)發(fā)射動力學；多體系統(tǒng)傳遞矩陣法

引 言

我國武器裝備在經歷了仿制、仿研階段后，現(xiàn)已進入自主研發(fā)創(chuàng)新的新階段。在解決了武器裝備有無問題之后，提高武器裝備性能就成為當前我國武器裝備發(fā)展急需解決的重要問題。武器發(fā)展面臨著提高射擊密集度、減少試驗成本、保證發(fā)射安全三類瓶頸難題。

射擊精度(包括射擊準確度和射擊密集度)，是必須用試驗考核的武器裝備必須滿足的關鍵戰(zhàn)技指標之一。長期以來，對常規(guī)兵器射擊精度的考核主要是考核射擊密集度。理論與試驗研究表明，隨著機械加工和氣象測試技術的大幅提高，武器加工誤差和氣象條件對武器射擊密集度影響的權重大幅降低了，使彈箭起始擾動成為影響火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等武器射擊密集度的主要因素，彈箭起始擾動取決于武器發(fā)射過程中武器系統(tǒng)動力學規(guī)律[1-5]。

我國武器裝備射擊密集度設計由于還未能擺脫傳統(tǒng)的靜態(tài)設計模式而難以避免設計盲目性，導致武器射擊密集度差，經常出現(xiàn)難以滿足指標要求的情況，其中一個主要原因是通常動力學方法難以滿足武器系統(tǒng)動力學設計快速計算的要求。

武器系統(tǒng)動力學快速計算方法是多體系統(tǒng)動力和發(fā)射動力學研究的迫切需求，多體系統(tǒng)動力學方法和有限元法是武器系統(tǒng)動力學研究的主要方法。但所有這些方法均需建立系統(tǒng)總體動力學方程，涉及的系統(tǒng)矩陣階次正比于系統(tǒng)自由度數(shù)。隨著系統(tǒng)矩陣階次的提高，多體系統(tǒng)動力學的計算速度成指數(shù)快速降低，因為復雜武器系統(tǒng)總體動力學方程涉及矩陣階次高而導致計算速度慢，無法滿足復雜武器系統(tǒng)動力學動態(tài)設計快速計算需要。

現(xiàn)代武器是由很多物體組成的復雜多體系統(tǒng)，建立發(fā)射過程武器多體系統(tǒng)動力學快速算法、模擬與測試手段，是武器射擊密集度和發(fā)射安全性設計與試驗的迫切需要。例如40管火箭，需要從40的階乘即從約8×1047個射擊順序中確定最佳射擊順序。因以往方法需要很長計算時間，所以無法設計出最佳射擊順序、結構和射擊密集度，不能滿足多管火箭射擊密集度設計需求，這也是許多多管火箭難以達到最佳射擊密集度狀態(tài)的原因。

武器裝備射擊密集度是否滿足指標要求需通過靶場射擊試驗鑒定?，F(xiàn)代武器研制過程中，武器試驗費用占據(jù)了武器研制費用很大的比例，常規(guī)武器的這一比例通常約為20%～40%，其中，武器射擊密集度試驗費用通常是所有試驗費用中占比最大的。隨著現(xiàn)代武器性能不斷提高，其造價也變得愈來愈昂貴，試驗成本很高。以往基于統(tǒng)計理論的多管火箭射擊密集度試驗評估方法[6]，因無法利用落點坐標以外的所有其他信息，需進行高、低、常溫各3組，共9組滿管齊射試驗。對某艦載50管火箭武器射擊密集度試驗，僅一個射程角下就需進行9組450發(fā)彈滿管齊射試驗，試驗耗彈量大。對某遠程12管火箭，1發(fā)火箭彈的價格為100多萬元人民幣，一次試驗需耗彈108發(fā)，僅耗彈費用就超億元，加上試驗費用就更昂貴，耗資巨大。因此，軍方、工業(yè)部門及國家靶場等各方面急需減少試驗用彈量，以大幅減少試驗成本。如何減少武器裝備評估試驗成本已成為現(xiàn)代武器裝備發(fā)展急需解決的重大國際難題。

現(xiàn)代武器向著大口徑、遠射程及大威力方向發(fā)展，高初速、高膛壓和高裝填密度已成為現(xiàn)代武器的重要特征，發(fā)射環(huán)境愈發(fā)惡劣。由于缺乏發(fā)射安全性設計與檢測手段，無法揭示現(xiàn)代武器在4 000oC超高溫、7 000大氣壓超高壓、200km/s2超高過載、2km/s超高速以及1 000kN超高沖擊等極端發(fā)射環(huán)境下意外爆炸的機理，導致世界各國相繼在武器研制、試驗、軍事演習和戰(zhàn)場上頻頻發(fā)生膛炸、早炸及解體等發(fā)射安全性事故，我國在火炮彈藥研制與試驗中也發(fā)生了近百次發(fā)射不安全事故。發(fā)射安全性備受國內外兵器界的廣泛關注，如何評估和提高彈藥武器發(fā)射安全性以避免發(fā)射不安全導致指戰(zhàn)員和武器裝備致命性毀傷已成為各軍事強國競相攻關解決的重大理論與技術難題。

武器射擊密集度、發(fā)射安全性等動力學性能取決于武器系統(tǒng)動力學規(guī)律，因此，研究發(fā)射過程中武器系統(tǒng)受力與運動規(guī)律的一門新興學科分支——發(fā)射動力學應運而生[1-5]。發(fā)射動力學的研究為武器系統(tǒng)動力學設計與試驗提供解決提高武器射擊密集度、減少試驗成本及保證發(fā)射安全三類共性難題的理論、方法和手段，并在國際上很快就發(fā)展成為提高武器射擊密集度和發(fā)射安全性的新技術突破口，對現(xiàn)代武器動力學性能設計與試驗發(fā)揮了非常重要的作用，成為當代兵器科學關注的熱點，有關理論與技術研究非常活躍。發(fā)射動力學研究跨度大，涉及到內彈道學、外彈道學、中間彈道學、燃燒氣體動力學、空氣動力學、火炮動力學、多體系統(tǒng)動力學、振動理論以及現(xiàn)代測試技術等方面的重要內容。

針對火箭、火炮、坦克及裝甲車輛等武器射擊密集度差、試驗用彈量大、發(fā)射不安全等技術難題，筆者從基本思想、基本理論、關鍵技術發(fā)明到重大工程應用，建立了多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術體系[1-5]，提升了武器射擊密集度和發(fā)射安全性設計與試驗水平，解決了9種國家高新工程等13型武器提高射擊密集度、減少試驗消耗、保證發(fā)射安全的國家急需[1-3, 7]，已裝備部隊，產生了重大的經濟、軍事與社會效益。

1 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法

為解決現(xiàn)代武器動力學性能設計與試驗所涉及的多體系統(tǒng)動力學快速計算理論、高效仿真與設計平臺、先進模擬與測試手段難題，筆者建立了多體系統(tǒng)傳遞矩陣法(transfermatrixmethodformultibodysystems，簡稱MSTMM)及其理論體系[1, 8-16]：1993年開始，提出多體系統(tǒng)傳遞矩陣法，用傳遞方程研究各狀態(tài)矢量之間傳遞關系，經20多年發(fā)展完善，揭示了多體系統(tǒng)中任意端點間的狀態(tài)矢量嚴格的線性關系；提出了總傳遞方程自動推導定理[15]；創(chuàng)建了具有自主知識產權的多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設計大型軟件；獲多體系統(tǒng)動力學設計、模擬、測試裝置與方法共17項國家發(fā)明專利，并主持實施。實現(xiàn)了多體系統(tǒng)動力學研究無需系統(tǒng)總體動力學方程、系統(tǒng)矩陣階次低的快速計算以及自動推導三方面突破[1-5, 8-16]，為武器系統(tǒng)動力學快速計算、設計、分析、優(yōu)化及試驗提供了新理論與高效的數(shù)字化平臺，為多體系統(tǒng)動力學和發(fā)射動力學研究提供了全新的方法，實現(xiàn)了復雜兵器系統(tǒng)動力學性能設計及其下述三大類工程應用。所取得的成果為復雜武器射擊密集度和發(fā)射安全性設計與試驗奠定了基礎，解決了多項國家高新工程技術難題[1-5,7]。

多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的思路是：首先“化整為零”，把復雜的多體系統(tǒng)“分割”成若干個元件，將各元件的力學特性用矩陣表示，就像建筑大樓的“磚塊”，可事先建立好元件的傳遞矩陣庫；其次用這些磚塊“拼裝”成系統(tǒng)，建成“大樓”。系統(tǒng)的“拼裝”，僅相當于這些矩陣相乘，就能獲得系統(tǒng)的總傳遞方程和總傳遞矩陣，求解傳遞方程，即可求得系統(tǒng)動力學的時間歷程。通過研究，澄清了國際上爭議已久的彈丸膛內逆進動現(xiàn)象，并給出了彈丸逆進動條件，為高精度彈丸設計指明了參數(shù)優(yōu)化設計方向，為高精度火炮設計解決了等齊膛線與漸速膛線的選擇問題。研究了彈丸后效期對武器精度的影響程度問題，從而確定了提高武器精度的主攻方向。揭示了許多武器普遍存在的嚴重影響武器精度的“離群彈”、“彈丸落點分堆”、“同一武器在不同硬度地面精度差別大”、“不同裝填方式精度差別大”現(xiàn)象的火炮空回、不同硬度地面使火炮與地面接觸剛度不同等非線性射擊導致彈丸起始擾動差別大，從而導致武器精度差別大的機理。

圖1為多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設計軟件界面，圖2為多體系統(tǒng)傳遞矩陣法與Lagrange方法計算時間的對比。

圖1 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法可視化仿真與設計軟件界面Fig.1 Interface for the visual simulation and design software of the transfer matrix method for multibody systems

圖2 多體系統(tǒng)傳遞矩陣法與Lagrange方法計算時間對比Fig.2 Comparison of the computational time between the transfer matrix method for multibody systems and the Lagrange method

多體系統(tǒng)傳遞矩陣法的傳遞方程揭示了多體系統(tǒng)力學參量之間普遍的傳遞規(guī)律，狀態(tài)變量用物理坐標描述，傳遞矩陣隨時間變化。無論線性系統(tǒng)或非線性系統(tǒng)，系統(tǒng)中各點的狀態(tài)矢量互呈嚴格線性關系，因此其嚴格適用于一般非線性系統(tǒng)，完全不同于經典傳遞矩陣法。經典傳遞矩陣法中的狀態(tài)變量用模態(tài)坐標描述，傳遞矩陣與時間無關，只適用于線性時不變系統(tǒng)。

多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術，催生了武器動力學性能設計與試驗65項發(fā)明專利，降低了我國兵器研制成本，縮短了研制周期，提高了我國兵器動力學性能設計水平和我國兵器使用安全性三大類應用。

2 武器射擊密集度設計與試驗發(fā)射動力學新原理

2.1 武器射擊密集度小起始擾動動力學設計新原理與方法

各國競相提高兵器核心戰(zhàn)技指標之一的射擊密集度來提高武器毀傷效能。我國數(shù)百億計的彈藥武器中的絕大多數(shù)是無控彈藥，為了提高武器密集度，基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法，筆者提出了武器射擊密集度小起始擾動動力學設計新原理與方法，獲小起始擾動武器射擊密集度設計方法與試驗裝置共21項國家發(fā)明專利[17-19]，并經大量工程應用加以實施和完善。據(jù)此，在多種武器工程實踐的基礎上，牽頭制定了我國首部多管火箭炮射擊精度總體設計國家軍用標準和中國兵器行業(yè)標準，大幅提升了武器射擊密集度設計水平。主持完成提高型號項目某艦載、機載、車載武器射擊密集度的設計方案，分別被我國兵器、船舶、航空及航天工業(yè)部門用于武器設計，大幅度提高了8種武器射擊密集度，包括某艦載火箭破障車、某機載多管火箭、某122多管火箭、某自行加榴炮、某艦載多管火箭炮、某增程彈武器系統(tǒng)、某300mm遠程多管火箭以及某淺灘火箭破障武器系統(tǒng)，其中某機載多管火箭精度提高到270%。

武器射擊密集度設計的原理是：應用上述多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與平臺，對武器系統(tǒng)結構與動力學參數(shù)(包括質量、剛度、阻尼及其分布與射序和射擊間隔等)優(yōu)化設計，減小起始擾動，提高武器射擊密集度。武器射擊密集度設計的方法是：從武器系統(tǒng)構思開始，理論、計算與試驗三方面預測、評估、比較當前與此前武器射擊密集度總體設計方案效果的迭代過程，以獲取最佳的滿足射擊密集度指標的設計方案。圖3為某新型122mm多管火箭炮系統(tǒng)動力學模型，圖中數(shù)字標號為各元件序號，內涵見文獻[3]。圖4為某新122mm多管火箭炮定向器側向角速度仿真與測試結果。圖5為某火炮彈丸膛內擺動軌跡測試結果。圖6為應用武器系統(tǒng)射擊密集度小起始擾動動力學設計新原理與方法獲得的某新型機載多管火箭高射擊密集度射序優(yōu)化設計方案，使該新型機載多管火箭射擊密集度提高了2.7倍，從原來的1/88提高至1/245；并使某車載多管火箭射擊密集度提高了4倍，達到國際先進水平。

圖3 某新型122 mm多管火箭炮系統(tǒng)動力學模型Fig.3 Dynamics model of a new type 122 mm multiple launch rocket system

圖4 某新型122 mm多管火箭炮定向器側向角速度Fig.4 Lateral angular velocity of the directional device of a new type 122 mm multiple launch rocket system

圖5 某火炮彈丸膛內擺動軌跡測試結果Fig.5 Test results of the swinging trajectory of a projectile in bore

圖6 某機載多管火箭高射擊密集度射序優(yōu)化設計方案Fig.6 Optimal scheme of firing order of an airborne multiple launch rocket system for improving the firing dispersion

彈箭起始擾動即彈箭炮口運動參量的偏差，是無控武器射擊精度的主要影響因素，減小起始擾動可提高武器射擊精度。射擊精度包括射擊密集度和射擊準確度兩方面，任一方面的改進都將提高射擊精度。減小起始擾動，通常包括減小其平均值和均方差兩個方面。減小起始擾動平均值將提高射擊準確度，減小其均方差將提高射擊密集度。當起始擾動平均值非常小，起始擾動減小僅提高射擊密集度，即射擊精度。

射擊精度CEP的一般定義為

dXdZ=P

當P=50%時的R就是CEP。

國軍標GJB349.13A-97《火箭炮定型試驗規(guī)程》規(guī)定用射擊密集度表征射擊精度

目前，我國有些武器正是用射擊密集度表征射擊精度進行試驗考核，如某機載多管火箭等。

需要指出的是，武器射擊密集度小起始擾動設計是用物理手段達到的彈箭炮口運動參量偏差小的實際物理效果，與小攝動理論是完全不同的概念。小攝動理論是一種數(shù)學理論。

2.2 用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗新原理與方法

各軍事強國競相探索試驗新方法來減少武器試驗消耗。為解決現(xiàn)代武器射擊密集度鑒定試驗費用昂貴的問題，筆者提出了用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗新原理與方法[3]，獲7項相關國家發(fā)明專利[20-21]。據(jù)此，在多種武器射擊密集度試驗工程實踐的基礎上，牽頭制定了我國首部非滿管射擊密集度試驗評定中國兵器行業(yè)標準，被國家靶場用于機載、艦載及車載多管火箭等10種武器系統(tǒng)試驗，包括某遠程多管火箭增程彈、某多管火箭末敏彈、某遠程火箭炮系統(tǒng)、某艦載火箭破障車、某工程增程彈、某機載多管火箭、某輪式多管火箭、某履帶式多管火箭、某艦載火箭炮以及某122多管火箭等，用彈量比常規(guī)方法分別減少50%～86%，已產生巨大的直接經濟效益。

用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗的原理是：只要找到與滿管齊射武器起始擾動分布相同的非滿管射擊方式，就是兩種武器射擊密集度相同的射擊方式。用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗方法是：以多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論為基礎，以滿管齊射和非滿管發(fā)射兩個系統(tǒng)的射擊密集度相同為約束條件，以試驗用彈量最少為目標，以動態(tài)設計裝填方式、射序和射擊時間間隔為手段，通過大量計算、優(yōu)化，得到與滿管齊射武器射擊密集度分布相同的非滿管射擊武器射擊密集度試驗方案，通過統(tǒng)計方法檢驗兩種方案的射擊密集度，使其估計值無顯著差異，最終確定與滿管齊射方式系統(tǒng)射擊密集度相同的非滿管發(fā)射方式。圖7為某多管火箭武器系統(tǒng)發(fā)射動力學模型，圖中數(shù)字標號含義見文獻[3]。圖8為用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗方法流程圖。圖9為某多管火箭非滿管與滿管齊射密集度試驗結果。

圖7 某多管火箭發(fā)射動力學模型Fig.7 Dynamics model of a certain type multiple launch rocket system

圖8 用非滿管裝填射擊替代起始擾動相等的滿管裝填火箭齊射密集度試驗方法流程圖Fig.8 Workflow of firing precision test by using non-full load firing instead of full load firing for equivalent initial disturbance

圖9 非滿管與滿管齊射密集度試驗結果Fig.9 Results of firing dispersion test with non-full load and full load

3 發(fā)射安全性發(fā)射動力學評估新原理

彈藥發(fā)射安全性主要包括發(fā)射裝藥發(fā)射安全性、炸藥裝藥發(fā)射安全性、引信發(fā)射安全性及彈丸發(fā)射安全性。只有對彈藥武器系統(tǒng)動態(tài)特性與其結構參數(shù)之間的關系進行定量描述，并具有對彈藥發(fā)射動力學規(guī)律進行準確計算和試驗的手段，才能建立發(fā)射安全性判據(jù)，保證武器發(fā)射安全性。針對我國彈藥安全的問題，亟待揭示膛炸、早炸及解體災難性事故機理，進行超高溫、高壓、高速及高過載彈藥發(fā)射安全性評估，筆者提出了起始動態(tài)活度比等發(fā)射安全性評估新理論，揭示了低溫發(fā)射裝藥-擠壓-破碎-增面-增燃-增壓-膛炸等發(fā)射不安全機理，確定了新的發(fā)射安全性特征量與定量判據(jù)[7]，獲發(fā)射裝藥、炸藥裝藥、引信、制導炮彈極端發(fā)射環(huán)境模擬和安全性試驗裝置與方法，共獲37項國家發(fā)明專利[22-26]，并主持相關實施。據(jù)此，在多種武器發(fā)射安全性評估工程實踐的基礎上，牽頭制定我國首部發(fā)射裝藥發(fā)射安全性試驗定量評定國家軍用標準和中國兵器行業(yè)標準等11部標準，實現(xiàn)了我國發(fā)射裝藥等發(fā)射安全性定量評估，被國家靶場和行業(yè)部門用于某迫榴炮引信、坦克炮發(fā)射裝藥及制導炮彈發(fā)射安全性檢測評估，提高了我國兵器發(fā)射安全性，保障了8種武器發(fā)射安全，包括某自行加榴炮引信、某迫榴炮引信、某制導炮彈、某新型坦克炮、某反坦克炮、某艦炮引信、某榴彈炮以及某破甲彈武器，消除發(fā)射安全性隱患。

3.1 發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評估方法

筆者提出了基于多體系統(tǒng)發(fā)射動力學原理的發(fā)射裝藥膛內燃燒與力學環(huán)境試驗裝置、發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗裝置、發(fā)射裝藥動態(tài)活度試驗裝置及相應的測試技術，建立了基于發(fā)射裝藥起始動態(tài)活度比的發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評估方法，解決了相關發(fā)射裝藥發(fā)射安全性評估難題[7]。圖10為發(fā)射裝藥膛內燃燒與力學環(huán)境試驗裝置。圖11為我國首臺發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗裝置。

圖10 發(fā)射裝藥膛內燃燒與力學環(huán)境試驗裝置Fig.10 Test device of combustion and mechanical environment in chamber for propellant charge

圖11 我國首臺發(fā)射裝藥動態(tài)擠壓破碎試驗裝置Fig.11 The first test device in our country of dynamic extrusion and fragmentation for propellant charge

3.2 炸藥發(fā)射安全性評估方法

炸藥裝藥發(fā)射安全性評估的核心，是要較真實地模擬炸藥裝藥的缺陷和炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境，從而模擬炸藥裝藥加載過程及其爆炸概率。應用多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術，建立了膛壓發(fā)生器式炸藥裝藥發(fā)射安全性試驗裝置，為揭示炸藥裝藥中空氣絕熱壓縮升溫使炸藥裝藥自燃引起膛炸機理提供了技術手段。圖12為炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境縱向過載膛壓模擬器式模擬裝置。圖13為我國首臺炸藥裝藥縱向和旋轉過載綜合模擬裝置。

圖12 炸藥裝藥發(fā)射環(huán)境縱向過載膛壓模擬器式模擬裝置Fig.12 Simulator of chamber pressure with longitudinal overload during the launch process for explosive charge

圖13 我國首臺炸藥裝藥縱向和旋轉過載綜合模擬裝置Fig.13 The first synthetical simulator in our country of both longitudinal and rotational overload for explosive charge

3.3 引信發(fā)射安全性評估方法

基于多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術，筆者提出了高速旋轉彈丸三自由度角運動模擬試驗裝置和控制系統(tǒng)，建立了基于發(fā)射環(huán)境的引信早炸故障定位方法，獲得了高速旋轉彈丸自轉、章動及進動彈道環(huán)境下引信機構運動曲線，完成了高速旋轉彈丸三自由度角運動彈道環(huán)境下引信系統(tǒng)運動試驗。圖14為我國首臺高速旋轉彈丸三自由度角運動模擬試驗裝置，獲得了發(fā)射環(huán)境下渦輪引信擊針拔離盲孔時渦輪角加速度突變試驗曲線，如圖15所示。試驗再現(xiàn)了引信早炸現(xiàn)象，揭示了某引信轉子在擊針拔離盲孔后迅速旋轉到位使擊針接觸雷管的早炸機理以及其他幾種引信的早炸機理，為引信設計改進提供了決定性的手段和依據(jù)，提出了引信改進設計方案，消除了該引信早炸現(xiàn)象。

圖14 我國首臺高速旋轉彈丸三自由度角運動模擬裝置Fig.14 The first simulator of the three-degree-of-freedom angular motion for projectile with high spinning velocity

圖15 渦輪旋轉角加速度隨時間變化Fig.15 Time history of angular acceleration of the turbine

3.4 末制導炮彈發(fā)射安全性評估方法

基于多體系統(tǒng)發(fā)射動力學理論與技術，筆者提出了末制導炮彈密封試驗方法、末制導炮彈預應力試驗方法及末制導炮彈強度試驗方法，建立了基于發(fā)射環(huán)境的末制導炮彈解體定位方法，揭示了發(fā)射過程中末制導炮彈發(fā)動機推進劑應力超限自燃的解體機理，提出了發(fā)動機改進設計方案，消除了末制導炮彈解體現(xiàn)象。圖16為某末制導炮彈發(fā)動機推進劑高溫膨脹應力增加試驗照片，再現(xiàn)了發(fā)動機推進劑高溫發(fā)射應力超限現(xiàn)象。

圖16 發(fā)動機推進劑高溫膨脹應力增加試驗Fig.16 Experiment of high temperature expansion and increasing stress of engine propellant

4 結束語

針對火箭、火炮、坦克、裝甲車輛等常規(guī)武器發(fā)展面臨的提高射擊密集度、減少試驗成本和保證發(fā)射安全等重大瓶頸難題，建立了多體系統(tǒng)傳遞矩陣法及其理論體系，為武器動力學性能設計與試驗提供了新的理論與技術。提出了武器系統(tǒng)射擊密集度設計與試驗發(fā)射動力學新原理，提升了武器系統(tǒng)射擊密集度及其設計與試驗水平，大幅度減少了試驗用彈量。提出了發(fā)射安全性動力學評估新原理，保障了武器系統(tǒng)發(fā)射安全。研究成果用于9項國家高新工程等13型武器，提高射擊密集度1.2～4倍，減少試驗用彈量50%～86%，未再出現(xiàn)發(fā)射安全事故記錄。

多體系統(tǒng)發(fā)射動力學在解決武器系統(tǒng)動力學性能設計與試驗方面的重要作用得到了國內外關注，并有望在未來幾年內形成武器系統(tǒng)動力學機械化仿真與設計通用平臺，實現(xiàn)新概念多管火箭炮工程應用、坦克裝甲車輛磁流變智能減振、彈藥發(fā)射安全性定量評定及其推廣應用，進一步提高武器動力學性能，減少研制成本，提高武器發(fā)射安全性。

致謝 感謝課題組王國平教授、楊富鋒副教授、于海龍副教授、王燕講師、朱煒講師及丁建國教授的支持！

[1] 芮筱亭,贠來峰,陸毓琪,等.多體系統(tǒng)傳遞矩陣法及其應用[M].北京:科學出版社,2008: 1-16.

[2] 芮筱亭,劉怡昕,于海龍.坦克自行火炮發(fā)射動力學[M].北京:科學出版社,2011: 8-19.

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*國家基礎研究發(fā)展計劃(“九七三”計劃)資助項目(613153，613308)

2016-12-28；

2017-01-10

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2017.02.001

TJ410.6；TH12

芮筱亭，男，1956年8月生，博士、研究員、博士生導師。主要研究方向為火箭與火炮武器系統(tǒng)發(fā)射動力學。作為首席專家主持完成或在研“九七三”等國家重大和重點項目20余項；以排名第1獲國家技術發(fā)明二等獎2項、國家科技進步二等獎2項；授權國家發(fā)明專利82項、軟件著作權13項；出版專著6部；發(fā)表論文300余篇，其中SCIE收錄52篇，EI收錄176篇；牽頭制定國家軍用標準和中國兵器行業(yè)標準14部。 E-mail: ruixt@163.net