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

Onxnynzn Hệ quy chiếu mặt phẳng cố định Oxyz Hệ quy chiếu quán tính P Tốc độ quay hồi chuyển p, q, r Tốc độ quay roll, pitch và yaw trong hệ quy chiếu mặt phẳng cố định, [rad/s] p F , p

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

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

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công 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

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 Công nghệ Quân sự, Viện Tên lửa và Phòng 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

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 mô 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 ngoài 22

1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 26

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 MÔ HÌNH KẾT CẤU, MÔ HÌNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG BAY VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN 31

2.1 Mô 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 Mô hình chuyển động của đạn phản lực lắp KĐK 38

2.2.1 Mô hình toán của đạn chuyển động trong ống phóng 39

2.2.2 Mô hình toán 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 MÔ HÌNH TOÁN 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 mô hình toán 68

3.1.1 Cơ sở phương pháp xác định hệ số khí động 68

3.2 Xác định hệ số khí động và các thông 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 mô tả chuyển động của đạn và xác định các thông số ổn định S sd và S ss 77

3.2.3 Xác định các thông số động học của đạn ở miệng ống phóng 80

3.3 Kiểm định mô hình toán mô 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 công bố ở nước ngoài 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 mô 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 n m 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

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 côn phần mũi KĐK 117

Kết luận chương 4 121

KẾT LUẬN 124

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 126

TÀI LIỆU THAM KHẢO 127

Ký hiệu Ý nghĩa, đơn vị

C * Ký hiệu của hệ số khí động không thứ nguyên

C D Hệ số lực cản khí động

CE Hệ số hiệu quả điều khiển

C l Hệ số mô men khí động do góc nghiêng cánh

C L Hệ số lực nâng khí động

C L Đạo hàm hệ số lực nâng khí động theo góc tấn

C lp Hệ số mô men giảm chấn xoắn

C M Hệ số mô men chúc ngóc

C M Đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc theo góc tấn

C M Hệ số lực mô men pháp tuyến khí động của cặp cánh lái

C Mp Hệ số mô men Magnus

Mq M

C C  Hệ số mô men cản chúc ngóc và liệng

C N Hệ số lực pháp tuyến khí động

C N 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

c

N

C  Hệ số lực pháp tuyến khí động của mỗi cánh

c R Hệ số mô men ma sát khô của khớp quay đồng trục, [m]

c V Hệ số mô men ma sát nhớt của khớp quay đồng trục, [N.m.s]

C yp Hệ số lực Magnus

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 dc Lực đẩy trung bình của động cơ, [N]

Fdc Lực đẩy động cơ, [N]

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

I I Mô men quán tính trục của phần trước và phần sau, [kg.m2]

I y Mô men quán tính xích đạo của đạn, [kg.m2]

KF, KA Lực Magnus phần trước và phần sau, [N]

k t Bán kính hồi chuyển ngang, [m]

k x , k y 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

L op Chiều dài ống phóng, [m]

L p Đạo hàm tổng mô men quanh trục đạn theo p, [1/s]

l t Chiều dài của đạn, [m]

M  Tổng mô men khí động tác động lên đạn, [N.m]

m A Khối lượng phần sau, [kg]

MC Mô men khí động pháp tuyến của cánh lái tác động lên đạn

[N.m]

m d Khối lượng của đạn ban đầu, [kg]

m F Khối lượng phần trước, [kg]

M M  Mô men cản chúc ngóc và liệng, [N.m]

Mrc A Mô men khí động tác động lên đạn do cánh nghiêng, [N]

,

Mrd F MA rd Mô men giảm chấn xoắn do cánh tác động lên phần trước và

phần sau, [N.m]

M S Mô men ma sát của khớp quay đồng trục, [N.m]

m tp Khối lượng của thuốc phóng, [kg]

N rx Phản lực của rãnh dẫn tác dụng lên chốt dẫn của đạn, [N]

Obxbybzb Hệ quy chiếu gắn liền của phần trước

Onxnynzn Hệ quy chiếu mặt phẳng cố định

Oxyz Hệ quy chiếu quán tính

P Tốc độ quay hồi chuyển

p, q, r Tốc độ quay roll, pitch và yaw trong hệ quy chiếu mặt phẳng

cố định, [rad/s]

p F , p A Tốc độ quay quanh trục của phần trước và phần sau trong hệ

quy chiếu mặt phẳng cố định [rad/s], [vòng/phút]

Rn Ma trận cosin chỉ hướng chuyển từ Oxyz sang Onxnynzn

Rnb Ma trận cosin chỉ hướng chuyển từ Onxnynzn sang Obxbybzb

S Diện tích tham chiếu, [m2]

s Biến chiều dài không thứ nguyên

S sd , S ss Các thông số ổn định của điều kiện ổn định

t C Thời điểm cánh lái bắt đầu hoạt động, [s]

t ch Thời gian cháy của thuốc phóng, [s]

u, v, w Các thành phần vận tốc của tâm khối đạn trong hệ quy chiếu

mặt phẳng cố định, [m/s]

V Vận tốc tổng quát của tâm khối đạn, [m/s]

X A , Y A , Z A Các thành phần của lực khí động tác động lên phần sau, [N]

x C Khoảng cách từ cánh lái đến tâm khối đạn, [m]

x CG Khoảng cách từ mũi đạn đến tâm khối đạn, [m]

CG

x Khoảng cách từ mũi đạn đến tâm khối phần trước, [m]

x E , y E , z E Các thành phần của tọa độ tâm khối đạn trong hệ quy chiếu

quán tính, [m]

x F , x A Khoảng cách từ tâm khối phần trước và phần sau so với tâm

khối đạn, [m]

X F , Y F , Z F Các thành phần của lực tác động lên phần trước, [N]

X t Khoảng cách từ tâm khối đến tâm áp đạn, [m]

 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],

 C Biên độ góc lật cánh lái, [rad], [độ]

 i Góc lật của các cánh lái thứ i, [rad]

 rx Góc nghiêng của rãnh xoắn ống phóng với trục dọc, [rad]

φ C Góc pha ban đầu của góc lật cánh lái, [rad], [độ]

 Vận tốc đạn không thứ nguyên theo trục Oxn

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 mô hình cơ sở đạn phản lực 122mm 76

Bảng 3.5 Hệ số khí động mô hình cơ sở đạn phản lực 122mm lắp KĐK 77

Bảng 3.6 Các thông 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 thông số tính toán 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

Bảng 3.11 Thông số động học và ổn định của đạn với φ C = 180o và  C = 12o 94

Bảng 3.12 Thông số động học và ổn định của đạn với φ C = 0o và C = 12o 96

Bảng 4.1 Thông số đánh giá khả năng điều khiển của mô 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

Bảng 4.10 Lượng thay đổi của các hệ số mô 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 C D với nửa góc côn phần mũi KĐK 119 Bảng 4.14 Tầm bắn thay đổi với nửa góc côn phần mũi KĐK 119

Bảng 4.15 Hệ số tải n m thay đổi với nửa góc côn phần mũi KĐK 120 Bảng 4.16 Thời điểm mất ổn định với nửa góc côn phần mũi KĐK 121

Trang

Hình 1.1 Các dạng ứng xử của đạn trên quỹ đạo 7

Hình 1.2 Mô 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 Mô hình đạn phản lực 122mm lắp KĐK 10

Hình 1.6 Mô 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 ngoài của đạn phản lực 122mm lắp KĐK 36

Hình 2.7 Mô hình hình học của đạn phản lực lắp KĐK 39

Hình 2.8 Mô hình lực tác dụng lên chốt dẫn hướng của đạn 40

Hình 2.9 Mô hình đạn lắp KĐK và quy ước các hệ quy chiếu 42

Hình 2.10 Góc tấn  nvà 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 r t /s hoặc w r t / s 70 T Hình 3.2 Mô hình cơ sở của đạn phản lực 122mm lắp KĐK 73

Hình 3.3 Mô hình 3D của đạn phản lực 122mm lắp KĐK 74

Hình 3.4 Mô hình cơ sở của đạn phản lực 122mm lắp KĐK 76

đạn 78

Hình 3.6 Sơ đồ thuật toán giải xác định các thông số ổn định S sd và S ss 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 không điều khiển 87

Hình 3.13 Vận tốc tổng quát và góc quỹ đạo của đạn không điều khiển 87

Hình 3.14 Góc tấn và góc trượt cạnh đạn không 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 không được điều khiển 89

Hình 3.17 Thông số ổn định S sd và S ss theo thời gian 89

Hình 3.18 Góc tấn và góc trượt cạnh với φ C =180o và C = 12o 90

Hình 3.19 Mất ổn định ở góc tấn và góc trượt cạnh với φ C =180o và  C = 12o 90 Hình 3.20 Thông số ổn định S sd và S ss với φ C =180o và C = 12o 91

Hình 3.21 Góc tấn và góc trượt cạnh với φ C = 180o và C = 12o 93

Hình 3.22 Chuyển động góc của đạn pháo 155mm với φ C = 180o và  C = 12o 93 Hình 3.23 Tốc độ thay đổi của góc trượt cạnh so với tốc độ góc yaw theo thời gian với φ C = 180o và C = 12o 94

Hình 3.24 Góc tấn và góc trượt cạnh của đạn với φ C = 0o và C = 12o 95

Hình 3.25 Chuyển động góc của đạn với φ C = 0o và C = 12o 95

Hình 3.26 Góc tấn và góc trượt cạnh với φ C = 0o và C = 12o 96

Hình 4.1 Độ dự trữ ổn định tĩnh SM 98

Hình 4.3 Góc tấn và góc trượt cạnh cân bằng với φ C = 270o và C = 10o 100

Hình 4.4 Thông số ổn định S sd và S ss với φ C = 180o 103

Hình 4.5 Thông số ổn định S sd với φ C = 180o và C = 8,81o 104

Hình 4.6 Thông số ổn định S sd và S ss theo thời gian φ C = 270o 104

Hình 4.7 Thông số ổn định S sd và S ss theo thời gian φ C = 90o 105

Hình 4.8 Vị trí đặt cánh lái 106

Hình 4.9 Thông số ổn định S sd theo x C với góc lật cánh láiC = 10o 108

Hình 4.10 Thay đổi diện tích cánh lái 109

Hình 4.11 Thông số ổn định S sd theo S C 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 Thông số ổn định S sd theo m F 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 Thông số ổn định S sd theo F CG x 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 côn phần mũi đạn 119

Hình 4.18 Thông số ổn định S sd theo nửa góc mũi KĐK với góc lật cánh láiC = 10o 120

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 không 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 công nghệ trong đó có công nghệ vi mạch có thể chế tạo ra các cảm biến và thiết bị có kích thước nhỏ, chịu được quá tải trong quá trình phóng, cùng với khả năng định vị toàn 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 công 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 công trình này bước đầu đánh giá được tính khả thi của việc lắp KĐK cho loại đạn này dựa trên các kết quả về nguyên lý kết cấu,

mô 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 hoàn thiện mô hình toán 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

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 không 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 nguyên bản để trung bình hóa các sai số thì KĐK sẽ được kiểm soát 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 mô 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 hoàn thiện, xong với đạn 7 bậc tự do vẫn còn nhiều vấn đề cần hoàn thiện và có sức hút lớn Ngoài 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

Từ các phân tích trên và với mong muốn hoàn 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 mô hình toán mô 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 toán, 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 hoàn thiện mô hình toán

mô 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 mô hình toán 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 côn 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 mô hình toán mô 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 mô hình toán mô tả chuyển động 7 bậc tự

do trên quỹ đạo và điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

- 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 côn 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 công bố với cùng một thông số đầu vào

- Xây dựng mô hình toán mô 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 mô hình toán và điều kiện ổn định bay thông qua các bước:

+ Rút gọn mô hình toán mô 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 toán với bảng bắn, từ đó từng bước chứng minh tính đúng đắn của mô hình toán 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 mô tả chuyển động bay của đạn để chứng minh các phép biến đổi toán học trong luận án là tin cậy

+ So sánh kết quả được tính toán từ luận án với kết quả được công bố

ở tài liệu nước ngoài với cùng bộ thông 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 hoàn thiện mô hình toán mô tả chuyển động bay và điều kiện ổn định bay của lớp đạn 7 bậc tự do

- 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:

- Mô hình toán đạn phản lực lắp KĐK 7 bậc tự do là mô hình mới, do đó xây dựng hoàn thiện mô hình toán cho lớp đạn này là cơ sở cho các nghiên cứu tiếp theo liên quan đến loại đạn này Mô hình toán 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 không và thời điểm nào đạn mất ổn định khi có các thay đổi về thiết kế mà không 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 toán, 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 mô hình kết cấu cơ sở, mô hình toán chuyển động bay và điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

Chương 3 Kiểm định mô hình toán 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 công bố trong 05 bài báo tại các tạp chí nghiên cứu khoa học kỹ thuật trong nước

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 ngoài 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 không đảm bảo là vật

đó có ổn định vị trí cân bằng hay không 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 hoàn toàn không có dao động; hình 1.1-b thể

hiện đạn ổn định động và có dao động; các trường hợp ở hình 1.1-c và hình 1.1-d đạn không ổn định bay khi biên độ của đạn tăng lên dần

(a) (b)

(c) (d)

Hình 1.1 Các dạng ứng xử của đạn trên quỹ đạo

a – quá giảm chấn; b – dao động được giảm chấn;

c – phân kỳ không dao động; d – phân kỳ dao động

1.1.2 Đặc điểm ổn định bay của đạn phản lực

1.1.2.1 Đặc điểm ổn định bay của đạn phản lực không điều khiển

Đạn phản lực không điều khiển là đạn truyền thống và các vấn đề liên quan đến ổn định bay của loại đạn này cũng đã được trình bày trong các tài liệu tham khảo kinh điển [17], [42], [63] và [67] Khi đạn chuyển động trên quỹ đạo chúng sẽ bị tác động bởi nhiễu Các nhiễu này bao gồm các tác động của khí quyển trong quá trình bay như gió hoặc các dòng chảy rối Đạn ổn định bay cần phải đảm bảo chống lại được các yếu tố này Ở hình 1.2a đường liền biểu diễn quỹ đạo tương ứng với chuyển động không bị nhiễu loạn Giả

sử trên đoạn AB của quỹ đạo một vài nhiễu loạn nào đó tác động lên đạn làm

nó chuyển động theo quỹ đạo nhiễu loạn AB' lệch đi so với quỹ đạo danh nghĩa Nếu theo những tiêu chuẩn khắt khe của lý thuyết ổn định chuyển động vật rắn thì chuyển động của đạn được coi như ổn định nếu sau khi ngừng tác động của các yếu tố nhiễu loạn ở điểm B' thì quỹ đạo nhiễu loạn sẽ tiến dần

đến quỹ đạo danh nghĩa và trùng với nó ở điểm D nào đó

(a) (b)

Hình 1.2 Mô tả quỹ đạo chuyển động của đạn

a - các dạng quỹ đạo của đạn; b - giới hạn ổn định của đạn

Khi nói đến tính ổn định chuyển động của đạn chúng ta hiểu rằng đó là một miền ổn định chuyển động Nghĩa là dưới tác động của các yếu tố nhiễu loạn sai lệch của quỹ đạo thực so vói quỹ đạo danh nghĩa không vượt quá một giới hạn cho phép cho trước Trên hình 1.2-b hai đường đứt đoạn giới hạn

vùng chuyển động ổn định của đạn Nếu xét tại một điểm S trên quỹ đạo thì

đạn được coi là chuyển động ổn định nếu không có một quỹ đạo nào đi ra khỏi đường tròn bán kính 

Để đạn phản lực có thể ổn định bay được thì như đã trình bày ở mục trên, đạn cần phải có một thành tố nội tại chống lại các nguyên nhân mất ổn định để đảm bảo đạn không bị lật (mất ổn định) trên quỹ đạo Có hai phương pháp chính để ổn định cho đạn phản lực trên quỹ đạo đó là ổn định cánh và ổn định quay nhờ góc nghiêng loa phụt [2], [3] và [70] Bản chất ổn định của hai phương pháp này được trình bày dưới đây

Phương pháp ổn định bằng cánh: Trên phần đuôi của thân đạn được gắn

những cánh có hình dạng và kích thước thích hợp phụ thuộc vào từng loại đạn Nhờ có bộ cánh đuôi khi có dòng khí chảy bao thân đạn, đặc điểm phân

bố áp suất theo chiều dài đạn thay đổi và tâm áp sẽ nằm trong khoảng từ đáy đạn đến tâm khối như thể hiện ở hình 1.3 Trong trường hợp góc  t tăng lên,

lực cản R sẽ tạo ra mô men M R đối với tâm khối và có xu hướng làm giảm góc

phụt

P - lực đẩy; P 1 , P 2 - các lực thành phần tiếp tuyến và dọc trục

Phương pháp ổn định bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa phụt: Đạn

được tạo chuyển động quay nhanh quanh trục dọc nhờ các loa phụt đặt nghiêng so với trục đạn và khi bay đạn trở thành một con quay như được thể hiện ở hình 1.4 Do tính chất của con quay, dưới tác dụng của mô men lật trục đạn không bị lật mà bảo toàn hướng trong quá trình chuyển động, nghĩa là trục đạn sẽ tiến động quanh tiếp tuyến quỹ đạo (trên đoạn đầu quỹ đạo gần như thẳng) và tiến động quanh trục cân bằng động (trên đoạn cong quỹ đạo) Tốc độ góc quay của đạn cần phải tính toán để khi chuyển động theo quỹ đạo trục dọc của nó không ngừng bám theo hướng chuyển động của khối tâm và sai lệch ở vị trí cuối cùng của phần tích cực trong giới hạn góc cho phép

1.1.2.2 Đặc điểm ổn định bay của đạn phản lực có lắp KĐK

Đạn phản lực có lắp KĐK như được mô tả ở hình 1.5 là loại đạn cải tiến

có phần trước là KĐK và phần sau là đạn cũ, hai phần này được liên kết với nhau qua khớp quay đồng trục [15], [32], [64] Đặc tính ổn định bay của đạn phản lắp KĐK thay đổi nhiều khi lắp thêm KĐK, trong khi phần trước chủ yếu thực hiện chức năng hiệu chỉnh quỹ đạo bằng cánh lái nhỏ, thì phần sau thực hiện chức năng ổn định bằng cánh ổn định lớn và quay chậm hoặc quay nhanh do góc nghiêng loa phụt như được thiết kế ở đạn chưa cải tiến Tốc độ

quay quanh trục của phần trước P F và phần sau P A thường khác nhau, và P F

thường rất nhỏ

Hình 1.5 Mô hình đạn phản lực 122mm lắp KĐK

1- Phần sau (phần của đạn truyền thống); 2- Phần trước (KĐK); P A - tốc độ quay quanh trục phần sau; P F - tốc độ quay quanh trục của KĐK

Đối với đạn phản lực ổn định cánh có lắp KĐK thì KĐK đã kéo tâm áp

về gần trọng tâm hơn so với tâm áp của đạn cũ, điều này đã làm cho ổn định bay của đạn giảm đi Độ dự trữ ổn định tĩnh của đạn phản lực trước khi cải tiến cỡ khoảng 20% - 60% [4] thì sau khi cải tiến đạn chỉ khoảng 6-13% [68] Thay đổi này là cần thiết để đảm bảo đạn có thể điều khiển được và giảm kết cấu và năng lượng của cơ cấu lái, hay nói cách khác thay đổi để đảm bảo tính

ổn định và tính điều khiển của đạn

Một yếu tố cố hữu gây mất ổn định bay của đạn pháo lắp KĐK nói chung hay đạn phản lực lắp KĐK nói riêng đó là lực điều khiển sinh ra do mặt điều khiển cánh lái [39], [40], [46] Lực điều khiển tác động vào mũi đạn trong quá trình hiệu chỉnh quỹ đạo có thể làm mất ổn định động của đạn Do

đó đối với mỗi thiết kế cần phải xác định rõ diện tích cánh lái, vị trí đặt cánh lái, góc lật cánh lái để đảm bảo KĐK thực hiện chức năng hiệu chỉnh quỹ đạo mà vẫn đảm bảo đạn ổn định động trên quỹ đạo

1.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định bay của đạn phản lực

Ổn định bay của đạn phản lực là vấn đề được nghiên cứu trong giai đoạn phối trí đạn (giai đoạn thiết kế sơ bộ), do đó các phương pháp đưa ra trong phần tổng quan của luận án cũng tập trung vào giai đoạn này

1.2.1 Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo các chuyển động thuần túy

Đây là một phương pháp phổ biến được sử dụng nhiều trong các lĩnh vực nghiên cứu liên quan đến ổn định và điều khiển thiết bị bay trong đó bao gồm

cả đạn điều khiển, các tài liệu kinh điển trình bày phương pháp này như [13], [24], [29] và [51] Nghiên cứu ổn định được thực hiện theo các chuyển động tách rời bao gồm ổn định dọc, ổn định hướng và ổn định quay quanh trục Đối với đối tượng là đạn điều khiển đối xứng như của luận án thì chuyển động ổn định dọc và ổn định hướng là tương đồng, do đó dưới đây chỉ trình bày ổn định dọc và ổn định quay quanh trục của đạn

1.2.1.1 Ổn định dọc

- Ổn định tĩnh dọc: Đây là vấn đề quan trọng nhất liên quan đến nghiên cứu

ổn định của đạn điều khiển, ảnh hưởng đến khả năng thay đổi tầm của đạn nói chung hay ảnh hưởng đến hiệu quả hiệu chỉnh chính xác tầm nói riêng Trong các nghiên cứu, hệ số dự trữ ổn định tĩnh được sử dụng để đánh giá được mức

độ ổn định tĩnh dọc của đạn Hệ số này được định nghĩa là khoảng cách giữa tâm áp và tâm khối của đạn Thông thường hệ số này được định nghĩa ở dạng không thứ nguyên thông qua chiều dài tham chiếu là đường kính của đạn

Hình 1.6 Mô hình tên đạn trong mặt phẳng dọc

Theo [24] độ dự trữ ổn định tĩnh được xác định dựa vào hình 1.6, tổng

mô men khí động tác dụng vào đạn sẽ là:

t

M  NX (1.1)

trong đó, M  – tổng mô men khí động tác dụng lên đạn, N – lực pháp tuyến

khí động, X - khoảng cách từ tâm khối đến tâm áp đạn

Chia cả 2 vế của (1.1) cho 1 2

2V Sd ta được:

C M C N X t

d

 (1.2) Đạo hàm (1.2) theo  ta được:

số lực và mô men khí động pháp tuyến Công thức này cũng cho thấy dấu của

độ dự trữ ổn định tĩnh phụ thuộc vào dấu của C M , đối với kiểu kết cấu cánh lái kiểu con vịt thì độ dự trữ ổn định sẽ mang dấu âm [24] Giá trị tuyệt đối của độ dự trữ ổn định càng lớn thì đạn càng ổn định Đây cũng là một trong các thông số quan trọng để đánh giá khả năng điều khiển của đạn, độ lớn của

SM càng lớn năng lượng để điều khiển đạn càng tăng lên

Đối với loại đạn cải tiến được nghiên cứu trong luận án, thì việc kết cấu thêm KĐK ở phía trước sẽ làm thay đổi độ dự trữ ổn định tĩnh của đạn Việc thay đổi này phải đảm bảo giảm độ dự trữ ổn định tĩnh của đạn để tăng hiệu quả điều khiển đạn Các tính toán liên quan đến vấn đề này sẽ được đề cập ở phần tiếp theo của luận án

- Ổn định động dọc: Theo tài liệu [22], sử dụng phương trình cân bằng mô

men định luật Newton II quanh tâm khối đạn ta có:

y

M  I  (1.4)

Viết (1.4) dưới dạng số gia ở trạng trái bình ổn sẽ là:

y

    (1.5) Biểu thức khai triển Taylor bậc nhất của M sẽ là:

2 1,2

 và 2 hay nói cách khác nó phụ thuộc vào giá trị của các thông số vật lý

thì 1 và 2 là số thực âm, khi đó chuyển động

sẽ về không rất nhanh, với trường hợp này nó tương đương với quá giảm chấn

đã đề cập ở mục 1.1.1 của luận án Khi đó góc tấn được viết dưới dạng phụ thuộc thời gian sẽ là:

Hệ số giảm chấn được định nghĩa  

định quay quanh trục để điều khiển tầm và hướng của đạn [24] Đối với đạn

thông thường thì nghiên cứu này cũng để đánh giá tản mát của đạn [42] Đối với đối tượng là đạn phản lực lắp KĐK như được nghiên cứu trong luận án thì nghiên cứu ổn định quay quanh trục làm cơ sở đánh giá hiệu quả của việc điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo, đánh giá khả năng kiểm soát tốc độ quay của phần trước sẽ quyết định đến cơ chế hiệu chỉnh quỹ đạo

Giống như cách tiếp cận đối với ổn định tĩnh dọc, chuyển động quay quanh trục ở đây cũng được nghiên cứu ở dạng thuần túy Khi đó, sử dụng định luật Newton II ta có:

x

L I  (1.14) trong đó, L  – tổng mô men tác dụng lên đạn quanh trục dọc của đạn

Khai triển Taylor L  ở dạng bậc nhất ta có:

 t C1exp L t p C2

   (1.18)

Từ (1.18) cho thấy rằng, để đạn ổn định động quay quanh trục thì dấu

của L p sẽ phải là dấu âm và khi đó   t sẽ tiến về C2là giá trị phụ thuộc vào

điều kiện ban đầu Như vậy giá trị âm của L p càng lớn thì ổn định quay quanh

trục càng nhanh Đối với đạn phản lực lắp KĐK thì L p của 2 phần trước và sau khác nhau và do đó tốc độ quay quanh trục của 2 phần cũng khác nhau

1.2.2 Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo điều kiện ổn định

Đây là một phương pháp kinh điển được dùng chủ yếu cho các nghiên cứu về ổn định của đạn, đã được nghiên cứu và phát triển trong các tài liệu [42], [44], [45] và [49] Phương pháp này dựa trên mô hình toán 6 bậc tự do (mô hình đầy đủ), biến đổi các thông số phụ thuộc thời gian thành thông số

phụ thuộc biến chiều dài không thứ nguyên

Theo tài tiệu [42], từ hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay 6 bậc tự do có các đạo hàm theo biến thời gian được biến đổi thành phương trình biến góc tấn phức dưới đây:

        (1.19) trong đó

là tốc độ hồi chuyển, trong khi dấu của M thể hiện kiểu ổn định của đạn là dạng cánh hay dạng quay nhanh, M âm thì thường là ổn định cánh và ngược lại M dương là cho đạn ổn định quay nhanh

Phương trình (1.19) chứa tất cả các lực và mô men khí động tác dụng lên đạn khi bay, bao gồm cho cả đạn quay và đạn không quay đối xứng Chú ý khi thiết lập phương trình này cần có các giả thiết quỹ đạo bắn phẳng, góc tấn

và góc bắn nhỏ phù hợp với đạn bắn trực tiếp Nghiệm tổng quát của phương trình (1.19) là:

M

 , hệ số này chứa thành phần tốc

độ quay quanh trục của đạn, nó là đại lượng đánh giá khả năng ổn định quay của đạn Thường được dùng để đánh giá ổn định bay cho lớp đạn ổn định theo nguyên lý quay nhanh

- Hệ số ổn định động: S d 2T

H

 , hệ số này chứa các thành phần hệ số khí động mang ý nghĩa giảm chấn, do đó nó đại diện cho khả năng dập tắt dao động hay ổn định động của đạn

Từ nghiệm tổng quát (1.22) dễ dàng thấy rằng điều kiện để ổn định động là: các tốc độ quay  ' ' 

Đối với loại đạn phản lực có cánh và quay chậm, do được thiết kế là đã

ổn định tĩnh M 0 (tâm áp nằm phía sau tâm khối), do đó theo [42] có vài kết luận như sau:

- Đạn ổn tĩnh sẽ luôn ổn định hồi chuyển mà không cần quan tâm đến tốc

độ quay của đạn

- Nếu hệ số ổn định động của đạn thỏa mãn 0  S d  2 đạn sẽ luôn luôn

ổn định động mà không cần quan tâm đến tốc độ quay của đạn

- Nếu hệ số ổn định động của đạn S  d 0 hoặc S  d 2 thì khi đạn quay quá nhanh sẽ làm đạn mất ổn định động, khi đó cận trên của tốc độ quay phải đảm bảo bất phương trình dưới đây:

tự như ở mô hình 6 bậc tự do

1.2.3 Phương pháp nghiên cứu ổn định bay bằng giải hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay

Hiện nay, việc thiết lập và giải hệ phương trình mô tả chuyển động 6 bậc

tự do của đạn không còn là một vấn đề mới, nhưng ở thế kỷ trước vấn đề này

có một lịch sử phát triển dài, gắn với sự phát triển của máy vi tính và các công

cụ giải toán kèm theo [42] Có lẽ đây cũng là một lý do để các công trình nghiên cứu về điều kiện ổn định bay của đạn phát triển mạnh mẽ vì nó là công

cụ để thiết kế và kiểm tra sự ổn định của đạn nhanh chóng Mô hình toán mô

tả chuyển động 6 bậc tự do của đạn mô tả đầy đủ chuyển động của đạn trong không gian Khi cung cấp đầy đủ các lực khí động, lực đẩy động cơ và mô men khí động cùng các thuộc tính quán tính của đạn và giải hệ phương trình

vi phân chuyển động thì các đặc tính động học và ổn định có thể được xác định trên toàn quỹ đạo bay, do đó mô hình toán 6 bậc tự do được đánh giá là

mô hình “toàn năng” [45]

Đối với loại đạn lắp KĐK, đối tượng được nghiên cứu của luận án, là một cơ hệ gồm hai vật và có 7 bậc tự do khi bay trên quỹ đạo Thêm một khớp quay đồng trục giữa KĐK và thân đạn nhằm nâng cao hiệu quả của việc điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo [26] nhưng làm hệ tăng thêm một bậc tự do và điều này đặt ra một mô hình toán mới hay nói cách khác hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay của đạn phải được xây dựng và giải lại Khi giải

hệ phương trình này thì các đặc tính về động học cũng như về ổn định của đạn trên toàn quỹ đạo sẽ được xác định

Đánh giá chung về các phương pháp nghiên cứu và lựa chọn phương pháp nghiên cứu của luận án

Từ các nghiên cứu trên, phương pháp được lựa chọn để nghiên cứu ổn

định bay của đạn phản lực lắp KĐK trong luận án là phương pháp điều kiện

ổn định bởi các lý do:

- Phương pháp điều kiện ổn định bay sử dụng cách tiếp cận giải tích, với các giả thiết đầu vào trong một miền hẹp của nghiên cứu có thể đưa hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay 7 bậc tự do phức tạp về một phương trình vi phân mô tả chuyển động góc duy nhất, từ đó cho thấy được

sự tường minh bản chất tác động của mỗi thành phần đến ổn định của hệ Từ

đó có thể xác định được dải các thông số thiết kế để đảm bảo cho đạn ổn định bay tương ứng với một bộ thông số đầu vào xác định phù hợp cho việc tính toán và thiết kế cải tiến đạn

- Nghiên cứu ổn định bay của đạn bằng cách giải hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay bằng phương pháp số là một phương pháp đa năng, với sự phát triển mạnh mẽ của các phần mềm giải toán như hiện nay thì phương pháp này càng tỏ ra nhanh gọn và cho kết quả chính xác, có thể xác định được tất cả các thông số động học, động lực học của hệ trong quá trình bay Tuy nhiên, phương pháp này có một nhược điểm cố hữu đó là không cho thấy được vai trò, chiều hướng, bản chất và mức độ tác động của các thành phần của hệ Do đó phương pháp này thường được sử dụng để nghiên cứu đánh giá tổng quan với các dải thông số đầu vào rộng và trong luận án nó được dùng để kiểm chứng sự tin cậy cho các phép biến đổi toán học từ hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay sang điều kiện ổn định bay

- Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo các chuyển động thuần túy

phù hợp cho các loại đạn không quay hoặc cho tên lửa khi điều khiển tách kênh để xây dựng các bộ điều khiển tuyến tính, do vậy nó không thực sự phù hợp với cách tiếp cận của luận án

1.3 Mối quan hệ giữa ổn định và khả năng điều khiển đạn

Do ổn định bay và khả năng điều khiển của đạn có mối quan hệ chặt chẽ với nhau Đạn quá ổn định sẽ trở nên khó điều khiển, ngược lại đạn quá dễ điều khiển sẽ làm đạn dễ mất ổn định Do đó khi nghiên cứu tính ổn định của đạn cần phải xét đến khả năng điều khiển của đạn Cùng với độ dự trữ ổn định

tĩnh SM, khả năng điều khiển của đạn còn được đánh giá thông qua các thông

số tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D, tính cơ độ và hiệu quả điều khiển

1.3.1 Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D

Tỷ số L/D được coi là một trong những thông số quan trọng nhất để đánh

giá kết cấu khí động của đạn Tỷ số này tác động trực tiếp đến tầm và khả năng điều khiển của đạn [24] Tỷ số giữa lực nâng và lực cản khí động được tính thông qua lực nâng khí động và lực cản khí động

L D