于海龙,芮筱亭,王 刚,戎 保

(1南京理工大学发射动力学研究所,南京 210094;2中国华阴兵器试验中心,陕西华阴 714200)

0 引言

“金属风暴”武器是采用弹药串联装填方式具有超高射频的新概念武器[1-2],串联装填是指将多发弹丸预先装填在一根身管内,弹丸与弹丸间用发射装药隔开,电子点火,火药燃气推动前发弹丸运动,后发弹丸可在前发弹丸还没出炮口或已出炮口后点火,按序依次击发所有弹丸,图1为“金属风暴”武器发射原理图。

根据不同需求,“金属风暴”武器可单管使用,也可多管组合。作为具有可调射频、射序的异于一般常规身管武器的多管连射武器,射序、射击间隔对其射击精度影响很大。不同射序、射击间隔“金属风暴”武器射击精度不同。“金属风暴”武器的射序对其射击精度影响的原因在于不同的射序武器结构参数分布、初始条件不同,从而产生了不同的振动特性和不同的弹丸起始扰动。射击间隔对“金属风暴”武器射击精度影响的原因在于不同射击间隔的激励频率不同使弹丸起始扰动不同。

文中基于多体系统传递矩阵法和发射动力学理论[3-5],建立了不同射序对应的“金属风暴”武器系统初值求解方法、发射动力学仿真系统、射击间隔和射序与射击密集度之间的定量关系。通过调整射序、射击间隔,在不改变“金属风暴”武器外型结构的前提下提高射击密集度。

1 不同射序对应的“金属风暴”武器系统初值求解

“金属风暴”武器射击方式多样,可单管射击又可多管齐射,下面以单管射击为例讨论每发弹丸发射的系统初值,多管射击时,初值确定与单管射击类似。以某四管并联“金属风暴”武器演示验证系统为研究对象,每根身管串联装填5发弹丸,弹丸编号为ji,身管编号j=1,2,3,4,每根身管中弹丸编号i=1,2,3,4,5。

被击发弹丸的重力作用通过接触力体现其对“金属风暴”武器的影响。第j根身管第i发弹被击发时“金属风暴”武器动力响应计算的初始条件是相对不含已击发弹的系统平衡位置的系统位移v和速度v t(包括角位移和角速度),系统振型、平衡位置、响应均对应于不含已击发弹系统的平衡位置。虽然每发弹射击时系统的平衡位置不同,但这些平衡位置都是静止的,而由一发弹的重力引起的两相邻平衡位置方位角的差别较小。

1.1 第1发弹发射时的初值

1)击发第1发弹时系统含19发弹相对于其平衡位置的初值为:

式中,vk(I,t)表示I点处在时刻t相对于身管中含(20-k)发弹系统平衡位置的位移,上标k表示已击发弹丸序号,Δvi-j(I)为某时刻系统I点处相对于身管中含(20-i)发弹系统平衡位置的位移与相对于身管中含(20-j)发弹系统平衡位置的位移之差。上标“-”表示击发前,上标“+”表示击发后。

2)击发第1发弹后系统相对于满载平衡位置的初值为:

1.2 第2发弹发射时的初值

1)击发第2发弹时系统含18发弹相对于其平衡位置的初值为:

振型、平衡位置、响应均对应于含18发弹系统平衡位置。

2)击发第2发弹后系统相对于满载平衡位置的初值为:

1.3 第i发弹发射时的初值

1)击发第i发弹时系统含(20-i)发弹相对于其平衡位置的初值为:

振型、平衡位置、响应对应于含(20-i)发弹系统的平衡位置。

2)击发第i发弹后系统相对于满载平衡位置的初值为:

式中:

2 发射动力学仿真系统

基于“金属风暴”武器发射动力学理论[6]和蒙特卡洛随机模拟技术,考虑包括弹丸质量、转动惯量、质心位置、动不平衡角、装填条件、阵风、发射环境各个随机量,建立了“金属风暴”武器发射动力学仿真系统。

2.1 仿真系统组成

“金属风暴”武器发射动力学仿真系统基本模块如下:

1)总控模块:调用各功能模块,进行“金属风暴”武器整个发射与飞行动力学仿真、统计分析和结果输出;

2)随机数模块:根据随机参数的统计特性,用计算机产生各功能模块需要的服从规定分布的随机数;

3)振动特性模块:仿真“金属风暴”武器的频率、振型、阻尼比等振动模态参数;

4)内弹道模块:以2)提供的随机数作为基本参数的一部分,仿真“金属风暴”武器内弹道;

5)发射过程武器动态特性模块:根据2)、3)、4)提供的数据,仿真弹、炮运动,弹炮相互作用,弹丸起始扰动;

6)外弹道模块:根据3)、4)和 5)提供的数据,仿真弹丸飞行气动力、稳定性、弹道诸元和落点散布;

7)统计处理模块:对仿真结果进行统计处理;

8)射击精度影响因素与相关性分析模块:根据5)、6)提供的数据进行影响“金属风暴”武器射击精度因素与相关性分析;

9)结果输出模块:把仿真结果按文字、曲线、图形等形式输出。

2.2 仿真流程

图2为“金属风暴”武器发射动力学仿真流程图。

图2 “金属风暴”武器发射动力学仿真流程图

1)产生随机变量:用计算机产生各功能模块需要的服从规定分布的随机数。

2)“金属风暴”武器随机发射与飞行动力学过程仿真:仿真武器运动和受力及其相互关系。

3)仿真结果统计处理:对各个阶段的仿真结果进行统计处理,提供仿真结果的统计特性(如均值和均方差)。

4)射击精度影响因素与相关性分析:分析影响射击精度的各种因素,利用相关性理论,分析各种因素对”金属风暴”武器动态性能和射击精度的影响程度。

3 数值仿真结果

应用建立的“金属风暴”武器发射动力学仿真系统,对某四管并联“金属风暴”武器进行发射动力学仿真。

图3为射击间隔为4ms时,某四管并联“金属风暴”武器对空射击形成的弹幕仿真结果。

进行不同射击间隔下的射击密集度仿真,图4、图5为4管齐射时2000m高低与方向立靶密集度仿真结果。

图3 射击间隔为4ms时形成的弹幕

从图4、图5可见,无论高低还是方向射击密集度,在区间[4,10]ms内存在极小值,因而可通过合理调整射击间隔,提高“金属风暴”武器射击精度。

在射击间隔为5ms时,进行不同发射管数和不同射序下射击密集度仿真,表1、表2为2000m立靶密集度仿真结果。

表1 3管齐射射击密集度与射序的关系

表2 2管齐射射击密集度与射序的关系

从表 1、表 2中可见,无论是3管齐射还是2管齐射,射序对射击密集度影响很大,3管齐射时,(2,3,4)管射击时密集度最好;2管齐射时,(2,4)管射击密集度最好。故可通过优化,合理调整“金属风暴”武器的射序来提高射击精度。

4 结束语

综上所述,可得出如下结论:

1)建立了“金属风暴”武器发射动力学仿真系统,可仿真振动特性、内弹道、弹丸膛内运动、弹丸起始扰动、系统动力响应、外弹道、射击密集度;

2)建立了射序、射击间隔与“金属风暴”武器射击密集度间的定量关系,射序、射击间隔对“金属风暴”武器射击密集度影响很大,可通过调整射序、射击间隔来提高“金属风暴”武器射击密集度。

文中研究成果为在不改变“金属风暴”武器外型结构的前提下,提高“金属风暴”武器射击密集度提供了可行有效的技术手段。

[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,贠来峰,陆毓琪,等.多体系统传递矩阵法及其应用[M].北京:科学出版社,2008.

[4] 芮筱亭.多体系统发射动力学[M].北京:国防工业出版社,1995.

[5] 芮筱亭,陆毓琪,王国平,等.多管火箭发射动力学仿真与试验测试方法[M].北京:国防工业出版社,2003.

[6] 于海龙.金属风暴武器发射动力学研究[D].南京:南京理工大学,2008.