Nghiên cứu nâng cao độ ổn định của tên lửa không điều khiển bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý ( Luận án tiến sĩ)

bộ giáo dục và đào tạo

bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự
----------------------

Nguyễn thanh hải

Nghiên cứu nâng cao độ ổn định
của tên lửa không điều khiển
bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội - 2014


bộ giáo dục và đào tạo

bộ quốc phòng

học viện kỹ thuật quân sự
----------------------

Nguyễn thanh hải

Nghiên cứu nâng cao độ ổn định
của tên lửa không điều khiển
bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý
Chuyên ngành :

Mã số
:

Cơ kỹ thuật
62.52.01.01

luận án tiến sĩ kỹ thuật

Ng-ời h-ớng dẫn khoa học:
1. PGS.TS Nguyễn Lạc Hồng
2. PGS.TS Võ Ngọc Anh

Hà Nội - 2014


i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công
bố trong bất kì công trình nào khác.

Tác giả luận án

Nguyễn Thanh Hải


ii

MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan

i

Mục lục

ii

Danh mục các kí hiệu, các chữ viết tắt

v

Danh mục các bảng

viii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

ix

MỞ ĐẦU

1

Chương 1 – TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN TÊN LỬA

4

KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. Một số khái niệm về ổn định đạn

4

1.2. Phương pháp ổn định bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa phụt

6

1.2.1. Bản chất sự ổn định cho tên lửa quay nhờ loa phụt

6

1.2.2. Tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay quanh trục

8

1.3. Phương pháp ổn định cánh cho tên lửa không điều khiển

13

1.3.1. Bản chất sự ổn định chuyển động của tên lửa có cánh

14

1.3.2. Các yêu cầu và lựa chọn hình dạng cánh

15

1.3.2.1. Các yêu cầu đối với hệ thống cánh

15

1.3.2.2. Lựa chọn hình dạng cánh

16

1.3.3. Tính toán độ dự trữ ổn định cho tên lửa có cánh

21

1.3.3.1. Tính hệ số lực nâng

22

1.3.3.2. Tính hệ số lực cản chính diện

23

1.3.3.3. Xác định tọa độ vị trí tâm cản của tên lửa

33

1.4. Các biện pháp nâng cao độ ổn định tên lửa không điều khiển

37

1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

40

1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

40

1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

42

1.6. Kết luận chương

43


iii
Chương 2 – CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN

45

ỔN ĐỊNH BẰNG CÁNH TRONG KHÔNG GIAN
2.1. Chuyển động của tên lửa không điều khiển trong không gian

45

2.1.1 Một số giả thiết cơ bản khi xét bài toán chuyển động

45

2.1.1.1. Điều kiện khí tượng tiêu chuẩn

45

2.1.1.2. Điều kiện thuật phóng tiêu chuẩn

47

2.1.1.3. Điều kiện về chuyển động tiêu chuẩn

47

2.1.2 Các lực và mô men tác dụng lên tên lửa khi bay

48

2.1.2.1. Lực và mô men khí động

48

2.1.2.2. Lực đẩy và mô men lực đẩy

51

2.1.3 Các hệ tọa độ và các góc quay

52

2.1.3.1. Các hệ tọa độ

52

2.1.3.2. Các góc quay xác định mối quan hệ giữa các hệ tọa độ

53

2.1.4. Hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa – đạn
2.2. Chuyển động lắc của tên lửa có cánh trong không gian

55
62

2.2.1. Mục đích nghiên cứu chuyển động lắc của tên lửa

63

2.2.2. Các giả thiết

65

2.2.3. Hệ phương trình chuyển động trong mặt phẳng lắc của đạn

66

tên lửa có cánh đuôi không quay
2.2.4. Hệ phương trình chuyển động trong mặt phẳng lắc của tên

69

lửa có cánh quay chậm
2.3. Kết luận chương

77

Chương 3 – KHẢO SÁT NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN
PHẢN LỰC BẰNG LỰA CHỌN THAM SỐ CÁNH HỢP LÝ

79

3.1. Mục đích và đối tượng khảo sát

79

3.1.1. Mục đích khảo sát

79

3.1.2. Đối tượng khảo sát

79

3.2. Giải bài toán TPN cho đạn phản lực chống tăng B41-M
3.2.1. Phương pháp tính

81
81


iv
3.2.2. Các số liệu đầu vào

83

3.2.3. Kết quả giải bài toán TPN cho đạn B41-M

85

3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số cánh đến các đặc tính chuyển

90

động của đạn phản lực chống tăng B41-M
3.3.1. Ảnh hưởng của diện tích mặt nghiêng của cánh

90

3.3.2. Ảnh hưởng góc nghiêng của cánh

92

3.3.3. Ảnh hưởng của vị trí trọng tâm cánh

95

3.3.4. Ảnh hưởng của lực lò xo mở cánh

97

3.3.5. Ảnh hưởng của sơ tốc

99

3.3.6. Ảnh hưởng của số lượng cánh

100

3.4. Kết luận chương

101

Chương 4 - THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG

103

4.1. Mục đích và đối tượng thực nghiệm.

103

4.2. Điều kiện thực nghiệm

103

4.2.1. Điều kiện môi trường

103

4.2.2. Phương tiện đo

104

4.2.3. Phương pháp đo

104

4.3. Kết quả thực nghiệm

106

4.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết

110

4.5. Kết luận chương

115

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

116

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ

118

TÀI LIỆU THAM KHẢO

119

PHỤ LỤC

123

v
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

A

- Mô men quán tính xích đạo của đạn, Kg.m2

a

- Tốc độ âm thanh trong không khí, m/s

b1

- Chiều dài đáy nhỏ của cánh, m

b2

- Chiều dài đáy lớn của cánh, m

btb

- Chiều dài trung bình của cánh, m

C

- Độ cứng của lò xo, N.m/rad

CD

- Hệ số mô men cản dịu

CM

- Hệ số mô men ổn định

Cq

- Mô men quán tính cực của đạn, Kg.m2

CX

- Hệ số lực cản chính diện của đạn

CXC

- Hệ số lực cản chính diện của cánh

CXf.th

- Hệ số lực cản ma sát của thân đạn

CXhdC

- Hệ số lực cản hình dạng cánh

CXhdTh

- Hệ số lực cản hình dạng thân đạn

CY

- Hệ số lực nâng của đạn

CYC

- Hệ số lực nâng của cánh

d

- Đường kính phần thân đạn, m

dC

- Đường kính mở cánh, m

e

- Bề dày lớn nhất của cánh, m

h

- Khoảng cách giữa tâm cản và khối tâm của đạn, m

H( y)

- Hàm mật độ của khí quyển theo độ cao bay

Jn, Je, Jx

- Các mô men quán tính của cánh, Kg.m

KA

- Hệ số hiệu chỉnh

kc

- Khoảng cách từ tâm loa phụt đến trục đạn, m


KM  
a

- Hệ số khí động của mô men lật

Kr

- Hệ số của mô men quán tính trục

l1

- Khoảng cách từ tâm khối loa phụt đến khối tâm của đạn, m


vi
lC

- Bề rộng của cánh, m

m

- Khối lượng của đạn, Kg

M

- Số Mach

M0

- Mô men ban đầu của lò xo, N.m

MC

- Mô men khí động của cánh

mC

- Khối lượng cánh, Kg

MD

- Mô men cản dịu, Kg.m2

ML

- Mô men lực lò xo mở cánh, N.m

Ml

- Mô men quay do loa phụt nghiêng, Kg.m2

MP

- Mô men lực đẩy lệch tâm, N.m

Mq

- Mô men lực li tâm, N.m

MR

- Mô men khí động của đạn, N.m

MS

- Mô men quán tính, Kg.m2

n

- Số cánh

P

- Lực đẩy của động cơ, N

q

- Trọng lượng đạn, kG

R0

- Khoảng cánh từ tâm cánh đến trục đạn, m

Re

- Chỉ số Reynol

Rx

- Lực cản khí động

Ry

- Lực nâng khí động

S0

- Diện tích mặt nghiêng của cánh, m2

Sb

- Diện tích phần đầu của các cánh, m2

SC

- Diện tích cánh, m2

SM

- Diện tích tiết diện Mi đen, m2

Sth

- Diện tích tiết diện tới hạn của loa phụt, m2

U

- Tốc độ trượt ngang của không khí, m/s

V

- Vận tốc của đạn, m/s

V0

- Sơ tốc của đạn, m/s

V1

- Tốc độ tuyệt đối của cánh, m/s

XK

- Chiều dài thân đạn, m


vii
y0

- Khoảng cánh từ trục quay cánh đến trục đạn, m

yc

- Khoảng cách từ tâm cánh đến trục quay của cánh, m



- Góc nghiêng của cánh, rad



- Góc lắc, rad

S

- Góc vát sau của cánh, rad

tr

- Góc vát trước của cánh, rad



- Góc nghiêng của loa phụt, rad



- Góc trương động, rad

q

- Góc quay mở cánh, rad

c

- Tọa độ trọng tâm cánh (phương pháp tuyến), m

c

- Tọa độ trọng tâm cánh (phương dọc trục), m

C

- Độ kéo dài của cánh



- Mật độ trọng lượng của không khí, kG/m3



- Hệ số nhớt động học của khí, kG.s/m2



- Mật độ khối lượng của không khí, Kg/m3

ξod

- Hệ số dự trữ ổn định



- Góc lệch, rad



- Tốc độ quay của đạn, rad/phút



- Độ lệch tâm lực đẩy, m

CNQP

- Công nghiệp quốc phòng

CT

- Chương trình

TC

- Tâm cản

TL

- Tên lửa

TM

- Thuyết minh

TPN

- Thuật phóng ngoài

TPT

- Thuật phóng trong


viii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Số bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Quan hệ giữa KM(V/a) với tốc độ chuyển động của tên lửa

10

Bảng 2.1

Các yếu tố khí tượng tiêu chuẩn

46

Bảng 2.2

Giá trị các hệ số khí động của một số loại đạn phản lực

51

không điều khiển
Bảng 3.1

Một số tính năng chiến- kỹ thuật của đạn B41-M (PG -7)

80

Bảng 3.2

Các số liệu đầu vào của chương trình tính cho đạn B41-M

84

Bảng 3.3

Kết quả giải chương trình TPN cho đạn B41 –M nguyên bản

87

Bảng 3.4

Ảnh hưởng của diện tích mặt nghiêng cánh đến các thông số

90

chuyển động
Bảng 3.5

Ảnh hưởng của góc nghiêng cánh đến các thông số chuyển

93

động của đạn
Bảng 3.6

Ảnh hưởng của vị trí trọng tâm cánh đến các thông số

95

chuyển động của đạn
Bảng 3.7

Ảnh hưởng của lực lò xo đến các thông số chuyển động của đạn

97

Bảng 3.8

Ảnh hưởng của sơ tốc đến các thông số chuyển động của đạn

100

Bảng 3.9

Ảnh hưởng của số cánh đến các thông số chuyển động của đạn

101

Bảng 4.1

Số liệu đo góc trương động và vận tốc ở các phát bắn 1, 2, 3

106

Bảng 4.2

Số liệu đo góc trương động và vận tốc ở các phát bắn 4, 5, 6

108

Bảng 4.3

Góc trương động theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm ở

111

giai đoạn 1
Bảng 4.4

Tốc độ đạn theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm ở giai

112

đoạn 1
Bảng 4.5

Góc trương động theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm ở

113

giai đoạn 2
Bảng 4.6

Tốc độ đạn theo tính toán lý thuyết và thực nghiệm ở giai
đoạn 2

114


ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Số hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Mô tả quỹ đạo chuyển động của đạn

5

Hình 1.2

Sơ đồ mô tả tác động của lực khí động lên đạn

5

Hình 1.3

Sơ đồ nguyên lý về hiệu ứng con quay

6

Hình 1.4

Sự ổn định chuyển động của tên lửa khi có chuyển động quay

8

Hình 1.5

Sơ đồ biểu diễn góc nghiêng  của loa phụt

8

Hình 1.6

Sơ đồ xác định h

11

Hình 1.7

Đặc tính dao động của trục tên lửa trên đoạn cong quỹ đạo

12

Hình 1.8

Đặc tính ổn định trên đường bay của tên lửa có cánh

14

Hình 1.9
Hình 1.10

Các thông số xác định vị trí tâm cản và trọng tâm tên lửa
Các tham số đặc trưng của cánh

14
16

Hình 1.11
Hình 1.12

Tác dụng của góc vát trước
Sự phụ thuộc của lực cản sóng vào góc vát trước và số Mach

17

18

Hình 1.13

Các hình dạng mặt cắt của cánh

20

Hình 1.14

Sự thay đổi dòng chảy khi tên lửa chuyển động với  khác nhau

24

Hình 1.15

Hệ thống các bước nhảy khi tên lửa có vận tốc vượt âm

27

Hình 1.16

Các tham số hình dạng mặt cắt của cánh

28

Hình 1.17

Góc nghiêng phần mũi của tên lửa

30

Hình 1.18

Xác định độ dài xm

31

Hình 1.19
Hình 1.20

Quan hệ CXg.th = f(M)
Quan hệ CXf.th = f(M, H)

32
32

Hình 1.21

Sự phụ thuộc của các hệ số Cx và Cy vào góc  khi M = const

33

Hình 1.22
Hình 1.23
Hình 2.1

Minh họa xác định tọa độ tâm cản phần cánh
Sơ đồ xác định tọa độ tâm cản của tên lửa
Sơ đồ lực và mômen khí động tác dụng lên tên lửa

35
36
48

Hình 2.2
Hình 2.3

Qui luật thay đổi Cx
Qui luật thay đổi Cy

49
49

Hình 2.4

Mối quan hệ giữa các hệ số khí động của cánh với góc

50

nghiêng 
Hình 2.5

Hệ toạ độ vận tốc Ox2y2z2 và hệ toạ độ liên kết Ox1y1z1

53

Hình 2.6

Hệ toạ độ liên kết Ox1y1z1 và hệ toạ độ giữ hướng Oxyz

54


x
Hình 2.7

Hệ tọa độ vận tốc Ox2y2z2; hệ toạ độ quỹ đạo Ox3y3z3 và hệ
toạ độ giữ hướng Oxyz khi không có gió

54

Hình 2.8

Đồ thị  và 

64

Hình 2.9

Hệ tọa độ và sơ đồ lực của tên lửa có cánh đuôi

66

Hình 2.10

Sơ đồ tác dụng lực đối với tên lửa có cánh nghiêng

69

Hình 2.11

Mô hình cánh quay

71

Hình 2.12

Sơ đồ xác định lực khí động

73

Hình 3.1
Hình 3.2

79
81

Hình 3.3

Đạn B41 –M (PG-7)
Lưu đồ thuật toán giải bài toán TPN kết hợp bài toán TPT
của đạn B41-M
Mô hình cánh đạn B41 –M

Hình 3.4

Sự thay đổi của các thông số chuyển động theo thời gian

86

Hình 3.5

Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm diện tích mặt nghiêng
của cánh

92

Hình 3.6

Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm diện tích góc nghiêng

94

Hình 3.7

Đồ thị so sánh ,  khi thay đổi vị trí trọng tâm cánh

96

Hình 3.8

Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm lực lò xo cánh

98

Hình 3.9

Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm sơ tốc

99

Hình 4.1

Camera thuật phóng FASTCAM SA1.1 675K-C1

104

Hình 4.2
Hình 4.3

Sơ đồ thực nghiệm
Đồ thị góc trương động ở giai đoạn đo phát 1(đạn nguyên bản)

105
106

Hình 4.4
Hình 4.5

Đồ thị góc trương động ở giai đoạn đo phát 2(góc nghiêng 130)
Đồ thị góc trương động ở giai đoạn đo phát 3(DT 700mm2)

107
107

Hình 4.6
Hình 4.7

Đồ thị vận tốc của đạn ở giai đoạn đo phát 1(đạn nguyên bản)

Đồ thị góc trương động ở giai đoạn đo phát 4(đạn nguyên bản)

107
109

Hình 4.8
Hình 4.9

Đồ thị góc trương động ở giai đoạn đo phát 5(góc nghiêng 130)
Đồ thị vận tốc của đạn ở giai đoạn đo phát 1(đạn nguyên bản)

109
109

Hình 4.10

Hình ảnh khi đạn bắt đầu chuyển động và khi động cơ hành
trình làm việc

110

83


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, tên lửa đã trở thành loại vũ khí không thể thiếu trong trang bị của
Quân đội hầu hết các nước trên thế giới, thậm chí đã trở thành loại vũ khí chiến

lược do những ưu điểm nổi trội của chúng so với các dạng vũ khí khác. Chính vì
vậy, việc phát triển các loại vũ khí tên lửa là một trong những nhiệm vụ hàng đầu
của Nhà nước và Quân đội ta. Bên cạnh những hệ thống tên lửa có điều khiển hiện
đại, các hệ thống tên lửa không điều khiển cỡ nhỏ cũng được ưu tiên phát triển. Các
hệ thống này chủ yếu được dùng để chiến đấu với đối phương ở cự ly gần.
Tên lửa không điều khiển (hay còn gọi đạn phản lực không điều khiển) có kết
cấu đơn giản; thuận tiện khi khai thác và sử dụng; độ tin cậy hoạt động cao; hệ
thống phóng có kết cấu đơn giản; phần chiến đấu có kết cấu đa dạng; tính cơ động
của các hệ thống phản lực cao.. So với đạn pháo, tầm bắn của tên lửa không điều
khiển không bị hạn chế bởi cỡ đạn và áp suất của khí thuốc. Bên cạnh những ưu
điểm đó, tên lửa không điều khiển có nhược điểm là độ chính xác bắn thấp do tồn
tại độ lệch tâm của lực đẩy.
Với những ưu điểm kể trên, hiện nay tên lửa không điều khiển được trang bị
nhiều cho lực lượng lục quân. Uy lực của loại vũ khí này càng ngày càng được nâng
cao. Lấy ví dụ: dàn phóng BM-21 bắn loạt 40 quả đạn không điều khiển M21-0 có
diện tích vùng sát thương lên đến gần 400000m2.
Để đạt được độ chính xác cao khi bắn, các loại tên lửa, đặc biệt là tên lửa
không điều khiển đòi hỏi phải có độ ổn định bay. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến
quá trình bay của tên lửa như các yếu tố khách quan (điều kiện khí hậu, các yếu tố
nhiễu loạn bên ngoài, ...) và các yếu tố chủ quan (sai số quá trình chế tạo và lắp
ráp, việc đánh giá các mối quan hệ giữa các thông số của tên lửa trong giai đoạn
tính toán thiết kế chưa chính xác, ....) mà trong đó các yếu tố chủ quan cần phải
được hạn chế một cách tối đa.
Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nền CNQP nước ta đã có những bước
tiến mạnh mẽ. Cho đến nay CNQP đã có thể chế tạo được một số loại vũ khí cơ bản
cho các đơn vị bộ binh, trong đó có các loại tên lửa không điều khiển. Tuy nhiên do
hiện nay chúng ta chưa có một cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh và số liệu thiết kế đáng
tin cậy nên các loại tên lửa khi sản xuất ra thường có đường bay không thật sự ổn

2
định. Để khắc phục nhược điểm này, đòi hỏi phải xây dựng và hoàn chỉnh bài toán
ổn định cho các loại tên lửa không điều khiển cũng như nghiên cứu và hoàn thiện
các cơ sở lý luận phục vụ cho công tác thiết kế chế tạo vũ khí tên lửa. Đây là một
nhiệm vụ thiết thực góp phần nâng cao năng lực hoạt động của các cơ sở CNQP.
Như vậy, việc nghiên cứu tác động của các thông số cánh đến độ ổn định bay
của đạn là một bài toán rất cần thiết khi tiến hành thiết kế bất cứ một loại tên lửa
nào đó. Đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ ổn định của tên lửa không điều khiển
bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý” là đề tài lựa chọn hướng nghiên cứu này.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của đề tài là đưa ra cơ sở định lượng để lựa chọn các
thông số cánh phục vụ cho bài toán thiết kế các loại tên lửa nói chung, tên lửa
không điều khiển nói riêng.
Mục đích này có thể thực hiện bằng cách tiến hành khảo sát ảnh hưởng của
một loạt các thông số của hệ thống cánh đến các thông số chuyển động của tên lửa
không điều khiển trong không gian. Từ việc khảo sát đó, tiến hành phân tích đánh
giá và rút ra các giá trị phù hợp cho từng thông số cánh.
3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng khảo sát của đề tài NCS là đạn B41-M. Đây là một loại đạn phản
lực chống tăng điển hình do Nga sản xuất và đang được trang bị trong quân đội ta.
B41 –M là loại đạn phản lực không điều khiển được ổn định bằng cánh.
4. Phƣơng pháp nghiên cứu
Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm.
* Nghiên cứu lý thuyết:
+ Dựa trên mô hình chuyển động tổng quát của vật bay trong không gian, xây
dựng mô hình toán chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh.
+ Sử dụng phần mềm tính toán để giải bài toán chuyển động của tên lửa cho
các phương án khác nhau.
+ Phân tích, đánh giá các kết quả nhận được. từ đó đưa ra những yêu cầu cụ
thể đối với việc lựa chọn các thông số cánh.

* Nghiên cứu thực nghiệm:


3
Thay đổi kết cấu cánh của một loại đạn phản lực không điều khiển (cụ thể là
đạn B41-M). Tiến hành bắn, đo đạc các thông số để kiểm chứng với các kết quả
tính toán lý thuyết..
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Kết quả nghiên cứu của đề tài là sự bổ sung và hoàn chỉnh cho bài toán nghiên
cứu thiết kế các loại tên lửa không điều khiển. Dựa trên những nội dung của đề tài,
các nhà thiết kế có cái nhìn tổng quan về ảnh hưởng của các thông số cánh đến đặc
tính chuyển động của tên lửa, từ đó lựa chọn được thiết kế cánh hợp lí với mỗi loại
tên lửa.
6. Nội dung nghiên cứu
Luận án gồm phần mở đầu và bốn chương thuyết minh, phần đánh giá – kết
luận và phần phụ lục tính toán.
* Chương 1. Tổng quan về ổn định cho đạn tên lửa không điều khiển
Nội dung chương trình bày một số khái niệm chung về ổn định cho đạn; phương
pháp ổn định bằng góc nghiêng loa phụt và phương pháp ổn định bằng cánh. Chương 1
cũng nêu các biện pháp nâng cao độ ổn định hiện đang sử dụng cho các loại tên lửa
không điều khiển; tình hình nghiên cứu về ổn định trong và ngoài nước.
* Chương 2. Chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh trong
không gian.
Nội dung chương 2 dựa trên cơ sở hệ phương trình vi phân chuyển động của
đạn – vật bay trong không gian để xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của
tên lửa ổn định bằng cánh.
* Chương 3. Khảo sát nâng cao độ ổn định cho đạn phản lực bằng lựa chọn
tham số cánh hợp lý.
Chương 3 thực hiện việc giải hệ phương trình mô tả chuyển động của tên lửa
không điều khiển ổn định bằng cánh đã được xây dựng ở chương 2, áp dụng cho

một loại đạn phản lực cụ thể là đạn B41-M. Việc giải hệ phương trình này được
thực hiện bằng phần mềm tính toán viết trên ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal 7.0.
Từ kết quả giải bài toán, đánh giá ảnh hưởng của một nhóm các thông số của cánh
đến các thông số chuyển động. Kết quả đánh giá cho phép đưa ra các khuyến cáo
nhằm tìm ra các giá trị thông số cánh hợp lý.
* Chương 4: Trình bày kết quả thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính
toán lý thuyết.


4

Chƣơng 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN
TÊN LỬA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN
1.1. Một số khái niệm về ổn định đạn
Khi nghiên cứu chuyển động của đạn nói chung, tên lửa không điều khiển nói
riêng [3], [18], [27],[28], [44], [53] thường chia thành chuyển động không bị nhiễu
loạn và chuyển động nhiễu loạn. Chuyển động trong điều kiện khí tượng tiêu chuẩn
và lập bảng gọi là chuyển động không bị nhiễu loạn. Quỹ đạo chuyển động của đạn
trong trường hợp này gọi là quỹ đạo tiêu chuẩn (hay quỹ đạo không nhiễu loạn, quỹ
đạo danh nghĩa). Tuy nhiên, trong thực tế đạn chuyển động dưới tác động của nhiều
yếu tố trong đó có nhiều yếu tố phụ không được kể tới hoặc không thể xét một cách
cụ thể khi giải bài toán chuyển động cho đạn (ví dụ: sai lệch của nhiệt độ so với qui
luật chuẩn; những thay đổi như của lực đẩy động cơ; gió giật;...). Các yếu tố này gọi
là các nhiễu loạn và làm cho đạn không chuyển động theo quỹ đạo tiêu chuẩn. Trong
trường hợp này, quỹ đạo chuyển động của đạn được gọi là quỹ đạo bị nhiễu loạn .
Khái niệm chuyển động nhiễu loạn liên quan đến tính ổn định của đạn. Theo
lý thuyết nghiên cứu về tính ổn định chuyển động của vật rắn: chuyển động của một
vật được gọi là ổn định nếu nó có tính chất quay về chuyển động không nhiễu loạn
sau khi ngừng tác động của các yếu tố nhiễu loạn. Trên hình 1.1 a), đường liền nét

biểu diễn quỹ đạo tương ứng với chuyển động không nhiễu loạn. Giả sử trên đoạn
AB của quỹ đạo có một vài nhiễu loạn làm đạn chuyển động theo đường AB’ lệch
đi so với quỹ đạo AB. Nếu theo những qui định khắt khe của lý thuyết ổn định
chuyển động vật rắn thì chuyển động của đạn được coi là ổn định nếu sau khi ngừng
tác động của nhiễu loạn ở điểm B’ thì quỹ đạo chuyển động nhiễu loạn sẽ tiến dần
đến quỹ đạo tiêu chuẩn và trùng với nó ở điểm D nào đó.
Thực tế thấy rằng, ngay cả đối với những loại tên lửa tiên tiến nhất cũng
không thể đảm bảo được những điều kiện như vậy vì do những sai số tự bản thân
của nó. Không một hệ thống tên lửa nào có thể chống lại hoàn toàn các nhiễu loạn.
Chính vì vậy, khi nói đến tính ổn định chuyển động đạn có thể hiểu đó là một miền
ổn định chuyển động. Dưới các tác động nhiễu loạn, quỹ đạo thực không bị sai lệch
so với quỹ đạo tiêu chuẩn vượt quá một giới hạn cho phép nào đó. Trên hình 1.1 b),
hai đường đứt đoạn giới hạn vùng chuyển động ổn định của đạn. Khi xét tại một


5
điểm S trên quỹ đạo và kí hiệu sai lệch cho phép tại điểm đó là  thì đạn sẽ được coi
là ổn định nếu không có một quỹ đạo nào đi ra khỏi đường tròn bán kính .

a)
b)
Hình 1.1. Mô tả quỹ đạo chuyển động của đạn
a. Tiêu chuẩn chuyển động ổn định; b. Vùng chuyển động ổn định

Khái niệm sự ổn định chuyển động của đạn là cơ sở để đặt ra yêu cầu cho các
biện pháp bảo đảm giữ đạn trên quỹ đạo ở vị trí đúng với hướng chuyển động. Để
thấy rõ bản chất vật lý của các biện pháp này, ta xét một viên đạn hình trụ trước hết
coi như chưa có chuyển động quay quanh trục đối xứng và cũng chưa có cánh. Khi
chuyển động trong không khí trong trường hợp tổng quát trục đạn lệch khỏi hướng
của véc tơ tốc độ khối tâm v một góc  (hình 1.2).

MR

L

R



R

v

o
o

Lta
Ltk

Hình 1.2. Sơ đồ mô tả tác động của lực khí động lên đạn
O – Khối tâm; O’ – Tâm cản; Lta – Khoảng cách từ đỉnh đạn tới tâm cản;
Ltk – Khoảng cánh từ đỉnh đạn đến khối tâm; L – Chiều dài viên đạn.

Trong trường hợp này lực cản khí động R đặt tại tâm cản O’ nằm giữa đỉnh
đạn và khối tâm và nó tạo ra một mô men lật MR đối với khối tâm và có xu hướng


6
lật nhào đạn trong không gian. Để bảo đảm đạn bay ổn định, nghĩa là trong quá
trình chuyển động mũi đạn luôn luôn hướng về phía trước và sai lệch quỹ đạo thực

so với quỹ đạo tiêu chuẩn không vượt quá một giới hạn cho phép, đạn thường được
tạo chuyển động quay trên quỹ đạo.
Hiện nay thường sử dụng hai phương pháp để ổn định cho tên lửa không điều
khiển: ổn định bằng cánh và ổn định bằng phương pháp quay nhờ góc nghiêng loa phụt.
1.2. Phƣơng pháp ổn định bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa phụt
1.2.1. Bản chất sự ổn định cho tên lửa quay nhờ loa phụt
Phương pháp ổn định này dựa trên cơ sở của hiệu ứng con quay, nghĩa là tạo
cho đạn tốc độ quay cần thiết khi chuyển động trên quỹ đạo bay.
Để tìm hiểu về hiệu ứng con quay, khảo sát con quay trong 2 trường hợp:
con quay đứng yên và trường hợp có chuyển động quay [1], [2].
Khi chưa có tốc độ quay (hình 1.3, a), dưới tác động của trọng lực (q) sẽ tạo
ra mô men trọng lực (Mq ). Mô men này không thay đổi về hướng nên làm cho góc
trương động () tăng dần và kết quả là con quay đổ xuống.

Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý về hiệu ứng con quay
a. Con quay đứng yên; b. Con quay tham gia hai chuyển động quay
- góc trương động;  - tốc độ quay quanh trục con quay;
 0 - tốc độ quay quanh trục cân bằng;
Mq - mô men trọng lực; q - trọng lực tác dụng lên con quay

Khi con quay quay nhanh với tốc độ  xung quanh trục của nó (tốc độ quay
riêng), dưới tác dụng của mô men trọng lực sẽ tạo ra chuyển động đảo phức tạp


7
(chuyển động tiến động) quanh trục thẳng đứng với tốc độ quay  0 (hình 1.3, b).
Trục của con quay sẽ tạo ra một mặt nón nào đó. Tốc độ quay của con quay đối với
hệ quy chiếu cố định ( 1 ) bằng:

1    0 .

Do tốc độ quay tiến động có giá trị rất nhỏ so với tốc độ quay riêng nên véc
tơ mô men động lượng hướng gần theo trục của con quay. Hiện tượng con quay
quay nhanh không bị đổ được giải thích trên cơ sở những kết luận sau đây của cơ
học lý thuyết:
- Nếu tác dụng lực vuông góc vào trục của con quay đang quay nhanh thì
trục của con quay không chuyển động theo hướng của lực mà quay trong mặt phẳng
thẳng góc với lực theo hướng của véc tơ mô men của lực đối với điểm cố định;
- Trục của con quay đang quay nhanh có tính chất ổn định đối với xung
lượng của các lực tác dụng tức thời.
Sau đây sẽ nghiên cứu ứng dụng kết luận trên vào mô hình chuyển động của
đạn trên đường bay trong hai trường hợp tên lửa không quay và tên lửa có chuyển
động quay nhanh.
a. Trường hợp tên lửa không quay (hình 1.2)
Như đã trình bày ở trên, đối với tên lửa không có cánh, do tâm cản (O’) nằm
,

trước khối tâm (O) nên khi dời lực cản R về khối tâm sẽ nhận được một lực ( R )
và mô men ( M R - mô men khí động). Dưới tác dụng của mô men lật này trị tuyệt
đối của góc trương động sẽ tăng dần làm cho tên lửa bị lật hoặc bị gục trên đường bay.
b. Trường hợp đạn-tên lửa có chuyển động quay xung quanh trục của nó
với tốc độ



(hình 1.4)

Khi tên lửa có chuyển động quay nhanh xung quanh trục của nó với tốc độ

 , do sự không đối xứng về hình học; về khối lượng của tên lửa xung quanh trục
của nó và sự phân bố không đồng đều các thông số khí động xung quanh nên nó

không chỉ chuyển động quay quanh trục mà còn đồng thời bị đảo xung quanh vị trí
cân bằng. Vì thế, theo nguyên lý của hiệu ứng con quay mặc dù chịu tác dụng của
lực cản không khí R song tên lửa vẫn không bị lật hay bị gục trên đường bay.


8

Hình 1.4. Sự ổn định chuyển động của tên lửa khi có chuyển động quay
Để đảm bảo cho tên lửa quay ổn định trên đường bay, cần phải tạo cho nó
tốc độ quay khoảng 20.000 - 30.000 vòng/phút. Khi đó các loa phụt phải đặt
nghiêng so với trục của tên lửa một góc xác định ( - hình 1.5).
Tuy nhiên: nếu  lớn thì tên lửa sẽ ổn định tốt trên đoạn thẳng quỹ đạo (ổn
định con quay) song lại kém ổn định trên đoạn cong (ổn định định hướng). Trường
hợp  nhỏ thì sẽ không đảm bảo yêu cầu ổn định trên đoạn thẳng của quỹ đạo.

Hình 1.5. Sơ đồ biểu diễn góc nghiêng  của loa phụt
P - Lực đẩy; P1 và P2 – các thành phần lực đẩy dọc trục và pháp tuyến
1.2.2. Tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay quanh trục
Theo các tài liệu [1], [2], [6], [9], thực chất của việc tính toán ổn định chuyển
động của tên lửa quay là xác định góc nghiêng . Góc  được xác định theo điều
kiện đồng thời đảm bảo ổn định chuyển động trên đoạn thẳng (ổn định con quay) và
ổn định trên đoạn cong của quỹ đạo (ổn định định hướng):

 min     max ,

(1.1)

tg min  tg  tg max ,

(1.2)

hay


Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full