机载多管火箭弹变发射间隔时间方法

文/刘刚

（中国直升机设计研究所 江西省景德镇市 333000）

航空火箭弹具有射程远、威力大、火力猛、成本低的优点，属于各国武装直升机火力系统的标配武器。对于集群目标，火箭弹主要用于提供瞬时密集火力，基于此项打击需求，在武装直升机火箭弹武器系统设计时必须考虑火箭弹的最大连续发射数量及连续发射间隔时间，以便发挥瞬时火箭弹密集杀伤的最大效果。火箭弹连续发射时的时间间隔与发射装置的振动特性不匹配易导致发射过程中后座力叠加。假如后座力叠加过大，引起直升机的姿态发生瞬时变化，一方面会对载机武器发射精度造成影响，引起火箭弹散布过大，达不到密集杀伤效果；另一方面，由于后坐力过大影响到载机飞控系统稳定性，可能危及飞行安全。

如果将发射间隔时间增加，则会影响作战效果，如果降低发射装置的固有频率，则需增加发射装置重量，影响直升机挂载能力和直升机留空时间等。因此，有必要提出一种既能不更改发射装置结构改变重量调整发射装置振动特性，又能不引起后座力叠加的变时间间隔方法，在方法上有实际的和普遍的工程意义。

1 多管火箭多体系统发射动力学

应用多体系统发射动力学理论，考虑火箭弹发射装置振动特性和火箭弹发动机燃气射流对动力响应的影响。将火箭燃气射流对火箭弹发射装置的冲击力视为作用在直升机外挂梁上的系统外力。应用多体系统传递矩阵法，可得直升机载多管火箭体动力学方程：

式中：j为元件编号，如机体、外挂梁、发射装置等；vj体元件位移（含线位移和角位移）的物理坐标阵列，下标t为关于时间求导；Mj，Cj，Kj，vj为体元件的参数矩阵；fj为体元件受到的外力，详细含义及动力学方程见文献[1][3]。外力fj主要为火箭弹的燃气流作用力。

2 发射后座力大小影响机理分析

发射火箭弹时产生的后坐力是直升机火箭弹武器系统设计需考虑的重要指标之一，如何减小后坐力是火箭弹武器系统研制过程中的一个关键问题，直接影响直升机的作战效能。

机载火箭弹发射过程中，火箭弹点火后，沿着定向管向前滑动，发射装置主要受到的力有重力、火箭弹推力、火箭弹与发射管之间的碰撞力摩擦力、发射管对火箭弹的闭锁力、火箭弹的燃气流作用

图1：火箭弹发射装置迎气面图

力等，这些力共同作用在发射装置上形成后座力。

2.1 火箭弹燃气射流的影响

火箭弹推力由火箭发动机燃烧时喷出的高速气体产生，火箭弹推力并不完全作用于发射装置上，发射装置上所承受的反作用力并不等于火箭弹推力，发动机产生的推力为外力的来源。载机所受火箭弹推力的大小会受火箭弹发射角度的不同而变化。如图1所示。

火箭弹与发射筒间的作用力是一对作用力与反作用力，包含火箭弹发射筒与发射装置骨架以及火箭弹与发射筒间的法向碰撞力和切向摩擦力。在动力学模型中，火箭弹与发射管之间的碰撞力摩擦力均属于系统内力。

燃气射流对发射装置有较大的冲击力。火箭燃气射流的经典公式可计算燃气射流对火箭弹发射装置的冲击力[2]。若燃气射流（马赫数Ma>1）在火箭弹发射装置迎气正面前产生正激波，则采用超声速皮托管公式计算动压：

将生活中出现的物理现象融入到教学中，可以勾起学生对生活当中存在的想象进行回忆，调动学生对物理产生学习兴趣，积极思考问题并将存在的想象进行探究.课堂教学时老师把生活中出现的现象进行提问，学生对其问题进行思考探究，可以帮助学生养成在生活当中学会善于探索、观察、理解、思考物理知识的习惯，激发学生的学习动力，提升学生的学习能力.将生活当中存在的问题通过所学的物理知识进行解释，使学生深刻理解学习物理知识的重要性.加强生活实际和物理知识相结合，可以强化学生的逻辑思维及学习能力.高中物理生活化教学应考虑到学生认知水平、生活环境等，提出的物理问题学生能够独立的解决.

若燃气射流马赫数Ma<1，属于等熵稳定流，则用下式计算动压：

图2：某型火箭弹19连发后坐力

图3：处理流程

进而计算燃气射流对火箭弹发射装置的冲击力。燃气射流对火箭弹发射装置的冲击力也可近似计算：

从上式可知，燃气口冲击力取决于火箭弹性能、发射装置中的发射筒排列、发射筒的长度、迎气面积（随发射角度、火箭弹发射出去后空发射管与有弹发射管的相对位置及数量而变化）。在火箭弹性能一定的情况下，火箭弹发射产生的后坐力与燃气迎气面积成正比，然而火箭弹发射顺序直接影响迎气面积，因此合理选择火箭弹的发射顺序对后坐力值的大小至关重要。

2.2 发射间隔时间的影响

由于火箭弹的质量大于发射装置发射管的质量，使得后座力与发射装置振动特性（固有频率、振型等）和发射频率有关。火箭弹属于连射武器，发射过程是动态变化的过程，因此发射装置振动特性会随着发射过程中发射装置里的火箭弹余弹量的减少而变化，当外挂梁固有频率接近发射频率时易导致后坐力快速叠加。

为使火箭弹起到火力覆盖的效果，机载火箭弹连发发射时间间隔应尽可能的短，若发射间隔固定为110ms，则前后两发火箭弹相距4米。火箭弹发射时发动机燃烧产生的燃气射流主要影响区集中在火箭弹尾喷口3米范围内。

从图2中可知第15发开始后座力有所叠加，此时固有频率和110ms发射间隔时间接近，导致后坐力值突变。

2.3 密集度的影响

火箭弹发动机燃烧产生推力，当推力大于闭锁机构闭锁力时，火箭弹在定向管中运动、加速，以一定射角飞离发射装置，在空中高速旋转靠惯性飞向目标。

火箭弹发动机产生的燃气射流及连发发射间隔时间会对后坐力值大小产生较大的影响，后坐力值大小同样会影响火箭弹密集度[4]。当火箭弹发射时产生的后坐力过大，引起外挂梁、定向管、发射装置等结构不同程度的形变，影响火箭弹的发射角，从而导致火箭弹的密集度偏大。

3 变发射间隔时间方案

机载火控根据发射指令以一定时间间隔将发射脉冲下发给发射装置，发射装置收到脉冲信号依次对各管火箭弹进行点火，火箭弹靠发动机推力离膛。如果发射脉冲间隔时间固定，当发射系统固有频率与发射脉冲间隔接近时导致后坐力叠加。

为避免火箭弹在发射过程中由于火箭弹余弹量的变化引起固有频率和发射频率接近，导致后座力叠加的问题。现提出连发发射状态下，火箭弹发射间隔时间随余弹量的变化而自动调整的方法，处理流程如图3所示。

每次武器系统上电初始时刻，发射装置通过内部检测电路检测火箭弹在膛内情况，并将在位情况转化为余弹量报给火控外挂计算机，火控外挂计算机根据发射装置上报的火箭弹余弹情况及火箭弹连发数量自动调整发射间隔时间。设火箭弹各数量下的固有频率为：火箭弹连发时发射间隔时间其中b0为火箭弹连发发射要求的最小间隔时间。连发发射过程中火箭弹发射装置给火箭弹发送的点火脉冲间隔时间如下式所示：

4 结论

本文通过对后座力产生机理的分析得出，火箭弹发射时载机所受后座力大小受发射角度、发射平台振动特性的影响，连发间隔时间与发射平台固有频率接近时会造成后座力的叠加，并通过试验验证。

最后提出机载多管火箭发射系统根据火箭弹余弹量变化情况自动调整发射间隔时间，避开发射装置的固有频率的发射方案，减轻载机由于火箭弹连发发射时后座力叠加造成的扰动。