多管火箭发射动力学研究

第25卷第5期兵工学报Vol 25 No 52004年9月ACTA ARMAMENTARIIsep.2004多管火箭发射动力学研究芮筱亭*贠来峰**陆毓琪*陈卫东*王国平*赵克升**何斌陆文广〔南京理工大学动力工程学院江苏南京210094·)(南京军代局驻扬州地区军代室)中国白城兵器试验中心**)(哈尔滨工程大学”摘要从武器系统弹、炮、药、环境一体化的角度研究了多管火箭武器发射动力学建立了多管火箭武器刚体、弹性体耦合的多体系统发射动力学模型和发射动力学方程并给岀了增广特征矢量的正交性条件力图实现对多管火箭武器系统动力响应的精确分析。用本文方法对某多管火箭武器动力响应的仿真结果进行了试验验证关键词振动与波迻管火箭炮火箭弹发射动力学弹道正交性中图分类号TJ713;T760.13发射动力学是研究武器系统在发射过程中的受 Marting模型中的一个致命弱点是未能考虑弹丸的力及运动规律进而研究控制受力与运动规律旳—动不平衡对弹丸静不平衡的处理也不够合理而这门新兴学科是当代兵器领域科技工作者关注的热两个因素对弹丸起始扰动研究恰恰是至关重要的点之_1国内外发射动力学的研究文献中相继 Marting工作的另一个不足之处是描述弹丸运动的提出了单自由度、多自由度等模型2实践证明,动参考系选取不佳从而使所建立的微分方程的形定向管的刚度对起始扰动和密集度的影响极其明式非常复杂难以写出弹丸运动微分方程的最终形显必须作为弹性体来处理3式。本文针对 Marting方程的不足对 Marting模型为减少多管武器试验用弹量实现其动态设计,作了实质性改进建立了适用于各种类型火箭弹的首先需解决含有刚体和弹性体(或刚性梯度很大发射动力学方程。复杂耦合系统多管火箭武器)有振动特性的计算冋题以及多管火箭刚弹耦合系统对任意激励动力响1多管火箭发射动力学模型及受力分析应的精确分析。但是刚弹耦合系统由于刚体与弹1.1发射动力学模型性体之间的耦合作用使得耦合系统的特征值问题以某轮式多管火箭炮为研究对象发射环境下非自共轭系统的振型函数不具有通常意义下的正武器系统包括火箭炮、火箭弹和阵地祭件。火箭炮交性从而难以用经典的模态方法精确分析耦合系主要由定向管、摇架、平衡机、高低传动装置、方向传统的动力响应问题。为此本文引入了多体系统传动裝置、回转盘、座圈、底架、车体、板簧固定器、轮胎递矩阵法4。这种方法便于实现发射动力学分析以及电传动系统等组成。的高度程式化易于工程问题的解决得到了国内外根据多管火箭武器各个部件的自然属性将其的重视划分牛可分为体”和铰”两1984年美国动力学专家 Marting抛弃了弹带大类中国煤化弹性梁等而铰"泛或后定心部冲心沿炮膛轴线运动”的传统假设建指犀<問联接关系,包括扭簧、弹立了弹丸在膛内作一般运动的微分方程但簧、阻尼器等。如图1.1所示根据体”和铰"统2003年7月收稿2004年7月定稿κ国防科技预研重点项目(98sY05)第5期多管火箭发射动力学研究557编号的原则将地面边界编号为θ将六个车轮与地弹炮接触力作为强迫力”考虑其对系统响应的影面及每个车轮与车体的联接用反映三个方向相对线响而不计其对系统固有振动特性的影响。这样处理运动的弹簧及与之并联的阻尼器来等效编号为元的原因一是理论上不存在一般线性时变系统固有振件12灬613,14灬,8将六个车轮视为各具有动特性严格的计算方法;二是用此法处理结果足以个自由度的集中质量编号为元件78灬,,12将满足工程精度要求(单发火箭弹质量仅仅是起落部除去车轮的车体(简称车体)除去俯仰部分的回转分的1.5%~4.0%)理论与试验结果表明发射过部分、除去已发射火箭弹和最新击发火箭弹的起落程中相邻两发弹之间系统质量及其分布变化引起的部分分别视为各具有六个自由度的刚体依次编号系统固有振动频率的变化很小故无需考虑运动火为1921②3将方向机的作用以及元件19与元件箭弹在定向管中位置的变化而引起的火箭炮系统模21间的联接、高低机和平衡机的作用以及元件21态的变化。非线性时变系统的动力响应也可用离散与元件23的联接用反映三个方向相对角运动的无时间传递矩阵湛6求解。质量的扭簧和反映三个方向相对线运动的弹簧及与1.2受力分析之并联的阻尼器来等效编号为20、22將将摇架与定多管火箭系统受到的力有重力、各部件之间以向管间的两处联接用反映三个方向相对角运动的扭及火箭炮与地面之间的机械作用力、弹炮作用力包簧和反映三个方向相对线运动的弹簧及与之并联的括闭锁力、火箭弹定心部与定向管间以及定向钮与阻尼器来等效编号分别为17+7、18+7将第ⅰ导向槽之间的作用力等)发动机推力、燃气流冲击个定向管的后端面自由边界编号为19+7i将第i力等。火箭炮各部件之间的作用力、火箭炮与地面之定向管尾部视为具有六个自由度的刚体编号为间的作用力均可等价为弹性铰对应的作用力和相应20+7i将第i个定向管视为空间运动弹性梁前支的阻尼力它们都是系统内力。本文用多体系统传递撑框与后支撑框之间的部分编号为21+7前支撑矩阵法求解多管火箭武器发射动力学,所以地面支框前面的部分编号为22+7i将第讠个定向管的前撑已被包含在系统动力学模型中这些系统内力均端面自由边界编号为23+7i。火箭弹的主体为刚已在状态矢量中予以考虑,无需进行复杂而繁琐的体其弹性效应等效为其定向钮以及3个定心部与受力表达定向管的弹性接触作用。考虑火箭弹燃气流对发射将除去已发射和已击发火箭弹的多管火箭系统系统的作用等所以该多管火箭武器的发射动力学的静平衡位置作为系统位移的基准这样系统重力模型为在地面支撑条件和燃气流及弹炮耦合作用下(包括各部件的重力)在动力学方程中的作用就已的由各种铰相联接的n+4个刚体、n个弹性体和6被系缭包括各部件)的静变形所抵消故在这样选个集中质量组成的刚弹耦合多体系统。取的坐标系中将无需再考虑火箭炮的重力以及静变22+7i形对应项的作用。使受力分析和多管火箭系统运动21+7i求解大为简捷。0+T火箭弹与定向管间的作用力是一对作用力与反l7+7i19+7i作用力。火箭弹运动方程与火箭炮振动方程正是通过定心部与定向管壁及定向钮与导向槽之间的作用力而相互耦合的这些作用力包括定向钮与定向槽间以及定心部与定向管间的法向碰撞力和切向摩擦力。被击发火箭弹的重力通过弹炮相互作用传递给图1.1某多管火箭武器发射动力学模型火箭炮。ig. 1. 1 A model for the launch dynamics of mlrs发动机推力可理论计算也可实验测量;火箭燃气流对发射装置的冲击力可由文執78]中的方法发射过程中由于摇架上火前弹个数的减少和计算火箭弹在定向管內的运动,发射系统为非线性时变中国煤化工了相关的试验结果。系统。本文将非线性时变系统处理为分段线性时不2CNMHG变系统即考虑系统模态随着摇架上火箭弹个数的2.1体元件的动力学方程减少而变化但不计发射过程中运动火箭弹在定向集中质量、刚体、弹性梁等体元件动力学方程的管中位置变化引起的系统模态的变化将火箭弹在矩阵形式为定向管内的运动、弹炮间隙、弹炮碰撞产生的非线性M,v; at Cva+K; v;=f558兵工学报第25卷式中,元件编号;体元件位移(包括线位移和角位移)的物理坐标列阵,下标t表示关于时间求u ,i导M、C、K,体元件的参数矩阵沂体元件受到D'I121i的外力(2.3)2.2集中质量元件的动力学方程xbj六个车轮元件78灬…,12)是一端输入一端输出的集中质量将其空间运动动力学方程写成(2.1q2 o式的形式得到式中n,q,q2分别为体元件联接点上受到的弹性内力。2.3刚体元件的动力学方程(2.2)元件19212320+7i均为空间一般运动刚体其中元件19为六端输入一端输出刚体元件21∫=[fffT20+7为一端输入一端输出刚体元件23为一端输式中=78灬12涅表示输入端O表示输出端;入两端输出刚体。将这些元件的动力学方程写成D3为线性微分算子其表达式为(2.1)式的形式得到D1+乙D3|oF(j=19212320+7i)式中,m;刚体元件质量江1第一输入点汇质心:的动力学方程写成2.1)式的形式则有D外力作用点,刚体元件关于I1点的惯量矩000阵m;=[mxm,m2于作用于刚体的外力矩坐标列阵洱=[f/作用于刚体的外力坐标M=0,0000m0列阵氵坐标叉乘矩阵;输入端个数;L输岀端000个数;D1线性微分算子其表达式为D11,0,D11.0y dDIog, d j(2.5)EAi(a/xt)0 EI(a/a xt式中m2I Ily,I i2n于m2Dmom=o1分中国煤化工别为体元件在输入点和输出点处受到的弹性內力CNMHG矩f(x14)-(x1m(x1d)2.4梁元件振动的动力学方程f(x1t)+(/0x1)m元件21+7和22+7i作为弹性梁研究横向0aMV+V划t)+应的精确分析q(t)=f(5.2)(5)用本文方法对某多管火箭武器动力响应的仿真结果得到了试验验证在(5.2)式两边对W(p=123)取内积由正(6)对某多管火箭武器的发射过程的仿真结果交性条件可得表明本文的处理方法足以满足工程精度要求。(t)+(a+A2)(t)+or(t)=(f》M(p=12灬…)(5.3)参考文献将3.1)式与(5.3)式联立(3.1)式中的有关参量用模态坐标展开可得关于弹丸运动参量和广1芮筱亭等.多体系统发射动力学.北京:国防工业出版社,义坐标《(tk=123灬…,)的常微分方程组。对中国煤化工北京北京理工大学出版社其进行数值积分就可得到q(t)和弹丸的运动参CNMHG数进而用4.1)式得到多管火箭的动力响应3王耀龙.对提高战术火箭射击密集度的分析.兵工学报火炮分册1979(1):51-666计算和试验结果验证及结论4芮筱亭等.多体系统传递矩阵法在火炮动力学中的应用.力学与实践,1995,7(4):42-44利用本文的理论和方法对某多管火箭武器的发5 Marting T S, Robert s b. Projectile Motion in a Flexible Gt第5期多管火箭发射动力学研究561Tube. ADA140737, 19842306 Rui xiaoting, Lu Yuqi,etc. Discrete time transfer matrix method8贺北斗林永明曹听荣.火箭发射裝置设计.北京国防工业出for multibody system dynamics. Advances in Computational版社1988.18Multibody Dynamics,DMEC/IST, Lisbon, portugal,1999。939徐明友火箭外弹道学,北京浜兵器工业出版社A989.133-15410贠来峰芮筱亭陆毓琪等.多管火箭武器振动特性研究兵工学7张福祥.火箭燃气流动力学.北京国防工业出版社,1988.185报2004,2(1):9~13A STUDY ON THE LAUNCH DYNAMICS OF MULTIPLELAUNCH ROCKET SYSTEMRui Xiaoting Yun Laifeng Lu yugi Cheng weidongWang guoping Zhao Kesheng He Bin Lu wenguangNanjing University of Science and Technology Nanjing, 210094)( Military Representative Office in Yangzhou Area)Baicheng Ordnance Test Center of China***)( Harbin Engineering University**')Abstract Launch dynamics of Multiple Launch Rocket Systen( MlrS was studied in theory from thepoint of view of the whole system including the rockets launcher, propellant and environment. The launchdynamics model and launch dynamics equation of the multibody coupled rigid bodies and elastic bodies in theMLRS were established. Orthogonality conditions of augmented eigenvector were presented. Response ofthe mlrS was simulated, and the simulation of response of the MlrS was verified The basis to analysisof dispersion and reduction of rocket in the test of mlrS was established in this workKey words vibration and wave multiple launch rocket system rocket launch dynamics ballistics ,orthogonalit中国煤化工CNMHG