【摘要】：隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈的概念為炮射旋轉(zhuǎn)彈的精確化改造提供了低成本的新思路,成為國內(nèi)外精確打擊彈藥的研究熱點。但是,旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈的動力學(xué)模型具有強耦合、非線性的特點,加之非對稱、雙旋的氣動布局特性復(fù)雜,給隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈的研究和應(yīng)用提出了難題。因此,本文圍繞隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈的飛行特性與控制方法,開展雙旋部件和彈道的數(shù)學(xué)建模,以數(shù)值仿真和飛行試驗的方式研究修正彈對控制力的動態(tài)響應(yīng),并構(gòu)建適合隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈的降階預(yù)測控制方法。以彈軸矢量法構(gòu)建雙旋彈道,提出動力平衡角的響應(yīng)模型,研究隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈對操縱力的動態(tài)響應(yīng)特性。在剛體彈道的基礎(chǔ)上,以彈軸矢量和速度矢量表示作用在修正彈上力的方向,通過在彈軸方向添加雙旋滾轉(zhuǎn)通道作為第七個自由度,得到雙旋彈道模型。在飛行穩(wěn)定和小攻角的假設(shè)下,提出以動力平衡角描述彈體響應(yīng)特性的方法,并建立含修正項的動力平衡角響應(yīng)模型,理論和數(shù)值都表明鴨式旋轉(zhuǎn)彈的動力平衡角對修正力的響應(yīng)方向與控制力輸入方向存在近似180°的相位差Δγ。將彈軸運動軌跡可視化,得到修正力作用下旋轉(zhuǎn)彈的穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和失穩(wěn)的變化特性,根據(jù)動力平衡角的收斂性能夠判斷修正彈的飛行穩(wěn)定性。落點的散布規(guī)律表明,動力平衡角對修正力的隔轉(zhuǎn)鴨舵式修正炮彈偏置響應(yīng)是彈道修正的機理所在,落點響應(yīng)方向與修正力方向也存在約180°的相位差。為完善彈道模型中的氣動力模塊,建立隔轉(zhuǎn)鴨舵的準靜態(tài)氣動力模型。采用數(shù)值和風(fēng)洞試驗相結(jié)合的方法,得到修正彈在不同馬赫數(shù)、攻角條件下的氣動力數(shù)據(jù)庫,結(jié)果表明:修正彈的阻力系數(shù)仍服從43年阻力定律,鴨舵的增阻效果達14%,但操縱舵的升力作用能使射程衰減率降至10%;鴨舵斜置角對修正彈的升力系數(shù)影響效果遠大于阻力;差動舵導(dǎo)轉(zhuǎn)效果隨馬赫數(shù)和舵偏角增加而提高。通過小擾動分解建立的準靜態(tài)氣動力模型能夠考慮復(fù)攻角和鴨舵相位角的綜合效應(yīng),非定常計算結(jié)果驗證了模型的準確性。小攻角范圍內(nèi)利用對稱擬合表征修正彈阻力的誤差小于3.3%,阻力受鴨舵相位角的影響可以忽略;升力表現(xiàn)為正弦周期特性,但側(cè)向力在鴨舵相位角γp=180°時會出現(xiàn)二次正弦疊加�；诜嵌ǔ�(shù)值計算和改進形式的LuGre摩擦,建立修正彈的雙旋動力學(xué)模型。非定常數(shù)值模擬采用滑移網(wǎng)格的方法,給鴨舵輸入正弦角速率,研究不同攻角下升阻和導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的響應(yīng)規(guī)律。對準靜態(tài)氣動力模型進行參數(shù)辨識后,得到模型對鴨舵修正力和導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的估計相對誤差小于4 ×10-3,修正力受鴨舵相位角的影響,但鴨舵滾轉(zhuǎn)速率會影響導(dǎo)轉(zhuǎn)力矩的估計精度。將LuGre模型中的庫侖效應(yīng)改進為軸向氣動壓力相關(guān)項,將動態(tài)效應(yīng)與雙旋彈相對轉(zhuǎn)速關(guān)聯(lián),得到改進形式的LuGre摩擦。將準靜態(tài)氣動力與改進形式的LuGre摩擦聯(lián)合即可得到雙旋動力學(xué)模型,模型能夠獨立、快速地預(yù)測雙旋滾轉(zhuǎn)運動。在獲取氣動和摩擦系數(shù)后,通過數(shù)值模擬研究不同發(fā)射條件下修正彈的雙旋特性。忽略雙旋彈的高頻角運動,構(gòu)建基于降階模型的落點預(yù)測控制器,并在雙旋彈飛行控制模擬系統(tǒng)內(nèi)進行效能評估。以彈軸和速度矢量的相互關(guān)系表示修正彈的動力平衡角矢量αR,推導(dǎo)出含修正力項的αR解析解,從而能夠在僅已知速度和轉(zhuǎn)速的低成本導(dǎo)航平臺上近似求解彈體姿態(tài),得到四狀態(tài)降階模型(ROM)。通過數(shù)值模擬驗證降階模型對落點的預(yù)測精度和飛行控制效能,研究結(jié)果表明,ROM對落點的預(yù)測精度比修正質(zhì)點彈道(MPM)更高;采用尋優(yōu)方式得到的控制指令能夠?qū)憫?yīng)相位差△γ進行自適應(yīng),控制效率更高,但更新率略低;兩種方法都能將傳統(tǒng)彈的CEP從175m減小至30m范圍內(nèi)。為驗證修正彈雙旋動力學(xué)模型、動態(tài)響應(yīng)相位差和修正能力,完成了雙旋測試和操縱性能的飛行試驗。分別計算試驗條件下的彈道軌跡和雙旋參數(shù),與實測結(jié)果進行對比得到:雙旋模型能夠有效地預(yù)測鴨舵在彈道中的自由滾轉(zhuǎn),驗證了鴨式旋轉(zhuǎn)彈響應(yīng)與修正力之間近似180°的相位差,操縱力作用下雙旋彈的修正能力不小于600m,與雙旋彈道計算結(jié)果相吻合。
【圖文】：

正意義上的炮射制導(dǎo)彈藥當(dāng)屬越戰(zhàn)中出現(xiàn)的Ｍ７１２銅斑蛇（Ｃｏｐｐｅｒｈｅａｄ，邋１９７２）。銅斑逡逑蛇是１５５ｍｍ激光半主動反坦克彈藥，采用尾翼方式穩(wěn)定，射程１５公里網(wǎng)。最為人熟逡逑知的ＸＭ９８２神劍（圖１．１，Ｅｘｃａｌｉｂｕｒ）在２００５年問世，實現(xiàn)了“發(fā)射后不用管的”自主逡逑導(dǎo)引控制功能，這款１５５ｍｍ制導(dǎo)炮彈能夠?qū)崿F(xiàn)最大射程２０公里的情況下圓概率誤差逡逑（ＣＥＰ）不超過１０米Ｍ。銅斑蛇和神劍都是在設(shè)計之初就對整個彈體進行了針對性的優(yōu)逡逑化，即從底層^u始的新彈種設(shè)計，而不是面向大量庫存“笨彈”的精確化改造。逡逑Ｉ，邐逡逑—參逡逑圖１．１邋ＸＭ９８２神劍制導(dǎo)炮彈Ｅｘｃａｌｉｂｕｒ，邐圖１．２邋ＸＭ１１５６精確制導(dǎo)組件ＰＧＫ，邋２００６逡逑２００５年Ｍ邐年［１０丨逡逑考慮到大口徑高爆彈的破片殺傷半徑通常在５０ｍ左右，使用神劍這種“貴族炮彈”逡逑將ＣＥＰ控制在１０米以內(nèi)就顯得過于奢侈，也不能充分利用現(xiàn)有的庫存彈藥Ｗ。在這逡逑樣的背景下

邐圖Ｉ．４制導(dǎo)集成引信ＧＩＦ，２0０５年＿逡逑２００５年３月美軍在經(jīng)過多輪分析論證后，對彈道修正組件（Ｃｏｕｒｓｅ邋Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ逡逑Ｆｕｚｅ，邋ＣＣＦ，圖１．３）進行了首輪試驗。同年７月，裝備有ＣＣＦ的Ｍ７９５榴彈實彈射擊逡逑達到ＣＥＰ不超過５０ｍ的精度效果＿，２０１０年后該項目進入技術(shù)集成階段與ＣＣＦ逡逑同期開展的另一？款產(chǎn)品是制導(dǎo)集成引信丨２0丨（Ｇｕｉｄａｎｃｅ邋Ｉｎｔｅｇｒａ悔ｄ邋Ｆｕｚｅ，ＧＩＦ，圖Ｉ．４），逡逑主要目的在于適配北約集團的大口徑榴彈和迫彈，但是項目在２００７年終止。緊隨其逡逑后，ＡＴＫ公司推出精確制導(dǎo)組件ＰＧＫ邋（圖１．７）作為后續(xù)產(chǎn)品，，ＰＧＫ大量借鑒了邋ＧＩＦ逡逑和Ｍ７８２多模引信（ＭＯＦＡ）的設(shè)計經(jīng)驗，因此在２００６年３月就快速地進入了靶場試逡逑驗階段［１Ｑ］。ＰＧＫ的項目規(guī)劃分為三個階段：第一階段，設(shè)計模塊化的制導(dǎo)組件集成逡逑系統(tǒng)，該階段ＣＥＰ精度達到５０ｍ以內(nèi)，同時兼容１５５ｍｍ高爆彈（Ｍ１０７、Ｍ７９５和逡逑Ｍ５４９／Ａ１）和Ｍ２０３Ａ１、Ｍ２３２模塊化裝藥系統(tǒng)（ＭＡＣＳ）；第二階段
【學(xué)位授予單位】：南京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TJ410

【參考文獻】

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本文編號：2711718