Nghiên cứu nâng cao độ ổn định của tên lửa không điều khiển bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu nâng cao độ ổn định của tên lửa không điều khiển bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý

1. 1 Tính cấp thiết của đề tài: Cùng với sự phát triển của nền kinh tế, nền CNQP nước ta đã có những bước tiến mạnh mẽ. Cho đến nay CNQP đã có thể chế tạo được một số loại vũ khí cơ bản cho các đơn vị bộ binh, trong đó có các loại tên lửa không điều khiển. Tuy nhiên do hiện nay chúng ta chưa có một cơ sở lý thuyết hoàn chỉnh và số liệu thiết kế đáng tin cậy nên các loại tên lửa khi sản xuất ra thường có đường bay không thật sự ổn định. Để khắc phục nhược điểm này, đòi hỏi phải xây dựng và hoàn chỉnh bài toán ổn định cho các loại tên lửa không điều khiển cũng như nghiên cứu và hoàn thiện các cơ sở lý luận phục vụ cho công tác thiết kế chế tạo vũ khí tên lửa. Đây là một nhiệm vụ thiết thực góp phần nâng cao năng lực hoạt động của các cơ sở CNQP. Như vậy, việc nghiên cứu tác động của các thông số cánh đến độ ổn định bay của đạn là một bài toán rất cần thiết khi tiến hành thiết kế bất cứ một loại tên lửa nào đó. Đề tài “Nghiên cứu nâng cao độ ổn định của tên lửa không điều khiển bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý” là đề tài lựa chọn hướng nghiên cứu này. Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu của đề tài là đưa ra cơ sở định lượng để lựa chọn các thông số cánh phục vụ cho bài toán thiết kế các loại tên lửa nói chung, tên lửa không điều khiển nói riêng. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng khảo sát của đề tài NCS là đạn B41-M. Đây là một loại đạn phản lực chống tăng điển hình do Nga sản xuất và đang được trang bị trong quân đội ta. B41–M là loại đạn phản lực không điều khiển được ổn định bằng cánh. Phương pháp nghiên cứu: Phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm. * Nghiên cứu lý thuyết: + Dựa trên mô hình chuyển động tổng quát của vật bay trong không gian, xây dựng mô hình toán chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh.
2. 2 + Sử dụng phần mềm tính toán để giải bài toán chuyển động của tên lửa cho các phương án khác nhau. + Phân tích, đánh giá các kết quả nhận được. từ đó đưa ra những yêu cầu cụ thể đối với việc lựa chọn các thông số cánh. * Nghiên cứu thực nghiệm: Thay đổi kết cấu cánh của một loại đạn phản lực không điều khiển (cụ thể là đạn B41-M). Tiến hành bắn, đo đạc các thông số để kiểm chứng với các kết quả tính toán lý thuyết Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Kết quả nghiên cứu của đề tài là sự bổ sung và hoàn chỉnh cho bài toán nghiên cứu thiết kế các loại tên lửa không điều khiển. Dựa trên những nội dung của đề tài, các nhà thiết kế có cái nhìn tổng quan về ảnh hưởng của các thông số cánh đến đặc tính chuyển động của tên lửa, từ đó lựa chọn được thiết kế cánh hợp lí với mỗi loại tên lửa. Nội dung nghiên cứu: Luận án gồm phần mở đầu và bốn chương thuyết minh, phần đánh giá – kết luận và phần phụ lục tính toán. Luận án có 54 hình, 18 bảng và sử dụng 55 tài liệu tham khảo. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN TÊN LỬA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 1.1. Một số khái niệm về ổn định đạn Khi nghiên cứu chuyển động của đạn nói chung, tên lửa không điều khiển nói riêng [3], [18], [27],[28], [44], [53] thường chia thành chuyển động không bị nhiễu loạn và chuyển động nhiễu loạn. Chuyển động trong điều kiện khí tượng tiêu chuẩn gọi là chuyển động không bị nhiễu loạn. Quỹ đạo chuyển động của đạn trong trường hợp này gọi là quỹ đạo tiêu chuẩn (hay quỹ đạo không nhiễu loạn). Chuyển động của một vật được gọi là ổn định nếu nó có tính chất quay về chuyển động không nhiễu loạn sau khi ngừng tác động của các yếu tố nhiễu loạn.
3. 3 Để bảo đảm đạn bay ổn định, nghĩa là trong quá trình chuyển động mũi đạn luôn luôn hướng về phía trước và sai lệch quỹ đạo thực so với quỹ đạo tiêu chuẩn không vượt quá một giới hạn cho phép, đạn thường được tạo chuyển động quay trên quỹ đạo. 1.2. Phương pháp ổn định bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa phụt 1.2.1. Bản chất sự ổn định cho tên lửa quay nhờ loa phụt Phương pháp ổn định này dựa trên cơ sở của hiệu ứng con quay (hình 1.3). Hình 1.3. Sơ đồ nguyên lý về hiệu ứng con quay a. Con quay đứng yên; b. Con quay tham gia hai chuyển động quay - góc trương động;  - tốc độ quay quanh trục con quay; 0 - Tốc độ quay quanh trục cân bằng; Mq - Mô men trọng lực; q - trọng lực con quay 1.2.2. Tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay quanh trục Thực chất của việc tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay là xác định góc nghiêng  của loa phụt. Góc  được xác định theo điều kiện đồng thời đảm bảo ổn định chuyển động trên đoạn thẳng (ổn định con quay) và ổn định trên đoạn cong của quỹ đạo (ổn định định hướng):  min   max , (1.1) trong đó,  min là giới hạn dưới của góc nghiêng loa phụt đảm bảo ổn định chuyển động của tên lửa trên đoạn thẳng quỹ đạo;  max là giới hạn trên của góc nghiêng loa phụt đảm bảo ổn định chuyển động của tên lửa trên đoạn cong quỹ đạo.
4. 4 a. Điều kiện ổn định của đạn trên đoạn thẳng của quỹ đạo Xác định giá trị  min theo biểu thức: DH A.h.g 3  (1.12) tgmin 5 2 10 H(yK )KM d1 q a K b. Điều kiện ổn định của tên lửa trên đoạn cong của quỹ đạo Xác định giá trị max theo biểu thức: 2 3 2h.cb DH H(yS)vSKM (v / a)S ts.ts (1.19) tgmax . .e qgd1 vk 1.3. Phương pháp ổn định cánh cho tên lửa không điều khiển 1.3.1. Bản chất sự ổn định chuyển động của tên lửa có cánh Đối với tên lửa ổn định bằng cánh, nhờ hệ thống cánh mà tâm cản O’ được kéo lùi về phía sau khối tâm O để tạo ra mô men ổn định có xu hướng làm giảm nhỏ trị tuyệt đối của góc trương động () trên quỹ đạo bay (hình 1.8). Mức độ ổn định chuyển động của tên lửa có cánh phụ thuộc vào độ lớn của mô men ổn định hay khoảng cách giữa tâm cản và khối tâm (h) và được đánh giá bằng độ dự trữ ổn định (ξod ): Hình 1.8. Đặc tính ổn định trên đường bay của tên lửa có cánh Giá trị của độ dự trữ ổn định nằm trong khoảng: ξod =(20- 60)%. Trước hết sẽ tiến hành lựa chọn trước kết cấu của cánh, sau đó tính toán độ dự trữ ổn định. Trường hợp không đáp ứng được thì phải chọn lại các tham số kết cấu của hệ thống cánh và tính toán lại độ dự trữ ổn định cho đến khi nào đạt yêu cầu.
5. 5 1.3.2. Các yêu cầu và lựa chọn hình dạng cánh * Hệ thống cánh cần phải đáp ứng các yêu cầu sau: - Đảm bảo ổn định chuyển động và tầm bắn cho tên lửa; - Đảm bảo độ cứng vững và độ bền trong quá trình bảo quản, vận chuyển và trong quá trình bay. Khối lượng hệ thống cánh nhỏ, kết cấu toàn bộ cánh cũng như từng chi tiết phải chắc chắn; - Số chi tiết ít, dễ chế tạo và rẻ tiền; - Thuận tiện trong bảo quản, vận chuyển cũng như trong sử dụng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các loại tên lửa cỡ lớn. * Lựa chọn chọn hình dạng cánh: Trên cơ sở phân tích ảnh hưởng các thông số thuộc về hình dạng mặt bằng và hình dạng mặt cắt của cánh tới các đặc trưng về khí động và các yêu cầu về độ bền, yêu cầu chế tạo có thể chọn sơ bộ các thông số kích thước của cánh theo những công thức kinh nghiệm. 1.3.3. Tính toán độ dự trữ ổn định cho tên lửa có cánh Để tính toán độ dự trữ ổn định của tên lửa trên đường bay cần phải xác định các thành phần của lực cản khí động, vị trí tâm cản và vị trí khối tâm của tên lửa. * Việc tính toán các thành phần lực cản khí động phụ thuộc vào việc xác định các hệ số khí động. Tùy theo tốc độ chuyển động của đạn là dưới âm hay vượt âm mà các hệ số khí động được biểu diễn dưới dạng khác nhau. * Xác định tọa độ vị trí tâm cản của tên lửa ( XTC ): Vị trí điểm đặt của lực cản đối với tên lửa được gọi là tâm cản. Để đánh giá mức độ ổn định chuyển động của tên lửa trên đường bay cần phải xác định khoảng cách giữa tâm cản và khối tâm của tên lửa. Muốn xác định tọa độ tâm cản của tên lửa (hình 1.23), trước hết cần xác định tọa độ tâm cản của thân tên lửa (xTC.th) và tọa độ tâm cản của hệ thống cánh (xTC.C).
6. 6 xTC.th.CY.th xTC.C.CY.C (1.64) xTC CY Hình 1.23. Sơ đồ xác định tọa độ tâm cản của tên lửa O – trọng tâm TL ; O’ – tâm cản TL ; O’C – tâm cản phần cánh ; O’T – tâm cản phần thân Sau khi xác định được tọa độ tâm cản và biết được tọa độ khối tâm sẽ xác định được độ dự trữ ổn định của tên lửa: x x h TC TL . (1.65) od .100 .100 % xth xK Dựa vào giá trị độ dự trữ ổn định sẽ đánh giá được mức độ ổn định chuyển động của tên lửa trên đường bay. 1.4. Các biện pháp nâng cao độ ổn định tên lửa không điều khiển * Tăng tốc độ rời bệ; * Giảm độ lệch tâm của lực đẩy; * Tạo chuyển động quay cho đạn; * Tăng hiệu quả tác dụng của cánh. 1.5. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.5.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước Việc nghiên cứu về chuyển động của đạn nói chung, tên lửa không điều khiển nói riêng đã được đề cập đến trong nhiều công trình của các tác giả ngoài nước. Tuy nhiên, do tính đặc thù của vũ khí Tên lửa nên các công trình này không được công bố rộng rãi.
7. 7 1.5.2. Tình hình nghiên cứu trong nước * “Giải bài toán chuyển động của đạn khi kể đến các yếu tố nhiễu loạn” – đề tài luận án tiến sỹ của PGS.TS Lê Minh Thái, Học viện KTQS. Đề tài này đã tiến hành xây dựng hệ phương trình vi phân nhằm xác định các tham số cần thiết khi nghiên cứu chuyển động của đạn như vật thể bay trong không gian và có kể đến các yếu tố nhiễu loạn sau đáy đạn. * “Xác định thời điểm làm việc hợp lý của động cơ tên lửa nhiên liệu rắn cỡ nhỏ được phóng từ dàn phóng theo nguyên lý khí động cao áp, thấp áp” – đề tài luận án tiến sỹ của TS Phạm Văn Luận, Trường Sỹ quan Kỹ thuật Quân sự. Đây là đề tài cũng có xét đến chuyển động của tên lửa không điều khiển trong không gian. Mục đích chính của đề tài là tính toán hợp lý thời điểm để khởi động động cơ hành trình cho tên lửa. Ngoài ra còn một số đề tài ứng dụng, nghiên cứu chế tạo các loại tên lửa không điều khiển dựa trên vật mẫu. 1.6. Kết luận chương + Chương 1 đã trình bày những nội dung cơ bản về ổn định đạn; + Đối với tên lửa không điều khiển hiện nay, có hai phương pháp cơ bản để ổn định: phương pháp ổn định nhờ hiệu ứng quay nhanh do sử dụng góc nghiêng của loa phụt và phương pháp ổn định cho tên lửa bằng hệ thống cánh. Phương pháp ổn định bằng góc nghiêng của loa phụt thường tạo ra tốc độ quay lớn nên hay được sử dụng cho các loại đạn phản lực có tính nổ phá sát thương. Đối với đạn phản lực sử dụng liều xuyên để phá hủy mục tiêu như các loại đạn phản lực chống tăng, đạn phản lực xuyên phá đòi hỏi tốc độ quay của đạn ở thời điểm chạm mục tiêu không quá lớn. Do đó các loại đạn phản lực này thường được ổn định bằng quay chậm nhờ cánh. + Nghiên cứu ảnh hưởng của các thông số cánh đến độ ổn định của đạn phản lực không điều khiển là nội dung mới, không trùng lặp.
8. 8 Chương 2 CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN ỔN ĐỊNH BẰNG CÁNH TRONG KHÔNG GIAN 2.1. Chuyển động của tên lửa không điều khiển trong không gian 2.1.1. Một số giả thiết cơ bản khi xét bài toán chuyển động Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của khối tâm tên lửa trong không khí. Vì vậy để đơn giản việc thành lập và giải bài toán thường sử dụng một số nhóm giả thiết sau đây [18], [27]: + Giả thiết về điều kiện khí tượng tiêu chuẩn; + Giả thiết về điều kiện thuật phóng tiêu chuẩn; + Giả thiết về điều kiện chuyển động tiêu chuẩn. 2.1.2. Các lực và mô men tác dụng lên tên lửa khi bay Theo các tài liệu [10], [18], [33], [55], lực và mô men tác dụng lên tên lửa bao gồm: lực cản không khí và mô men khí động; lực đẩy và mô men lực đẩy; lực quán tính và mô men quán tính; trọng lực. * Các lực và mô men khí động (hình 2.1) bao gồm: lực cản chính diện R, lực nâng khí động Rn, mô men khí động MR. Ngoài ra, tên lửa có cánh còn tồn tại mô men cản dịu MD.khi lắc. Đối với đạn có cánh, hệ số khí động sẽ bao gồm thêm cả thành phần hệ số khí động Cxc và Cyc của khối cánh * Lực đẩy và mô men lực đẩy: - Độ lệch tâm lực đẩy được tính theo công thức sau [10], [11]: 3 0,0009l1 0,06 d , d là cỡ đạn; l1 là khoảng cách từ trọng tâm đến tâm khối loa phụt. - Mô men do lực đẩy lệch tâm (góc lệch  của phương lực đẩy so với trục tên lửa): (2.5) MP .P2 .P.cos .P 2.1.3. Các hệ tọa độ và các góc quay Vị trí trong không gian của tên lửa như một vật thể tự do được xác định bằng 3 tọa độ xác định vị trí khối tâm và 3 góc xác định chuyển động quay đối với các trục tọa độ.
9. 9 Các hệ tọa độ Để nghiên cứu chuyển động của tên lửa trong không gian, thường sử dụng các hệ tọa độ: hệ tọa độ cố định; hệ tọa độ giữ hướng; hệ tọa độ liên kết; hệ tọa độ vận tốc và hệ tọa độ quỹ đạo. Các góc quay Dựa vào các hệ tọa độ kể trên ta có thể đưa ra một số góc quay xác định mối quan hệ giữa các hệ tọa độ. Tùy theo tính chất của từng bài toán, có thể lựa chọn tính toán một số góc quay tương ứng. 2.1.4. Hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa – đạn Phương trình động lực học của vật thể có khối lượng biến thiên đã được I. V. Meserxki xây dựng vào năm 1904, trên cơ sở coi vật thể có khối lượng thay đổi là tổng các phần tử có khối lượng thay đổi liên kết với nhau theo quy luật cơ học [12], [18], [28]. 1  V P X Q m x3 3 3 1  P Y Q mV y3 3 y3 1  Pz3 Z3 Qz3 mVcos 1  x1 M x1 J z1 J y1 y1z1  J x1 1  y1 M y1 J x1 J z1 x1z1  J y1 1  z1 M z1 J y1 J x1 x1y1   (2.22) J z1  y1 sin  z1 cos 1  ( cos  sin ) cos y1 z1   tg( cos  sin ) x1 y1 z1 x Vcoscos y Vsin  z Vcossin  
10. 10 Phương trình chuyển động của vật bay có khối lượng biến thiên có thể viết dưới dạng như phương trình chuyển động của vật có khối lượng không đổi chỉ thêm vào các thành phần lực bổ sung. Hệ phương trình (2.22) là hệ phương trình vi phân chuyển động tổng quát trong không gian của tên lửa – đạn. Từ việc xây dựng hệ phương trình chuyển động tổng quát (2.22) trong không gian ta có thể lập và giải bài toán chuyển động của đạn trong một trường hợp cụ thể nào đó như bài toán chỉ xét đến chuyển động của đạn trong mặt phẳng bắn; bài toán chuyển động của khối tâm; bài toán chuyển động dạt ngang của đạn, 2.2. Chuyển động lắc của tên lửa có cánh trong không gian 2.2.1. Mục đích nghiên cứu chuyển động lắc của tên lửa Mục đích nghiên cứu chuyển động lắc của tên lửa có cánh là nhằm hạn chế tản mát thông qua việc thiết kế tên lửa có cánh hợp lí và có tính ổn định cao. Nghiên cứu chuyển động lắc của đạn tên lửa có cánh là xác định mối quan hệ giữa độ lớn góc lệch , góc lắc  với các phần tử kết cấu của tên lửa, từ đó tìm ra biện pháp có thể giảm thiểu tản mát của đạn tên lửa khi bắn. 2.2.2. Các giả thiết 1. Bỏ qua trọng lực vì ảnh hưởng của nó đến chuyển động khối tâm trong bài toán chuyển động lắc tương đối nhỏ. Do bỏ qua trọng lực nên sẽ không xét đến sự hạ thấp xuống của đường đạn. 2. Đạn chỉ chuyển động lắc trong mặt phẳng của mô men lực đẩy. Khi đó, tên lửa như là một vật rắn từ chuyển động trong không gian được đưa về dạng chuyển động trong mặt phẳng. 2.2.3. Hệ phương trình chuyển động trong mặt phẳng lắc của đạn tên lửa có cánh đuôi không quay Do đã giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của trọng lực tên lửa và cho rằng mặt phẳng lắc nằm trên hướng tốc độ và vuông góc với mặt
11. 11 phẳng bắn nên chúng ta lấy trục tọa độ vuông góc O'X'Y' như hình 2.9 là tương đối phù hợp. Trong đó, trục O'X' là hướng tốc độ; O'Z'  O'X'. O là khối tâm của tên lửa; trục OX làm thành một góc  (góc lệch) với phương tốc độ V và làm thành một góc  (góc lắc) với trục tên lửa. Khi chuyển động trên mặt phẳng nghiêng (mặt phẳng hướng) thì tên lửa sẽ bị lệch hướng. Góc lệch được xác định theo mối quan hệ [9]:  =  -  ( - góc trương động) Hình 2.9. Hệ tọa độ và sơ đồ lực của tên lửa có cánh đuôi a) Hệ tọa độ và sơ đồ lực; b) Mối quan hệ giữa các mặt phẳng tọa độ P - thành phần lực đẩy theo hướng chuyển động; Pn – thành phần lực đẩy theo hướng vuông góc với hướng chuyển động; o – góc phóng (1) – mặt phẳng bắn; (2) – mặt phẳng nghiêng; (3) – mặt phẳng nằm ngang Dựa trên việc phân tích hệ lực tác dụng lên tên lửa khi chuyển động trên quỹ đạo (hình 2.9) có thể viết ra phương trình chuyển động: dV  m P R dt   (2.25) d mV PN R N  dt d2 A MP MR MD dt2 
12. 12 Phương trình thứ nhất và phương trình thứ hai trong hệ trên là phương trình chuyển động của khối tâm trong hệ tọa độ tự nhiên còn phương trình thứ ba là phương trình chuyển động lắc quanh khối tâm của tên lửa. 2.2.4. Hệ phương trình chuyển động trong mặt phẳng lắc của tên lửa có cánh quay chậm Khi tên lửa quay do tác động của cánh nghiêng, ngoài những mô men và lực đã kể ở phần trên, còn có thành phần mô men do cánh nghiêng Mb tạo cho tên lửa quay cũng như lực cản không khí vào cánh Rz (theo hướng trục) và lực nâng khí động của cánh Rx (hướng vuông góc với trục đạn). Các thành phần này thể hiện trên hình 2.10. Như vậy để lập được hệ phương trình chuyển động của đạn tên lửa có cánh nghiêng, cần phải xác định các thành phần lực và mô men này. dv 1 v  m. P .V2.S.C 1 k.2  R  dt 2 xo a z d 1 m.V. P. .V2.S.C . R .( ) dt 2 y z 2 d  1 / 2 2 A. P. .S.h.C ..V .V.S.h .C . (M M )( ) dt 2 2 m D b 1  (2.51) d2 d2 d2 dt 2 dt 2 dt 2 d C . M M q dt b l d2 j q M M M M x dt 2 L S q c  cùng các biểu thức phụ.
13. 13 Hệ phương trình (2.51) là hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa có cánh quay trong không gian. Giải hệ phương trình (2.51) cùng các biểu thức phụ, ta có thể đánh giá ảnh hưởng của hệ thống cánh đến các thông số chuyển động của tên lửa không điều khiển. 2.3. Kết luận chương + Về tọa độ và các góc khi nghiên cứu chuyển động của tên lửa không điều khiển ở tọa độ Đề Các và tọa độ theo quỹ đạo bay là hoàn toàn phù hợp nhau. + Đối với tên lửa không điều khiển quay nhờ góc nghiêng của cánh, thì thông số thay đổi nhiều nhất là các hệ số Cx và Cy. Do góc nghiêng của cánh, tên lửa còn chịu thêm tác động của lực khí động lên hệ thống cánh. Các thành phần lực này làm cản chuyển động của tên lửa và tạo mô men làm quay tên lửa quanh trục của nó. Có thể thấy rằng, các thành phần lực khí động tác dụng lên hệ thống cánh biến thiên theo góc mở của cánh và theo tốc độ bay của tên lửa. Trong các bài toán thuật phóng ngoài của đạn phản lực trước đây hoặc là không kể đến tác động của các thành phần này, hoặc là nếu kể đến thì thường coi chúng có giá trị không đổi. + Nội dung chương 2 của luận án đã đưa ra mô hình cánh để tính toán các thành phần lực và mô men tác động vào cánh. Từ việc phân tích các lực và mô men này đã tiến hành lập hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa không điều khiển có cánh nghiêng trong không gian (2.51). + Việc lập ra hệ phương trình (2.51) mô tả chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh có xét đến ảnh hưởng của các thành phần lực khí động lên hệ thống cánh cũng như có xét đến ảnh hưởng của quá trình mở cánh là những điểm mới của luận án. Với đóng góp này, có thể giải quyết một cách chính xác hơn bài toán chuyển động của tên lửa không điều khiển trong không gian.Từ đó đưa ra những phương án nâng cao độ chính xác của tên lửa khi bắn.
14. 14 Chương 3 KHẢO SÁT NÂNG CAO ĐỘ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN PHẢN LỰC BẰNG LỰA CHỌN THAM SỐ KẾT CẤU CÁNH HỢP LÝ 3.1. Mục đích và đối tượng khảo sát 3.1.1. Mục đích khảo sát Khảo sát nhằm tìm ra ảnh hưởng của các thông số cánh đến một số đại lượng đặc trưng cho sự ổn định chuyển động của đạn phản lực trên quỹ đạo. Từ việc đánh giá các ảnh hưởng này, có thể lựa chọn một cách hợp lý các thông số của cánh để đảm bảo cho đạn chuyển động ổn định trên quỹ đạo bay. 3.1.2. Đối tượng khảo sát Để thuận tiện cho việc tính toán và thử nghiệm, đối tượng khảo sát được lựa chọn là loại đạn B41-M. Đây là loại đạn phản lực không điều khiển đã và đang được sử dụng rộng rãi trong Quân đội. 3.2. Giải bài toán TPN cho đạn phản lực chống tăng B41-M 3.2.1. Phương pháp tính Hệ phương trình (2.51) được giải bằng phương pháp Runge–Kutta. Quá trình giải trên máy tính nhờ ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal 7.0. Lưu đồ thuật toán giải hệ phương trình được thể hiện trên hình 3.2.
15. 15 3.2.2. Các số liệu đầu vào Các số liệu đầu vào sẽ gồm cụm số liệu cho phần thân đạn B41 – M và phần cánh của đạn. Các số liệu phần thân đạn được sử dụng từ bộ số liệu của tài liệu [20], [50], [12]. Các số liệu phần cánh được đo đạc từ vật mẫu của viện thiết kế Vũ khí và Nhà máy Z121- Tổng cục CNQP. Vị trí trọng tâm, diện tích các phần và các mô men quán tính của phần cánh được tính toán trên phần mềm Autodesk Inventor 2010. 3.2.3. Kết quả giải bài toán TPN cho đạn B41-M Kết quả giải bài toán TPN cho đạn B41 được thể hiện trên hình 3.4. Nhận xét: Quy luật thay đổi của các thông số khi tính toán hoàn toàn phù hợp với cơ sở lý thuyết: - Góc lệch tăng lên ở thời điểm động cơ bắt đầu làm việc nhưng sau khi động cơ ngừng hoạt động thì gần như không thay đổi. Điều đó đảm bảo độ ổn định của đạn. Góc trương động và góc lắc sau khi tăng lên cũng nhanh chóng giảm về trị số nhỏ. Như vậy, chứng tỏ tên lửa có cánh quay rất ổn định sau khi động cơ ngừng hoạt động; - Tốc độ quay của tên lửa tăng dần sau khi phóng, sau đó giảm dần về 0 khi động cơ làm việc và lại tăng lên khi động cơ ngừng làm việc. Điều này hoàn toàn phù hợp với quy luật quay thực tế của đạn B41-M.
16. 16 3.3. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số cánh đến các đặc tính chuyển động của đạn phản lực chống tăng B41-M Từ thuật toán giải bài toán TPN cho đạn B41-M, tiến hành thay đổi các thông số cánh so với giá trị ban đầu. Giải hệ phương trình và so sánh các kết quả nhận được để tìm ra quy luật ảnh hưởng của các thông số này đến các tham số chuyển động. Từ các quy luật này có thể đưa ra các lựa chọn thông số cánh nhằm tạo cho đạn chuyển động ổn định nhất trên quỹ đạo. 3.3.1. Ảnh hưởng của diện tích mặt nghiêng của cánh Tiến hành đánh giá ảnh hưởng của diện tích mặt nghiêng của cánh bằng cách thay đổi diện tích S0 trong chương trình tính so với giá trị ban đầu (587.8mm2). Từ kết quả tính thấy rằng: + Khi tăng diện tích mặt nghiêng thì góc lệch , góc trương động  và góc lắc  giảm làm tăng độ ổn định cho đạn khi bay (hình 3.5); + Khi tăng diện tích mặt nghiêng của cánh thì thành phần lực cản khí động tác dụng vào hệ thống cánh tăng lên làm cho tốc độ bay của đạn giảm xuống và hệ quả là tầm bắn cũng giảm xuống. Hình 3.5. Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm diện tích mặt nghiêng của cánh + Mặt khác, khi tăng diện tích mặt nghiêng của cánh sẽ làm tăng tốc độ quay của đạn ở từng vị trí tương ứng của quỹ đạo. Có nghĩa, tốc độ quay của đạn trong tầm bắn hiệu quả tăng lên theo chiều tăng
17. 17 của diện tích mặt nghiêng. Điều này có ảnh hưởng không tốt đến khả năng xuyên thép của đạn khi chạm mục tiêu. Như vậy, để đạn ổn định, không bị sụt tầm và giảm tác dụng của liều xuyên có thể lựa chọn diện tích mặt nghiêng trong khoảng 550  650mm2 khi tính toán thiết kế hệ thống cánh cho đạn B41-M. 3.3.2. Ảnh hưởng góc nghiêng của cánh Thay đổi giá trị góc nghiêng so với giá trị ban đầu (9.50) Nhận xét: + Khi giá trị góc nghiêng của cánh tăng lên, giá trị góc lệch và góc trương động giảm dần. Đạn bay ổn định hơn. Mặt khác, do tăng góc nghiêng, diện tích mặt cản của cánh cũng tăng lên làm cho tốc độ bay của đạn giảm xuống, cự li bay cũng giảm xuống (hình 3.6). Hình 3.6. Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm góc nghiêng của cánh + Tuy nhiên, khi tăng góc nghiêng vượt quá giá trị 130 (giá trị tới hạn theo lý thuyết ổn định) thì do hệ số lực nâng giảm nhanh nên lại làm tăng góc trương động và đồng thời tốc độ quay của đạn sẽ tăng lên ở các thời điểm xét tương ứng với các trường hợp khác. Điều này vừa không có lợi về mặt ổn định đạn, vừa không có lợi về mặt tầm bắn lẫn hiệu quả xuyên của phần chiến đấu. Dựa trên kết quả phân tích, đánh giá có thể lựa chọn góc nghiêng của cánh cho đạn phản lực đang khảo sát nằm trong khoảng 90-110 để đảm bảo độ ổn định bay đồng thời đảm bảo được tốc độ, tầm bắn cũng như khả năng đưa tốc độ quay của đạn về ~ 0 ở trong tầm bắn hiệu quả.
18. 18 3.3.3. Ảnh hưởng của vị trí trọng tâm cánh Tiến hành đánh giá sự thay đổi các thông số chuyển động của đạn khi dịch chuyển vị trí trọng tâm dọc theo sải cánh – dọc theo phương x và dọc theo phương y (thay đổi giá trị e – giá trị vị trí trọng tâm được tính toán trên phần mềm Inventor 2010). Nhận xét: Khi dịch chuyển vị trí trọng tâm của cánh từ phía trục quay ra phía mép cánh với khoảng cách dịch chuyển mỗi lần là 5mm thì kết quả tính toán cho thấy rằng, các giá trị thông số chuyển động như tốc độ quay, tốc độ bay, quãng đường bay tăng lên, góc lệch và góc trương động giảm xuống. Tuy nhiên sự thay đổi của các thông số này không đáng kể. Kết quả cũng tương tự khi tiến hành dịch chuyển vị trí trọng tâm của cánh dọc theo phương y. 3.3.4. Ảnh hưởng của lực lò xo mở cánh Việc đánh giá ảnh hưởng của lực lò xo mở cánh đến các thông số chuyển động của đạn được tiến hành bằng cách thay đổi giá trị của lực như trên bảng 3.7.
19. 19 Nhận xét: Qua kết quả trên bảng 3.7 thấy rằng, lực lò xo mở cánh cũng ảnh hưởng đáng kể đến các thông số chuyển động của đạn. Theo chiều tăng giá trị lực lò xo thì giá trị của vận tốc sẽ tăng lên, kéo theo quãng đường chuyển động của đạn cũng tăng; góc lệch  và góc trương động  giảm dần. Tuy nhiên, khi tăng đến một giá trị nhất định thì các thông số chuyển động lại có biến thiên theo chiều hướng ngược lại. Qua việc giải hệ phương trình với các giá trị lực lò xo khác nhau thấy rằng, đối với loại đạn đang khảo sát, giá trị lực lò xo có các thông số ổn định nhất nằm trong khoảng từ 4.3 đến 5.3 N. 3.3.5. Ảnh hưởng của sơ tốc Khi thay đổi giá trị của V0 trong chương trình tính, thấy rằng: + Sơ tốc thay đổi đương nhiên tầm bắn của đạn cũng thay đổi; Hình 3.9. Đồ thị so sánh ,  khi tăng và giảm sơ tốc + Sơ tốc có ảnh hưởng rất nhiều đến đặc tính ổn định của đạn. Nếu sơ tốc giảm thì góc lệch cũng như góc trương động tăng. Nếu sơ tốc tăng lên thì sẽ làm góc lệch và góc trương động giảm xuống (hình 3.9). Như vậy, sơ tốc đạn càng lớn thì độ ổn định của đạn càng cao. Việc lựa chọn sơ tốc cho đạn phải dựa trên kết cấu của hệ súng – đạn, tính chất của liều phóng và một số yêu cầu khác. 3.3.6. Ảnh hưởng của số lượng cánh Từ kết quả tính có thể thấy rằng, việc thay đổi số lượng cánh cũng có nghĩa là thay đổi diện tích mặt nghiêng của hệ thống cánh. Do đó sự thay đổi của các thông số chuyển động trong trường hợp này cũng tương tự như trong trường hợp thay đổi diện tích mặt
20. 20 nghiêng của cánh (mục 3.3.1). Theo khảo sát có thể thấy rằng, 4 cánh là phù hợp với loại đạn đang được sử dụng làm vật mẫu khảo sát. 3.4. Kết luận chương + Có thể thấy rằng, một số thông số của cánh như diện tích mặt nghiêng, góc nghiêng của cánh và số lượng cánh ảnh hưởng rất nhiều đến các thông số chuyển động, từ đó ảnh hưởng đến độ ổn định bay cũng như độ chính xác của đạn phản lực không điều khiển. Khi thiết kế hệ thống cánh cho đạn phản lực cần đặc biệt chú ý các thông số này để có thể tính toán, lựa chọn một cách chính xác nhất. Các thông số khác, tùy theo mức độ cũng có ảnh hưởng đến độ ổn định của đạn. + Lò xo mở cánh được thiết kế giúp cho các cánh mở ra một cách đồng đều đồng thời giảm hiện tượng gập cánh dưới tác dụng của luồng phụt động cơ hành trình cũng như khi gia tốc tên lửa giảm mạnh do động cơ ngừng làm việc. Tuy nhiên, lực lò xo mở cánh cũng ảnh hưởng đáng kể đến các thông số chuyển động. + Việc lựa chọn các thông số kết cấu hợp lí của cánh phải được tiến hành dựa trên việc phân tích ảnh hưởng của chúng đến các đặc tính ổn định cho mỗi loại đạn phản lực cụ thể. Chẳng hạn, đối với đạn B41 –M đang được khảo sát. Dựa trên các kết quả phân tích, để đạn vừa đảm bảo độ ổn định lẫn tính năng chiến – kỹ thuật, ta có thể lựa chọn dải các thông số kết cấu như sau: - Diện tích mặt nghiêng của cánh lấy trong khoảng 550  650mm2; - Góc nghiêng của cánh lấy trong khoảng 90  110 ; - Số cánh: 4 ; Lực lò xo mở cánh lấy trong khoảng 4.3  5.3N, + Các kết quả đưa ra cho thấy mô hình toán học đã sử dụng khi giải bài toán thuật phóng ngoài cho đạn phản lực không điều khiển là tương đối phù hợp. Những kết quả phân tích ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số của cánh đến các đặc tính ổn định chuyển động của đạn có thể được sử dụng làm cơ sở định lượng khi tính toán kiểm nghiệm các loại đạn đã có và để lựa chọn dạng cánh hợp lý khi thiết kế chế tạo mới các loại đạn phản lực không điều khiển.
21. 21 Chương 4 THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC THAM SỐ CHUYỂN ĐỘNG 4.1 Mục đích và đối tượng thực nghiệm  Mục đích đặt ra: - Xác định được các giá trị vận tốc ở một số thời điểm nhất định - Xác định giá trị góc trương động ở giai đoạn phóng và khi động cơ hành trình làm việc. - Xác định thời điểm động cơ hành trình làm việc  Đối tượng thực nghiệm: + Đạn B41 –M nguyên bản (02 quả); + Đạn B41 – M thay đổi góc nghiêng của cánh từ 9.50 lên 130 (02 quả); + Đạn B41 – M thay đổi diện tích mặt nghiêng của cánh từ 587.8mm2 lên 700mm2(02 quả). 4.2. Điều kiện thực nghiệm * Quá trình thực nghiệm được tiến hành tại trường bắn Cam Lâm của tỉnh Vĩnh Phúc. * Phương tiện đo: sử dụng hệ thống camera thuật phóng FASTCAM SA1.1 675K-C1của TTKTVK, Học viện KTQS. * Phương pháp đo: + Giai đoạn 1: quay quỹ đạo chuyển động từ vị trí cách miệng nòng 4m đến vị trí 12m với 03 phát bắn theo thứ tự: - Phát 1: đạn nguyên bản; - Phát 2: đạn thay đổi góc nghiêng từ 9.50 lên 130 - Phát 3: đạn thay đổi diện tích mặt nghiêng từ 587.8mm2 lên 700mm2 + Giai đoạn 2: quay quỹ đạo chuyển động của đạn sau vị trí 12m cho 03 phát bắn với thứ tự như trên. * Sơ đồ thực nghiệm (hình 4.2):
22. 22 4.3. Kết quả thực nghiệm Những hình ảnh quay được được phân tích bằng phần mềm TEMA 3.5 -011. Tuy nhiên do sự hạn chế của việc bố trí góc quay nên chỉ đưa ra được các thông số cần thiết như: góc trương động và tốc độ bay của đạn cho 6 phát bắn. Các kết quả đưa ra dưới dạng số liệu và các đồ thị. 4.4. So sánh kết quả thực nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết + Trừ phát bắn thứ 6 do hình ảnh quay hơi mờ nên không xác định được giá trị góc trương động còn trong các phát bắn còn lại, quy luật biến thiên của các thông số thực nghiệm đo được (góc trương động và tốc độ bay của đạn) tương đối phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. + Về trị số thì các thông số thực nghiệm có một chút sai lệch. Tuy nhiên kết quả sai lệch không vượt quá 10%. Điều này có thể chấp nhận được. 4.5. Kết luận chương Từ những kết quả phân tích hình ảnh và xử lí số liệu thực nghiệm thu được, ta có thể đưa ra một số kết luận sau:
23. 23 + Các thông số đo đạc thực nghiệm trong các phát bắn phản ánh tương đối chính xác về mặt giá trị lẫn quy luật biến thiên so với các thông số tính toán lý thuyết trong chương 3. Tất nhiên các kết quả đo còn có sai số so với tính toán lý thuyết. Các sai số này là không thể tránh khỏi do sai số thiết bị, sai số của điều kiện thử nghiệm, sai số từ việc lựa chọn phương án bắn thử nghiệm, sai số tính toán lý thuyết, Tuy nhiên, lượng sai số nằm trong phạm vi cho phép nên kết quả đo trong từng phát bắn là chấp nhận được. + Thời điểm mồi cháy động cơ nằm trong khoảng 13  15m kể từ miệng nòng cũng tương ứng với thời điểm mồi cháy trong tính toán lý thuyết (tính toán lý thuyết là 14.69m). Như vậy có thể nói rằng, mô hình toán học lập ra đối với bài toán chuyển động của đạn phản lực không điều khiển ổn định bằng cánh trong không gian là tương đối chính xác. Mô hình này hoàn toàn có thể sử dụng để tính cho nhiều loại đạn phản lực không điều khiển ổn định bằng cánh. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ * Kết luận chung Từ những nội dung nghiên cứu lý thuyết và những kết quả đo đạc thực nghiệm có thể đưa ra một số đánh giá như sau: + Đề tài đã thiết lập được hệ phương trình vi phân chuyển động cho tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh. + Lập trình và giải hệ phương trình này để đưa ra được một bộ kết quả cho một loại đạn phản lực cụ thể (B41 –M) + Đã tiến hành phân tích ảnh hưởng của một số thông số cánh tới độ ổn định của tên lửa trên quỹ đạo bay + Đã tiến hành bắn thực nghiệm cho các mẫu đạn có sự thay đổi kết cấu cánh. Các kết quả đo đạc tương đối sát với các kết quả tính toán lý thuyết. Điều đó cho phép kết luận, mô hình toán học chuyển động của đạn phản lực đã thiết lập là chính xác. Đề tài luận
24. 24 án đã thể hiện được sự kết hợp giữa phần nghiên cứu tính toán lý thuyết với phần thực nghiệm + Đề tài có ý nghĩa thực tiễn. Nội dung đề tài là sự bổ sung cho công tác tính toán thiết kế các loại đạn tên lửa nói chung, tên lửa không điều khiển nói riêng. Các nội dung phục vụ tốt cho nền Công nghiệp quốc phòng. + Các nội dung đề tài không trùng lặp với các luận án đã thực hiện, các công trình đã được công bố mà NCS có thể tiếp cận được. * Một số điểm mới - Đã xây dựng được mô hình toán học để giải bài toán chuyển động của tên lửa không điều khiển có kể đến vai trò của các thông số cánh cũng như ảnh hưởng của lực lò xo mở cánh. Nội dung đã thể hiện trong các công trình [2], [3], [5], [6] của NCS. - Có sự phân tích tổng hợp ảnh hưởng của các yếu tố cánh đến một số đặc trưng chuyển động của tên lửa như: góc dạt, góc trương động, tốc độ bay, tốc độ quay của đạn, Dựa trên việc phân tích đó, người kỹ sư thiết kế có thể lựa chọn phương án thiết kế cánh phù hợp nhất với từng loại tên lửa (thể hiện trong công trình [4], [5], [6] của NCS). - Đã tiến hành thử nghiệm và thu được một bộ số liệu cho các trường hợp thay đổi thông số của cánh đạn B41-M. * Phương hướng tiếp theo Để xác định chính xác hơn nữa ảnh hưởng của các thông số cánh đến các đặc tính chuyển động của tên lửa cần phải thực hiện nhiều phát bắn, tiến hành nhiều phép đo. Tuy nhiên, do không có điều kiện nên NCS chỉ có thể thực hiện được một số lượng phát bắn có hạn, chưa tạo được kết quả thật sự thuyết phục. vậy nên cần: - Tiếp tục đầu tư để nghiên cứu nhằm hoàn thiện hơn nữa mô hình toán chuyển động đã thiết lập trong phần nội dung luận án; - Áp dụng mô hình toán này cho các loại tên lửa không điều khiển khác. Tiến hành thử nghiệm để khẳng định kết quả lý thuyết.