luận án tiến sĩ nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của khoang điều khiển đến ổn định bay của đạn phản lực
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.44 MB, 197 trang )
BỘ
GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
TRẦN XUÂN DIỆU
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA KHOANG ĐIỀU KHIỂN
ĐẾN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI - 2021
BỘ
GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
BỘ QUỐC PHÒNG
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ
TRẦN XUÂN DIỆU
NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA KHOANG ĐIỀU KHIỂN
ĐẾN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 9 52 01 01
LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1.
TS Nguyễn Phú Thắng
2.
TS Phan Văn Chương
HÀ NỘI - 2021
i
LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu,
kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai cơng bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ.
Hà Nội, ngày .....tháng .....năm 2021
TÁC GIẢ LUẬN ÁN
Trần Xuân Diệu
ii
LỜI CẢM ƠN
Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc đến các
thầy hướng dẫn TS Nguyễn Phú Thắng, Viện Tên lửa-Viện Khoa học và Công
nghệ Quân sự và TS Phan Văn Chương, Viện Khoa học và Công nghệ Quân
sự đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tác
giả hoàn thành luận án này.
Tác giả xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Cơng nghệ
Qn sự, Viện Tên lửa và Phịng Đào tạo đã tạo điều kiện thuận lợi nhất để tác
giả hoàn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận
án.
Tác giả xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, các nhà khoa học trong và
ngoài quân đội, các đồng nghiệp, gia đình và người thân đã động viên khích
lệ, tận tình giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình làm luận án.
Tác giả
Trần Xuân Diệu
iii
MỤC LỤC
Trang
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT..................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG..................................................................................................... xiii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ............................................................................................... xv
MỞ ĐẦU............................................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC
LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN............................................................................................... 6
1. 1. Các vấn đề chung liên quan đến ổn định bay của đạn phản lực.............6
1.1.1. Khái niệm chung về ổn định bay......................................................................... 6
1.1.2. Đặc điểm ổn định bay của đạn phản lực.......................................................... 7
1.2. Các phương pháp nghiên cứu ổn định bay của đạn phản lực.................11
1.2.1. Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo các chuyển động
thuần túy
11
1.2.2. Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo điều kiện ổn định...........16
1.2.3. Phương pháp nghiên cứu ổn định bay bằng giải hệ phương trình
vi phân mơ tả chuyển động bay 19
1.3. Mối quan hệ giữa ổn định và khả năng điều khiển đạn.............................21
1.3.1. Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D........................................................ 21
1.3.2. Tính cơ động................................................................................................................ 22
1.3.3. Hiệu quả điều khiển.................................................................................................. 22
1.4. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ổn định của đạn phản lực lắp
KĐK 22
1.4.1. Tình hình nghiên cứu nước ngồi..................................................................... 22
1.4.2. Tình hình nghiên cứu trong nước...................................................................... 26
iv
1.5. Những vấn đề tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án..........................28
1.5.1. Những vấn đề tồn tại................................................................................................ 28
1.5.2. Hướng nghiên cứu của luận án........................................................................... 29
Kết luận chương 1.................................................................................................................. 30
CHƯƠNG 2. XÂY DỰNG MƠ HÌNH KẾT CẤU, MƠ HÌNH TỐN
CHUYỂN ĐỘNG BAY VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN
PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN.............................................................. 31
2.1. Mơ hình kết cấu của đạn phản lực lắp KĐK................................................... 31
2.1.1. Kết cấu và nguyên lý làm việc của đạn phản lực...................................... 31
2.1.2. Kết cấu sơ bộ và nguyên lý làm việc của đạn phản lực 122mm
lắp KĐK............................................................................................................................ 35
2.2. Mơ hình chuyển động của đạn phản lực lắp KĐK...................................... 38
2.2.1. Mơ hình tốn của đạn chuyển động trong ống phóng............................39
2.2.2. Mơ hình tốn của đạn chuyển động bay trên quỹ đạo............................ 41
2.3. Xây dựng điều kiện ổn định bay........................................................................... 55
2.3.1. Xây dựng phương trình chuyển động bay của đạn theo góc tấn
phức..................................................................................................................................... 56
2.3.2. Tuyến tính hóa phương trình chuyển động biến góc tấn phức...........60
2.3.3. Thiết lập điều kiện ổn định bay.......................................................................... 62
Kết luận chương 2.................................................................................................................. 66
CHƯƠNG 3. KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH
BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN......................... 68
3.1. Xây dựng cơ sở xác định các thông số cơ bản cho mơ hình tốn......68
3.1.1. Cơ sở phương pháp xác định hệ số khí động.............................................. 68
v
3.1.2. Phương án xác định và xử lý hệ số khí động.............................................. 71
3.2. Xác định hệ số khí động và các thơng số động học của đạn ở
miệng ống phóng.......................................................................................................... 73
3.2.1. Xác định hệ số khí động của đạn....................................................................... 73
3.2.2. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động
của đạn và xác định các thông số ổn định Ssd và Sss.................................. 77
3.2.3. Xác định các thông số động học của đạn ở miệng ống phóng...........80
3.3. Kiểm định mơ hình tốn mơ tả chuyển động bay và điều kiện ổn
định bay của đạn phản lực lắp KĐK.................................................................. 81
3.3.1. So sánh kết quả giải hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động
bay của đạn phản lực 122 mm với tài liệu [1]............................................... 81
3.3.2. So sánh phương pháp điều kiện ổn định bay với mô phỏng quỹ
đạo đạn bằng hệ phương trình vi phân chuyển động bay của đạn......86
3.3.3. So sánh kết quả của phương pháp được xây dựng trong luận án
với tài liệu cơng bố ở nước ngồi........................................................................ 91
Kết luận chương 3.................................................................................................................. 96
CHƯƠNG 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THÔNG SỐ
KẾT CẤU CƠ BẢN CỦA KHOANG ĐIỀU KHIỂN ĐẾN ỔN ĐỊNH
BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC................................................................................................ 98
4.1. Đánh giá khả năng điều khiển mơ hình cơ sở của đạn phản lực
122mm lắp KĐK.......................................................................................................... 98
4.1.1. Độ dự trữ ổn định tĩnh............................................................................................. 98
4.1.2. Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D, hệ số tải nm............................99
4.1.3. Chỉ số hiệu quả điều khiển CE......................................................................... 100
4.2. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của KĐK
vi
đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK 101
4.2.1. Ảnh hưởng của góc lật cánh lái....................................................................... 101
4.2.2. Ảnh hưởng của vị trí đặt cánh.......................................................................... 106
4.2.3. Ảnh hưởng của diện tích cánh lái................................................................... 109
4.2.4. Ảnh hưởng của khối lượng KĐK................................................................... 112
4.2.5. Ảnh hưởng của vị trí tâm khối KĐK............................................................ 115
4.2.6. Ảnh hưởng của góc cơn phần mũi KĐK.................................................... 117
Kết luận chương 4............................................................................................................... 121
KẾT LUẬN.................................................................................................................................... 124
DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ...........................126
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................... 127
vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Ý nghĩa, đơn vị
C*
Ký hiệu của hệ số khí động khơng thứ nguyên
C
Hệ số lực cản khí động
D
CE
Hệ số hiệu quả điều khiển
C
Hệ số mơ men khí động do góc nghiêng cánh
C
l
Hệ số lực nâng khí động
L
Đạo hàm hệ số lực nâng khí động theo góc tấn
Clp
L
Hệ số mơ men giảm chấn xoắn
CM
Hệ số mơ men chúc ngóc
C
Đạo hàm hệ số mơ men chúc ngóc theo góc tấn
C
C
M
Hệ số lực mơ men pháp tuyến khí động của cặp cánh lái
M
CMp
C
C
Mq
Hệ số mơ men Magnus
M
Hệ số mơ men cản chúc ngóc và liệng
CN
Hệ số lực pháp tuyến khí động
C
Đạo hàm hệ số lực pháp tuyến khí động theo góc tấn
C
N
Hệ số lực pháp tuyến khí động của cặp cánh lái Hệ
N
CN
c
số lực pháp tuyến khí động của mỗi cánh
cR
Hệ số mơ men ma sát khô của khớp quay đồng trục, [m]
cV
Hệ số mô men ma sát nhớt của khớp quay đồng trục,
Cyp
[N.m.s] Hệ số lực Magnus
d
Cỡ đạn, [m]
DF, DA
Lực cản khí động phần trước và phần sau, [N]
FC
Lực khí động pháp tuyến của cánh lái tác động lên đạn, [N]
F
Lực đẩy trung bình của động cơ, [N]
F
dc
Lực đẩy động cơ, [N]
dc
viii
fdc*
Lực đẩy động cơ không thứ nguyên
FN
Lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt khớp quay đồng trục, [N]
G
Lực trọng trường tác dụng lên đạn, [N]
g
Gia tốc trọng trường, [m/s2]
g*
Gia tốc trọng trường không thứ nguyên
I,J,K
Các véc-tơ chỉ phương đơn vị trong hệ quy chiếu quán tính
Oxyz
ib, jb, kb
Các véc-tơ chỉ phương đơn vị trong hệ quy chiếu gắn liền của
phần trước Obxbybzb
IF, IA
Ma trận quán trính khối lượng của phần trước và phần sau
trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định
ikn
Véc-tơ chỉ phương ik được viết trong hệ quy chiếu mặt phẳng
cố định
in, jn, kn
Các véc-tơ chỉ phương đơn vị trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố
định Onxnynzn
Isp
Xung lượng riêng của động cơ, [s]
I xF , IxA
Mô men quán tính trục của phần trước và phần sau, [kg.m2]
Iy
Mơ men quán tính xích đạo của đạn, [kg.m2]
I yF , I yA
Mơ men qn tính xích đạo của phần trước và phần sau,
[kg.m2]
KF KA
kt
Bán kính hồi chuyển ngang, [m]
kx, ky
Bán kính quán tính theo các trục x, y, [m]
l
Chiều dài tham chiếu, l = d [m]
L
Tổng mô men tác dụng lên đạn quanh trục dọc của đạn, [N.m]
L
Đạo hàm tổng mô men quanh trục đạn theo , [1/s2]
L/D
Tỷ số lực nâng và lực cản khí động
ix
LF, LA
Lực nâng khí động phần trước và phần sau, [N]
Lop
Chiều dài ống phóng, [m]
Lp
Đạo hàm tổng mơ men quanh trục đạn theo p, [1/s]
l
Chiều dài của đạn, [m]
t
m
M
Khối lượng đạn, [kg]
mA
Khối lượng phần sau, [kg]
MC
Mơ men khí động pháp tuyến của cánh lái tác động lên đạn
Tổng mô men khí động tác động lên đạn, [N.m]
[N.m]
md
Khối lượng của đạn ban đầu, [kg]
mF
Khối lượng phần trước, [kg]
M mF , M mA
Mô men Magnus tác động lên phần trước và phần sau, [N.m]
M Fpd ,M Apd
Mơ men cản chúc ngóc và liệng tác động lên phần trước và
phần sau, [N.m]
M Fp ,M Ap
Mơ men chúc ngóc tác động lên phần trước và phần sau, [N.m]
M
Mơ men cản chúc ngóc và liệng, [N.m]
q
M
M rcA
Mơ men khí động tác động lên đạn do cánh nghiêng, [N]
M rdF ,M rdA
Mô men giảm chấn xoắn do cánh tác động lên phần trước và
phần sau, [N.m]
MS
Mô men ma sát của khớp quay đồng trục, [N.m]
mtp
Khối lượng của thuốc phóng, [kg]
A
A
A
Các mơ men khí động tác động lên phần sau, [N]
M x , M y ,M z
F
F
F
Các mơ men khí động tác động lên phần trước, [N]
nm
Hệ số tải
N
Phản lực của rãnh dẫn tác dụng lên chốt dẫn của đạn,
M x , M y ,M z
rx
Oxyz
b b b b
[N] Hệ quy chiếu gắn liền của phần trước
Okxkykzk
Oxyz
n n n n
Oxyz
P
p, q, r
pF, pA
Rn
R
nb
S
s
SC
Sd
S
d
Sg
S
g
SM
S ,S
sd
ss
tC
t
ch
u, v, w
V
XA, YA, ZA
xC
x
CG
xi
xCGA
Khoảng cách từ mũi đạn đến tâm khối phần sau, [m]
xCGF
Khoảng cách từ mũi đạn đến tâm khối phần trước, [m]
xE, yE, zE
Các thành phần của tọa độ tâm khối đạn trong hệ quy chiếu
quán tính, [m]
xF, xA
Khoảng cách từ tâm khối phần trước và phần sau so với tâm
khối đạn, [m]
XF, YF, ZF
Các thành phần của lực tác động lên phần trước, [N]
Xt
Khoảng cách từ tâm khối đến tâm áp đạn, [m]
Góc tấn, [rad]
e
Góc tấn cân bằng [rad], [độ]
e
Góc trượt cạnh cân bằng [rad], [độ]
n
Góc tấn trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định [rad], [độ]
ne
Góc tấn cân bằng trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định [rad],
[độ]
t
Góc tấn tổng quát [rad], [độ]
Góc trượt cạnh, [rad]
n
Góc trượt cạnh trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định [rad],
[độ]
ne
Góc trượt cạnh cân bằng trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định
[rad], [độ]
Góc lật cánh lái, [rad]
C
i
rx
y
z
Biên độ góc lật cánh lái, [rad], [độ]
Góc lật của các cánh lái thứ i, [rad]
Góc nghiêng của rãnh xoắn ống phóng với trục dọc, [rad]
Góc lật cánh trung bình của cặp cánh 1 và 3, [rad]
Góc lật cánh trung bình của cặp cánh 2 và 4, [rad]
xii
F, A
Góc quay quanh trục dọc của phần trước và phần sau,
φC
[rad] Góc pha ban đầu của góc lật cánh lái, [rad], [độ]
Vận tốc đạn không thứ nguyên theo trục
Oxn Tốc độ góc phức
rx
Hệ số ma sát trượt giữa chốt dẫn hướng với bề mặt rãnh xoắn
ống phóng
T
Góc quỹ đạo, [rad]
Mật độ khơng khí, [kg/m3]
Nửa góc cơn phần mũi khoang điều khiển,
[độ] Tần số tự nhiên, [rad/s]
ω
op
Tốn tử sóng của véc-tơ vận tốc góc
A
Vận tốc góc quay quanh trục dọc của phần sau, [rad/s]
Góc tấn phức
R
Góc bình ổn, [rad]
Hệ số giảm chấn
KĐK
Khoang điều khiển
Mach
Hệ số Mach
xiii
DANH MỤC CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Một số thông số kỹ thuật của đạn phản lực 122mm [1], [19]............32
Bảng 2.2. Một số thông số kỹ thuật của đạn phản lực 122mm lắp KĐK..........37
Bảng 3.1. Các ký hiệu trong MISSILE DATCOM........................................................ 69
Bảng 3.2. Các thông số vật lý của đạn phản lực 122mm........................................... 74
Bảng 3.3. Các thông số vật lý của đạn phản lực 122mm lắp KĐK......................75
Bảng 3.4. Hệ số khí động mơ hình cơ sở đạn phản lực 122mm.............................76
Bảng 3.5. Hệ số khí động mơ hình cơ sở đạn phản lực 122mm lắp KĐK......77
Bảng 3.6. Các thơng số của ống phóng đạn phản lực 122mm lắp KĐK...........80
Bảng 3.7. Mật độ không khí và tốc độ âm thanh theo độ cao.................................. 83
Bảng 3.8. So sánh các thơng số tính tốn với bảng bắn.............................................. 85
Bảng 3.9. Các thông số vật lý của đạn pháo 155mm lắp KĐK [61]....................91
Bảng 3.10. Các hệ số khí động của đạn pháo 155mm lắp KĐK [61]..................92
o
Bảng 3.11. Thông số động học và ổn định của đạn với φC = 180 và
C
Bảng 3.12. Thông số động học và ổn định của đạn với φC = 0o và
o
= 12 .. 94
C
= 12o...96
Bảng 4.1. Thông số đánh giá khả năng điều khiển của mơ hình cơ sở đạn
phản lực 122mm lắp KĐK
100
Bảng 4.2. Các thông số đánh giá khả năng điều khiển khi thay đổi vị trí
đặt cánh lái 107
Bảng 4.3. Thời điểm mất ổn định khi khảo sát vị trí đặt cánh lái....................... 108
Bảng 4.4. Các thông số đánh giá khả năng điều khiển khi thay đổi diện
tích cánh lái 110
Bảng 4.5. Thời điểm mất ổn định khi thay đổi diện tích cánh lái.......................111
Bảng 4.6. Lượng thay đổi của các hệ số mô men theo khối lượng KĐK.....112
Bảng 4.7. Các thông số đánh giá khả năng điều khiển khi thay đổi khối
lượng KĐK 113
Bảng 4.8. Tầm bắn thay đổi khi thay đổi khối lượng KĐK................................... 114
xiv
Bảng 4.9. Thời điểm mất ổn định khi thay đổi khối lượng KĐK....................... 114
Bảng 4.10. Lượng thay đổi của các hệ số mơ men theo vị trí tâm khối
KĐK 115
Bảng 4.11. Các thông số đánh giá khả năng điều khiển khi thay đổi vị trí
tâm khối KĐK
116
Bảng 4.12. Thời điểm mất ổn định khi thay đổi vị trí tâm khối KĐK..............116
Bảng 4.13. Hệ số lực cản khí động CD với nửa góc cơn phần mũi KĐK.....119
Bảng 4.14. Tầm bắn thay đổi với nửa góc cơn phần mũi KĐK...........................119
Bảng 4.15. Hệ số tải nm thay đổi với nửa góc cơn phần mũi KĐK....................120
Bảng 4.16. Thời điểm mất ổn định với nửa góc cơn phần mũi KĐK...............121
xv
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Trang
Hình 1.1. Các dạng ứng xử của đạn trên quỹ đạo............................................................. 7
Hình 1.2. Mơ tả quỹ đạo chuyển động của đạn.................................................................. 8
Hình 1.3. Phương pháp ổn định đạn bằng cánh................................................................. 9
Hình 1.4. Phương pháp ổn định đạn bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa
phụt 9
Hình 1.5. Mơ hình đạn phản lực 122mm lắp KĐK....................................................... 10
Hình 1.6. Mơ hình tên đạn trong mặt phẳng dọc............................................................ 11
Hình 2.1. Cấu tạo đạn phản lực 122mm.............................................................................. 31
Hình 2.2. Phần chiến đấu của đạn phản lực 122mm.................................................... 32
Hình 2.3. Phần động cơ của đạn phản lực 122mm........................................................ 33
Hình 2.4. Bộ phận ổn định của đạn phản lực 122mm.................................................. 34
Hình 2.5. Các thành phần chính của KĐK........................................................................ 36
Hình 2.6. Cấu trúc ngồi của đạn phản lực 122mm lắp KĐK................................. 36
Hình 2.7. Mơ hình hình học của đạn phản lực lắp KĐK............................................ 39
Hình 2.8. Mơ hình lực tác dụng lên chốt dẫn hướng của đạn.................................. 40
Hình 2.9. Mơ hình đạn lắp KĐK và quy ước các hệ quy chiếu..............................42
Hình 2.10. Góc tấn
n
và góc trượt cạnh
n
trong hệ quy chiếu mặt phẳng
cố định
44
Hình 2.11. Quy ước dấu của các góc lật cánh lái........................................................... 46
Hình 2.12. Lực khí độngcủa cánh lái lên mũi đạn......................................................... 48
Hình 2.13. Vùng ổn định của đạn........................................................................................... 65
Hình 3.1. Mối quan hệ của các hệ số tương tác với rt / sw hoặc rt / sT...............70
Hình 3.2. Mơ hình cơ sở của đạn phản lực 122mm lắp KĐK................................. 73
Hình 3.3. Mơ hình 3D của đạn phản lực 122mm lắp KĐK...................................... 74
Hình 3.4. Mơ hình cơ sở của đạn phản lực 122mm lắp KĐK................................. 76
xvi
Hình 3.5. Sơ đồ thuật tốn giải hệ phương trình vi phân chuyển động của
đạn
78
Hình 3.6. Sơ đồ thuật tốn giải xác định các thông số ổn định Ssd và Sss..........79
Hình 3.7. Vận tốc và tốc độ quay quanh trục phần sau trong ống phóng..........80
Hình 3.8. Vận tốc và tốc độ quay quanh trục của đạn phản lực 122mm
trong ống phóng
81
Hình 3.9. Quy luật của lực đẩy động cơ theo thời gian.............................................. 84
Hình 3.10. Quỹ đạo đạn trong mặt phẳng bắn với các góc bắn khác nhau.....84
Hình 3.11. Góc tấn và góc trượt cạnh với góc bắn 49,98o......................................... 86
Hình 3.12. Cao độ theo thời gian và theo tầm của đạn khơng điều khiển.........87
Hình 3.13. Vận tốc tổng qt và góc quỹ đạo của đạn khơng điều khiển.........87
Hình 3.14. Góc tấn và góc trượt cạnh đạn khơng điều khiển................................... 88
Hình 3.15. Góc tấn và góc trượt cạnh gần miệng ống phóng.................................. 88
Hình 3.16. Tốc độ quay quanh trục của phần trước và phần sau đạn khơng
được điều khiển
89
Hình 3.17. Thơng số ổn định Ssd và Sss theo thời gian................................................ 89
Hình 3.18. Góc tấn và góc trượt cạnh với φC =180o và
= 12o............................90
C
o
Hình 3.19. Mất ổn định ở góc tấn và góc trượt cạnh với φC =180 và
Hình 3.20. Thơng số ổn định Ssd và Sss với φC =180o và
Hình 3.21. Góc tấn và góc trượt cạnh với φC = 180o và
C
C
C
o
= 12 . 90
= 12o......................... 91
= 12o..........................93
o
Hình 3.22. Chuyển động góc của đạn pháo 155mm với φC = 180 và
C
o
= 12 . 93
Hình 3.23. Tốc độ thay đổi của góc trượt cạnh so với tốc độ góc yaw theo
thời gian với φC = 180o và
Hình 3.24. Góc tấn và góc trượt cạnh của đạn với φC = 0o và
C
C
= 12o
94
= 12o..............95
Hình 3.25. Chuyển động góc của đạn với φC = 0o và
C
= 12o................................95
Hình 3.26. Góc tấn và góc trượt cạnh với φC = 0o và
C
= 12o................................96
Hình 4.1. Độ dự trữ ổn định tĩnh SM.................................................................................... 98
xvii
Hình 4.2. Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D........................................................ 99
Hình 4.3. Góc tấn và góc trượt cạnh cân bằng với φC = 270o và
C
= 10o....100
Hình 4.4. Thơng số ổn định Ssd và Sss với φC = 180o................................................ 103
Hình 4.5. Thơng số ổn định Ssd với φC = 180o và
C
= 8,81o................................. 104
Hình 4.6. Thơng số ổn định Ssd và Sss theo thời gian φC = 270o.......................... 104
Hình 4.7. Thông số ổn định Ssd và Sss theo thời gian φC = 90o............................ 105
Hình 4.8. Vị trí đặt cánh lái..................................................................................................... 106
Hình 4.9. Thơng số ổn định Ssd theo xC với góc lật cánh lái
C
= 10o...............108
Hình 4.10. Thay đổi diện tích cánh lái.............................................................................. 109
Hình 4.11. Thơng số ổn định Ssd theo SC với góc lật cánh lái
C
= 10o............111
Hình 4.12. Các vị trí của khối tâm đạn khi thay đổi khối lượng KĐK............113
Hình 4.13. Thơng số ổn định Ssd theo mF với góc lật cánh lái
C
= 10o...........114
Hình 4.14. Các vị trí của khối tâm đạn khi thay đổi vị trí khối tâm KĐK....115
Hình 4.15. Thơng số ổn định Ssd theo xCGF với góc lật cánh lái
C
= 10o........116
Hình 4.16. Các kích thước phần mũi KĐK.................................................................... 117
Hình 4.17. Giới hạn nửa góc cơn phần mũi đạn........................................................... 119
Hình 4.18. Thơng số ổn định Ssd theo nửa góc mũi KĐK với góc lật cánh
lái
C
= 10o 120
1
MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của đề tài luận án
Đạn phản lực là loại hỏa lực phổ biến trong các cuộc giao tranh. Nó có
thể áp chế và gây thiệt hại lớn cho đối phương. Tuy nhiên, loại đạn này
thường có độ tản mát lớn dẫn đến hiệu quả chiến đấu không cao thường tiêu
tốn nhiều đạn và tăng thời gian tác chiến. Với các yêu cầu ngày càng cao về
độ chính xác trong tác chiến hiện đại, đạn phản lực khơng điều khiển phóng
loạt và phóng đơn có xu hướng tăng tầm bắn (đạt đến khoảng 100km) và mở
rộng đối tượng tác chiến từ các mục tiêu diện sang các mục tiêu nhỏ (sai lệch
5-7m). Xu hướng cải tiến đạn phản lực thành đạn có điều khiển được nhiều
tác giả tập trung nghiên cứu bởi đây là hướng đi phù hợp bởi nó vừa giải
quyết được lượng đạn đang tồn kho lớn vừa tận dụng được thành quả của sự
phát triển của khoa học cơng nghệ trong đó có cơng nghệ vi mạch có thể chế
tạo ra các cảm biến và thiết bị có kích thước nhỏ, chịu được q tải trong q
trình phóng, cùng với khả năng định vị tồn cầu chính xác.
Nhu cầu cải tiến các vũ khí trang bị của quân đội ta đang được bộ quốc
phòng khuyến khích và đặt hàng các viện nghiên cứu. NCS cùng với nhóm
nghiên cứu đã thực hiện một số cơng trình nghiên cứu nền liên quan đến cải
tiến tăng độ chính xác cho đạn phản lực 122mm theo hướng lắp thêm KĐK để
hiệu chỉnh quỹ đạo, các cơng trình này bước đầu đánh giá được tính khả thi
của việc lắp KĐK cho loại đạn này dựa trên các kết quả về ngun lý kết cấu,
mơ hình động lực học và đánh giá khả năng điều khiển. Tuy nhiên, còn nhiều
vấn đề cần tiếp tục bổ sung và hoàn thiện như: nghiên cứu xây dựng và hồn
thiện mơ hình tốn đạn chuyển động trên quỹ đạo, xây dựng điều kiện ổn định
bay của đạn, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ
bản của KĐK đến ổn định bay của đạn...
Do đặc thù về quân sự, các tài liệu chuyên sâu liên quan đến cải tiến lắp
KĐK cho đạn phản lực hầu như không được công bố, có một số tài liệu tham
2
khảo chỉ đưa ra kết quả cuối cùng mà không dẫn giải kỹ lưỡng, hoặc đưa ra
các nguyên lý chung chung mang tính chất quảng bá, chào bán sản phẩm. Vì
vậy, các vấn đề liên quan đến đạn phản lực lắp KĐK cần được nghiên cứu
mang tính chất hệ thống sẽ rất có ý nghĩa thực tiễn và có tính chất cấp thiết
đối với quân đội ta.
Giải pháp lắp thêm KĐK thay thế cho ngòi cũ của đạn phản lực và sử
dụng khớp quay đồng trục để tách chuyển động quay quanh trục giữa KĐK và
đạn phản lực truyền thống được đánh giá là hợp lý bởi nó khơng gây tác động
lớn đến đạn nguyên bản và thiết bị phóng. Với kết cấu này, trong khi phần
thân đạn là đạn phản lực truyền thống vẫn được quay với tốc độ như được
thiết kế ngun bản để trung bình hóa các sai số thì KĐK sẽ được kiểm sốt
chuyển động quay quanh trục độc lập để thực hiện chức năng hiệu chỉnh quỹ
đạo. Khi đạn được lắp thêm KĐK thì một loạt các vấn đề phải nghiên cứu bởi
KĐK đã làm thay đổi mơ hình động lực học của đạn, bổ sung cho đạn một bậc
tự do cho chuyển động trên quỹ đạo (từ một vật bay 6 bậc tự do thành cơ hệ 7
bậc tự do), ngoài ra KĐK đã làm thay đổi trọng tâm và đặc tính khí động vốn
có của quả đạn.
Một vấn đề được quan tâm đầu tiên và cũng được nhiều tác giả nghiên
cứu đó là ổn định bay của đạn khi lắp thêm KĐK. Điều kiện ổn định bay của
đạn 6 bậc tự do trong đó có cả đạn phản lực đã được nghiên cứu hồn thiện,
xong với đạn 7 bậc tự do vẫn cịn nhiều vấn đề cần hồn thiện và có sức hút
lớn. Ngồi ra, khác với tên lửa có thể điều khiển định dạng quỹ đạo (trajectory
shaping) và có thể điều khiển khi bản thân tên lửa không đảm bảo ổn định tĩnh
thì đạn phản lực lắp KĐK chỉ thực hiện chức năng hiệu chỉnh quỹ đạo nên đạn
phải đảm bảo ổn định trong quá trình bay và phải đảm bảo ổn định khi lực
điều khiển sinh ra ở cánh lái tác động bởi lực điều khiển là nguyên nhân gây
ra mất ổn định bay. Do đó vấn đề ổn định bay của loại đạn này phải được
nghiên cứu kỹ lưỡng trong thiết kế cải tiến.
3
Từ các phân tích trên và với mong muốn hồn thiện và bổ sung cơ sở lý
thuyết phục vụ tính toán, thiết kế, chế tạo cải tiến đạn phản lực theo hướng lắp
KĐK, NCS đã lựa chọn đề tài luận án: "Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của
một số thông số kết cấu cơ bản của khoang điều khiển đến ổn định bay của
đạn phản lực".
2. Mục tiêu nghiên cứu
Hoàn thiện mơ hình tốn mơ tả chuyển động bay, xây dựng điều kiện ổn
định bay và đánh giá ảnh hưởng của một số thông số kết cấu của KĐK đến ổn
định bay của đạn phản lực lắp KĐK làm cơ sở cho tính tốn, thiết kế, chế tạo
cải tiến đạn phản lực theo hướng lắp KĐK, tăng độ chính xác bắn cho đạn.
3.
Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu
-
Đối tượng nghiên cứu: Đạn phản lực 122mm cải tiến có lắp KĐK chứa
khớp quay đồng trục tách chuyển động quay KĐK với thân đạn.
-
Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu bổ sung và hồn thiện mơ hình tốn
mơ tả chuyển động bay 7 bậc tự do của đạn phản lực lắp KĐK, không kể đến
các yếu tố nhiễu tác động trên quỹ đạo bay. Xây dựng điều kiện ổn định bay
dựa trên mơ hình tốn đã thiết lập. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số
kết cấu cơ bản của KĐK bao gồm: góc lật cánh lái, diện tích cánh lái, vị trí đặt
cánh, khối lượng KĐK, vị trí tâm khối KĐK và góc cơn phần mũi KĐK đến
ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
4.
Nội dung nghiên cứu
-
Nghiên cứu tổng quan về ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
-
Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện mơ hình tốn mơ tả chuyển động 7
bậc tự do trên quỹ đạo của đạn phản lực lắp KĐK và xây dựng điều kiện ổn
định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
-
Kiểm định tính đúng đắn của mơ hình tốn mô tả chuyển động 7 bậc tự
do trên quỹ đạo và điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
4
-
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của KĐK
bao gồm góc lật cánh lái, vị trí cánh lái, diện tích cánh lái, khối lượng KĐK,
vị trí tâm khối KĐK và góc cơn phần mũi KĐK đến ổn định bay của đạn phản
lực lắp KĐK cùng với đánh giá khả năng điều khiển đối với mỗi kết cấu.
5. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết và so sánh kết quả nghiên cứu với các công trình đã
được cơng bố với cùng một thơng số đầu vào.
-
Xây dựng mơ hình tốn mơ tả chuyển động 7 bậc tự do của đạn phản
lực lắp KĐK, từ đó biến đổi để xây dựng điều kiện ổn định bay của loại đạn
này.
-
Kiểm định tính đúng đắn của mơ hình tốn và điều kiện ổn định bay
thơng qua các bước:
+
Rút gọn mơ hình tốn mơ tả chuyển động 7 bậc tự do của đạn phản
lực lắp KĐK để áp dụng cho đạn phản lực chuyển động 6 bậc tự do truyền
thống, so sánh kết quả tính tốn với bảng bắn, từ đó từng bước chứng minh
tính đúng đắn của mơ hình tốn được xây dựng trong luận án.
+
So sánh kết quả của phương pháp điều kiện ổn định bay với kết
quả giải hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động bay của đạn để chứng
minh các phép biến đổi toán học trong luận án là tin cậy.
+
ở
So sánh kết quả được tính tốn từ luận án với kết quả được cơng bố
tài liệu nước ngồi với cùng bộ thơng số của một đối tượng đạn chuyển
động 7 bậc tự do để thấy được các kết quả tương đồng.
-
Sử dụng điều kiện ổn định bay để nghiên cứu ảnh hưởng của một số
thông số kết cấu cơ bản của KĐK đến ổn định bay của đạn.
6.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý
-
nghĩa khoa học:
Xây dựng và hồn thiện mơ hình tốn mơ tả chuyển động bay và điều
kiện ổn định bay của lớp đạn 7 bậc tự do.
5
-
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của KĐK
đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
Ý
-
nghĩa thực tiễn:
Mơ hình tốn đạn phản lực lắp KĐK 7 bậc tự do là mơ hình mới, do đó
xây dựng hồn thiện mơ hình tốn cho lớp đạn này là cơ sở cho các nghiên
cứu tiếp theo liên quan đến loại đạn này. Mơ hình tốn đã cho thấy được bản
chất động lực học của cơ hệ, làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống của đạn.
-
Điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK làm cơ sở kiểm định
cho các phương án thiết kế và hiệu chỉnh thiết kế. Công cụ này sẽ cho biết đạn
có ổn định hay khơng và thời điểm nào đạn mất ổn định khi có các thay đổi về
thiết kế mà khơng cần giải hệ phương trình mô tả chuyển động bay của loại
đạn này.
-
Các kết quả khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của
KĐK đến ổn định của đạn là cơ sở cho tính tốn, thiết kế và chế tạo cải tiến
đạn phản lực theo hướng lắp KĐK hiệu chỉnh quỹ đạo, tăng độ chính xác cho
đạn.
7.
Bố cục của luận án
Luận án gồm phần mở đầu, phần kết luận và 4 chương:
Chương 1. Tổng quan về ổn định bay của đạn phản lực KĐK.
Chương 2. Xây dựng mơ hình kết cấu cơ sở, mơ hình tốn chuyển động
bay và điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
Chương 3. Kiểm định mơ hình tốn và điều kiện ổn định bay của đạn
phản lực lắp KĐK.
Chương 4. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số kết cấu cơ bản của
KĐK đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK.
Luận án được trình bày trong 124 trang đánh máy khổ A4, 63 hình vẽ, đồ
thị và 30 bảng. Kết quả nghiên cứu chính của luận án đã được cơng bố trong
05 bài báo tại các tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong nước.
6
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC
LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN
Trong khi vấn đề ổn định bay đối với đạn phản lực truyền thống đã được
nghiên cứu hoàn thiện và đưa ra điều kiện ổn định bay thì vấn đề ổn định bay
của loại đạn phản lực lắp KĐK 7 bậc tự do là cơ hệ hai vật được nối với nhau
bằng khớp quay đồng trục cần được bổ sung và hoàn thiện. Trong chương này
các vấn đề được trình bày bao gồm các khái niệm chung liên quan đến ổn định
bay của đạn, các phương pháp nghiên cứu về ổn định bay của đạn, tổng quan
tình hình nghiên cứu trong và ngồi nước về ổn định bay của đạn lắp KĐK
làm cơ sở cho định hướng các nội dung nghiên cứu của luận án.
1.
1. Các vấn đề chung liên quan đến ổn định bay của đạn phản lực
1.1.1. Khái niệm chung về ổn định bay
Ổn định là một thuộc tính của trạng thái cân bằng, nhìn chung ổn định
bay được chia thành 2 loại là ổn định tĩnh và ổn định động:
-
Ổn định tĩnh: Khái niệm về ổn tĩnh được hiểu là một vật đang ở trạng
thái tĩnh sẽ trở về một trạng thái cân bằng sau khi bị ngoại lực tác dụng. Khái
niệm này đề cập đến trạng thái và xu hướng của vật. Để đảm bảo được xu
hướng này vật cần có một thành tố chống lại sự thay đổi trạng thái của nó [8],
[13], [25], [29], [51]
-
Ổn định động: Khái niệm về ổn định tĩnh nói đến xu hướng của vật sẽ
về trở về vị trí cân bằng khi bị nhiễu tác động, nhưng lại khơng đảm bảo là vật
đó có ổn định vị trí cân bằng hay khơng. Ổn định động quan tâm đến quá trình
sau khi vật bị ngoại lực tác động và vật được coi là ổn định động nếu như sau
khi nhiễu tác động vật đó cuối cùng sẽ trở về vị trí cân bằng [38]. Đối với đạn
bay trên quỹ đạo, các trường hợp ứng xử tư thế của đạn được thể hiện ở hình
1.1. Trong đó, x là một thông số được quan tâm của đạn. Ở trường hợp đầu
hình 1.1-a, đạn ổn định động và hồn tồn khơng có dao động; hình 1.1-b thể
