基于伸缩式舵机的小口径火箭弹简易修正关键技术研究

摘要

简易制导弹药是在常规弹药的基础上加装制导装置与修正执行机构，可有效减小常规弹药的射弹散布，提高毁伤效率，作战费效比低，是常规弹药制导化发展的重要方向。鸭式舵机作为制导弹药二维修正过程中关键的修正执行机构，可以实现对飞行弹道的连续修正，应用范围较广。制导弹药修正系统是综合运用弹药的姿态探测技术、实时弹道探测技术与执行机构控制技术相结合的弹道修正技术。采用身管发射的小口径简易制导弹药，其弹载制导修正系统必须满足低成本、体积小和抗高冲击性能等要求。
　　本文以某小口径常规火箭弹为应用背景，在不改变其总体结构参数的前提下，利用伸缩式舵机作为其修正执行机构对其进行制导化相关技术研究，研究与二维简易制导相关的弹道修正技术，本文所做的主要工作与研究成果如下:
　　比较常见制导方式的优缺点，选取方案制导作为基于伸缩式舵机的修正控制系统的主要制导体制，并对修正控制系统的工作特点进行分析，设计了基于伸缩式舵机的简易制导修正弹的总体布局，对伸缩式舵机总体优化设计、二维修正数学模型与飞行状态估计、气动特性的计算及二维修正控制策略仿真研究等关键技术进行了分析。
　　分析了伸缩式舵机的工作原理，并对其输出扭矩特性进行优化，确定其最佳结构参数及最佳工作区间为45°～135°;为了使舵片所能提供的修正控制力最大化，选用翼形为前后缘削尖的矩形与平面形状为梯形的舵片外形，在修正弹气动布局方案确定的前提下利用遗传算法对舵片的外形参数进行了优化设计。为了验证伸缩式舵机的响应时间可以满足微旋火箭弹的制导化需求，对伸缩式舵机的运动特性进行了仿真研究。
　　以某小口径火箭弹为研究对象，根据火箭弹外弹道学中建立弹箭运动方程所需的坐标系及转换关系，分别推导了无控飞行时作用在弹箭上的力与力矩及完整舵片产生的瞬时控制力及控制力矩。由于弹体微旋，需考虑弹体滚转过程中控制力对弹体的平均作用效果，推导舵片的脉冲平均控制力，图解分析控制力在不同滚转角度时的作用效果。结合无控火箭弹运动方程组与舵片产生的控制力与控制力矩，推导基于伸缩式舵机的有控火箭弹6DOF刚体运动方程组，并对6DOF模型进行适当的简化，分别用于后续方案弹道的获取及弹丸飞行状态的参数估计。在实弹飞行修正过程中为了减弱系统噪声对空间定位结果精度的影响，利用卡尔曼滤波对弹箭的飞行状态进行估计，位置误差可减小约70％，提高弹丸实时弹道探测的精度与适应性。
　　选定通用性好、精度较高且计算速度快的气动力工程算法，对单独弹体、单独舵片、修正弹分别计算亚、跨、超音速范围内的诸气动力系数。利用Fluent软件对所研究的火箭弹原型、弹道修正火箭弹及单独舵片分别进行气动参数的数值仿真，利用数值仿真的结果分析验证工程算法的结果。在伸缩式舵机舵片的舵偏角为+8°的前提下，单独舵片在1.9马赫能提供约15N的升力值。
　　基于双向转角电磁铁的控制技术研究一种适合小口径火箭弹简易制导二维修正的伸缩式鸭式舵机控制方案，解决了舵机与系统模块间的配合。伸缩式舵机能够实现二维修正的前提是弹载计算机能够感知弹体的滚转姿态。建立了三维地磁姿态探测的俯仰角与滚转角解算模型;对与修正控制策略相关的修正起始点的选择、舵机的单方向修正能力、伸缩式舵机启控角度的确定等方面进行了研究。采用数值仿真方法对航迹导引规律及修正精度进行了仿真分析，选取120度滞后角CEP可减小74％，修正精度均随滚转姿态角误差与实时弹道位置误差的增大而降低。
　　根据修正控制系统特性与需求，设计了弹载控制电路，研制了简易制导修正控制系统原理样机，并开展了舵机修正能力验证的静态实验与风洞模拟动态试验。试验结果表明，采用的修正控制方案是可行的，弹载计算机能够控制舵机按既定偏差在合适的滚转角驱动舵片的伸出与收回，实现射程与方向上的二维修正，验证其在1Ma～2Ma具备二维修正的能力;间接测量舵片在来流作用下所能提供的修正控制力，与数值仿真的计算结果相吻合。
　　文中基于伸缩式舵机的小口径火箭弹简易制导修正控制系统设计方法、相关的理论模型、数值仿真技术及所采用的试验方法等研究成果为其他小口径常规弹药的制导化改造提供了设计参考与理论依据，为后续二维简易制导修正的深入研究奠定了理论与实验基础。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 制导火箭弹国内外研究现状

1．3 简易制导火箭弹相关技术研究现状

1．3．1 弹道修正执行机构研究现状

1．3．2 弹丸姿态探测技术研究现状

1．3．3 气动参数设计方法研究现状

1．4 本文主要内容及行文结构

2 简易修正火箭弹系统分析及设计

2．1 基于伸缩式舵机的简易修正控制系统工作特性分析

2．1．1 修正控制系统制导方式的选取

2．1．2 修正控制系统的工作特点分析

2．2 基于伸缩式舵机的简易修正控制系统组成及工作原理

2．2．1 简易修正火箭弹总体布局设计

2．2．2 简易修正控制系统组成

2．2．3 简易修正控制系统工作原理

2．3 简易修正控制系统关键技术分析

2．3．1 伸缩式电磁舵机总体优化与设计

2．3．2 基于伸缩式舵机的二维修正数学模型及飞行状态估计

2．3．3 简易修正火箭弹气动特性计算与仿真分析

2．3．4 基于伸缩式舵机的二维修正控制策略研究

2．4 本章小结

3 伸缩式电磁舵机总体优化与设计

3．1 伸缩式电磁舵机的结构分析

3．2 基于双向转角电磁铁的伸缩式舵机优化设计

3．2．1 双向转角电磁铁的工作原理

3．2．2 双向转角电磁铁结构参数优化设计

3．2．3 双向转角电磁铁输出特性仿真分析

3．2．4 双向转角电磁铁最佳工作区间的确定

3．3 舵片外形参数优化设计

3．3．1 舵片外形初选

3．3．2 优化设计的目标函数

3．3．3 优化设计的约束条件

3．3．4 舵片外形参数最优解

3．4 伸缩式电磁舵机运动特性仿真分析

3．4．1 舵机模型建立与仿真环境设置

3．4．2 运动特性仿真结果及分析

3．4．3 舵片伸出与收回时间差异分析

3．5 本章小结

4 基于伸缩式舵机的二维修正数学模型与飞行状态估计

4．1 坐标系及坐标转换

4．1．1 所需坐标系

4．1．2 各坐标系间的转换关系

4．2 无控飞行时的弹箭运动方程组

4．2．1 弹箭质心运动学方程

4．2．2 弹箭绕心运动学方程

4．2．3 无控飞行时作用在弹箭上的力与力矩

4．3 有控飞行时的控制力与控制力矩

4．3．1 完整舵片的瞬时控制力

4．3．2 完整舵片的瞬时控制力矩

4．3．3 弹体微旋时舵片的脉冲平均控制力

4．3．4 舵片产生的修正控制力图解分析

4．4 火箭弹6自由度刚体运动方程组

4．5 简化的弹道模型

4．6 实时飞行状态估计

4．6．1 GPS定位原理

4．6．2 弹道滤波的作用

4．6．3 卡尔曼滤波模型

4．6．4 弹箭飞行状态估计

4．6．5 滤波参数的确定

4．6．6 算法仿真与分析

4．7 本章小结

5 简易修正火箭弹气动特性计算与仿真分析

5．1 气动特性计算方法概述

5．2 气动特性工程计算数学模型

5．2．1 单独弹体空气动力特性计算模型

5．2．2 单独舵片空气动力特性计算模型

5．2．3 气动参数估算

5．3 气动特性数值仿真分析

5．3．1 数值计算方法

5．3．2 无舵时火箭弹外流场仿真

5．3．3 有舵时火箭弹外流场仿真

5．3．4 单独舵片的外流场仿真

5．4 本章小结

6 基于伸缩式舵机的二维修正控制策略仿真研究

6．1 弹丸姿态探测技术

6．2 二维修正起始点的选择

6．3 随机弹道的生成方法

6．4 伸缩式舵机单方向修正能力研究

6．5 伸缩式舵机启控角度的确定

6．5．1 弹丸转速与启控角度的匹配

6．5．2 舵机修正角度与启控角度的匹配

6．6 简易修正火箭弹导引规律及修正精度仿真研究

6．6．1 舵机修正角度对修正精度的影响

6．6．2 滚转姿态角误差对修正精度的影响

6．6．3 实时弹道探测精度对修正精度的影响

6．7 本章小结

7 简易修正火箭弹原理样机及实验

7．1 原理样机的设计制作

7．1．1 控制电路总体方案设计

7．1．2 主控芯片选型

7．1．3 电源模块设计

7．1．4 修正力采集模块电路设计

7．1．5 姿态探测模块设计

7．1．6 舵机执行模块电路设计

7．1．7 舵片测时模块电路设计

7．1．8 弹载存储电路与加速度测量模块设计

7．1．9 原理样机

7．2 静态无风实验

7．2．1 舵机响应时间测量静态实验

7．2．2 二维修正能力验证静态实验

7．2．3 压力测量静态实验

7．3 风洞动态试验

7．3．1 舵机响应时间测量动态试验

7．3．2 舵机二维修正能力验证动态试验

7．3．3 修正力测量动态试验

7．4 本章小结

8 总结与展望

8．1 本文主要研究工作

8．2 重要结论

8．3 本文创新点

8．4 后续工作展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和申报专利情况

攻读博士学位期间参加的科学研究情况