于海龍,芮筱亭,王 剛,戎 保

(1南京理工大學(xué)發(fā)射動(dòng)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?dòng)前發(fā)彈丸運(yùn)動(dòng),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(duì)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?！敖饘亠L(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(dòng)特性和不同的彈丸起始擾動(dòng)。射擊間隔對(duì)“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(lì)頻率不同使彈丸起始擾動(dòng)不同。

文中基于多體系統(tǒng)傳遞矩陣法和發(fā)射動(dòng)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(dòng)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(shí),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(duì)象,每根身管串聯(lián)裝填5發(fā)彈丸,彈丸編號(hào)為ji,身管編號(hào)j=1,2,3,4,每根身管中彈丸編號(hào)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(duì)“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(shí)“金屬風(fēng)暴”武器動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算的初始條件是相對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)的初值

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

式中,vk(I,t)表示I點(diǎn)處在時(shí)刻t相對(duì)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(hào),Δvi-j(I)為某時(shí)刻系統(tǒng)I點(diǎn)處相對(duì)于身管中含(20-i)發(fā)彈系統(tǒng)平衡位置的位移與相對(duì)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(duì)于滿載平衡位置的初值為:

1.2 第2發(fā)彈發(fā)射時(shí)的初值

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

振型、平衡位置、響應(yīng)均對(duì)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(duì)于滿載平衡位置的初值為:

1.3 第i發(fā)彈發(fā)射時(shí)的初值

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

振型、平衡位置、響應(yīng)對(duì)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(duì)于滿載平衡位置的初值為:

式中:

2 發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng)

基于“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動(dòng)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(dòng)慣量、質(zhì)心位置、動(dòng)不平衡角、裝填條件、陣風(fēng)、發(fā)射環(huán)境各個(gè)隨機(jī)量,建立了“金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動(dòng)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(dòng)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(gè)發(fā)射與飛行動(dòng)力學(xué)仿真、統(tǒng)計(jì)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(jì)特性,用計(jì)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(dòng)特性模塊:仿真“金屬風(fēng)暴”武器的頻率、振型、阻尼比等振動(dòng)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(dòng)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(dòng),彈炮相互作用,彈丸起始擾動(dòng);

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(dòng)力、穩(wěn)定性、彈道諸元和落點(diǎn)散布;

7)統(tǒng)計(jì)處理模塊:對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(dòng)力學(xué)仿真流程圖。

圖2 “金屬風(fēng)暴”武器發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真流程圖

1)產(chǎn)生隨機(jī)變量:用計(jì)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(dòng)力學(xué)過程仿真:仿真武器運(yùn)動(dòng)和受力及其相互關(guān)系。

3)仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)處理:對(duì)各個(gè)階段的仿真結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理,提供仿真結(jié)果的統(tǒng)計(jì)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(duì)”金屬風(fēng)暴”武器動(dòng)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(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng),對(duì)某四管并聯(lián)“金屬風(fēng)暴”武器進(jìn)行發(fā)射動(dòng)力學(xué)仿真。

圖3為射擊間隔為4ms時(shí),某四管并聯(lián)“金屬風(fēng)暴”武器對(duì)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(shí)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(shí)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(shí),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(shí),(2,3,4)管射擊時(shí)密集度最好;2管齊射時(shí),(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(dòng)力學(xué)仿真系統(tǒng),可仿真振動(dòng)特性、內(nèi)彈道、彈丸膛內(nèi)運(yùn)動(dòng)、彈丸起始擾動(dòng)、系統(tǒng)動(dòng)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(duì)“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(dòng)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(dòng)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(dòng)力學(xué)研究[D].南京:南京理工大學(xué),2008.