某型履带式无人战车通过性与射击稳定性仿真及优化研究

单春来，赵凯，孟超，马超，薛庆阳，王在森

(西北机电工程研究所, 陕西 咸阳 712099)

随着遥控技术、图像技术、计算机计算等技术的发展以及在武器装备上的应用，未来战场的无人化、智能化程度将会越来越高[1]。近几年的局部战争中，地面无人装备的使用已经呈现爆炸式增长的特点[2]，如美军在伊拉克、阿富汗战场上使用地面机器人执行物资运输、排雷清障和医疗救护等战场侦查或后勤保障任务；俄罗斯在叙利亚战场上运用“天王星-9”无人战车进行一线作战，虽然出现了失联、抛锚等问题，但其表现仍能说明无人装备具有巨大优势。美俄目前均将无人战车研发作为构建新时代地面战争体系的重中之重，我国也将地面无人作战系统作为未来陆军装备体系发展的重要内容[3]。

由于无人战车需要操控人员远程操控，对环境的感知能力较差，且没有人员跟随解决突发情况，特别是无人越野机动平台多采用纯电力驱动或发动机与电机混合驱动等模式，驱动力受到限制[4]，因此对无人战车的行驶、越障等通过性能提出了更高的要求。同时，战车智能环境感知与自主机动技术是地面无人作战系统的关键技术之一，需要战车的通过性分析技术作为重要的研究基础。

笔者使用多体动力学仿真软件RecurDyn作为分析工具，对某型履带式无人战车(下文简称为战车)进行过1 m高垂直障碍、12 km/h定速过0.5 m高障碍、爬33.02°纵坡和翻越1.95 m宽壕沟4种通过性仿真，以及纵向、侧向5连发射击两种射击稳定性仿真，提取各工况下的车身俯仰角、侧倾角及受冲击部分的冲击力曲线，检验战车的设计方案是否满足指标要求，并针对存在问题进行改进，提高越障过程中的行驶稳定性。

1 计算模型

1.1 通过性指标要求

战车的各项通过性能指标如表1所示。

表1 通过性能指标

应用动力学仿真方法建立战车三维模型，对战车的通过性能进行仿真分析，验证当前设计方案是否能够满足指标要求。

1.2 动力学仿真模型

战车长5.2 m，宽1.6 m，空载时上装上甲板到地面距离2.2 m，上装重2.4 t，底盘重5.7 t，使用某小口径突击炮作为主武器，并搭配7.62 mm口径机枪、挂载防空导弹、反坦克导弹等副武器。对于复杂的武器系统，动力学模型拓扑结构图可以直观表明模型中各部件间的连接关系[5]。在建模过程中，根据战车的特点，将其划分为上装系统和底盘系统，各部分之间的连接关系如图1所示。

上装系统包括由身管、炮闩、炮尾等组成的后坐部分，制退复进机、复进节制器等组成的反后坐部分，以及摇架、炮塔；炮膛合力作用于弹丸与身管之间，后坐阻力作用于制退复进机和后坐部分之间[6]。底盘系统包括车身和两侧履带行驶子系统，履带子系统中包括主动轮、托带轮、诱导轮等部件。基于多体动力学的仿真分析，忽略发动机及传动结构影响，驱动扭矩直接作用于主动轮；不考虑各部件的间隙及尺寸误差，约束为理想约束；研究整体结构的运动特征，而不考虑各部件的变形等[7-9]。RecurDyn下的高速履带模块Track-HM可以实现不同类型的履带系统的详细建模，是进行履带车辆复杂动力学系统仿真分析的理想工具[10]。

1.3 施加载荷

根据该口径突击炮的内弹道设计得到单发射击时的炮膛合力曲线和后坐阻力曲线，分别作用于弹丸与身管之间以及作用于后坐部分和单侧制退复进机(共两个，对称布置)之间。根据作战定位，该战车在实战时主要进行“静对动”或“动对动”射击，单发射击命中后可能无法达到预期毁伤效果或命中率不佳；如果进行过多次数的射击循环，又将对火控和随动系统带来过大压力，实际着弹点偏离预期射击目标点。综合考虑各方面因素，在设计方案中战车将以5连发射击为主要射击模式。另外，单发射击无法准确反映战车的射击稳定性，根据该战车的总体设计、匹配悬挂的特性以及火炮的射速，连发射击时车身姿态将在3～4个射击循环左右达到稳定。因此，进行射击稳定性仿真时，根据相关设计规范和要求，主要考察5连发射击时车身的俯仰角(纵向射击)和侧倾角(侧向射击)的变化情形。该炮射频为300 发/min，5连发射击共用时1 s.

2 计算结果

基于RecurDyn的Track-HM模块进行仿真计算，共分析6种工况，包括4种通过性工况：过1 m高垂直障碍、12 km/h过0.5 m高障碍、爬33.02°纵坡以及翻越1.95 m宽壕沟；2种射击稳定性工况：方向角为0°的纵向射击和方向角为90°的侧向射击。其中，垂直障碍、纵坡及越壕分别以4.0、5.5和4.0 km/h的速度行驶；射击稳定性以停车静止射击为考察标准。分别建立相应路况的路面，为减少对分析结果的干扰，不考虑地面凹凸不平的因素，使用无起伏的平坦路面进行仿真。

2.1 通过性

经过仿真验证，在给定车速下，该无人战车能够顺利通过以上4种路况，设计方案能够初步满足指标要求。但通过对仿真动画及对车身俯仰角、行驶速度及相关部件的受力情况进行分析，发现存在一系列问题：如翻越1 m高垂直障碍时，战车上仰过高，仰角超过了56°，落地时冲击大，第1组悬挂冲击力高达181 kN，可能会造成悬挂击穿；以12 km/h速度翻越0.5 m高障碍后车体行驶不稳定；通过1.95 m宽壕沟时，诱导轮发生严重磕碰，直接冲击力超过96 kN等。以上问题必须得到有效解决或改善，即初始设计方案需要进一步改进。

2.2 射击稳定性

由发射动力学计算可知，纵向射击车身俯仰角最大上抬至0.117°，射击后反向下压至-0.021°；侧向射击车身侧倾角最大上抬至0.131°，射击后反向下压至-0.025°；车体均能在射击结束后1.5 s内恢复静止。

3 结果分析及改进

3.1 结果分析

对仿真结果进行分析，该无人战车的射击稳定性较好，但通过性仍有改进空间。在空载状态下，履带链的上表面最大离地高度仅为1.1 m，因此1 m高垂直障碍是相对苛刻的路况。该无人战车每边各有3对负重轮，从车首到车尾依次定义为第1组、第2组和第3组。在翻越障碍时，3组负重轮在履带链的协助下依次翻越至障碍物顶部。在初始设计方案中，考虑到动力总成后置，且射击时车身在后坐力的作用下后仰，即车首上抬车尾下压，车体后半部分承受更多压力，在爬坡时也同样是车体后半部分受力更多，因此，第2组负重轮和液压悬挂均靠后布置。但这样的布置导致在翻越障碍物时，第2组负重轮翻上障碍物的时机较晚，导致车体上仰的角度很大。图2是战车翻越1 m高垂直障碍的过程，如图2(a)所示，车身上仰过大，且在第3组负重轮离地后，第2组负重轮仍未完全落在障碍物上表面，导致履带打滑，如图2(b)所示；然后依靠车体重心的作用，使车体从较大的仰角的状态下“砸”到障碍物表面，导致第1组液压悬挂受到较大冲击，甚至可能造成悬挂击穿并损坏，如图2(c)所示。此外，在以12 km/h的速度翻越0.5 m高障碍后，战车需要较长时间才能恢复到平稳行驶的状态；越壕时诱导轮发生了严重磕碰，如果造成轮轴损坏则会影响行驶。因此，虽然战车的当前设计方案能够初步满足指标要求，但仍需进一步改进。

3.2 改进方案

通过以上分析，如果将第2组负重轮向前布置，就能有效提高越障能力，避免越壕时诱导轮发生严重碰撞。但这种布置会导致后部支撑减弱，所以改进时也应尽量避免对纵向射击稳定性和爬坡能力造成不利影响。

原始设计方案中，第2组负重轮与第3组负重轮距离1.20 m，与第1组负重轮距离1.75 m；改进方案为：第2组负重轮及其悬挂系统前移0.45 m，与第3组负重轮距离1.65 m，与第1组负重轮距离1.30 m.改进前后的履带系统结构及尺寸如图3所示。

4 改进结果对比

对改进方案进行仿真计算，并就每个计算工况与原方案结果进行对比。

4.1 通过性

4.1.1 垂直越障

改进前、后战车翻越1 m高垂直障碍时的车身姿态对比如图4所示。由图4可知，改进后第2组负重轮翻上障碍更早，车体最大上仰角度明显减小。图5是改进前、后的战车翻越1 m高垂直障碍过程中的车身俯仰曲线图和第1组悬挂所受冲击力曲线图。图5曲线表明，通过改进，车身最大仰角度由56°降低至41°，下降了27%；战车完全翻越到障碍上表面的瞬间，第1组负重轮的悬挂所受冲击力从181 kN降低到57 kN，下降了69%，大大减小了车体及车体内部零部件、元器件所受的冲击。

由图5(a)可知，相比改进后的曲线，在改进前的曲线上从峰值下降至0°的部分有1.5 s左右的延后，该部分曲线代表战车成功翻上障碍后，从最大俯仰角“砸”到地面恢复到行驶状态的过程；图5(b)中也可看到，第1组液压悬挂受到冲击的时刻从改进前的9 s左右提前到了7.5 s左右，说明改进后的战车比改进前更加顺利地翻越障碍，翻越时间快了1.5 s.这是由于改进前战车越障过程中出现打滑现象(即图2(b)中的状态，对应图5(b)中改进前曲线上第5—7 s处的部分)，而改进之后的战车能够顺利翻越到障碍物顶部。

由图5(b)还可知，在战车翻越至障碍物上表面后，改进前曲线上第9—12 s处有长达3 s的波动，即原设计方案的战车需要较长时间才能平稳行驶，而改进后的战车马上就能够平稳行驶。如图4(c)所示，改进前的战车刚刚翻越到障碍物上表面后，由于第2组负重轮落地较晚，车尾部的履带链还处于松弛状态，且第1组液压悬挂的受压行程较长，因此战车需要一段时间的调整才能够达到平稳行驶的状态；而图4(d)中，改进后的战车翻越到障碍物上表面后，车尾部的链条已经拉紧，且第1组液压悬挂的受压行程较短，因此战车很快就能进入平稳行驶的状态。有研究表明，履带及其张紧力是影响负重轮动位移的重要因素，改善履带的张紧力能够有效提高战车的行驶性能[11]。综上分析，该改进方案对战车过1 m高垂直障碍的越障能力有非常明显的提升。

4.1.2 定速越障

改进前、后的战车以12 km/h过0.5 m高障碍物的车身俯仰角曲线和行驶速度曲线如图6所示。由图6(a)可知，虽然在翻越障碍时，改进后的战车最大俯仰角更大，从改进前的13.5°增加到了15.5°，但越障后战车能够在1.5 s内(即曲线上第4.5—6 s处)恢复到稳定行驶状态，而改进前的战车需要在更长的时间(曲线上第4.7—9 s处)后才能稳定行驶。

改进前、后的定速越障后的履带状态，如图7所示。改进前的战车刚刚翻越到障碍物上表面后，由于第2组负重轮越障较晚，车尾部的履带还处于较松弛的状态，且第1组液压悬挂的受压行程较长；图7(b)中，改进后的战车翻越到障碍物上表面后，车尾部的履带已经拉紧，且第1组液压悬挂的受压行程较短，很快就能进入平稳行驶的状态。从图6(b)也可以清晰地看出，改进前的战车越障后速度波动明显，改进后战车很快就能以预定速度稳定行驶。

4.1.3 越壕

改进前、后的战车翻越1.95 m宽壕沟的状态对比如图8所示。改进前与改进后越壕时的磕碰位置如图9所示。

从图8中看到，改进后的战车俯仰角从改进前的10.3°增加到了18.4°，貌似通过性变差。但实际上，改进前后，战车在越过壕沟后均能马上恢复到平稳行驶的状态，因此并不能仅根据其最大俯仰角增大就判断其通过性变差(过1 m高垂直障碍时以战车的最大仰角为改进依据，是由于在该路况下，战车翻越至障碍物顶部后前两组负重轮离地，要从最大俯仰角姿态“砸”至地面，且履带发生了打滑，而越壕路况下不存在这样的状况)。

战车改进前方案，由于第2组负重轮靠后安置，导致战车越壕时诱导轮跟地面发生了严重磕碰甚至弹起后二次磕碰，反映在图8(a)中，表现为3.4—4.2 s间曲线出现了两个波谷。由图8(b)可知，第1次磕碰的直接冲击力超过了96 kN，如果对诱导轮轮轴造成了损坏则会影响战车的行驶，且冲击也可能对战车中的电子元器件等结构造成不利影响；改进后，第2组负重轮前移，在战车越壕时能够提供有效支撑，且由履带节缓冲，诱导轮受力平稳，受到最大冲击力仅为37 kN，减小了61%.因此，该改进方案对越壕路况的通过性也有明显改善。

4.1.4 爬坡

改进前、后的战车爬33.02°纵坡时的车身俯仰角曲线如图10所示。由于第2组负重轮前置，导致战车爬坡过程中呈上仰姿态时，战车后部支撑不如改进之前，战车最大上仰角从35.33°增加至35.57°，即去除纵坡本身角度后，战车自身的仰角从2.31°增加至2.55°，由于角度增加很小，战车仍能平稳行驶，因此该不利影响可忽略不计。

4.2 射击稳定性

图11所示为改进前、后战车进行纵、横向5连发射击时的车身俯仰角变化曲线。从图11(a)中可以看到，战车纵向射击时的车身俯仰姿态几乎不受任何影响，最大俯仰角均不到0.12°；从图11(b)中可以看到，侧向射击时的车身侧倾姿态也几乎不受任何影响，最大侧倾角均为0.13°.

5 结论

笔者采用了基于多体动力学的仿真方法，以RecurDyn为仿真工具，建立了某型履带式无人战车的动力学模型。以设计指标要求的垂直越障、定速越障、越壕和纵坡4种路况的平坦路面，对战车的通过性能进行了仿真分析；以内弹道设计计算获得的炮膛合力、后坐阻力为载荷，求解战车停车状态下的纵向、侧向5连发射击时的车身稳定性。根据战车通过性仿真结果动画及数据曲线进行分析，对战车的负重轮布局进行了改进，并得到以下结论：

1)将第2组负重轮靠前布置，可以明显提高战车在过1 m高垂直障碍、12 km/h过0.5 m高障碍以及通过1.95 m宽壕沟的通过性。

2)虽然第2组负重轮靠前布置后，战车后部的悬挂支撑减弱，但对战车的爬坡性能造成的不利影响可以忽略不计。

3)第2组负重轮的靠前布置对纵向、侧向的静态射击稳定性几乎不造成任何影响。

本文工作可为相关战车的底盘行驶系统设计提供一定参考，并作为战车智能环境感知与自主机动技术的研究基础。