增程修正弹地面密集度影响因素量化分析*

韩 宇,杨 莹,卜祥磊,倪庆杰

(1 海军驻沈阳弹药专业军事代表室,沈阳 110045;2 辽沈工业集团有限公司,沈阳 110045)

0 引言

复合增程修正弹是新型的信息化弹药,不同于常规弹药,也不同于制导弹药,目前国内还没有弹道修正弹试验的国军标及其它相关标准,复合增程修正弹地面密集度试验考核具有以下特点:

1)影响地面密集度的环节多(试验条件:气象、火炮等;弹药平台:初速、弹丸外形及质量的一致性、底排、火箭等;修正引信:信息接收、弹道解算及修正控制机构、安保及发火机构等),为分析试验数据,需对各影响因素进行量化分析;

2)修正引信不同于普通引信,它参与全弹地面密集度指标考核,修正引信作为弹道修正的执行部件,是地面密集度的主要影响因素。

文中结合国内某增程修正弹的特点及研制,对影响地面密集度的因素及量化分析方法进行了探讨。

1 某复合增程修正弹结构组成及工作原理

1.1 结构组成

国内某复合增程修正弹采用底排火箭复合增程技术,射程较制式弹增加60%;采用卫星探测飞行弹道参数、阻力环修正技术,纵向地面密集度由原1/180提高到1/600以上,其结构如图1、图2所示。

图1 某复合增程修正弹结构图

图2 复合增程修正弹阻力片张开图

1.2 工作原理

弹药在发射前进行信息装定(包括射击诸元、

气

象诸元、最新卫星星历数据、炮位坐标、目标位置坐标等)。发射后,弹上的底排药在膛内被发射药点燃,出炮口后,底排药继续工作,减阻增程;约16 s时,火箭发动机点火,工作时间约1.5 s,助推增程。

火炮击发弹丸运动后,修正引信的电源激活,卫星信号接收机进行搜索和定位,飞行控制器对卫星定位数据进行处理,预测弹丸落点坐标位置,并与目标坐标位置进行比较,解算出阻力环展开时间,控制阻力环适时展开,增加弹丸飞行阻力,减小射程,从而使弹丸飞向目标位置,实现距离上弹道修正[1],原理如图3所示。

图3 卫星体制的修正弹工作原理图

2 影响地面密集度的因素分析

由复合增程修正弹的结构组成及工作原理分析,影响该型弹纵向地面密集度的因素较多,需对这些影响因素进行分析。

2.1 试验条件的影响

试验条件对地面密集度结果具有直接影响。如地面和高空气象条件不稳定、火炮状态不好、射手瞄准情况以及一组弹丸射击时间长短等都会对地面密集试验结果产生影响。

2.2 弹药平台的影响

弹药平台的稳定程度对地面密集度结果具有重要影响。如弹丸初速跳动大,弹丸外形及质量的一致性不好,底排、火箭工作不稳定等都会对地面密集试验结果产生影响。弹药平台影响地面密集度结果的故障树如图4。

2.3 修正引信的影响

修正引信的作用可靠程度对地面密集度结果具有显著影响。如接收机信息接收不稳定、卫星没有定位或定位精度不准、弹道解算及修正控制机构作用不可靠、阻力修正机构、安保及发火机构作用不正确等都会对地面密集试验结果产生影响[2]。

3 影响因素的量化判别

由于影响复合增程修正弹的因素较多,进行地面密集度试验时,如果出现地面密集度结果不满足指标要求的情况,需要对这些影响因素进行量化分析,确定影响因素,为后续改进设计提供依据。

图4 弹药平台影响地面密集故障树

3.1 对试验条件的影响分析

按照国军标要求,地面密集度考核试验需满足严格的试验条件:

1)气象要求:按照现行国军标,地面平均风速不大于10 m/s,阵风风速不超过平均风速的50%。

2)射击时间要求:一组试验时间在30 min以内。

3)试验用火炮:要求在1/4周期寿命周期内,稳炮状态良好。

4)射击瞄准:射角、射向装定按规定操作。

地面密集度考核试验应在满足上述军标要求的试验条件下进行,如在未满足上述试验条件的情况下进行地面密集度试验,出现不满足指标的情况,试验条件对密集度影响情况需进行重点分析。

3.2 对弹药平台的影响分析

按照国军标要求,地面密集度考核试验需用测速雷达测弹丸的初速,用全弹道跟踪雷达进行全弹道跟踪。通过雷达数据,可以看出弹药平台各指标对地面密集度的影响情况[3]。

3.2.1 初速的影响

测量弹丸初速,分析初速均值与或然误差是否满足指标要求。如果初速均值和或然误差满足指标要求,则可排除初速因素的影响。

3.2.2 底排工作可靠性的影响

利用弹道跟踪雷达数据,观测底排工作段速度曲线,考核底排工作时间及减阻效率的一致性,如图5所示。

图5 雷达跟踪的速度曲线

不同弹的速度降不同,对该弹要求:

1)2 s时的速度降(组内最大值)Δv2≤100 m/s(考核底排工作时间的一致性);

2)10 s时的速度降(组内最大值)Δv10≤180 m/s;

3)15 s时的速度降(组内最大值)Δv15≤410 m/s(考核底排减阻效率的一致性)。

通过数据对比,若出现底排工作时间及减阻效率的一致性不好的弹丸,则可判定底排因素为主要影响因素。

3.2.3 火箭工作可靠性的影响

利用外弹道跟踪雷达数据,观测火箭点火时间及火箭发动机增速,分析判断火箭工作是否正常。

不同弹的发动机点火时间及增速不同,对该弹要求:

1)延期点火具点火时间:(15±1.5) s范围内;

2)发动机增速≥110 m/s,一组增速散差≤8 m/s。

通过数据对比,若出现火箭点火时间及火箭发动机增速不稳定的弹丸,则可判定火箭因素为主要影响因素。

3.2.4 无控段弹丸飞行阻力系数的影响

无控段弹丸飞行阻力系数跳差大小影响弹丸的地面密集度。利用弹道跟踪雷达测弹丸无控段弹道飞行参数,对无控段弹丸阻力系数辩识,统计无控段弹体阻力系数跳差百分数,进而判别无控弹的弹丸飞行阻力是否满足设计要求。

3.2.4.1 提取弹丸飞行阻力系数的方法

基于测量的速度、速度分量和空间坐标,利用外弹道方程组中关于速度与阻力系数之间的数学关系,结合弹丸的结构参数、环境参数、空间坐标等,可将弹丸无控飞行段的阻力系数提取出来。处理方法详见《弹箭外弹道学》[4]。

3.2.4.2 数学模型

考虑主要影响因素,弹丸质心速度方程可简化为:

(1)

考虑到实际射击过程中风的影响,弹丸质心速度方程可修正为如下形式:

(2)

(3)

式中:wx为纵风；wz为横风。

将弹丸的阻力系数cx从方程(2)中反求出来,可得:

(4)

这样就得到了阻力系数的解析表达式。

3.2.4.3 计算步骤

实施上述方法时,按以下步骤:

1)读取弹道上每一点的雷达数据:时间t、距离x、高度y、侧偏z、总速度v以及速度分量vx,vy,vz;

2)利用该弹道点所测高度y,从实测气象数据中插值得到该弹道点的气压P、虚温τ、纵风wx以及横风wz,并利用式(2)计算出弹丸空速vr;

3)利用外弹道学公式[5]计算出该弹道点对应的马赫数Ma和大气密度ρ:

(5)

4)利用该弹道点上的速度分量,计算出弹道偏角和弹道倾角:

(6)

(7)

6)弹丸参数m、S均为已知量,重力加速度取g=9.80 m/s2,并将式(5)～式(7)代入方程(4),即求得阻力系数cx,该阻力系数对应一定的马赫数。由于不同弹道点对应不同的马赫数,则可得到不同马赫数下的阻力系数cx。

采用以上方法,辩识该弹的无控段弹体阻力系数跳差百分数((组内最大阻力系数-最小阻力系数)/组平均阻力系数)。对该弹,一组弹要求:无控段弹体阻力系数跳差百分数≤8.5%(马赫数Ma=1.5)。若出现跳差百分数跳动过大情况,则可判定无控段弹丸飞行阻力系数为主要影响因素。

3.3 修正引信的影响分析

通过弹道跟踪雷达,对以下几个因素进行分析、判断。

3.3.1 阻力环是否张开

对无控弹药平台的各因素进行分析,如果弹药平台工作正常,无控弹的预估射程大于修正射程点,理论上阻力环应张开。通过雷达跟踪曲线上的拐点来判别阻力环是否正常张开。

如果阻力环没有正常张开,需对以下因素进行分析:

1)卫星是否定位;

2)卫星定位精度是否不准,导致阻力环张开时间计算不准确;

3)阻力环有没有接到张开信息或阻力环因变形而没有张开。

试验时,如果采用惰性战斗部,可通过对弹丸回收检测来判别具体原因。

3.3.2 阻力环开环时间

试验后,计算每发弹的阻力环理论张开时间,通过雷达跟踪曲线拐点,判断阻力片的具体开环时间,分析阻力环是否按照设定的开环时间张开。

3.3.3 阻力环阻力系数跳差

如果阻力片张开不一致、没张开到位,会影响修正效果。

利用弹道跟踪雷达测得的阻力环张开后的飞行弹道参数(方法同3.2.4.2),辩识阻力环张开后阻力系数,统计阻力环阻力系数跳差百分数((组内最大阻力系数-最小阻力系数)/组平均阻力系数)。对该弹,一组弹要求:≤12%(马赫数Ma=1.5)。

4 结论

对影响复合增程修正弹纵向地面密集度的因素进行分析,进而判断各个环节是否工作正常。对于初速、火箭、阻力环张开等因素判别相对容易且直观;对底排工作可靠性、阻力片张开一致性需要通过提取飞行阻力系数的方法来区别,且需要一定的试验数据的积累。

文中为复合增程修正弹地面密集度试验结果分析提供了理论依据及技术支持,通过对复合增程修正弹地面密集度影响因素的量化分析,可以确定试验中各影响因素对密集度的影响程度,为产品的后续改进设计提供依据。