水雷攻擊直升機彈道設計與仿真

張紀華, 張宇文, 范 輝

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水雷攻擊直升機彈道設計與仿真

張紀華, 張宇文, 范 輝

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

針對傳統水雷無法防范直升機的獵雷、掃雷問題, 提出了利用水雷出水攻擊直升機的解決方案, 分析了出水過程中介質發生突變時水雷的受力變化, 建立了水雷水中、空中運動方程組和直升機的運動數學模型, 設計了水雷的出水攻擊彈道, 并通過仿真程序對攻擊彈道進行研究。仿真結果表明, 所設計的水雷攻擊直升機彈道是可行的。

水雷; 出水攻擊彈道; 直升機; 彈道設計; 仿真

0 引言

直升機在獵雷、掃雷方面具有搜索效率高、遭敵方水雷攻擊的可能性小等優點, 通常情況下水雷無法對其進行防衛。但是, 直升機在偵察時還存在著致命的缺點, 比如飛行高度低、速度慢、有時要懸停吊放聲納等, 這就為水雷對其實施出水攻擊提供了時機。出水攻擊是未來水雷發展的新趨勢, 它賦予了水雷新的戰略優勢和作戰使命, 使其可以作為新一代水中兵器來提高布防海區的防御力度, 保障雷陣的堅韌性0。

水雷布放深, 封鎖半徑大, 能對目標進行突然打擊, 使其防不勝防, 但是要想實現對直升機的出水攻擊, 出水攻擊彈道的設計就顯得尤其重要。本文在綜合水雷外形布局、流體動力特性、出水過程中流體介質突變、直升機運動特征等各種因素的基礎上, 設計了水雷的出水攻擊彈道, 建立仿真模型, 對設計的出水攻擊彈道的可行性進行仿真驗證。

1 水雷出水攻擊彈道設計

由于水的密度大約是空氣密度的800倍, 水雷在這2種介質中運動時所受的力和力矩必然有很大的差別, 這在彈道設計時需要慎重對待。水雷出水攻擊直升機的過程包括2種介質中的運動, 分別是水和空氣, 運動的形式為火箭助推。水雷在水中運動時, 所受的阻力主要是粘性阻尼力, 彈體頭部、底部和尾部的壓差阻力所占的比重很小。在出水過程中, 壓差阻力迅速增大, 粘性阻尼力則會逐漸減小, 但是由流體產生的阻力變化趨勢是下降的。同時, 作用在雷體上的升力、浮力、流體附加質量也在不斷減小。水雷出水后由于浮力急劇減小, 水雷的重力完全變成了水雷向上運動的一部分阻力, 另一方面, 水雷所受的粘性位置力和粘性阻尼力也有很大程度地減小, 空氣的壓差阻力成為流體阻力的主要分量, 流體附加質量則完全消失。這時, 水雷在雷體縱軸方向上的阻力比原來火箭發動機的推力小得多, 水雷出水后在縱軸方向會產生很大的軸向加速度, 表達式為

式中:a為縱軸方向加速度;為火箭發動機推力;和分別為水雷重力和質量;為空氣密度;V為縱軸向速度;C為水雷阻力系數;為雷體最大橫截面積。經計算, 水雷出水后縱軸向加速度可達46.11 m/s2, 這將導致速度迅速增大。由于水雷出水后要繼續進行姿態調整, 過大的速度將使水雷旋回半徑增大很多, 必將導致水雷命中目標幾率下降。另外, 若速度超過亞音速, 水雷運動的流體動力特性將發生變化。兼顧以上兩點的考慮, 在水雷出水后需減小火箭發動機的推力, 以保證水雷出水后的縱軸向加速度在合理的范圍內。

通過理論分析和對水雷出水過程的研究, 將整個出水攻擊彈道分為3個階段, 即水下航行段、姿態過渡段和空中攻擊段, 如圖1所示。圖中,-2是水下航行段,2-1是姿態過渡段,1-是空中攻擊段。其中,為水雷水下發射點,為空中目標點(即直升機, 以下都以空中目標代之),為空中目標距離水面的高度,1是點在水面的投影,2是1的坐標減去一定的值后水中對應的點。整個彈道設計的基本思想是, 為了增加打擊的突然性, 水雷在出水前水中的運動使水雷在空間內無限接近空中目標以實現出水后對目標近距離近似垂直的打擊。

圖1 水雷出水攻擊彈道設計

2 出水攻擊彈道仿真驗證

2.1 出水攻擊彈道數學模型的建立

1) 坐標系與水雷運動參數的選擇

2) 水雷動力學方程

3) 水雷運動學方程組

水雷在水下和空中運動時的運動學方程組是一致的, 具體公式如下。

4) 目標運動特征及運動數學模型

假設目標在進行水面作業時作低空飛行或懸停, 速度較慢(20 m/s以內), 航向任意, 并且在一定高度的平面內(距離海平面200 m以內)作勻速直線運動。

建立目標模型的簡化運動學方程組

2.2 出水攻擊彈道仿真與分析

在建立水雷空間運動方程組后, 還需要對水雷的運動進行導引方法和控制方法的選擇, 最后編寫出水攻擊彈道的仿真程序。本文將水雷的空間運動分解為水平面運動和垂直面運動, 對這2個平面的運動分別取不同的導引方法: 垂直面采用尾追法; 水平面采用固定提前角法。固定提前角可通過如下方法得到。

水雷在水下和空中運動的控制規律采用比例-微分控制方式, 具體控制方程為

結束以上的工作后, 對建立的水雷出水攻擊彈道仿真模型進行仿真。水雷發射速度為20 m/s, 并在水下300 m采用垂直發射, 水下運動時速度穩定在40 m/s; 目標距離水面高度為100 m, 速度為10 m/s。初始條件設置完后進行仿真, 得到如下仿真結果。

圖2 水雷三軸速度變化曲線

圖3 水雷姿態角及角速度變化曲線

圖4 水雷攻角和側滑角變化曲線

從圖5可看出, 水雷先經過水下航行達到一定高度(與假想目標相遇)后進行姿態調整, 實現垂直出水, 最后經過空中的運動近距離近似垂直地命中目標。結果表明, 水雷出水攻擊直升機的過程與前面設計的出水攻擊彈道是一致的, 從而驗證了水雷出水攻擊彈道具有很好的可行性。

圖5 水雷和目標的空間彈道曲線

3 結束語

為了增強水雷自身的防御, 實現對直升機的出水攻擊, 本文設計了水雷的出水攻擊彈道, 通過建立仿真模型對攻擊彈道進行仿真驗證。仿真結果表明, 所設計的出水攻擊彈道具有很好的可行性, 水雷能實現對空中低空、低速目標的準確打擊。本文的方法為研究水雷出水攻擊直升機的工程實踐應用提供了理論基礎和研究手段。

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Trajectory Design and Simulation on Mine Attack Helicopter

ZHANG Ji-hua, ZHANG Yu-wen, FAN Hui

(College of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

A scheme for using a mine to attack a helicopter was proposed against mine-sweeping and mine-hunting by helicopters. The helicopter′s movement was analyzed. The change of force acting on the mine was analyzed during the process of water exit. Motion equations of the mine in water and air, and a mathematic model of the helicopter were established. The water exit attack trajectory of the mine was designed and simulated. Simulation results validate the feasibility of the trajectory design.

mine; water exit attack trajectory; helicopter; trajectory design; simulation

TJ610.2

A

1673-1948(2011)03-0172-04

2010-09-29;

2010-11-09.

張紀華(1985-), 男, 在讀博士, 主要研究領域為水中兵器彈道設計與仿真.

(責任編輯: 陳 曦)