无伞末敏弹稳态扫描运动模型与计算方法研究
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摘要
稳态扫描技术是末敏弹研制过程中关键技术之一,关系到能否准确打击目标。本文采取的是在现有稳态扫描的基础上采用双翼无伞来达到所需条件。无伞末敏弹是针对有伞末敏弹留空时间长、受风影响大而提出的一种改进设计方案。
本文的主要工作是：首先建立末敏弹被抛出去之后的刚体弹道模型,为双翼打开后的弹道计算提供一定的初始参数；然后双翼打开后,分析双翼以及弹体的受力状况,从而用欧拉角法分别建立其转动轴与铅直轴重合、与铅直轴有一定夹角的系统弹道模型并编程进行比较。由于末敏弹在运动过程中的大姿态运动,俯仰角可能达到90。,因此用四元数法对方程组进行变化,通过计算对比并进行分析。
通过计算结果分析说明了,在全弹道飞行条件下,旋转轴与惯量主轴越靠近时的弹道模型计算效果优于绕铅直轴旋转的弹道模型的计算效果；四元数法优于欧拉角法描述末敏弹的大幅度姿态飞行弹道,用四元数法可以解决因用欧拉角法描述末敏弹旋转运动时方程退化的问题。
Stable scanning technology is one of the key technologies in the development process of the system of terminal-sensitive projectiles, which can affect the ability to strike targets accurately. Based on the existing stable scanning theory, this thesis uses two wings without parachute to achieve the required conditions.Terminal-sensitive projectile without parachute is an improved design project, focusing on the fact that the umbrella has a long retention time and is affected largely by wind.
The main work of this thesis is:first of all, the rigid body trajectory model while terminal-sensitive projectile is throw out is established, with initial parameters for trajectory calculation where two wings open; secondly, the analysis of the stress state of terminal-sensitive projectile with two wings open is carried out, and Euler angle method is used to establish the system trajectory model with its rotation axis being the vertical axis, and the system trajectory model with its rotation axis has an angle from the vertical axis respectively, and comparing the simulation results.Since the big attitude motion in the process of terminal-sensitive projectile flight and the pitch angle may reach 90°,the quaternion method is used to change the equations and is compared with the Euler method.
The simulation results show that the trajectory model with its rotation axis has an angle from the vertical axis is better than the trajectory model with its rotation axis being the vertical axis;the quaternion method is better than the Euler angle method to describe the terminal-sensitive projectile trajectory with large attitude, for the quaternion method can solve the equation degradation problem caused by the Euler angle method to describe the terminal-sensitive projectile rotating movement.
本文的主要工作是：首先建立末敏弹被抛出去之后的刚体弹道模型,为双翼打开后的弹道计算提供一定的初始参数；然后双翼打开后,分析双翼以及弹体的受力状况,从而用欧拉角法分别建立其转动轴与铅直轴重合、与铅直轴有一定夹角的系统弹道模型并编程进行比较。由于末敏弹在运动过程中的大姿态运动,俯仰角可能达到90。,因此用四元数法对方程组进行变化,通过计算对比并进行分析。
通过计算结果分析说明了,在全弹道飞行条件下,旋转轴与惯量主轴越靠近时的弹道模型计算效果优于绕铅直轴旋转的弹道模型的计算效果；四元数法优于欧拉角法描述末敏弹的大幅度姿态飞行弹道,用四元数法可以解决因用欧拉角法描述末敏弹旋转运动时方程退化的问题。
Stable scanning technology is one of the key technologies in the development process of the system of terminal-sensitive projectiles, which can affect the ability to strike targets accurately. Based on the existing stable scanning theory, this thesis uses two wings without parachute to achieve the required conditions.Terminal-sensitive projectile without parachute is an improved design project, focusing on the fact that the umbrella has a long retention time and is affected largely by wind.
The main work of this thesis is:first of all, the rigid body trajectory model while terminal-sensitive projectile is throw out is established, with initial parameters for trajectory calculation where two wings open; secondly, the analysis of the stress state of terminal-sensitive projectile with two wings open is carried out, and Euler angle method is used to establish the system trajectory model with its rotation axis being the vertical axis, and the system trajectory model with its rotation axis has an angle from the vertical axis respectively, and comparing the simulation results.Since the big attitude motion in the process of terminal-sensitive projectile flight and the pitch angle may reach 90°,the quaternion method is used to change the equations and is compared with the Euler method.
The simulation results show that the trajectory model with its rotation axis has an angle from the vertical axis is better than the trajectory model with its rotation axis being the vertical axis;the quaternion method is better than the Euler angle method to describe the terminal-sensitive projectile trajectory with large attitude, for the quaternion method can solve the equation degradation problem caused by the Euler angle method to describe the terminal-sensitive projectile rotating movement.
引文
[1]刘任.末敏弹新秀博尼斯.兵器知识.2003,6：23-24
[2]何喜营.国外末敏弹药的发展现状及前景分析.末敏弹技术.1995(2)：1-11
[3]路勇.新杀手末敏弹.兵器知识.2001
[4]王颂康.灵巧弹药：弹药家族的新秀.现代军事,2004(4)：68～70
[5]王洪亮.装甲集群的高效杀手美国CBU-97/B航空末敏子母炸弹.现代兵器,2007
[6]郭美芳.灵巧弹药的近期发展(上,下).现代兵器,1996.10-11
[7]袁子怀,钱杏芳.有控飞行力学与计算机仿真.北京：国防工业出版社,2001
[8]王中原,周卫平.外弹道设计理论与方法.科学出版社,2004
[9]舒敬荣,张邦楚,韩子鹏,等.单翼末敏弹扫描运动研究.兵工学报,2004，25(4)：415～420
[10]谭和林.多管火箭末敏弹系统弹道特性分析.硕士论文.南京理工大学,2006
[11]韩子鹏.末敏弹外弹道学.第1版.北京：北京理工大学出版社,2008
[12]李臣明,韩子鹏,等.基于四元数法变换的末敏弹扫描运动研究.兵工学报,2009,30(4)：389～393
[13]王爱中.无伞末敏弹稳态扫描特性研究.硕士论文.南京理工大学,2008
[14]郭锐,刘荣忠.基于MATLAB/Simulink‘的末敏弹弹道仿真.末敏弹与制导学报,2005,25(1)：169～171
[15]秘文亮,许路铁,任新智.末敏弹.四川兵工学报.2008,29(4)：79～81
[16]郭锐,刘荣忠.末敏弹刚柔耦合系统动力学模型及仿真.兵工学报,2007,28(1)：10～14
[17]孙乐,韩子鹏.末敏弹减速运动和稳态扫描段运动特性的研究.航空学报,1998,19(2)：147～151
[18]顾建平,韩子鹏.末敏弹扫描运动的影响因素分析.末敏弹与制导学报,2009,29(3)：136～139
[19]顾建平.末敏弹扫描运动数学力学模型及计算机仿真.硕士论文.南京理工大学.2007,
[20]舒敬荣,刘昌沉,韩子鹏.柔性单翼末敏弹扫描运动研究.弹道学报.2004(3)：36～59
[21]徐明友.火箭外弹道学.第1版.北京：兵器工业出版社,1989
[22]赵新生.邢新生,孙超.末敏弹稳态扫描段扫描间隔分析.末敏弹与制导学报,2005：900～902
[23]刘世平.韩子鹏.末敏弹旋转伞-弹阻力模型研究.兵工学报,1997(8)：221-225
[24]刘世平.末敏弹四自由度弹道计算方法.弹道学报.1995(3)：68～74
[25]王文权.末敏弹稳态扫描参数测试系统中的数据处理技术研究及实现.硕士论文.南京理工大学.2002
[26]赵新生.末敏弹稳态扫描段扫描间隔分析.末敏弹与制导学报.2005,900～903
[27]卢春梅.末敏弹系统的多刚体力学分析及动画模拟仿真.硕士论文.南京理工大学.2002
[28]曹红松.末敏弹系统多刚体动力学分析与仿真.末敏弹与制导学报.2008.28(1)：173～177
[29]徐刚.末敏弹旋转伞系统运动建模与仿真研究.微计算机信息.2008.250-253
[30]朱福亚.浅析末敏弹几个设计参数的确定.华东工学院学报,1992
[31]宋丕极.枪炮与火箭外弹道学.第1版.北京：兵器工业出版社,1993
[32]郭锐,刘荣忠.徐明友导弹末敏弹减速系统设计探讨.战术导弹技术.2006.33-35
[33]韩子鹏,薛晓中,张莺译.外弹道学.第1版.北京：国防工业出版社,2000
[34]舒敬荣.非对称末敏弹子弹大攻角扫描特性研究及应用.博士论文.南京理工大学.2004
[35]杨启仁.子母弹飞行动力学.北京：国防工业出版社,1999
[36]王宝贵.末敏弹系统弹道规律的计算分析.硕士论文.南京理工大学.1999
[37]孙乐.末敏弹系统弹道规律的计算分析.硕士论文.南京理工大学.1994
[38]刘世平,韩子鹏,余劲天.末敏弹系统弹道模拟试验数据处理.弹道学报.1997(3)：70～73
[39]殷克功末敏子弹运动特性分析研究.博士论文.南京理工大学.2008
[40]陆欣.末敏弹系统外弹道的分析研究.北京：解放军出版社,2000
[41]华新.新一代末敏子弹引战配合系统分析.硕士论文.南京理工大学.2004
[42]沈雁飞.末敏弹稳态扫描平台动态数字仿真.硕士论文.南京理工大学.2004.
[43]王建军.导弹末敏弹控制系统设计与仿真.硕士论文.南京理工大学.2004.
[44]刘荣忠.末敏弹结构动态响应和效能分析.博士论文.南京理工大学.1996
[45]孙乐.机载布撒器及其子弹药气动力数值计算与弹道研究.博士论文.南京理工大学.1998
[46]王福海.伞降末敏子弹运动特性研究.硕士论文.南京理工大学.2007
[47]黄鹃.末敏弹效能分析与灵敏度分析.硕士论文.南京理工大学.2001
[48]舒敬荣.伞一弹系统三体运动分析.航空学报.2001.22(6)：481-485
[49]部宪林.子母弹子弹散布模型及其仿真研究.兵工学报.1989.2：12～18
[50]韩子鹏,孙乐.末敏弹刚柔二体相互作用力学模型探讨.弹道学报,1997.4：45～49.
[51]黄忠华.末敏弹系统的目标识别.硕士论文.南京理工大学.2002
[52]成楚之.末端子弹技术发展的探讨.现代防御技术,1997.1：39-47
[53]钱翼稷.空气动力学.第1版.北京：北京航空航天大学出版社，2008
[54]张延教.高等动力学.翻印版.南京：南京理工大学出版社,2008
[55]刘会灯,朱飞.MATLAB编程基础与典型应用.第1版.北京：人民邮电出版社,2008
[56]郭锡福.关于灵巧弹药的探讨.末敏弹技术,1996(2)：57～65
[57]Antonacos, John. A Universal Smart Weapon Microprocessor. AD-A302264,1995.
[58]Burns, Robert A. Protecting Mechanized Forces From Smart Weapon Attack. AD-A331282,1997
[59]Richard J.Pearson, Kenrick K.Chien. Smart Weapons Encounter Model Army Research Laboratory,2000
[60]Roy W.Kline. One fin orientation and stabilization device United States Patent 4593703, 1986
[61]Reijo Vesa. subwarhead. United States Patent 5088414.1992
[62]Vicente Nadal-Mora, Experimerntal investigation of an autortating-wing aerodynamic decelerator system, AIAA 2005
[2]何喜营.国外末敏弹药的发展现状及前景分析.末敏弹技术.1995(2)：1-11
[3]路勇.新杀手末敏弹.兵器知识.2001
[4]王颂康.灵巧弹药：弹药家族的新秀.现代军事,2004(4)：68～70
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[7]袁子怀,钱杏芳.有控飞行力学与计算机仿真.北京：国防工业出版社,2001
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[10]谭和林.多管火箭末敏弹系统弹道特性分析.硕士论文.南京理工大学,2006
[11]韩子鹏.末敏弹外弹道学.第1版.北京：北京理工大学出版社,2008
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[13]王爱中.无伞末敏弹稳态扫描特性研究.硕士论文.南京理工大学,2008
[14]郭锐,刘荣忠.基于MATLAB/Simulink‘的末敏弹弹道仿真.末敏弹与制导学报,2005,25(1)：169～171
[15]秘文亮,许路铁,任新智.末敏弹.四川兵工学报.2008,29(4)：79～81
[16]郭锐,刘荣忠.末敏弹刚柔耦合系统动力学模型及仿真.兵工学报,2007,28(1)：10～14
[17]孙乐,韩子鹏.末敏弹减速运动和稳态扫描段运动特性的研究.航空学报,1998,19(2)：147～151
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[19]顾建平.末敏弹扫描运动数学力学模型及计算机仿真.硕士论文.南京理工大学.2007,
[20]舒敬荣,刘昌沉,韩子鹏.柔性单翼末敏弹扫描运动研究.弹道学报.2004(3)：36～59
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[26]赵新生.末敏弹稳态扫描段扫描间隔分析.末敏弹与制导学报.2005,900～903
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[40]陆欣.末敏弹系统外弹道的分析研究.北京：解放军出版社,2000
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[43]王建军.导弹末敏弹控制系统设计与仿真.硕士论文.南京理工大学.2004.
[44]刘荣忠.末敏弹结构动态响应和效能分析.博士论文.南京理工大学.1996
[45]孙乐.机载布撒器及其子弹药气动力数值计算与弹道研究.博士论文.南京理工大学.1998
[46]王福海.伞降末敏子弹运动特性研究.硕士论文.南京理工大学.2007
[47]黄鹃.末敏弹效能分析与灵敏度分析.硕士论文.南京理工大学.2001
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[49]部宪林.子母弹子弹散布模型及其仿真研究.兵工学报.1989.2：12～18
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[53]钱翼稷.空气动力学.第1版.北京：北京航空航天大学出版社，2008
[54]张延教.高等动力学.翻印版.南京：南京理工大学出版社,2008
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[57]Antonacos, John. A Universal Smart Weapon Microprocessor. AD-A302264,1995.
[58]Burns, Robert A. Protecting Mechanized Forces From Smart Weapon Attack. AD-A331282,1997
[59]Richard J.Pearson, Kenrick K.Chien. Smart Weapons Encounter Model Army Research Laboratory,2000
[60]Roy W.Kline. One fin orientation and stabilization device United States Patent 4593703, 1986
[61]Reijo Vesa. subwarhead. United States Patent 5088414.1992
[62]Vicente Nadal-Mora, Experimerntal investigation of an autortating-wing aerodynamic decelerator system, AIAA 2005