火箭爆破器爆炸带落点位置受风影响动力学仿真研究.pdf

（）指挥控制与仿真 引用格式：涂建刚，陈实，张凯凯火箭爆破器爆炸带落点位置受风影响动力学仿真研究指挥控制与仿真，（）：，（）：火箭爆破器爆炸带落点位置受风影响动力学仿真研究涂建刚，陈 实，张凯凯（陆军工程大学训练基地，江苏 徐州）摘 要：针对火箭爆破器作战运用过程爆炸带受风影响偏移问题，建立受风影响动力学模型和不同环境风发射角修正模型，分析研究风速、风向与火箭爆破器发射角之间的影响关系，并结合相关数据对模型进行仿真验证。该模型可为实战条件下，合理运用火箭爆破器、提升作战运用效能提供支持。关键词：火箭爆破器；爆炸带；落点位置；动力学仿真中图分类号：文献标志码：，（，）：，：；收稿日期：修回日期：作者简介：涂建刚（），男，副教授，研究方向为工程装备保障。陈 实（），男，讲师。现代战争中，地雷作为破坏敌方战术企图的有效武器，得到了广泛的应用。火箭爆破器是一种快速大面积扫雷破障的爆破器材，其原理是通过火箭发动机牵引钢丝绳，将爆炸带展直落入雷场，爆炸清除雷场的地雷或破坏周围的障碍物。爆炸带清除地雷开辟通路的有效宽度约为 。爆炸带从火箭爆破器上发射后，受风速、风向影响，导致落点位置与雷场通路预定位置偏移。消除偏移是充分发挥火箭爆破器作战运用效能必须解决的问题。吴宏等人通过建立柔性体单元爆炸带的运动方程，计算了爆炸带的飞行姿态。张登成采用简化的拖曳系统纵向小扰动运动方程，分析了拖缆对拖曳系统中飞行器纵向扰动运动模态的影响。何杨洋通过建立二维有限质点模型研究爆炸带保持直线拉直状态。本文通过构建火箭爆破器爆炸带受风影响动力学模型、不同环境风发射角修正模型，分析风速、风向与火箭爆破器发射角之间的影响关系，并运用仿真手段对模型进行了验证，旨在为火箭爆破器实战条件下的合理化运用提供方法支持。火箭爆破器爆炸带落点位置描述在实际发射过程中，火箭爆破器爆炸带在火箭发动机的拖拽下迅速升空，其姿态与地面几乎保持平行。因此，在力学分析时忽略其发射过程，同时忽略爆炸带自身的变形，主要考虑风速、风向对其升空后的运动轨迹和落点位置的影响。这里将爆炸带模型简化为线状长方体，假设长为，宽为，厚为（单位：）。火箭爆破器爆炸带落点示意图如图 所示。图 爆炸带落点位置示意图 图 中，预设通路轴线与火箭爆破器射向在水平面上的投影形成的夹角为发射角。当平行于预设通路轴线发射时，为零。当与预设通路中心轴线呈一定第 期指挥控制与仿真 角度发射时，发射角 不为零。通过修正发射角，尽可能实现爆炸带落点位置与预设通路轴线重合。落点位置受风影响动力学模型假设极短时间内风速、风向恒定，则其运动可以利用牛顿第二定律进行描述：（）（）（）式中，为时间，为爆炸带的总质量，（）为当前时刻飞行速度，（）为作用合力。火箭爆破器发射爆炸带时，爆炸带主要受空气阻力 和重力 的共同作用，空气阻力 计算公式为（）式中，为空气密度，在低空常取为 ；为空气阻力系数，对于爆炸带模型的规则平面可取；为爆炸带与环境风的相对速度；为爆炸带飞行过程中的最大迎风横剖面积。根据受力特性，将其初始运动分解为一定高度的自由落体运动和初速度平行于地面的平抛运动，不同的风速、风向主要影响后者的轨迹。在重力作用下，爆炸带将朝着地面方向（设为 轴反方向）作匀加速运动，其高度计算公式为 （）式中，为爆炸当前时刻高度，为爆炸带升空后的初始高度。据此可求得爆炸带从升空开始计时至落地的运动总时间：（）假设火箭发动机拖拽爆炸带沿与雷场通路呈 角度的轴线发射（以雷场通路轴线为参考，左偏为负，右偏为正），其受到与轴线呈 角度的风阻（以雷场通路轴线为参考，左偏为负，右偏为正），如图 所示。图 爆炸带飞行受力分析 设爆炸带正面迎风面积为，侧面迎风面积为，在爆炸带几何形状确定的情况下，两组面积均可计算得到。同时，将空气阻力分解为沿发射轴向的 及沿发射轴垂向的，其分别影响爆炸带轴向及侧向的运动轨迹。爆炸带飞行时间短暂，约为 ，且正面横截面积远小于侧面面积，因此风速对轴向发射方向的速度影响较小，为提升计算效率，将正面空气阻力视为定值，与初始受力保持一致。设爆炸带初速度为，在此简化模型中，即可认为 ，。假设在飞行过程中风力、风速均不发生变化，根据几何关系，可分解如下：（）（）（）式中，为风速，爆炸带在发射轴切向加速度 和法向加速度 为：（）（）（）初速度已知的情况下，可求得其速度演化为：（）（）（）式中，为爆炸带发射轴线切向速度，为爆炸带发射法向加速度。至此，即可获取爆炸带发射后的位移变化如下：（）（）（）根据几何关系将位移量转换至 坐标系：(（）)(（）)(（）)(（）)（）当火箭爆破扫雷器沿雷场轴线发射时，式（）可简化如下：（）（）若将发射点视为坐标零点，则在无风环境下落点坐标可设为（，），有风环境下落点坐标设为（，），则相对位移量 可用下式求得：（）（）（）根据以上公式即可计算爆炸带在不同风速、风向工况发射的位移偏移量，从而为不同环境风影响下火箭爆破器方位调整提供参考依据。不同环境风发射角修正模型由偏移量的计算公式可知，当环境风在侧向存在 涂建刚，等：火箭爆破器爆炸带落点位置受风影响动力学仿真研究第 卷分力时，爆炸带落点会出现明显偏差。因此，在作战运用过程中，需调整发射角度。由于爆炸带在实际环境风作用下飞行轨迹极为复杂，本文以其质心位置作为跟踪对象，同时考虑计算效率和精度的前提下，首要满足其落点位置处于雷场轴线上，即爆炸带落地后，其质心横向偏移量为 或接近于（在有风环境下最大程度地满足作战要求）。根据位移量转换坐标系计算公式，令 ，则有：(（）)(（）)（）利用 数学软件进行多角度批量化的求解计算，并通过数值比较方式给出最优解，以供实际作业参考。受风影响动力学模型仿真验证根据火箭爆破器爆炸带受风影响模型，爆炸带在不同发射角度、风速及风向作用下，其轨迹会出现偏移，不同海拔高度空气密度的差异也会影响其偏移程度。由于爆炸带的几何形状限制，无法即时跟踪任一参考点的位移，本文以爆炸带的质心作为重点观测对象，分析环境风速、风向对其作战效果的影响，仿真步骤如图。图 受风影响动力学模型仿真分析步骤 风力等级与风速、海拔高度与空气密度对应数据如表、表 所示。表 不同风力等级对应风速取值 风力等级无风速（）假设爆炸带总质量为 ，发射高度为 ，初始速度为 ，海拔高度 为，爆炸带长 ，宽 ，厚 ，以初始状态质心位置在地面的投影点作为参考原点，即（，）点。令 ，求得无风环境下质心落点位置（，）为（，）。表 不同海拔高度的空气密度 海拔高度 空气密度（）海拔高度 空气密度（）为验证模型的广泛适用性，随机选取风向角度为北偏东，的范围取，计算增量步为 ，通过 软件进行数组批量计算，通过结果检索的方式获取横向位移最小且满足精度需求的整数解，计算结果如图 所示，统计不同风力等级的最佳发射角及其对应的横向偏移量绝对值见表。图 中，风速越大，爆炸带在不调整发射角的情况下，偏移量越大；调整发射角，对爆炸带落点位置灵敏性较强，不同风力等级在 发射角范围内均可得到理想解，即通过调整发射角，可解决爆炸带落点位置受风速、风向和海拔高度的影响。图 北偏东 风作用下不同发射角对爆炸带落点位置的影响 表 不同风力等级最佳发射角及落点横向偏移量（北偏东）（）风力最佳发射角度（）偏移 第 期指挥控制与仿真 根据表 可知，级风不需要调整发射角度，、级风火箭发射角适量微调即可，转向角度不超过。对于、级风，风力横向分离对爆炸带偏移影响较大。图 中，适当调整发射角能够显著地降低爆炸带的横向偏差，其质心落点位置与雷场轴线几乎重合。图 北偏东、不同风力等级条件下调整发射角对爆炸带落点位置的影响关系 （）结束语本文建立的爆炸带落点位置受风影响动力学模型、不同环境风下的发射角修正模型，能够解决实战环境下火箭爆破器合理运用问题，最大限度发挥其作战效能。模型研究了风速、风向、海拔等因素对爆炸带偏移的影响关系，通过仿真验证，模型具有较好的推广应用价值。但由于爆炸带非刚性，实际条件下存在未展直问题，导致质心位置与展直状态下位置偏移。因此，爆炸带的柔性仿真问题是后续要研究的问题。参考文献：李明洲，陈机林，刘超 基于 的某爆破扫雷器电液伺服系统建模 兵工自动化，（）：，（）：杨旭升，梁秋祥，董德坤 基于车载式火箭爆破带破冰破凌性能试验研究 工程爆破，（）：，（）：吴宏，王勇 柔性体的有限质点模型弹道计算研究 弹箭与制导学报，（）：，（）：张登成，唐硕，苏新兵 拖缆对拖曳系统中飞行器动稳定性的影响 弹道学报，（）：，（）：何洋扬，宋歌，吴建源 组合式火箭爆破器系统飞行性算法研究 工程爆破，（）：，（）：黄普，何雨帆，王奥 火箭子级残骸实时落点偏差分析 航天返回与遥感，（）：，（）：缪云飞 多管火箭射击精度动力学仿真与试验设计方法研究 南京：南京理工大学，：，王颖，唐明亮，王玮 基于 自由度动力学模型的整流罩落点散布分析 上海航天（中英文），（）：，（），（）：，（）：王强，李伟，龚建泽 基于火箭残骸实时定位信息的落点计算模型 计算机测量与控制，（）：，（）：（责任编辑：张培培）