炮弹滑翔飞行的弹道特性与舵偏规律研究
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摘要
本文主要从如何增加炮弹滑翔飞行的射程角度来研究其弹道特性以及舵偏规律等相关问题。
针对炮弹滑翔飞行的工作特点,建立了相应的坐标系,详细分析了作用在炮弹上的力和力矩,特别是舵翼上的力和力矩,由动量定理和动量矩定理导出了在一般形式下炮弹的空间六自由度的运动方程;
主要从增大升阻比的角度,对炮弹的气动布局与部件外形进行了简要分析,利用工程算法对炮弹气动力参数进行了简单计算,对于实际炮弹的气动布局和部件外形设计有一定的参考意义;
通过外弹道理论对炮弹滑翔飞行过程中的稳定性问题进行了一定的探讨,保证炮弹在稳定飞行的情况下实现增程的目的。主要研究了稳定储备量对于炮弹飞行稳定性和操控性的影响,并在一定假设条件下推导了炮弹的攻角方程,对于炮弹的动态稳定性进行了分析;
提出一种舵偏方案,通过数值仿真得到使炮弹沿较优飞行轨迹飞行的舵偏规律,仿真结果表明增程效果明显,计算结果具有一定的参考意义。利用该舵偏方案,对炮弹起控点的选择等问题进行了相关的研究。
In this dissertation, some researches have been made on how to extend the range of projectiles by gliding flight greatly. The brief research points are as follows:
Aiming at projectiles by gliding flight, this dissertation establishes the ballistic mathematical model based on the motive characteristic and the pneumatic property.
Based on the effection of different aerodynamic configuration of projectiles,a research has been made on how to extend the range by using the best ratio between rise and resistance. The pneumatic appearance scheme for projectiles by gliding flight is analysed, and the major pneumatic parameter is also calculated using engineering algorithm.
The flight stability of projectiles is conducted,mainly touching the static stability and the dynamic stability .The effection of the stabilization storage to static stability is analysed.Based on the attack angle equation,the dynamic stability is analysed.
A research is made on the rule of superior rudder angle of projectiles by gliding flight. The numerical simulation and the scheme ballistic design of projectiles are presented in this dissertation. From the results, some initial launch and control conditions are quoted to help for extending the range by gliding flight. The calculation consequently has the certain reference.
针对炮弹滑翔飞行的工作特点,建立了相应的坐标系,详细分析了作用在炮弹上的力和力矩,特别是舵翼上的力和力矩,由动量定理和动量矩定理导出了在一般形式下炮弹的空间六自由度的运动方程;
主要从增大升阻比的角度,对炮弹的气动布局与部件外形进行了简要分析,利用工程算法对炮弹气动力参数进行了简单计算,对于实际炮弹的气动布局和部件外形设计有一定的参考意义;
通过外弹道理论对炮弹滑翔飞行过程中的稳定性问题进行了一定的探讨,保证炮弹在稳定飞行的情况下实现增程的目的。主要研究了稳定储备量对于炮弹飞行稳定性和操控性的影响,并在一定假设条件下推导了炮弹的攻角方程,对于炮弹的动态稳定性进行了分析;
提出一种舵偏方案,通过数值仿真得到使炮弹沿较优飞行轨迹飞行的舵偏规律,仿真结果表明增程效果明显,计算结果具有一定的参考意义。利用该舵偏方案,对炮弹起控点的选择等问题进行了相关的研究。
In this dissertation, some researches have been made on how to extend the range of projectiles by gliding flight greatly. The brief research points are as follows:
Aiming at projectiles by gliding flight, this dissertation establishes the ballistic mathematical model based on the motive characteristic and the pneumatic property.
Based on the effection of different aerodynamic configuration of projectiles,a research has been made on how to extend the range by using the best ratio between rise and resistance. The pneumatic appearance scheme for projectiles by gliding flight is analysed, and the major pneumatic parameter is also calculated using engineering algorithm.
The flight stability of projectiles is conducted,mainly touching the static stability and the dynamic stability .The effection of the stabilization storage to static stability is analysed.Based on the attack angle equation,the dynamic stability is analysed.
A research is made on the rule of superior rudder angle of projectiles by gliding flight. The numerical simulation and the scheme ballistic design of projectiles are presented in this dissertation. From the results, some initial launch and control conditions are quoted to help for extending the range by gliding flight. The calculation consequently has the certain reference.
引文
[1]徐明友.现代外弹道学.第1版.北京:兵器工业出版社,1999
[2]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
[3]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
[4]郭锡福,赵子华.现代炮弹增程技术.第1版.北京:兵器工业出版社,1997
[5]徐明友.火箭外弹道学.第1版.北京:兵器工业出版社,1989
[6]浦发.外弹道学.国防工业出版社,1980
[7]王中原,周卫平.外弹道设计理论与方法.科学出版社,2004
[8]袁子怀,钱杏芳等.有控飞行力学与计算机仿真.第1版.北京:国防工业出版社,2001
[9]谭浩强.C程序设计.清华大学出版社,1991
[10]蒋长锦.科学计算和C程序集.中国科学技术出版社,1998
[11]袁亚湘,孙文瑜.最优化理论与方法.科学出版社,1997
[12]叶庆凯,王肇明.优化与最优控制中的计算方法.科学出版社,1986
[13]程国采.航天飞行器最优控制理论与方法.国防工业出版社,1999
[14]吕学富.飞行器飞行力学.西北工业大学出版社,1995
[15]朱如华.增大炮射程的技术途径.现代军事,1995(7):24-29
[16]王惠英译.各国灵巧弹药近况.外军炮兵,1996(6):33-36
[17]王稚.重视发展纵深精确打击作战和远程精确打击系统.中国国防科技信息,1998(1):62-66
[18]时兆峰.法国在研增程制导炮弹.飞航导弹,2002(2):27-28
[19]壅恩米,陈磊,唐国金.助推.滑翔弹道的发展史及基于该弹道的制导方案设想.飞航导弹,2003(3):20-22
[20]史金光,王中原,易文俊,王枫.滑翔增程弹弹道特性分析.兵工学报,2006(2):210-214
[21]王军波,张军挪,高敏.滑翔增程弹稳定储备量的优化设计与仿真.华北工学院学报,2005(2):103-106
[22]涂胜元,王军波,傅廷伟,张本.滑翔增程弹弹道仿真研究.弹箭与制导学报,2005(4):381-384
[23]史金光,王中原,易文俊.滑翔增程弹方案弹道特性的研究.弹道学报,2003(1):51-54
[24]丁松滨,王中原,王争论.尾翼滑翔增程炮弹最大滑翔距离研究.弹箭与制导学报,2000(4):57-60
[25]田晓丽,陈国光,辛长范.滑翔增程火箭弹的飞行姿态控制方法研究.弹箭与制导学报,2005(3):64-66
[26]汪小娜,王树宗,朱华兵.火箭助推滑翔增程炮弹弹道模型研究.舰船科学技术,2005(1):77-79
[27]田晓丽,陈国光,戚九民.火箭弹滑翔增程技术研究.弹箭与制导学报,2003(3):46-48
[28]丁松滨,王中原,马忠山.滑翔段弹丸的飞行特性研究.兵工学报,2001(4):473-476
[29]刘丽荣,王军波,黄景德.基于Matlab的滑翔增程弹道的计算机仿真.计算机仿真,2004(2):32-34
[30]史金光,王中原,涂四华.求解滑翔增程弹较优舵偏角方法.弹箭与制导学报,2005(4):717-719
[31]王良明,王中原,易文俊.滑翔增程弹丸弹道性能研究.弹道学术交流会论文集,2001:186-190
[32]武频,赵润祥,谭俊杰,郭锡福.滑翔增程弹气动特性分析.弹道学报,2001(1):38-41
[33]夏群力,祁载康,林德福.超远程火炮弹药的无控及滑翔弹道优化设计.弹箭与制导学报,2002(2):26-30
[34]孙明玮,彭南楠,杨明.导弹最优滑翔弹道的设计及存在的问题.飞行力学,2006(1):26-29
[35]涂胜元,王军波,王建栋,傅廷伟.滑翔飞行器控制系统设计与仿真.军械工程学院学报,2005(3):29-32
[36]丁松滨,王中原.弹丸滑翔弹道的能量法研究.兵工学报,2002(1):10-13
[37]周浩,周韬,陈万春,殷兴良.高超声速滑翔飞行器引入段弹道优化.宇航学报,2006(5):970-973
[38]史金光,王中原,许厚谦,张冰凌.滑翔增程弹鸭式舵的气动设计与分析.弹道学报,2006(4):33-37
[39]张建灵,刘小刚,阙向东,安锦文.模糊PID控制在制导滑翔弹滚动稳定回路中的应用.火力与指挥控制,2005(3):44-46
[40]李玉芬.一种简化的导弹滑翔弹道计算方法.战术导弹控制技术,2005(2):47-48
[41]王惠英译.远程多管火箭炮的发展.外军炮兵,1998(5):3-8
[42]王泉水.美海军127mm增程制导弹药计划获得进展.舰载武器,2001(4):29
[43]邱浩兴.能攻击陆上纵深地域的EX-171增程制导炮弹.现代兵器,1998(9):25-26
[44]谭先萍译.南非研制新型155毫米远程弹.外军炮兵,1998(2):47-48
[45]王惠英,季兰顺.美国陆军XM982式155毫米增程炮弹.外军炮兵,1998(4):41-42
[46]刘世平,孙爱明.复合增程弹起始飞行段弹道测速数据处理方法.弹道学报,2004(2):23-26
[47]谭凤岗译.采用鸭舵控制使先进炮弹射程增大和精度改进.弹箭技术,1998(1):15-22
[48]钱建平,申屠德.复合增程弹结构布局与最佳弹道的匹配设置.兵工学报,1999(3):204-207
[49]王和平.巡航导弹总体参数优化方法研究.航天计算技术,1999(3):25-28
[50]丁松滨.滑翔增程炮弹的外弹道理论与应用.博士论文.南京理工大学,2002
[51]涂四华.滑翔增程弹在滑翔阶段的最优攻角和俯仰舵偏角的分析.硕士论文.南京理工大学,2005
[52]赵伟光.重力型转角传感器信号分析及在滑翔增程弹上的应用探讨.硕士论文.南京理工大学,2005
[53]徐伊岑.滑翔增程弹飞行控制与电动舵机性能分析.硕士论文.南京理工大学,2006
[54]邓克绪.用最大值原理求某无人机的最优上升轨迹.飞行力学,1996(3):66-70
[55]林国华,杨宏砷.求解飞行轨迹最优化问题的组合算法.飞行力学,1994(1):50-56
[56]刘同仁.用参数最优化方法计算最优飞行轨迹.航空学报,1994(11):1298-1305
[57]白文林.有翼导弹总体设计原理.西北工业大学出版社.1992
[58]武凌斯.有翼导弹引论.国防工业出版社.1979
[59]于光.导弹外形设计.国防工业出版社.1965
[60]郭子印,杜国惠.具有自由滚动尾翼制动转矩系统的遥控鸭式导弹.贵州航天,1990(1):24-26
[61]孔德永,吴桂馥.舵面铰链力矩的估算.空气动力学学报,2005(2):263-266
[62]刘煜,张科,李言俊.一种位置随动控制系统的建模与仿真研究.弹箭与制导学报,2005(2):4-6
[63]林忠万,符强,李玉忍.基于DSP的导弹舵机控制系统的研究.航天控制, 2004(1):46-49
[64]杨智勇,顾文锦,于红芸.导弹电动舵机系统的分段滑模控制.弹箭与制导学报,2003(4):13-15
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[66]任玉新等.飞行器动态稳定性参数的数值计算方法.空气动力学学报,1996(2):117-125
[67]赵国荣等.导弹运动方程的逆解析解.飞行力学,2000(3):35-37
[68]王英勋等.基于遗传算法GA有约束的飞行轨迹规划.北京航空航天大学学报,1999(3):28-33
[69]阎超等.跨音速翼型的气动最优化设计方法.北京航空航天大学学报,1998(3):16-21
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[71]冯亚南.关于翼-身组合体纵向气动特性工程估算方法.空气动力学学报,1981(1):18-26
[72]陈捷俊.提高舵机力矩的设计研究.航空兵器,1996(1):13-20
[73]顾文锦.远程飞航导弹的非线性控制系统设计.宇航学报,1999(2):5-11
[74]Busemann A,Vinh N X.Optimum maneuvers of hyperuelocity vehicles.NASA CR-1078,1968
[75]Vinh N X,Yang C Y,Chem J S.Optimal trajectories for maximum endurance gliding in a horizontal plane.Journal of Guidance,Control and Dynamics,1984(2):246-248
[76]Vinh N X.Optimum coasting flight in a horizontal plane.JOTA,1977(17):431-446
[77]Zhu Zhenmin,Liu Degui,Li Shoufu.A class of fast algorithms in read-time simulation.Journal of Systems Engineering &Elecronics,1999(4):10-20
[78]Schindel Leon H,Lam Lisa.Improved missile control effectiveness payoffs.Journal of Spacecraft and Rockets,1996(5):647-650
[79]White J E.Cut-off insensitive guidance with variable time of flight.AIAA-CP-934,1993:793-800
[80]Song Y D,Hou J,Fogson F.Missile autopilot design considering uncertainties in aerodynamics and actuator dynamics.Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering,2000:111-122
[81]Parsons M G,Bryson A E,Hoffman W C.Long-range energy-stata maneuvers for minimum time to specified terminal conditions.JOTA,1975(17):447-463
[82]McCormick,Malcolm B.Electromechanical missile fin actuation.IEEE Proceedings of the National Aerospace and Electronics Conference,1987:590-594
[83]Yang Shuxing,Zhong Ping.On the parametric design of electromechanical actuators.Journal of Beijing Institute of Technology,1997(2):138-144
[2]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
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[22]涂胜元,王军波,傅廷伟,张本.滑翔增程弹弹道仿真研究.弹箭与制导学报,2005(4):381-384
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[38]史金光,王中原,许厚谦,张冰凌.滑翔增程弹鸭式舵的气动设计与分析.弹道学报,2006(4):33-37
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[46]刘世平,孙爱明.复合增程弹起始飞行段弹道测速数据处理方法.弹道学报,2004(2):23-26
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[49]王和平.巡航导弹总体参数优化方法研究.航天计算技术,1999(3):25-28
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[51]涂四华.滑翔增程弹在滑翔阶段的最优攻角和俯仰舵偏角的分析.硕士论文.南京理工大学,2005
[52]赵伟光.重力型转角传感器信号分析及在滑翔增程弹上的应用探讨.硕士论文.南京理工大学,2005
[53]徐伊岑.滑翔增程弹飞行控制与电动舵机性能分析.硕士论文.南京理工大学,2006
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[58]武凌斯.有翼导弹引论.国防工业出版社.1979
[59]于光.导弹外形设计.国防工业出版社.1965
[60]郭子印,杜国惠.具有自由滚动尾翼制动转矩系统的遥控鸭式导弹.贵州航天,1990(1):24-26
[61]孔德永,吴桂馥.舵面铰链力矩的估算.空气动力学学报,2005(2):263-266
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[65]李鹏波.仿真可信性分析与导弹系统的仿真可信性.导弹与航天运载技术,1999(3):9-15
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[67]赵国荣等.导弹运动方程的逆解析解.飞行力学,2000(3):35-37
[68]王英勋等.基于遗传算法GA有约束的飞行轨迹规划.北京航空航天大学学报,1999(3):28-33
[69]阎超等.跨音速翼型的气动最优化设计方法.北京航空航天大学学报,1998(3):16-21
[70]余雄庆等.多学科设计优化算法及其在飞行器设计中的应用.航空学报,2000(1):1-6
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[72]陈捷俊.提高舵机力矩的设计研究.航空兵器,1996(1):13-20
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[74]Busemann A,Vinh N X.Optimum maneuvers of hyperuelocity vehicles.NASA CR-1078,1968
[75]Vinh N X,Yang C Y,Chem J S.Optimal trajectories for maximum endurance gliding in a horizontal plane.Journal of Guidance,Control and Dynamics,1984(2):246-248
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[83]Yang Shuxing,Zhong Ping.On the parametric design of electromechanical actuators.Journal of Beijing Institute of Technology,1997(2):138-144