脈沖推沖器性能參數確定與試驗驗證研究*1

?

脈沖推沖器性能參數確定與試驗驗證研究*1

李超旺a，高敏a，劉秋生b，王毅c

(軍械工程學院,a.導彈工程系; b．彈藥工程系; c.火炮工程系，河北 石家莊050003)

摘要：針對脈沖推沖器工作特點，分析了脈沖推沖器本身性能參數對于彈道修正彈修正效能的影響，提出了為獲取最大修正效能應如何確定相關參數，設計了性能參數獲取與驗證試驗，進行了驗證性試驗。試驗結果證明，設計的試驗可判斷出脈沖推沖器的相關性能參數，試驗結果可為控制方案設計提供重要的參考依據。

關鍵詞：脈沖推沖器；彈道修正彈；點火延遲時間；驗證試驗

0引言

脈沖推沖器具有結構簡單、響應時間短和受大氣環境影響小的優點[1-3]，是彈道修正彈常用的一種修正執行機構。目前主要研究脈沖推沖器工作級數、修正時刻和修正角度與修正偏差之間的關系[4-12]，而實際飛行試驗結果發現，當控制邏輯正常時脈沖推沖器性能參數是決定彈道修正性能的最主要因素，從現有資料看還未見有關這方面的研究。

本文主要分析了脈沖推沖器性能參數對于彈道修正效能的影響并設計了驗證試驗。第1部分分析了脈沖推沖器性能參數對于彈道修正性能的影響，為了提高修正效能，提出了如何確定相關參數；第2部分設計了脈沖推沖器性能參數驗證試驗，可有效獲得脈沖推沖器的相關參數；最后對試驗結果進行了總結并得出了結論。

1性能參數對修正效能影響分析

脈沖推沖器通過改變彈體的速度達到修正彈道的目的。為了提高脈沖推沖器的修正效能，需要分析各個參數對于修正效能的影響。脈沖推沖器主要性能參數包括：工作時間、點火延遲時間、最大推力和1/2總沖量對應的時間。各性能參數之間的關系如圖1所示。

圖1　等邊三角形脈沖推力性能參數示意圖Fig.1　Relationship of the parameters of the　　　equilateral triangle impulse force

如圖1所示，tp為脈沖推沖器的工作時間，td為脈沖點火延遲時間，Fm為脈沖推沖器提供的最大推力，t1/2為1/2總沖對應的時間，當推力對稱時，t1/2=0.5tp。

1.1工作時間

脈沖推沖器工作時間(tp)是指脈沖推沖器產生推力至脈沖推沖器停止提供推力的一段時間，工作時間長短由工作介質的量決定，進行結構設計前需要分析工作時間對修正效能的影響。

(1)

式中：

(2)

將式(2)代入式(1)積分得脈沖推沖器的合沖量為

(3)

從式(3)可以看出，對于非旋轉彈來說，脈沖推沖器提供的沖量大小只跟最大推力和工作時間有關系，當工作時間一定時，最大推力越大脈沖推沖器產生的沖量就越大；當最大推力一定時，工作時間越長產生的合沖量越大。將脈沖推沖器用于非旋轉彈彈道修正時，可以通過增加脈沖推沖器工作時間和最大推力的方式提高脈沖推沖器的沖量。

對旋轉彈進行修正時，脈沖推沖器會隨著彈體的旋轉而轉動，脈沖力不斷地在改變方向，脈沖推沖器工作時間越長，脈沖力方向變化范圍就越大，在合沖量方向的分量就越小，甚至會抵消部分沖量，降低修正效能。根據沖量定理可得旋轉彈上脈沖推沖器工作所產生的合沖量為

(4)

(5)

將式(5)代入式(4)得

(6)

從式(6)可以看出，對于旋轉彈來說，脈沖推沖器產生的合沖量不僅與脈沖推沖器最大推力和工作時間有關還與彈體轉速相關。設脈沖推沖器用于非旋轉彈修正時產生的修正效能為基準，則脈沖推沖器用于旋轉彈修正時其工作效率為

(7)

從式(7)可以看出，脈沖推沖器修正效率只與彈體轉速和推沖器工作時間有關系。彈體轉速分別為5，10和15 r/s時脈沖推沖器工作時間和工作效率對比關系如圖2所示。

圖2　不同轉速下脈沖推沖器工作時間和　　　工作效率對比關系圖Fig.2　Impulse jet work time &work efficiency　　　under different spin rates

從圖2可以看出，當彈體轉速一定時，脈沖推沖器工作時間越長，其工作效率越低；彈體轉速越快，脈沖推沖器工作效率下降速度越快。將脈沖推沖器用于旋轉彈彈道修正時，當彈體旋轉速度不能改變時，為了提高其修正效率，要縮短脈沖推沖器工作時間。

1.2點火延遲時間

點火延遲時間(td)是指脈沖推沖器點火指令發出時刻至脈沖推沖器產生推力時的時間間隔。

對于非旋轉彈來說，由于彈體不旋轉，脈沖推沖器產生的脈沖力方向將保持不變，點火延遲時間只會影響到起始修正時刻，不會影響到其修正效率。

脈沖推沖器用于旋轉彈修正時，彈體一直處于高速旋轉狀態，為確保合沖量在需求修正方向上，對脈沖推沖器進行點火控制時需要對點火延遲時間進行補償。

點火延遲時間是否補償準確將直接影響到脈沖推沖器的修正效率。假設脈沖推沖器理論點火延遲時間為td，為了確保合沖量方向在理想方向上，需要提前td發出激活指令。由于加工工藝誤差的存在，實際點火延遲時間與理論點火延遲時間將會存在一定的偏差，設此值為Δtd，當彈體轉速為ω時，實際合沖量方向將偏離理想沖量方向一定的角度A，則A=ωΔtd。

點火延遲偏差對脈沖修正效率的影響為

ηd=cosA=cos(ωΔtd).

(8)

根據式(8)繪制不同轉速條件下點火延遲時間對應的脈沖推沖器修正效率，如圖3所示。

圖3　不同轉速條件下點火延遲偏差和工作效率對比圖Fig.3　Impulse jet delay time &work efficiency　　　under different spin rates

從圖3可以看出，點火延遲時間偏差對于脈沖推沖器修正效率的影響較為明顯。彈體轉速為15 r/s時，延遲偏差為7 ms左右時，脈沖推沖器修正效率降低到80%以下，延遲時間達到10 ms左右時，修正效率降低到60%以下。點火延遲時間偏差越大修正效率越低，這種效率降低的趨勢隨著彈體轉速的增高而不斷增加。當無法改變彈體轉速時，為了提高脈沖推沖器的修正效率，要嚴格控制脈沖推沖器點火延遲時間偏差值。

1.3脈沖推力模型

脈沖推沖器由于所填裝的火藥化學性能不同，脈沖推沖器將產生不同的推力曲線。脈沖推力模型采用等邊梯形函數逼近時有時比等邊三角形函數逼近更能反應實際情況。等邊梯形函數推力曲線如圖4所示。

圖4　等邊梯形脈沖推力曲線示意圖Fig.4　Ladder shaped impulse force line

如圖4所示，等邊梯形脈沖推力曲線推力上升時間為t1，最大推力持續時間為t2，全程工作時間為tp。根據沖量定理可知，用于非旋轉彈修正產生的合沖量為

(9)

式中：

(10)

由式(9)，(10)聯立可得：

(11)

用于修正旋轉彈時，脈沖推沖器產生的合沖量為

(12)

設脈沖推沖器用于非旋轉彈修正時合沖量為基準，則脈沖推沖器用于旋轉彈修正時其工作效率為

(13)

從式(13)可以看出，當t2=0時，即不存在最大推力持續時間，梯形推力曲線將化簡為等邊三角形推力曲線，式(13)可化簡為式(7)的形式。

假設2種脈沖力模型的工作時間相同，則梯形推力曲線和三角形推力曲線的效率比值為

η=ηlad/ηtri=

(14)

假設彈體轉速為10 r/s，脈沖推沖器工作時間為10 ms，梯形推力曲線最大推力持續時間和效率比值的對比關系如圖5所示。

圖5　梯形推力曲線最大推力持續時間和效率比值關系圖Fig.5　Ladder-shaped maximum Impulse force　　　lasting time & work efficiency

從圖5中可以看出，最大推力持續時間越長，脈沖推沖器修正能力就越強。當脈沖推沖器工作時間一定時，為了有效提高脈沖推沖器的修正能力，要盡量縮短推力上升時間，延長最大推力持續時間，以此為原則選用合適的脈沖推沖器火藥推進劑。

2參數性能驗證試驗設計

脈沖推沖器用于非旋轉彈修正時，性能參數不會影響修正效能，故此處主要對彈體旋轉情況下脈沖推沖器參數性能進行試驗驗證。

當完成脈沖推沖器的設計并加工完樣品后需要準確獲知脈沖推沖器1/2總沖時間和點火延遲時間，以提高彈道修正效能。為了分析脈沖推沖器在旋轉情況下點火控制邏輯是否正確和獲得相關性能參數，可將脈沖推沖器陣列安裝在一個電動機驅動的轉軸實驗臺上，試驗臺結構如圖6所示。

從圖6可以看出，脈沖推沖器陣列和彈載控制器、熱電池都安裝在轉軸內，隨著轉軸的旋轉而旋轉，轉軸通過2個滑輪固定在支架上，轉軸可以繞自身縱軸線自由轉動，在轉軸的一側安裝了電動機，通過電動機控制板可以使得轉軸能以固定的轉速旋轉。將一臺高速攝影機放置在轉軸延長方向用以記錄脈沖推沖器工作過程，通過錄像可解算出脈沖推沖器的工作時間。為了增加對比度，準確判斷點火方位角，在轉臺后面放置一塊對比背景板。

考慮到拍攝效果和拍攝時長，試驗時采取了500幀的拍攝速度，連續圖片之間的時間間隔為2 ms。由拍攝畫面可以看出脈沖推沖器在旋轉情況下工作情況，如圖7所示。

圖6　脈沖推沖器性能參數驗證試驗臺示意圖Fig.6　Impulse jet parameters confirm test block diagram

圖7　某一個脈沖推沖器旋轉工作圖Fig.7　One impulse jet working with the spin axis

第1幅圖片中脈沖推沖器隨轉軸在旋轉，第2幅圖片中脈沖推沖器已產生了較大的火焰，意味著脈沖推沖器在2幅圖片中的某點已開始工作。第3和第4幅圖片中脈沖推沖器正在工作，第3幅圖片產生的火焰明顯偏大，而第5幅只能看到零星尾焰，脈沖推沖器已經停止工作。從脈沖推沖器連續工作的這幾幅圖片中可以判斷出推沖器工作時間大約為8 ms左右，與設計值基本一致，說明了該方法的有效性。

從圖7還可以看出，脈沖推沖器在點火初期產生的火焰較大，后期較小，說明脈沖推沖器產生的推力上升時間較短，推力很快達到最大值。推力下降時間相對較長，可以推斷1/2合沖量對應的時間將小于脈沖推沖器工作時間，這一時間為3 ms左右，與設計值基本相當。

通過電動機控制板的設定，轉軸轉速恒定，控制器按照設定好的程序固定時間間隔發出點火指令，通過多個脈沖推沖器工作情況可判斷出脈沖推沖器點火延遲時間為2 ms左右。

通過試驗，準確地獲得了脈沖推沖器的相關性能參數，為脈沖推沖器飛行控制提供了有效數據，結果證明了試驗的可行性及有效性。

3結束語

本文針對脈沖推沖器的工作特點，研究了脈沖推沖器性能參數對于修正效能的影響，設計了性能參數獲取和驗證試驗方法。通過試驗獲得了脈沖推沖器的主要控制參數，為彈道飛行控制提供了重要的依據。文中只是針對脈沖推沖器本身性能參數進行研究的，下一步可將脈沖推沖器工作特點和彈道特性結合起來進行研究。

參考文獻：

[1]曹營軍，楊樹興,李杏軍.基于脈沖控制的末段彈道修正彈點火相位優化研究[J].兵工學報，2008,29(8):897-901.

CAO Ying-jun,YANG Shu-xing,LI Xing-jun.Research on Firing Phase Angle Optimization of Terminal Trajectory Correction Projectile Based on Pulse Jet Control[J].Acta Armamentarll,2008,29(8): 897-901.

[2]楊紅偉,竇麗華,甘明剛.防空彈道修正彈脈沖執行機構的控制方法[J].北京理工大學學報，2011,31(10):1184-1188.

YANG Hong-wei,DOU Li-hua,GAN Ming-gang.Control Method of Impulse Actuator of Antiaircraft Trajectory Correction Projectile[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2011,31(10): 1184-1188.

[3]葛賢坤,黃長強,韓統,等.末段修正火箭彈脈沖修正技術[J].彈道學報，2006，18(4):29-32.

GE Xian-kun,HUANG Chang-qiang,HAN Tong,et al.Impulse Correction Technology for Terminal Correction Rocket[J].Journal of Ballistics, 2006,18(4):29-32.

[4]BURCHETT B, COSTELLO M .Model Predictive Lateral Pulse Jet Control of an Atmospheric Rocket[J].Journal of Guidance,Control, and Dynamics, 2002， 25(5): 860-867.

[5]姚文進,王曉鳴,李文彬,等.彈道修正彈脈沖發動機實驗控制方法研究[J].彈箭與制導學報，2009,29(6):142-144.

YAO Wen-jin, WANG Xiao-ming,LI Wen-bin,et al, Research on Control Method for Impulse Engine Experiment of Trajectory Correction Projectile[J].Journal of Projectile,Rockets,Missiles and Guidance,2009,29 (6):142-144.

[6]徐勁祥,夏群力.末段修正迫彈主要參數確定方法研究[J].彈箭與制導學報,2005,25(2):80-82.

XU Jin-xiang,XIA Qun-li.A Study on Primary Parameters Determination Methods of Terminal Correction Mortar Projectile[J]. Journal of Projectile,Rockets,Missiles and Guidance,2005,25(2):80-82.

[7]JITPRAPHAI T, BURCHETT B,COSTELLO M. A Comparison of Different Guidance Schemes for a Direct Fire Rocket with Pulse Jet Control Mechanism[C]∥AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference and Exhibit,6-9 August,2001,Montreal,Quebec:7-12.

[8]JITPRAPHAI T, COSTELLO M. Dispersion Reduction of a Direct Fire Rocket Using Lateral Pulse Jets[J].Journal of Spacecraft and Rocket, 2001,38(5):258-269.

[9]Bojan Pavkovic,Milos Pavic, Danilo Cuk. Frequency-Modulated Pulse-Jet Control of an Artillery Rocket[J].Journal of Spacecraft and Rockets,2012,49(2):286-294.

[10]GUPTA S K,SAXENA S,SINGHAL A,et al.Trajectory Correction Flight Control System Using Pulse Jet on an Artillery Rocket[J].Defense Science Journal,2008,58(1):15-33.

[11]曹小兵,王中原,史金光.末制導迫彈脈沖控制建模與仿真[J].彈道學報,2006,18(4)：76-79.

CAO Xiao-bing,WANG Zhong-yuan,SHI Jin-guang. Modeling and Simulation of Terminal Guidance Mortar Projectile using Impulse Thruster Control[J].Journal of Ballistics, 2006,18(4):76-79.

[12]Philip J Magnotti.Low Cost Course Correction(LC3) for Mortars Information Briefing[C]∥38th Annual Gun, Ammuniton and Missiles Symposium & Exhibition,25March,2003：32-36.

Parameters Determination and Confirmation Experimentation of Lateral Pulse Jet

LI Chao-wanga, GAO Mina, LIU Qiu-shengb, WANG Yic

(Ordnance Engineering College,a.Missile Engineering Department;b.Ammunition Engineering Department; c. Artillery Engineering Department,Hebei Shijiazhuang 050003, China)

Abstract:The impact of the impulse jet parameters on the correction performance is investigated before used on the trajectory correction munitions. In order to improve the correction ability of the impulse jet, the methods on how to determine related parameters are given, and experimentation is designed for getting the real value of the parameter and confirming it. Then, the experimentation is carried out and the results show that the impulse jet parameters can be obtained with this experimentation.

Key words:lateral pulse jet; trajectory correction munitions; fire delay time; verification test

中圖分類號：TJ760.35;TJ765

文獻標志碼：A

文章編號：1009-086X(2015)-05-0077-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.013

通信地址：050003河北省石家莊軍械工程學院導彈工程系E-mail：lichaowangzxz@163.com

作者簡介：李超旺(1985-)，男，山東嘉祥人。博士生，研究方向為彈藥智能化與信息化。

*收稿日期：2014-07-05；修回日期：2014-09-09