Luận án tiến sĩ 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 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 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ 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: 52 01 01 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Nguyễn Phú Thắng TS Phan Văn Chương HÀ NỘI - 2021 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu luận án trung thực chưa công bố công trình khác, liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ Hà Nội, ngày .tháng .năm 2021 TÁC GIẢ LUẬN ÁN Trần Xuân Diệu ii LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành sâu sắc đến thầy hướng dẫn TS Nguyễn Phú Thắng, Viện Tên lửa-Viện Khoa học Công nghệ Quân TS Phan Văn Chương, Viện Khoa học Công nghệ Quân trực tiếp hướng dẫn, tận tình bảo tạo điều kiện tốt để tác giả hoàn thành luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học Công nghệ Quân sự, Viện Tên lửa Phòng Đào tạo tạo điều kiện thuận lợi để tác giả hoàn thành nhiệm vụ học tập nghiên cứu suốt trình làm luận án Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy giáo, nhà khoa học quân đội, đồng nghiệp, gia đình người thân động viên khích lệ, tận tình giúp đỡ tác giả suốt trình làm luận án Tác giả Trần Xuân Diệu iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG xiii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xv MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN 1 Các vấn đề chung liên quan đến ổn định bay đạn phản lực 1.1.1 Khái niệm chung ổn định bay 1.1.2 Đặc điểm ổn định bay đạn phản lực 1.2 Các phương pháp nghiên cứu ổn định bay đạn phản lực 11 1.2.1 Phương pháp nghiên cứu ổn định bay theo chuyển động 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 giải hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động bay 19 1.3 Mối quan hệ ổn định khả điều khiển đạn 21 1.3.1 Tỷ số lực nâng lực cản khí động L/D 21 1.3.2 Tính động 22 1.3.3 Hiệu điều khiển 22 1.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu ổn định đạn phản lực lắp KĐK 22 1.4.1 Tình hình nghiên cứu nước ngồi 22 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 26 iv 1.5 Những vấn đề tồn hướng nghiên cứu luận án 28 1.5.1 Những vấn đề tồn 28 1.5.2 Hướng nghiên cứu luận án 29 Kết luận chương 30 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH KẾT CẤU, MƠ HÌNH TỐN CHUYỂN ĐỘNG BAY VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN 31 2.1 Mơ hình kết cấu đạn phản lực lắp KĐK 31 2.1.1 Kết cấu nguyên lý làm việc đạn phản lực 31 2.1.2 Kết cấu sơ nguyên lý làm việc đạn phản lực 122mm lắp KĐK 35 2.2 Mơ hình chuyển động đạn phản lực lắp KĐK 38 2.2.1 Mơ hình tốn đạn chuyển động ống phóng 39 2.2.2 Mơ hình tốn đạn chuyển động bay quỹ đạo 41 2.3 Xây dựng điều kiện ổn định bay 55 2.3.1 Xây dựng phương trình chuyển động bay đạn theo góc phức 56 2.3.2 Tuyến tính hóa phương trình chuyển động biến góc phức 60 2.3.3 Thiết lập điều kiện ổn định bay 62 Kết luận chương 66 CHƯƠNG KIỂM ĐỊNH MƠ HÌNH TỐN VÀ ĐIỀU KIỆN ỔN ĐỊNH BAY CỦA ĐẠN PHẢN LỰC LẮP KHOANG ĐIỀU KHIỂN 68 3.1 Xây dựng sở xác định thông số cho mơ hình tốn 68 3.1.1 Cơ sở phương pháp xác định hệ số khí động 68 v 3.1.2 Phương án xác định xử lý hệ số khí động 71 3.2 Xác định hệ số khí động thông số động học đạn miệng ống phóng 73 3.2.1 Xác định hệ số khí động đạn 73 3.2.2 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động đạn xác định thông số ổn định Ssd Sss 77 3.2.3 Xác định thông số động học đạn miệng ống phóng 80 3.3 Kiểm định mơ hình tốn mơ tả chuyển động bay điều kiện ổn định bay đạn phản lực lắp KĐK 81 3.3.1 So sánh kết giải hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động bay đạn phản lực 122 mm với tài liệu [1] 81 3.3.2 So sánh phương pháp điều kiện ổn định bay với mô quỹ đạo đạn hệ phương trình vi phân chuyển động bay đạn 86 3.3.3 So sánh kết phương pháp xây dựng luận án với tài liệu cơng bố nước ngồi 91 Kết luận chương 96 CHƯƠNG 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 điều khiển mơ hình sở đạn phản lực 122mm lắp KĐK 98 4.1.1 Độ dự trữ ổn định tĩnh 98 4.1.2 Tỷ số lực nâng lực cản khí động L/D, hệ số tải nm 99 4.1.3 Chỉ số hiệu điều khiển CE 100 4.2 Khảo sát ảnh hưởng số thông số kết cấu KĐK vi đến ổn định bay đạn phản lực lắp KĐK 101 4.2.1 Ảnh hưởng góc lật cánh lái 101 4.2.2 Ảnh hưởng vị trí đặt cánh 106 4.2.3 Ảnh hưởng diện tích cánh lái 109 4.2.4 Ảnh hưởng khối lượng KĐK 112 4.2.5 Ảnh hưởng vị trí tâm khối KĐK 115 4.2.6 Ảnh hưởng góc phần mũi KĐK 117 Kết luận chương 121 KẾT LUẬN 124 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 126 TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Ý nghĩa, đơn vị C* Ký hiệu hệ số khí động khơng thứ ngun CD Hệ số lực cản khí động CE Hệ số hiệu điều khiển Cl Hệ số mơ men khí động góc nghiêng cánh CL Hệ số lực nâng khí động CL Đạo hàm hệ số lực nâng khí động theo góc Clp Hệ số mô men giảm chấn xoắn CM Hệ số mơ men chúc ngóc CM Đạo hàm hệ số mơ men chúc ngóc theo góc CM Hệ số lực mơ men pháp tuyến khí động cặp cánh lái CMp Hệ số mô men Magnus C Mq  C M  Hệ số mơ men cản chúc ngóc liệng CN Hệ số lực pháp tuyến khí động CN Đạo hàm hệ số lực pháp tuyến khí động theo góc CN Hệ số lực pháp tuyến khí động cặp cánh lái CNc  Hệ số lực pháp tuyến khí động cánh cR Hệ số mô men ma sát khô khớp quay đồng trục, [m] cV Hệ số mô men ma sát nhớt khớp quay đồng trục, [N.m.s] Cyp Hệ số lực Magnus d Cỡ đạn, [m] DF, DA Lực cản khí động phần trước phần sau, [N] FC Lực khí động pháp tuyến cánh lái tác động lên đạn, [N] Fdc Lực đẩy trung bình động cơ, [N] Fdc Lực đẩy động cơ, [N] viii * f dc Lực đẩy động không thứ nguyên FN Lực pháp tuyến tác dụng lên bề mặt khớp quay đồng trục, [N] G Lực trọng trường tác dụng lên đạn, [N] g Gia tốc trọng trường, [m/s2] g* Gia tốc trọng trường không thứ nguyên I, J, K Các véc-tơ phương đơn vị hệ quy chiếu quán tính Oxyz ib, jb, kb Các véc-tơ phương đơn vị hệ quy chiếu gắn liền phần trước Obxbybzb I F, I A Ma trận quán trính khối lượng phần trước phần sau hệ quy chiếu mặt phẳng cố định ikn Véc-tơ phương ik viết hệ quy chiếu mặt phẳng cố định in, jn, kn Các véc-tơ phương đơn vị hệ quy chiếu mặt phẳng cố định Onxnynzn Isp Xung lượng riêng động cơ, [s] I xF , I xA Mô men quán tính trục phần trước phần sau, [kg.m2] Iy Mơ men qn tính xích đạo đạn, [kg.m2] I yF , I yA Mơ men qn tính xích đạo phần trước phần sau, [kg.m2] KF, KA Lực Magnus phần trước phần sau, [N] kt Bán kính hồi chuyển ngang, [m] kx, ky Bán kính quán tính theo trục x, y, [m] l Chiều dài tham chiếu, l = d [m] L Tổng mô men tác dụng lên đạn quanh trục dọc đạn, [N.m] L Đạo hàm tổng mô men quanh trục đạn theo , [1/s2] L/D Tỷ số lực nâng lực cản khí động P2 T = 0:deltat:Tf; n = length(T); t = 0; x = X0'; m = length(X0); X = zeros(n,m); Ts_xuat = zeros(n,1); for i = 1:n for j = 1:m X(i,j) = x(j); end [k1,temp] = hpt(t,x); Ts_xuat(i) = temp; k2 = hpt(t+deltat/2,x+deltat/2*k1); k3 = hpt(t+deltat/2,x+deltat/2*k2); k4 = hpt(t+deltat,x+deltat*k3); x = x + deltat/6*(k1+2*k2+2*k3+k4); t = t +deltat; end PHỤ LỤC Chương trình tính tốn thơng số chuyển động bay đạn phản 122mm 2.1 Chương trình clc; clear all;% close all; u0 = 45.82;%Duoc giai tu phuong trinh vi phan OP v0 = 0; w0 = 0; theta0 = 45.78*pi/180; % goc ban ban dau psi0 = 0; %goc huong ban dau xe0 = 0; ye0 = 0; ze0 = 0; p0 = 19.67; %rad/s toc quay ban dau Duoc giai tu phuong trinh vi phan OP q0 = 0; % toc goc pitch ban dau r0 = 0; %toc goc yaw ban dau x0 = [u0 v0 w0 theta0 psi0 xe0 ye0 ze0 p0 q0 r0]; %index 10 11 global deltat deltat = 0.01; Tf = 85; [T,X,Ts_xuat] = rungekutta(Tf,x0,deltat,@bm21nr); u = X(:,1); v = X(:,2); w = X(:,3); theta = X(:,4); psi = X(:,5); xe = X(:,6); ye = X(:,7); ze = X(:,8); p = X(:,9); q = X(:,10); r = X(:,11); V = sqrt(u.^2+v.^2+w.^2); alpha = w./V; beta = v./V; alphat = sqrt(alpha.^2+beta.^2); nd= find(-ze>0,1,'last'); %kich thuoc vec-tor dan cham muc tieu tam_ban = xe(nd) % tam ban lon nhat thoi_gian_bay = T(nd) P3 van_toc_roi = V(nd) goc_roi = theta(nd)*180/pi do_cao_duong_dan = max(-ze(1:nd)) van_toc_lon_nhat = max(V) T = T(1:nd); % tong thoi gian dan bay % xz= [xe(1:nd),-ze(1:nd)]; savefile = 'xz4578.mat'; save(savefile,'xz'); % -subplot(2,2,1); plot(T,alpha(1:nd)*180/pi,'Color','black','Linewidth',1.5);grid on; ylabel('goc tan, alpha[do]');xlabel('thoi gian, t[s]'); hold on; subplot(2,2,2); plot(T,beta(1:nd)*180/pi,'Color','black','Linewidth',1.5);grid on; ylabel('goc truot canh, beta[do]');xlabel('thoi gian, t[s]'); hold on; subplot(2,2,3); plot(xe(1:nd),-ze(1:nd));xlabel('Tam');ylabel('Cao do');title('Mat phang ban');grid on; subplot(2,2,4); plot3(xe(1:nd),ye(1:nd),-ze(1:nd)); xlabel('Tam');ylabel('Huong');zlabel('Cao do');title('Khong gian chieu'); grid on 2.2 Hệ phương trình vi phân chuyển động bay đạn phản lực 122mm function [dx,g] = bm21nr(t,x) dx = zeros(11,1); global deltat m = (-11.4*t +66.6)*(t=1.88); g = 9.8; Ix = (-0.0144*t+0.15)*(t=1.74); Iy = (-4.3*t+41.58)*(t=1.74); d = 0.122; l = d; S = 1/4*pi*d^2; Maro = khiquyen(-x(8)); % Toc am va mat theo cao ro = Maro(1); at = Maro(2); %vt am V = sqrt(x(1)^2+x(2)^2+x(3)^2); M = V/at; %hs Mach alpha = x(3)/x(1); beta = x(2)/V; % Hs dong Adnm = hskd9M22U(M); CD = 1*Adnm(1); CLalpha = Adnm(2); Cl = Adnm(3); Clp = Adnm(4); CMalpha = Adnm(5); CMq = Adnm(6); CMalpha_dot = Adnm(7); hsl = 1/2*ro*S*V^2; hsm = hsl*l; L = hsl*CLalpha*[0;-beta;-alpha;];% luc nang tong hop D = -hsl*CD*[1; 0; 0;]; % luc can tong hop[1; beta; alpha;] K = [0;0;0;];%hsl*Cypalpha*(x(9)*l/V)*[0;-alpha; beta;];% luc Magnus tong hop Fdc = luc_day_dc(t)*[1;0;0;]; Mp = hsm*CMalpha*[0;alpha;-beta;]; % momen lat tong hop Mm = [0;0;0;];%hsm*(-CMpalpha*x(9)*l/V)*[0;-beta;-alpha;];% mo men magnus tong hop Mpd = hsm*(CMq + CMalpha_dot)*l/V*[0;x(10);x(11);]; % momen giam chan tong hop Mrd = hsm*Clp*x(9)*l/V*[1;0;0;]; % MM giam chan roll cho phan sau Ml = hsm*Cl*[1;0;0;]; %MM can roll tong quat P4 Ft = L + D + K + Fdc; Mt = Mp + Mm + Mpd + Mrd + Ml; X = Ft(1); Y = Ft(2); Z = Ft(3); Mx = Mt(1); My = Mt(2); Mz = Mt(3); dx(1) = X / m - g * sin(x(4)) + x(11) * x(2) - x(10) * x(3); dx(2) = Y / m - x(11) * x(1) - x(11) * tan(x(4)) * x(3); dx(3) = Z / m + g * cos(x(4)) + x(10) * x(1) + x(11) * tan(x(4)) * x(2); dx(4) = x(10); dx(5) = 0.1e1 / cos(x(4)) * x(11); dx(6) = cos(x(4)) * cos(x(5)) * x(1) - sin(x(5)) * x(2) + sin(x(4)) * cos(x(5)) * x(3); dx(7) = cos(x(4)) * sin(x(5)) * x(1) + cos(x(5)) * x(2) + sin(x(4)) * sin(x(5)) * x(3); dx(8) = -sin(x(4)) * x(1) + cos(x(4)) * x(3); dx(9) = 0.1e1 / Ix * Mx; dx(10) = 0.1e1 / Iy * (My - x(11) * Ix * x(9) - x(11) ^ * tan(x(4)) * Iy); dx(11) = 0.1e1 / Iy * (Mz + x(10) * Ix * x(9) + x(11) * tan(x(4)) * Iy * x(10)); 2.3 Hệ số khí động đạn phản lực 122mm function Adnm = hskd9M22U(M) Adnm=zeros(1,7); a = [0.2 0.378 8.57 0.075 0.4 0.366 9.1 0.076 0.6 0.362 9.48 0.077 0.8 0.376 9.82 0.076 0.505 9.99 0.077 1.1 0.579 10.16 0.094 1.2 0.578 10 0.102 1.3 0.562 10.08 0.11 1.4 0.546 10.34 0.123 1.5 0.530 10.44 0.128 1.6 0.514 10.59 0.126 1.8 0.484 10.67 0.12 0.457 10.13 0.113 2.2 0.432 9.05 0.105 75.4765;]; -4.099 -4.156 -4.2245 -4.224 -4.1695 -4.337 -4.435 -4.652 -5.085 -4.9735 -4.918 -4.6695 -4.381 -4.075 -53.8386 -54.3829 -55.1018 -54.3483 -55.0595 -62.072 -65.6489 -66.055 -73.4021 -70.0033 -68.1121 -63.0248 -57.607 -37.6782 if Ma(14,1) Adnm = a(14,2:8); end if Ma(i,1)&&MtC&&ttC); deltay = delta*cos(x(4)-phiC); deltaz = delta*sin(x(4)-phiC); % He thong luc hsl = 1/2*ro*S*V^2; hsm = hsl*l; matranquay = [1 0;0 cos(x(4)) -sin(x(4));0 sin(x(4)) cos(x(4));]; P11 Lt = hsl*CLalpha*[0;-beta;-alpha;];% luc nang tong hop Dt = -hsl*CD*[1; beta; alpha;]; % luc can tong hop Kt = hsl*Cypalpha_F*(x(11)*l/V)*[0;-alpha; beta;];% luc Magnus chi cho phan ngoi F Fdc = 23000*(t