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 TT

Ở nước ta đã có một vài nhiệm vụ nghiên cứu tăng độ chính xác cho đạn phản lực 122mm, đặt ra yêu cầu cần xây dựng một hệ thống các cơ sở tính toán phục vụ thiết kế bao gồm hoàn thiện mô

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Bộ Quốc phòng

Người hướng dẫn khoa học:

1 TS Nguyễn Phú Thắng

2 TS Phan Văn Chương

Phản biện 1: GS TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Cơ học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ VN

Phản biện 2: GS TSKH Vũ Duy Quang

Đại học Bách khoa Hà Nội

Phản biện 3: PGS TS Trịnh Hồng Anh

Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự

Luận án được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Viện họp tại: Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Vào hồi: giờ phút, ngày tháng năm 2021

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Đạn phản lực hiện nay đang có xu hướng mở rộng tầm bắn (có thể đạt đến 100km) và tăng độ chính xác sang các đối tượng tác chiến có mục tiêu điểm (sai lệch 5-7m) Theo hướng cải tiến tăng độ chính xác, đạn phản lực được lắp thêm khoang điều khiển (KĐK) với khớp quay đồng trục tách chuyển động quay giữa KĐK với thân đạn đang thu hút nhiều sự chú ý Khi bổ sung KĐK với khớp quay đồng trục đạn đã được bổ sung thêm một bậc tự do (từ một vật bay 6 bậc tự do thành cơ hệ 7 bậc tự do)

do đó động lực học bay của đạn đã thay đổi Ngoài ra, đạn đã thay đổi cả

về kết cấu, khí động, trọng tâm và đặc biệt là tính ổn định tĩnh và động khi đạn bay đã bị thay đổi Ở nước ta đã có một vài nhiệm vụ nghiên cứu tăng độ chính xác cho đạn phản lực 122mm, đặt ra yêu cầu cần xây dựng một hệ thống các cơ sở tính toán phục vụ thiết kế bao gồm hoàn thiện mô hình toán, xây dựng điều kiện ổn định bay, nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các thông số kết cấu của KĐK đến ổn định bay của đạn

Chính vì vậy tôi đã chọn đề tài “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” với mục tiêu và nội dung như trình bày sau đây

2 Mục đích của luận án

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

3 Nội dung nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu tổng quan về ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

- Nghiên cứu xây dựng và hoàn thiện mô hình kết cấu, mô hình toán mô tả chuyển động trong ống phóng và mô hình mô tả chuyển động 7 bậc tự do trên quỹ đạo của đạn phản lực lắp KĐK

- Xây dựng điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

- Kiểm định tính đúng đắn của điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu 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

4 Đối tượng nghiên cứu của luận án

Đạn phản lực 122mm cải tiến có lắp KĐK chứa khớp quay đồng

trục tách chuyển động quay KĐK với thân đạn

5 Phương pháp nghiên cứu của luận án

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 kết cấu cơ sở của đạn phản lực lắp KĐK và đưa ra phương pháp xác định bộ hệ số khí động cho loại đạn này

- Trên cơ sở xây dựng mô hình toán mô tả chuyển động trên quỹ đạo, thiết lập ra điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK dựa trên điều kiện ổn định Hurwitz

- So sánh kết quả đạt được của phương pháp điều kiện ổn định bay với kết quả của hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động bay của đạn So sánh, kiểm chứng các kết quả tính toán nhận được với các kết quả đã được công bố

- Trên cơ sở chứng minh tính đúng đắn và tin cậy của điều kiện

ổn định bay, sử dụng điều kiện ổn định bay này để nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu của KĐK đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK cùng với đánh giá khả năng điều khiển của mỗi kết cấu

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

hệ số khí động phù hợp cho loại đạn này

- Xây dựng điều kiện ổn định bay cho lớp đạn phản lực lắp KĐK

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu cơ bản của KĐK đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK

Ý nghĩa thực tiễn:

Mô hình 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 Nghiên cứu 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 loại đạn này Mô hình toán đúng đắn cũng là

cơ sở cho việc xây dựng, thiết kế và mô phỏng bộ điều khiển hiệu chỉnh quỹ đạo trước khi thử nghiệm

Điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK làm cơ sở kiểm định cho mỗi thiết kế và hiệu chỉnh thiết kế Công cụ này sẽ cho biết đạn có ổn định hay không khi có các thay đổi về thiết kế mà không cần giải hệ phương trình mô tả chuyển động bay của loại đạn này

Khảo sát ảnh hưởng các thông số kết cấu 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 khoang điều khiển

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 khoang điều khiển

Chương 3 Kiểm định mô hình toán và điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp khoang điều khiển

Chương 4 Khảo sát ảnh hưởng của các thông số kết cấu của KĐK đến ổn định bay của đạn phản lực lắp khoang điều khiển

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN

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 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

- 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 [43]

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

Hình 1.5 Mô hình đạn phản lực lắp KĐK

- Tốc độ quay quanh trục của phần trước P F và phần sau P A

thường khác nhau, và P F thường rất nhỏ

- Độ dự trữ ổn định tĩnh của đạn phản lực trước khi cải tiến cỡ khoảng 20% - 60% [10] thì sau khi cải tiến đạn chỉ khoảng 6-13% [60]

- Lực điều khiển tác động vào mũi đạn trong quá trình hiệu chỉnh quỹ đạo có thể làm mất ổn định động của đạn

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

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

- Ổn định dọc

M N

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

Phương trình mô tả chuyển động góc của đạn:

lắp KĐK

Đối với các công trình nước ngoài: Các công trình có phổ nghiên

cứu rộng trên các vấn đề liên quan đến đạn pháo lắp KĐK

- Các công trình của các tác giả Nga bước đầu đánh giá tính khả thi về lắp KĐK cho đối tượng đạn phản lực 122mm

- Các công trình của các tác giả Âu-Mỹ đã xây dựng mô hình toán đầy đủ, 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 đối tượng là đạn pháo ổn định quay có lắp KĐK

- Công trình của các tác giả Trung Quốc bao gồm đã thiết lập mô hình toán đầy đủ khi không sử dụng góc Euler nhỏ và đã xây dựng điều kiện ổn định bay dựa trên mô hình toán này cho đạn pháo ổn định quay lắp KĐK

Đối với các công trình trong nước: Nhìn chung do đối tượng

nghiên cứu còn mới, do đó các công trình liên quan đến đối tượng nghiên cứu của luận án và vấn đề nghiên cứu của luận án là chưa nhiều

Kết luận chương 1

- Đạn phản lực lắp KĐK là cơ hệ 7 bậc tự do khi chuyển động trên quỹ đạo có đặc tính ổn định bay khác với đạn 6 bậc tự do truyền thống, do đó vấn đề ổn định bay của loại đạn này cần được nghiên cứu

- Sử dụng phương pháp điều kiện ổn định bay cho đạn phản lực lắp KĐK là phù hợp dựa trên điều kiện ổn định bay kinh điển của loại đạn 6 bậc tự do và các kết quả được công bố ở các công trình trên thế giới về loại đạn pháo ổn định quay lắp KĐK

- Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số kết cấu của KĐK là thực sự cần thiết để đánh giá tác động của KĐK đến ổn định bay của đạn phản lực lắp KĐK, làm cơ sở cho thiết kế cải tiến tăng độ chính xác cho loại đạn này

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

2.1 Mô hình kết cấu của đạn phản lực lắp KĐK

2.1.1 Kết cấu và nguyên lý làm việc của đạn phản lực

2.1.1.1 Kết cấu chính của đạn phản lực

2.1.1.2 Nguyên lý làm việc của đạn phản lực 122mm

2.1.2 Kết cấu sơ bộ và nguyên lý làm việc của đạn phản lực 122mm lắp KĐK

2.1.2.1 Kết cấu sơ bộ của đạn phản lực 122mm lắp KĐK

Hình 2.5 Các thành phần chính của KĐK

2.1.2.2 Nguyên lý hoạt động của đạn phản lực 122mm lắp KĐK

Đạn được giải phóng khớp quay ngay từ đầu và bắt đầu thực hiện

hiệu chỉnh quỹ đạo khi đạn qua đỉnh quỹ đạo ở thời điểm t C = 35s

2.2 Mô hình chuyển động của đạn phản lực lắp KĐK

2.2.1 Mô hình toán của đạn chuyển động trong ống phóng

Phương trình mô tả chuyển động đạn trong ống phóng:

2

2

2.2.2 Mô hình toán của đạn chuyển động bay trên quỹ đạo

Tổng có 14 phương trình vi phân với 14 biến trạng thái độc lập

A A

p p q r

A x A

M M I p I p r q

r I

r

M M I p I p q

qr I

- Các phương trình ràng buộc hệ quy chiếu:

cos cos sin sin coscos sin cos sin sin

2.3 Xây dựng điều kiện ổn định bay

2.3.1 Xây dựng phương trình chuyển động bay của đạn theo góc tấn phức

Phương trình mô tả chuyển động góc của đạn:

- Xây dựng được điều kiện ổn định bay của đạn phản lực lắp Trên cơ sở điều kiện ổn định này, có thể đánh giá được ảnh hưởng của các thông số kết cấu của KĐK đến ổn định bay của đạn

CHƯƠNG 3: KIỂM ĐỊNH MÔ HÌNH TOÁN VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Xây dựng phương án xác định hệ số lực và mô men khí động

3.1.1 Cơ sở phương pháp xác định hệ số lực và mô men khí động

Sử dụng phầm mềm bán thực nghiệm Missile DATCOM để xây dựng bộ hệ số khí động cho mô hình đạn cơ sở 122mm lắp KĐK

3.1.2 Phương án xác định và xử lý hệ số khí động

3.2 Xác định hệ số khí động và các thông số động học ở miệng ống phóng

3.2.1 Xác định hệ số khí động của đạn

Hình 3.4 Mô hình cơ sở của đạn phản lực 122mm lắp KĐK Bảng 3.3 Các thông số vật lý của đạn phản lực 122mm lắp KĐK

Khối lượng phần sau khi thuốc phóng cháy hết, kg 46,5

MMQT trục phần sau thuốc phóng cháy hết, kgm2 0,124

MMQT xích đạo sau thuốc phóng cháy hết, kgm2 47,29

0,36 0,375 0,04

0,17

CG

1,485

Vị trí tâm khối đạn khi thuốc phóng cháy hết, m 1,485

Vị trí tâm khối phần sau ban đầu, m 1,898

Vị trí tâm khối phần sau khi thuốc phóng cháy hết, m 1,728 Lực đẩy trung bình của động cơ, N 23000

Hệ số mô men ma sát nhớt của ổ lăn, Nm/(rad/s) 0,001

Hệ số mô men ma sát cu-lông của ổ lăn, m 0,001

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

KĐK

A l

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

1 1

Các số liệu đầu vào

Nhập số khoảng thời gian

Runge-Kutta xác định vận tốc tổng quát của

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

Hình 3.7 Vận tốc dài và tốc độ quanh trục phần sau trong ống phóng

3.3 Kiểm định mô hình toán mô tả chuyển động bay và điều kiện

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

Trường hợp 1: Khi đạn không được điều khiển

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

Trường hợp 2: Đạn được điều khiển lệch sang trái với φ C = 180o từ thời

điểm t C = 35s với biên độ lật cánh

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

Hình 3.20 Thông số ổn định S sd và S ss với φ C = 180o và  C =12o

Nhận xét: Các trường hợp ở trên cho thấy sự tương đồng của

phương pháp điều kiện ổn định bay với mô phỏng chuyển động của đạn trên quỹ đạo bằng hệ phương trình phân Qua đấy cho thấy độ tin cậy của mô hình toán mô tả chuyển động bay và điều kiện ổn định bay được

xây dựng trong luận án

3.3.3 So sánh kết quả của phương pháp được xây dựng trong luận án với tài liệu công bố ở nước ngoài

Ở đây, mô hình toán mô tả chuyển động bay và phương pháp điều kiện ổn định bay của đạn được xây dựng trong luận án sẽ sử dụng với các thông đầu vào với đạn pháo 155mm lắp KĐK đã được công bố trong tài liệu [61] và so sánh kết quả tính toán được với kết quả của tài

liệu này

Trường hợp 1: Đạn được điều khiển lệch sang trái (hướng âm của

Onyn) với góc pha ban đầu φ C = 180o với biên độ góc lật cánh lái  C

=12o

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

Bảng 3.11 Thông số động học và ổn định, φ C = 180o và  C =12oThời

Trường hợp 2: Đạn được điều khiển lệch sang phải (hướng dương của

Onyn) với góc pha ban đầu φ C = 0o với biên độ góc lật cánh lái  C =12o

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

Đồ thị mô tả hai đại lượng này theo thời gian là giống với kết quả được công bố [61] Kết quả cũng cho thấy đạn có vẻ ổn định khi hết thời gian mô phỏng mà các góc tấn và góc trượt cạnh hội tụ và ổn định hầu như không dao động

- Kiểm định được tính đúng đắn và tin cậy của các mô hình toán và điều kiện ổn định bay đã thiết lập Điều kiện ổn định này sẽ là công cụ để nghiên cứu tính ổn định bay của đạn khi thay đổi các thông số của KĐK

CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC THÔNG SỐ KẾT CẤU CỦA KĐK ĐẾN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHÁO PHẢN LỰC LẮP KĐK

4.1 Đánh giá khả năng điều khiển mô hình cơ sở của đạn 9M22Y lắp KĐK

4.1.1 Độ dự trữ ổn định tĩnh

Hình 4.1 Độ dự trữ ổn định tĩnh SM

Độ dự trữ ổn định tĩnh SM  3, 23d  2,38d, quy đổi sang dạng phần trăm sẽ là: SM 8, 75%  11,85%

4.1.2 Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D, hệ số tải n m

Hình 4.2 Tỷ số lực nâng và lực cản khí động L/D

Giá trị lớn nhất của tỷ số này là  L max 3,91

D  ở tốc độ 264m/s và

hệ số tải n m = 3,55 (khi đạn bay cân bằng ở biên độ góc lật cánh  C = 10o)

So sánh với các giá trị đã đưa ra ở tài liệu [41] đối với đạn Copperhead 155mm (loại đạn phản lực hiệu chỉnh quỹ đạo), thì giá trị này tương ứng

4.1.3 Chỉ số hiệu quả điều khiển CE

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

4,6

ne

  , do đó chỉ số hiệu quả điều khiển CE 0,46 Như

vậy đối với mô hình cơ sở thì chỉ số hiệu quả điều khiển CE < 1, chỉ số

này là phù hợp với đạn hoặc tên lửa điều khiển như đã phân tích ở

chương 1