水雷攻击直升机弹道设计与仿真

张纪华, 张宇文, 范 辉



水雷攻击直升机弹道设计与仿真

张纪华, 张宇文, 范 辉

(西北工业大学 航海学院, 陕西 西安, 710072)

针对传统水雷无法防范直升机的猎雷、扫雷问题, 提出了利用水雷出水攻击直升机的解决方案, 分析了出水过程中介质发生突变时水雷的受力变化, 建立了水雷水中、空中运动方程组和直升机的运动数学模型, 设计了水雷的出水攻击弹道, 并通过仿真程序对攻击弹道进行研究。仿真结果表明, 所设计的水雷攻击直升机弹道是可行的。

水雷; 出水攻击弹道; 直升机; 弹道设计; 仿真

0 引言

直升机在猎雷、扫雷方面具有搜索效率高、遭敌方水雷攻击的可能性小等优点, 通常情况下水雷无法对其进行防卫。但是, 直升机在侦察时还存在着致命的缺点, 比如飞行高度低、速度慢、有时要悬停吊放声纳等, 这就为水雷对其实施出水攻击提供了时机。出水攻击是未来水雷发展的新趋势, 它赋予了水雷新的战略优势和作战使命, 使其可以作为新一代水中兵器来提高布防海区的防御力度, 保障雷阵的坚韧性0。

水雷布放深, 封锁半径大, 能对目标进行突然打击, 使其防不胜防, 但是要想实现对直升机的出水攻击, 出水攻击弹道的设计就显得尤其重要。本文在综合水雷外形布局、流体动力特性、出水过程中流体介质突变、直升机运动特征等各种因素的基础上, 设计了水雷的出水攻击弹道, 建立仿真模型, 对设计的出水攻击弹道的可行性进行仿真验证。

1 水雷出水攻击弹道设计

由于水的密度大约是空气密度的800倍, 水雷在这2种介质中运动时所受的力和力矩必然有很大的差别, 这在弹道设计时需要慎重对待。水雷出水攻击直升机的过程包括2种介质中的运动, 分别是水和空气, 运动的形式为火箭助推。水雷在水中运动时, 所受的阻力主要是粘性阻尼力, 弹体头部、底部和尾部的压差阻力所占的比重很小。在出水过程中, 压差阻力迅速增大, 粘性阻尼力则会逐渐减小, 但是由流体产生的阻力变化趋势是下降的。同时, 作用在雷体上的升力、浮力、流体附加质量也在不断减小。水雷出水后由于浮力急剧减小, 水雷的重力完全变成了水雷向上运动的一部分阻力, 另一方面, 水雷所受的粘性位置力和粘性阻尼力也有很大程度地减小, 空气的压差阻力成为流体阻力的主要分量, 流体附加质量则完全消失。这时, 水雷在雷体纵轴方向上的阻力比原来火箭发动机的推力小得多, 水雷出水后在纵轴方向会产生很大的轴向加速度, 表达式为

式中:a为纵轴方向加速度;为火箭发动机推力;和分别为水雷重力和质量;为空气密度;V为纵轴向速度;C为水雷阻力系数;为雷体最大横截面积。经计算, 水雷出水后纵轴向加速度可达46.11 m/s2, 这将导致速度迅速增大。由于水雷出水后要继续进行姿态调整, 过大的速度将使水雷旋回半径增大很多, 必将导致水雷命中目标几率下降。另外, 若速度超过亚音速, 水雷运动的流体动力特性将发生变化。兼顾以上两点的考虑, 在水雷出水后需减小火箭发动机的推力, 以保证水雷出水后的纵轴向加速度在合理的范围内。

通过理论分析和对水雷出水过程的研究, 将整个出水攻击弹道分为3个阶段, 即水下航行段、姿态过渡段和空中攻击段, 如图1所示。图中,-2是水下航行段,2-1是姿态过渡段,1-是空中攻击段。其中,为水雷水下发射点,为空中目标点(即直升机, 以下都以空中目标代之),为空中目标距离水面的高度,1是点在水面的投影,2是1的坐标减去一定的值后水中对应的点。整个弹道设计的基本思想是, 为了增加打击的突然性, 水雷在出水前水中的运动使水雷在空间内无限接近空中目标以实现出水后对目标近距离近似垂直的打击。

图1 水雷出水攻击弹道设计

2 出水攻击弹道仿真验证

2.1 出水攻击弹道数学模型的建立

1) 坐标系与水雷运动参数的选择

2) 水雷动力学方程

3) 水雷运动学方程组

水雷在水下和空中运动时的运动学方程组是一致的, 具体公式如下。

4) 目标运动特征及运动数学模型

假设目标在进行水面作业时作低空飞行或悬停, 速度较慢(20 m/s以内), 航向任意, 并且在一定高度的平面内(距离海平面200 m以内)作匀速直线运动。

建立目标模型的简化运动学方程组

2.2 出水攻击弹道仿真与分析

在建立水雷空间运动方程组后, 还需要对水雷的运动进行导引方法和控制方法的选择, 最后编写出水攻击弹道的仿真程序。本文将水雷的空间运动分解为水平面运动和垂直面运动, 对这2个平面的运动分别取不同的导引方法: 垂直面采用尾追法; 水平面采用固定提前角法。固定提前角可通过如下方法得到。

水雷在水下和空中运动的控制规律采用比例-微分控制方式, 具体控制方程为

结束以上的工作后, 对建立的水雷出水攻击弹道仿真模型进行仿真。水雷发射速度为20 m/s, 并在水下300 m采用垂直发射, 水下运动时速度稳定在40 m/s; 目标距离水面高度为100 m, 速度为10 m/s。初始条件设置完后进行仿真, 得到如下仿真结果。

图2 水雷三轴速度变化曲线

图3 水雷姿态角及角速度变化曲线

图4 水雷攻角和侧滑角变化曲线

从图5可看出, 水雷先经过水下航行达到一定高度(与假想目标相遇)后进行姿态调整, 实现垂直出水, 最后经过空中的运动近距离近似垂直地命中目标。结果表明, 水雷出水攻击直升机的过程与前面设计的出水攻击弹道是一致的, 从而验证了水雷出水攻击弹道具有很好的可行性。

图5 水雷和目标的空间弹道曲线

3 结束语

为了增强水雷自身的防御, 实现对直升机的出水攻击, 本文设计了水雷的出水攻击弹道, 通过建立仿真模型对攻击弹道进行仿真验证。仿真结果表明, 所设计的出水攻击弹道具有很好的可行性, 水雷能实现对空中低空、低速目标的准确打击。本文的方法为研究水雷出水攻击直升机的工程实践应用提供了理论基础和研究手段。

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Trajectory Design and Simulation on Mine Attack Helicopter

ZHANG Ji-hua, ZHANG Yu-wen, FAN Hui

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

A scheme for using a mine to attack a helicopter was proposed against mine-sweeping and mine-hunting by helicopters. The helicopter′s movement was analyzed. The change of force acting on the mine was analyzed during the process of water exit. Motion equations of the mine in water and air, and a mathematic model of the helicopter were established. The water exit attack trajectory of the mine was designed and simulated. Simulation results validate the feasibility of the trajectory design.

mine; water exit attack trajectory; helicopter; trajectory design; simulation

TJ610.2

A

1673-1948(2011)03-0172-04

2010-09-29;

2010-11-09.

张纪华(1985-), 男, 在读博士, 主要研究领域为水中兵器弹道设计与仿真.

(责任编辑: 陈 曦)