某轮式战车导弹行进间发射动力学特性研究

信义兵，黄 立，刘荣华，蒋华剑，张 凯

（武汉高德红外股份有限公司，武汉 430070）

0 引言

随着科学技术的迅猛发展，现代战争形式变得异常复杂，如何提高武器系统的生存能力和多样化作战能力是近几年重要的研究课题。美军《2010 年联合作战设想》明确提出“武器系统要能在停止时使用，也能在运动中使用，以持续机动的火力达到最大的作战效能”［1］，这反映了美军作战原则的新变化，武器的发射方式将从固定式向机动式跨越，近年来随着光电跟踪及伺服控制技术的成熟，使武器系统具备了边走边打的能力，因此，行进间射击必然成为衡量未来武器系统作战能力的重要指标。

某轮式战车导弹武器系统导弹采用图像主动寻的制导体制，发射前通过导弹导引头锁定目标，发射过程中必须满足弹体扰动要求，否则会因为导引头丢失锁定的目标使发射失败［2］。本文主要通过计算和仿真手段，借助SIMULINK 和ADAMS 软件分别得到标准路面谱数据、路面和多刚体动力学模型，并重点分析战车在不同等级地面、不同行驶速度下导弹发射的出筒姿态参数，得到系统行进间发射的初始边界，为后续武器系统的总体设计、验证和优化提供必要的依据。

1 路面谱及路面文件

1.1 路面不平度模型

战车在规定路面上行驶时，系统振动激励主要来自道路高低不平度。国家标准GB7031《车辆振动输入路面-路面平度表示方法》中建议采用垂直位移单边功率谱密度Gd（n），来描述路面不平度的统计特性［3］：

标准中把路面不平度按照8 级进行分类，规定了不同路面的Gd（n0）几何平均值，路面谱的频率指数t=2，表1 列出了0.011 m-1～2.83 m-1范围内的路面不平度对应的均方根值jrms（σd）的数值［4］。

表1 路面不平度8 级分类标准Table 1 Classification standard for 8-level road surface roughness

1.2 路面不平度的重构

目前，路面谱模型的建立方法主要有4 种［5］：滤波白噪声法、泊松过程模型、AR 模型参数法和谐波叠加法。本文应用谐波叠加法重构路面不平度，根据文献［6］路面不平度的方差为：

把大区间［n1，n2］分割成n 个相等的小区间，Gd（n0）在小区间内的值用每个小区间的中心频率nm，i（i=1，…，n）处的谱密度值Gn（nm，i）代替，式（2）经离散化后可以近似为：

把对应于每个区间中的正弦波函数叠加起来，就形成了随机路面不平度模型，即：

式中，θi为［0，2π］的均匀分布随机数；x 为路面的纵向位置。基于上述模型，在Matlab 中编制相应的程序，得到路面不平度数据样本，图1 为典型的B级路面谱数据，基于篇幅，本文只列出B 级路面谱曲线。

图1 100 m B 级路面谱Fig.1 Level-B road surface spectrum of 100 meters

将生成的数据导入到ADAMS 中格式为rdf 的路面文件中进行修改，便形成了三维路面。

2 行进间发射动力学模型创建

在建立动力学模型之前要作如下假设：

1）全系统均为刚体，不考虑弹性变形；

2）车体以行走部分为主，不考虑动力系统；

3）导弹发动机无推力偏心；

4）导弹采用固定仰角19°发射，方位角0°。

将Croe 中建立的三维模型导入ADAMS 中，定义各种约束及物理属性，其中，前桥、后桥与底盘之间采用轴套力模拟悬架，前桥、后桥与轮胎之间采用旋转副，轮胎模型采用ADAMS/View 自带的UA轮胎模型，该轮胎模型具有求解精度较高、速度更快等特点，是目前使用较多的模型［7］，文中计算接触力是基于Hertz 接触理论，并在此基础上作了改进［8］。对TPF 轮胎特性文件进行修改，其中，轮胎自由半径0.47 m，轮胎断面宽0.318 m，径向刚度350 000 N/m，径向阻尼50 Ns/m；路面选择RDF 生成的路面模型，路面初始运动段为水平路面。拓扑结构如图2 所示。

图2 行进间射击动力学拓扑结构图Fig.2 Topological structure diagram of on-the-move firing dynamics

系统行进间导弹动力学模型如图3 所示。

3 动力学分析

按如下发射流程进行仿真，0～2 s 战车在绝对水平路面上由初始静平衡状态加速到预定速度，3～4 s战车按照预定速度匀速行驶在预定等级（A 级、C 级和D 级）路面上，分析该导弹从开始点火到出筒瞬间的滚转角速度、偏航角速度、俯仰角速度和轮胎与路面的垂直作用力等参数，其中，发动机推力数据由导弹发动机推力试验获得，并由AKISPL 函数进行拟合后施加在导弹尾部［9］。

3.1 20 km/h 行驶速度不同路面下发射扰动分析

战车行进速度为20 km/h，战车驱动轮施加角度函数：STEP（TIME，0，0，2，0678 d）。

导弹的滚转、偏航和俯仰角速度如图4～图6所示。

图4 A、C、D 级路面、同速度下导弹的滚转角速度Fig.4 Roll rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

图5 A、C、D 级路面、同速度下导弹的偏航角速度Fig.5 Yaw rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

图6 A、C、D 级路面、同速度下导弹的俯仰角速度Fig.6 Pitch angular velocities of missiles at level A、C、D road surface and same speed

轮胎与地面垂直作用力如图7 所示。

仿真结果如表2 所示，C 级相较A 级路面，导弹出筒的滚转、偏航和俯仰角速度均有所增加，在A级和C 级路面上，悬架会起到一定的缓冲吸振的作用，但在D 级路面上，滚转角速度已经超过50°/s，偏航角速度也呈现一定的随机性，此时轮胎与地面产生的碰撞力经悬架已严重耦合到弹体上，此时弹体姿态表明已不满足发射条件。另由图7 也可以看出，随着路面等级的增加，发射架垂直最大加速度越大，符合实际工况，说明所建的动力学仿真模型基本合理。

3.2 15 km/h 行驶速度不同路面下发射扰动分析

战车行进速度为15 km/h，战车驱动轮施加角度函数：STEP（TIME，0，0，2，508.5 d）。

导弹的滚转、偏航和俯仰角速度如图8～图10所示。

图8 A、C、D 级路面、同速度下导弹的滚转角速度Fig.8 Roll rates of missiles at level A、C、D road surface and same speed

图9 A、C、D 级路面、同速度下导弹的偏航角速度Fig.9 Yaw simulation results at level A、C、D road surface and same speed

轮胎与地面垂直作用力如图11 所示。

图11 A、C、D 级路面、同速度下发射架垂直最大加速度Fig.11 The vertical force between tire and ground at level A、C、D road surface and same speed

由表3 的仿真结果可知，随着路面等级的增加，滚转角速度也随之增加，但偏航和俯仰角速度呈现一定的随机性，均满足指标要求，导弹可以正常发射。

表3 A、C、D 级路面、15km/h 行驶速度下仿真结果汇总Table 3 Summary of simulation results at level A，C，D and speed of 15 km/h

综上所述，路面越恶劣，行驶速度越高，发射架垂直的加速度越大，耦合到弹体的姿态变化越大，发射安全性可靠性也就越差，因此，通过仿真可以得出如下两点：

1）战车行驶速度为大于15 km/h（不含15 km/h）小于20 km/h 时，可以允许在C 级以上（含C 级）路况进行作战；

2）战车行驶速度为小于15 km/h（含15 km/h），可以允许在D 级以上（含D 级）路况进行作战。

4 结论

轮式战车在进行行进间射击时，引起的振动随路面等级的高低而呈现不同的特点，应尽量选择在质量好的路面上实施行进间射击，这将会降低系统的振动，改善系统的行驶平稳性。本文只是从两个方面进行研究，得到不同速度、不同路面导弹发射的出筒动力学参数，后续仿真将根据试验结果进一步修正模型，并着重分析导弹出筒速度以及悬挂刚度对导弹行进间发射的影响，进一步增强对轮式战车行进间发射导弹的认识，为后续武器试验提供必要的数据支撑。