單春來，趙凱，孟超，馬超，薛慶陽，王在森

(西北機(jī)電工程研究所, 陜西 咸陽 712099)

隨著遙控技術(shù)、圖像技術(shù)、計(jì)算機(jī)計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展以及在武器裝備上的應(yīng)用，未來戰(zhàn)場(chǎng)的無人化、智能化程度將會(huì)越來越高[1]。近幾年的局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，地面無人裝備的使用已經(jīng)呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)的特點(diǎn)[2]，如美軍在伊拉克、阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)上使用地面機(jī)器人執(zhí)行物資運(yùn)輸、排雷清障和醫(yī)療救護(hù)等戰(zhàn)場(chǎng)偵查或后勤保障任務(wù)；俄羅斯在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)上運(yùn)用“天王星-9”無人戰(zhàn)車進(jìn)行一線作戰(zhàn)，雖然出現(xiàn)了失聯(lián)、拋錨等問題，但其表現(xiàn)仍能說明無人裝備具有巨大優(yōu)勢(shì)。美俄目前均將無人戰(zhàn)車研發(fā)作為構(gòu)建新時(shí)代地面戰(zhàn)爭(zhēng)體系的重中之重，我國(guó)也將地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)作為未來陸軍裝備體系發(fā)展的重要內(nèi)容[3]。

由于無人戰(zhàn)車需要操控人員遠(yuǎn)程操控，對(duì)環(huán)境的感知能力較差，且沒有人員跟隨解決突發(fā)情況，特別是無人越野機(jī)動(dòng)平臺(tái)多采用純電力驅(qū)動(dòng)或發(fā)動(dòng)機(jī)與電機(jī)混合驅(qū)動(dòng)等模式，驅(qū)動(dòng)力受到限制[4]，因此對(duì)無人戰(zhàn)車的行駛、越障等通過性能提出了更高的要求。同時(shí)，戰(zhàn)車智能環(huán)境感知與自主機(jī)動(dòng)技術(shù)是地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，需要戰(zhàn)車的通過性分析技術(shù)作為重要的研究基礎(chǔ)。

筆者使用多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件RecurDyn作為分析工具，對(duì)某型履帶式無人戰(zhàn)車(下文簡(jiǎn)稱為戰(zhàn)車)進(jìn)行過1 m高垂直障礙、12 km/h定速過0.5 m高障礙、爬33.02°縱坡和翻越1.95 m寬壕溝4種通過性仿真，以及縱向、側(cè)向5連發(fā)射擊兩種射擊穩(wěn)定性仿真，提取各工況下的車身俯仰角、側(cè)傾角及受沖擊部分的沖擊力曲線，檢驗(yàn)戰(zhàn)車的設(shè)計(jì)方案是否滿足指標(biāo)要求，并針對(duì)存在問題進(jìn)行改進(jìn)，提高越障過程中的行駛穩(wěn)定性。

1 計(jì)算模型

1.1 通過性指標(biāo)要求

戰(zhàn)車的各項(xiàng)通過性能指標(biāo)如表1所示。

表1 通過性能指標(biāo)

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)仿真方法建立戰(zhàn)車三維模型，對(duì)戰(zhàn)車的通過性能進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)方案是否能夠滿足指標(biāo)要求。

1.2 動(dòng)力學(xué)仿真模型

戰(zhàn)車長(zhǎng)5.2 m，寬1.6 m，空載時(shí)上裝上甲板到地面距離2.2 m，上裝重2.4 t，底盤重5.7 t，使用某小口徑突擊炮作為主武器，并搭配7.62 mm口徑機(jī)槍、掛載防空導(dǎo)彈、反坦克導(dǎo)彈等副武器。對(duì)于復(fù)雜的武器系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖可以直觀表明模型中各部件間的連接關(guān)系[5]。在建模過程中，根據(jù)戰(zhàn)車的特點(diǎn)，將其劃分為上裝系統(tǒng)和底盤系統(tǒng)，各部分之間的連接關(guān)系如圖1所示。

上裝系統(tǒng)包括由身管、炮閂、炮尾等組成的后坐部分，制退復(fù)進(jìn)機(jī)、復(fù)進(jìn)節(jié)制器等組成的反后坐部分，以及搖架、炮塔；炮膛合力作用于彈丸與身管之間，后坐阻力作用于制退復(fù)進(jìn)機(jī)和后坐部分之間[6]。底盤系統(tǒng)包括車身和兩側(cè)履帶行駛子系統(tǒng)，履帶子系統(tǒng)中包括主動(dòng)輪、托帶輪、誘導(dǎo)輪等部件?；诙囿w動(dòng)力學(xué)的仿真分析，忽略發(fā)動(dòng)機(jī)及傳動(dòng)結(jié)構(gòu)影響，驅(qū)動(dòng)扭矩直接作用于主動(dòng)輪；不考慮各部件的間隙及尺寸誤差，約束為理想約束；研究整體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，而不考慮各部件的變形等[7-9]。RecurDyn下的高速履帶模塊Track-HM可以實(shí)現(xiàn)不同類型的履帶系統(tǒng)的詳細(xì)建模，是進(jìn)行履帶車輛復(fù)雜動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)仿真分析的理想工具[10]。

1.3 施加載荷

根據(jù)該口徑突擊炮的內(nèi)彈道設(shè)計(jì)得到單發(fā)射擊時(shí)的炮膛合力曲線和后坐阻力曲線，分別作用于彈丸與身管之間以及作用于后坐部分和單側(cè)制退復(fù)進(jìn)機(jī)(共兩個(gè)，對(duì)稱布置)之間。根據(jù)作戰(zhàn)定位，該戰(zhàn)車在實(shí)戰(zhàn)時(shí)主要進(jìn)行“靜對(duì)動(dòng)”或“動(dòng)對(duì)動(dòng)”射擊，單發(fā)射擊命中后可能無法達(dá)到預(yù)期毀傷效果或命中率不佳；如果進(jìn)行過多次數(shù)的射擊循環(huán)，又將對(duì)火控和隨動(dòng)系統(tǒng)帶來過大壓力，實(shí)際著彈點(diǎn)偏離預(yù)期射擊目標(biāo)點(diǎn)。綜合考慮各方面因素，在設(shè)計(jì)方案中戰(zhàn)車將以5連發(fā)射擊為主要射擊模式。另外，單發(fā)射擊無法準(zhǔn)確反映戰(zhàn)車的射擊穩(wěn)定性，根據(jù)該戰(zhàn)車的總體設(shè)計(jì)、匹配懸掛的特性以及火炮的射速，連發(fā)射擊時(shí)車身姿態(tài)將在3～4個(gè)射擊循環(huán)左右達(dá)到穩(wěn)定。因此，進(jìn)行射擊穩(wěn)定性仿真時(shí)，根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和要求，主要考察5連發(fā)射擊時(shí)車身的俯仰角(縱向射擊)和側(cè)傾角(側(cè)向射擊)的變化情形。該炮射頻為300 發(fā)/min，5連發(fā)射擊共用時(shí)1 s.

2 計(jì)算結(jié)果

基于RecurDyn的Track-HM模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，共分析6種工況，包括4種通過性工況：過1 m高垂直障礙、12 km/h過0.5 m高障礙、爬33.02°縱坡以及翻越1.95 m寬壕溝；2種射擊穩(wěn)定性工況：方向角為0°的縱向射擊和方向角為90°的側(cè)向射擊。其中，垂直障礙、縱坡及越壕分別以4.0、5.5和4.0 km/h的速度行駛；射擊穩(wěn)定性以停車靜止射擊為考察標(biāo)準(zhǔn)。分別建立相應(yīng)路況的路面，為減少對(duì)分析結(jié)果的干擾，不考慮地面凹凸不平的因素，使用無起伏的平坦路面進(jìn)行仿真。

2.1 通過性

經(jīng)過仿真驗(yàn)證，在給定車速下，該無人戰(zhàn)車能夠順利通過以上4種路況，設(shè)計(jì)方案能夠初步滿足指標(biāo)要求。但通過對(duì)仿真動(dòng)畫及對(duì)車身俯仰角、行駛速度及相關(guān)部件的受力情況進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在一系列問題：如翻越1 m高垂直障礙時(shí)，戰(zhàn)車上仰過高，仰角超過了56°，落地時(shí)沖擊大，第1組懸掛沖擊力高達(dá)181 kN，可能會(huì)造成懸掛擊穿；以12 km/h速度翻越0.5 m高障礙后車體行駛不穩(wěn)定；通過1.95 m寬壕溝時(shí)，誘導(dǎo)輪發(fā)生嚴(yán)重磕碰，直接沖擊力超過96 kN等。以上問題必須得到有效解決或改善，即初始設(shè)計(jì)方案需要進(jìn)一步改進(jìn)。

2.2 射擊穩(wěn)定性

由發(fā)射動(dòng)力學(xué)計(jì)算可知，縱向射擊車身俯仰角最大上抬至0.117°，射擊后反向下壓至-0.021°；側(cè)向射擊車身側(cè)傾角最大上抬至0.131°，射擊后反向下壓至-0.025°；車體均能在射擊結(jié)束后1.5 s內(nèi)恢復(fù)靜止。

3 結(jié)果分析及改進(jìn)

3.1 結(jié)果分析

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，該無人戰(zhàn)車的射擊穩(wěn)定性較好，但通過性仍有改進(jìn)空間。在空載狀態(tài)下，履帶鏈的上表面最大離地高度僅為1.1 m，因此1 m高垂直障礙是相對(duì)苛刻的路況。該無人戰(zhàn)車每邊各有3對(duì)負(fù)重輪，從車首到車尾依次定義為第1組、第2組和第3組。在翻越障礙時(shí)，3組負(fù)重輪在履帶鏈的協(xié)助下依次翻越至障礙物頂部。在初始設(shè)計(jì)方案中，考慮到動(dòng)力總成后置，且射擊時(shí)車身在后坐力的作用下后仰，即車首上抬車尾下壓，車體后半部分承受更多壓力，在爬坡時(shí)也同樣是車體后半部分受力更多，因此，第2組負(fù)重輪和液壓懸掛均靠后布置。但這樣的布置導(dǎo)致在翻越障礙物時(shí)，第2組負(fù)重輪翻上障礙物的時(shí)機(jī)較晚，導(dǎo)致車體上仰的角度很大。圖2是戰(zhàn)車翻越1 m高垂直障礙的過程，如圖2(a)所示，車身上仰過大，且在第3組負(fù)重輪離地后，第2組負(fù)重輪仍未完全落在障礙物上表面，導(dǎo)致履帶打滑，如圖2(b)所示；然后依靠車體重心的作用，使車體從較大的仰角的狀態(tài)下“砸”到障礙物表面，導(dǎo)致第1組液壓懸掛受到較大沖擊，甚至可能造成懸掛擊穿并損壞，如圖2(c)所示。此外，在以12 km/h的速度翻越0.5 m高障礙后，戰(zhàn)車需要較長(zhǎng)時(shí)間才能恢復(fù)到平穩(wěn)行駛的狀態(tài)；越壕時(shí)誘導(dǎo)輪發(fā)生了嚴(yán)重磕碰，如果造成輪軸損壞則會(huì)影響行駛。因此，雖然戰(zhàn)車的當(dāng)前設(shè)計(jì)方案能夠初步滿足指標(biāo)要求，但仍需進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 改進(jìn)方案

通過以上分析，如果將第2組負(fù)重輪向前布置，就能有效提高越障能力，避免越壕時(shí)誘導(dǎo)輪發(fā)生嚴(yán)重碰撞。但這種布置會(huì)導(dǎo)致后部支撐減弱，所以改進(jìn)時(shí)也應(yīng)盡量避免對(duì)縱向射擊穩(wěn)定性和爬坡能力造成不利影響。

原始設(shè)計(jì)方案中，第2組負(fù)重輪與第3組負(fù)重輪距離1.20 m，與第1組負(fù)重輪距離1.75 m；改進(jìn)方案為：第2組負(fù)重輪及其懸掛系統(tǒng)前移0.45 m，與第3組負(fù)重輪距離1.65 m，與第1組負(fù)重輪距離1.30 m.改進(jìn)前后的履帶系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及尺寸如圖3所示。

4 改進(jìn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)改進(jìn)方案進(jìn)行仿真計(jì)算，并就每個(gè)計(jì)算工況與原方案結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

4.1 通過性

4.1.1 垂直越障

改進(jìn)前、后戰(zhàn)車翻越1 m高垂直障礙時(shí)的車身姿態(tài)對(duì)比如圖4所示。由圖4可知，改進(jìn)后第2組負(fù)重輪翻上障礙更早，車體最大上仰角度明顯減小。圖5是改進(jìn)前、后的戰(zhàn)車翻越1 m高垂直障礙過程中的車身俯仰曲線圖和第1組懸掛所受沖擊力曲線圖。圖5曲線表明，通過改進(jìn)，車身最大仰角度由56°降低至41°，下降了27%；戰(zhàn)車完全翻越到障礙上表面的瞬間，第1組負(fù)重輪的懸掛所受沖擊力從181 kN降低到57 kN，下降了69%，大大減小了車體及車體內(nèi)部零部件、元器件所受的沖擊。

由圖5(a)可知，相比改進(jìn)后的曲線，在改進(jìn)前的曲線上從峰值下降至0°的部分有1.5 s左右的延后，該部分曲線代表戰(zhàn)車成功翻上障礙后，從最大俯仰角“砸”到地面恢復(fù)到行駛狀態(tài)的過程；圖5(b)中也可看到，第1組液壓懸掛受到?jīng)_擊的時(shí)刻從改進(jìn)前的9 s左右提前到了7.5 s左右，說明改進(jìn)后的戰(zhàn)車比改進(jìn)前更加順利地翻越障礙，翻越時(shí)間快了1.5 s.這是由于改進(jìn)前戰(zhàn)車越障過程中出現(xiàn)打滑現(xiàn)象(即圖2(b)中的狀態(tài)，對(duì)應(yīng)圖5(b)中改進(jìn)前曲線上第5—7 s處的部分)，而改進(jìn)之后的戰(zhàn)車能夠順利翻越到障礙物頂部。

由圖5(b)還可知，在戰(zhàn)車翻越至障礙物上表面后，改進(jìn)前曲線上第9—12 s處有長(zhǎng)達(dá)3 s的波動(dòng)，即原設(shè)計(jì)方案的戰(zhàn)車需要較長(zhǎng)時(shí)間才能平穩(wěn)行駛，而改進(jìn)后的戰(zhàn)車馬上就能夠平穩(wěn)行駛。如圖4(c)所示，改進(jìn)前的戰(zhàn)車剛剛翻越到障礙物上表面后，由于第2組負(fù)重輪落地較晚，車尾部的履帶鏈還處于松弛狀態(tài)，且第1組液壓懸掛的受壓行程較長(zhǎng)，因此戰(zhàn)車需要一段時(shí)間的調(diào)整才能夠達(dá)到平穩(wěn)行駛的狀態(tài)；而圖4(d)中，改進(jìn)后的戰(zhàn)車翻越到障礙物上表面后，車尾部的鏈條已經(jīng)拉緊，且第1組液壓懸掛的受壓行程較短，因此戰(zhàn)車很快就能進(jìn)入平穩(wěn)行駛的狀態(tài)。有研究表明，履帶及其張緊力是影響負(fù)重輪動(dòng)位移的重要因素，改善履帶的張緊力能夠有效提高戰(zhàn)車的行駛性能[11]。綜上分析，該改進(jìn)方案對(duì)戰(zhàn)車過1 m高垂直障礙的越障能力有非常明顯的提升。

4.1.2 定速越障

改進(jìn)前、后的戰(zhàn)車以12 km/h過0.5 m高障礙物的車身俯仰角曲線和行駛速度曲線如圖6所示。由圖6(a)可知，雖然在翻越障礙時(shí)，改進(jìn)后的戰(zhàn)車最大俯仰角更大，從改進(jìn)前的13.5°增加到了15.5°，但越障后戰(zhàn)車能夠在1.5 s內(nèi)(即曲線上第4.5—6 s處)恢復(fù)到穩(wěn)定行駛狀態(tài)，而改進(jìn)前的戰(zhàn)車需要在更長(zhǎng)的時(shí)間(曲線上第4.7—9 s處)后才能穩(wěn)定行駛。

改進(jìn)前、后的定速越障后的履帶狀態(tài)，如圖7所示。改進(jìn)前的戰(zhàn)車剛剛翻越到障礙物上表面后，由于第2組負(fù)重輪越障較晚，車尾部的履帶還處于較松弛的狀態(tài)，且第1組液壓懸掛的受壓行程較長(zhǎng)；圖7(b)中，改進(jìn)后的戰(zhàn)車翻越到障礙物上表面后，車尾部的履帶已經(jīng)拉緊，且第1組液壓懸掛的受壓行程較短，很快就能進(jìn)入平穩(wěn)行駛的狀態(tài)。從圖6(b)也可以清晰地看出，改進(jìn)前的戰(zhàn)車越障后速度波動(dòng)明顯，改進(jìn)后戰(zhàn)車很快就能以預(yù)定速度穩(wěn)定行駛。

4.1.3 越壕

改進(jìn)前、后的戰(zhàn)車翻越1.95 m寬壕溝的狀態(tài)對(duì)比如圖8所示。改進(jìn)前與改進(jìn)后越壕時(shí)的磕碰位置如圖9所示。

從圖8中看到，改進(jìn)后的戰(zhàn)車俯仰角從改進(jìn)前的10.3°增加到了18.4°，貌似通過性變差。但實(shí)際上，改進(jìn)前后，戰(zhàn)車在越過壕溝后均能馬上恢復(fù)到平穩(wěn)行駛的狀態(tài)，因此并不能僅根據(jù)其最大俯仰角增大就判斷其通過性變差(過1 m高垂直障礙時(shí)以戰(zhàn)車的最大仰角為改進(jìn)依據(jù)，是由于在該路況下，戰(zhàn)車翻越至障礙物頂部后前兩組負(fù)重輪離地，要從最大俯仰角姿態(tài)“砸”至地面，且履帶發(fā)生了打滑，而越壕路況下不存在這樣的狀況)。

戰(zhàn)車改進(jìn)前方案，由于第2組負(fù)重輪靠后安置，導(dǎo)致戰(zhàn)車越壕時(shí)誘導(dǎo)輪跟地面發(fā)生了嚴(yán)重磕碰甚至彈起后二次磕碰，反映在圖8(a)中，表現(xiàn)為3.4—4.2 s間曲線出現(xiàn)了兩個(gè)波谷。由圖8(b)可知，第1次磕碰的直接沖擊力超過了96 kN，如果對(duì)誘導(dǎo)輪輪軸造成了損壞則會(huì)影響戰(zhàn)車的行駛，且沖擊也可能對(duì)戰(zhàn)車中的電子元器件等結(jié)構(gòu)造成不利影響；改進(jìn)后，第2組負(fù)重輪前移，在戰(zhàn)車越壕時(shí)能夠提供有效支撐，且由履帶節(jié)緩沖，誘導(dǎo)輪受力平穩(wěn)，受到最大沖擊力僅為37 kN，減小了61%.因此，該改進(jìn)方案對(duì)越壕路況的通過性也有明顯改善。

4.1.4 爬坡

改進(jìn)前、后的戰(zhàn)車爬33.02°縱坡時(shí)的車身俯仰角曲線如圖10所示。由于第2組負(fù)重輪前置，導(dǎo)致戰(zhàn)車爬坡過程中呈上仰姿態(tài)時(shí)，戰(zhàn)車后部支撐不如改進(jìn)之前，戰(zhàn)車最大上仰角從35.33°增加至35.57°，即去除縱坡本身角度后，戰(zhàn)車自身的仰角從2.31°增加至2.55°，由于角度增加很小，戰(zhàn)車仍能平穩(wěn)行駛，因此該不利影響可忽略不計(jì)。

4.2 射擊穩(wěn)定性

圖11所示為改進(jìn)前、后戰(zhàn)車進(jìn)行縱、橫向5連發(fā)射擊時(shí)的車身俯仰角變化曲線。從圖11(a)中可以看到，戰(zhàn)車縱向射擊時(shí)的車身俯仰姿態(tài)幾乎不受任何影響，最大俯仰角均不到0.12°；從圖11(b)中可以看到，側(cè)向射擊時(shí)的車身側(cè)傾姿態(tài)也幾乎不受任何影響，最大側(cè)傾角均為0.13°.

5 結(jié)論

筆者采用了基于多體動(dòng)力學(xué)的仿真方法，以RecurDyn為仿真工具，建立了某型履帶式無人戰(zhàn)車的動(dòng)力學(xué)模型。以設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的垂直越障、定速越障、越壕和縱坡4種路況的平坦路面，對(duì)戰(zhàn)車的通過性能進(jìn)行了仿真分析；以內(nèi)彈道設(shè)計(jì)計(jì)算獲得的炮膛合力、后坐阻力為載荷，求解戰(zhàn)車停車狀態(tài)下的縱向、側(cè)向5連發(fā)射擊時(shí)的車身穩(wěn)定性。根據(jù)戰(zhàn)車通過性仿真結(jié)果動(dòng)畫及數(shù)據(jù)曲線進(jìn)行分析，對(duì)戰(zhàn)車的負(fù)重輪布局進(jìn)行了改進(jìn)，并得到以下結(jié)論：

1)將第2組負(fù)重輪靠前布置，可以明顯提高戰(zhàn)車在過1 m高垂直障礙、12 km/h過0.5 m高障礙以及通過1.95 m寬壕溝的通過性。

2)雖然第2組負(fù)重輪靠前布置后，戰(zhàn)車后部的懸掛支撐減弱，但對(duì)戰(zhàn)車的爬坡性能造成的不利影響可以忽略不計(jì)。

3)第2組負(fù)重輪的靠前布置對(duì)縱向、側(cè)向的靜態(tài)射擊穩(wěn)定性幾乎不造成任何影響。

本文工作可為相關(guān)戰(zhàn)車的底盤行駛系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定參考，并作為戰(zhàn)車智能環(huán)境感知與自主機(jī)動(dòng)技術(shù)的研究基礎(chǔ)。