彈藥快速設計系統中外彈道模塊的設計與實現*

楊東陽,毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081)

彈藥快速設計系統中外彈道模塊的設計與實現*

楊東陽,毛 亮,姜春蘭

(北京理工大學爆炸科學與技術國家重點實驗室,北京 100081)

為實現對彈藥外彈道性能的快速預測和分析,搭建了外彈道性能分析模塊的軟件體系架構,詳細分析了其功能結構組成,并對經典外彈道分析模型及飛行穩定性分析模型進行梳理,通過Visual Studio 2010 C++下的MFC框架設計開發了彈藥外彈道性能分析軟件。利用此軟件對某制式彈丸的外彈道性能進行計算分析,與實彈發射數據相比,兩者吻合較好。彈藥外彈道模塊的實現為彈藥快速設計系統的開發奠定了重要的基礎。

快速設計;彈藥;外彈道模塊;性能分析

0 引言

現代戰爭是高技術的戰爭,戰場環境瞬息萬變,新型目標層出不窮,使其對彈藥的研制提出了更高的要求,傳統“畫加打”的研制模式已不能再適應[1]。彈藥快速設計系統將現代設計方法引入到彈藥設計領域,集知識庫技術、計算機技術于一體,實現基于知識驅動下彈藥結構的快速設計和性能預估,從而提高彈藥的設計效率和設計質量[2]。外彈道性能計算是彈藥設計中必不可缺的重要環節,它的好壞直接影響彈丸飛向目標的精準性,從而影響最終對目標的打擊效果。因此,在整個彈藥快速設計系統中,外彈道模塊的設計與開發至關重要。文中基于對整個彈藥快速設計系統的考慮,搭建了外彈道模塊的體系框架結構,詳細分析了其功能組成,通過引入經典外彈道模型及相關飛行穩定分析模型,并采用Visual Studio 2010 C++內的MFC框架[3]設計開發了外彈道計算分析軟件,從而為彈藥快速設計系統的開發實現奠定了重要的基礎。

1 外彈道模塊的設計

1.1 外彈道模塊架構的搭建

彈藥快速設計系統主要由戰術技術指標分解、部件結構設計、部件性能分析、整彈結構拼裝、整彈性能分析等5大功能模塊組成[4],如圖1所示。

圖1 彈藥快速設計系統模塊組成

外彈道模塊屬于整彈性能分析模塊中的子模塊,在整彈結構設計完成后,通過調用外彈道模塊進行外

彈道性能的預測。

整彈性能分析模塊將內彈道、外彈道、終點彈道性能分析模型以程序代碼的形式嵌入在彈藥快速設計系統中。其中內彈道模塊根據彈藥的結構參數、炮膛藥室容積與發射藥性質,計算最大膛壓、出炮口速度等;外彈道模塊根據結構參數、彈藥參數與周邊發射環境計算落速、射程、飛行時間等;終點彈道模塊計算包括目標函數與約束條件在內的需要輸出的能表征彈藥威力的性能參數。彈藥的快速設計在知識驅動下完成[5]。因此知識驅動下的外彈道計算模塊接受參數化快速設計系統或設計人員輸入的彈藥各部件具體尺寸、內彈道計算參數以及知識庫中的各種彈道表參數、氣動參數、試驗結果等,外彈道模塊的計算結果也為終點彈道性能分析模塊的計算提供前提輸入。

外彈道模塊在體系框架上主要分為3層,即全局數據庫層、功能層、界面層,如圖2所示。全局數據庫主要存儲計算相關的動態數據、靜態數據等,為整個系統提供數據支持,主要包括產品實例庫、分析模型庫、實驗數據庫等;功能層執行系統的主要功能,主要包括模型選擇、氣動力計算、彈道計算、飛行穩定性計算;界面層即人機交互界面層,通過友好的界面與使用者進行交互,主要為用戶提供系統界面顯示、數據顯示、信息輸入與輸出功能。

圖2 外彈道模塊基本結構

1.2 外彈道模塊的功能設計

文中將外彈道功能模塊分為外彈道計算和飛行穩定性計算兩大模塊,其組成如圖3所示。外彈道計算中目前主要包含了質點彈道分析模型、修正質點彈道分析模型和剛體彈道分析模型;飛行穩定性計算主要包含了旋轉穩定彈丸的急螺穩定性分析模型和飛行定向性分析模型[6]。由于系統的開放性,系統支持其它外彈道分析模型的擴充,可以將某個特定的外彈道分析模型嵌入到該模塊中,從而進行特定分析。

圖3 外彈道模塊功能設計

目前,隨著發射平臺、彈藥種類的不斷發展變化以及在外彈道學中考慮的因素不同,外彈道模型類型眾多,都是以經典模型為基礎增加力和力矩建立起來的新模型[7]。

文中所涵蓋的質點彈道模型、修正質點彈道模型和剛體彈道模型,這三個模型能夠滿足使用者基本需要,同時也方便使用者進行操作。

以修正質點彈道為例,該模型在質點彈道模型基礎上增加了一個彈丸自轉方程(即彈丸繞過質心的彈軸的角運動方程),考慮了誘導阻力、升力、馬格努斯力、極阻尼力矩對彈丸運動的影響,計算誤差比質點彈道方程小得多,計算速度比剛體彈道方程快,數學表達式[8]如下:

(1)

2 外彈道模塊的實現與應用

2.1 軟件開發與實現

在Visual Studio 2010集成開發環境下,采用C++語言并利用MFC框架對外彈道模塊進行了開發。MFC是面向對象程序設計與應用框架的完美結合,它將傳統的API進行分類封裝,并包含一個應用程序框架,從而使得程序設計更為便捷。圖4為外彈道模塊中剛體彈道計算和急螺穩定性計算的工作界面。

圖4 外彈道模塊工作界面圖

2.2 實例計算及分析

以某制式殺爆彈為例來驗證外彈道模塊的各項功能和計算結果的可靠性。初始條件如下:初始射角45°,初始速度930 m/s,赤道轉動慣量1.223 6 kg/m2,極轉動慣量0.142 64 kg/m2,彈重43.7 kg,彈長703 mm,彈徑152 mm,圓柱部長246.1 mm,圓柱部直徑151 mm,彈尾長76 mm,彈尾直徑64 mm,彈形系數1.002。分別采用質點彈道、修正質點彈道和剛體彈道對其外彈道特性進行分析,得到的計算結果如圖5所示。

圖5 計算結果對比圖

通過與實彈發射數據相對比,剛體彈道和修正質點彈道計算結果與實際數據接近,剛體彈道結算結果更為準確,修正質點彈道計算時間比剛體彈道更短,質點彈道計算結果誤差在可接受范圍內。此外,實例驗證也表明開發的外彈道性能分析模塊操作方便,計算結果可信。

3 結論

文中通過對外彈道模塊軟件架構的設計、功能模塊的分析,以及外彈道分析模型的挖掘整理,最后借助Visual Studio 2010 C++開發了外彈道性能分析軟件。利用某制式彈丸的數據對軟件的可操作性和結果的可靠性進行了對比分析,結果表明軟件調用方便、計算結果可信。外彈道模塊的設計與實現為彈藥快速設計系統的構建奠定了重要的基礎。

[1] 王儒策. 彈藥工程 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2005.

[2] 宋峰, 蔣建偉. 殺爆戰斗部設計專家系統研究 [J]. 彈箭與制導學報, 2007, 27(4): 119-122.

[3] Ivor Horton. Visual C++2010入門經典 [M]. 蘇正泉, 李文娟, 譯. 5版. 北京: 清華大學出版社, 2010.

[4] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東輝, 等. 彈丸設計理論 [M]. 北京: 國防工業工業出版社, 1985.

[5] 羅仕鑒, 朱上上, 唐云開. 知識驅動的產品設計情境 [J]. 浙江大學學報: 工學版, 2008, 42(11): 1849-1855.

[6] 華恭, 歐林爾. 彈丸作用和設計理論: 榴彈和迫擊炮彈 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1976.

[7] 韓子鵬. 彈箭外彈道學 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2008.

[8] 宋丕極. 槍炮與火箭外彈道學 [M]. 北京: 兵器工業出版社, 1993.

Design and Implementation of Exterior Ballistic Model in Ammunition Rapid Design System

YANG Dongyang,MAO Liang,JIANG Chunlan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To achieve rapid prediction and analysis on ammunition exterior ballistics performance, software architecture of exterior ballistic performance analysis module was built, composition of its structure and functions was analyzed in detail, classical exterior ballistic analysis model and flight stability analysis model were sorted out. Software of exterior ballistic analysis was developed by MFC frame of Visual Studio 2010 C++. The results of exterior ballistics performance of a standard projectile were calculated and analyzed by the software, compared with actual data, both were in good agreement. Achievement of ammunition exterior ballistics module lays an important foundation for development of rapid ammunition design system.

rapid design; ammunition; exterior ballistics model; performance analysis

2014-07-31

國防基礎科研計劃(A2220110003)資助

楊東陽(1989-),男,內蒙古呼倫貝爾人,碩士研究生,研究方向:毀傷與彈藥工程。

TJ012.3

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