Mô hình động lực học chuyển động của tên lửa phục vụ cho thiết bị huấn luyện

Bài viết đề xuất phương pháp xây dựng mô hình động lực học chuyển động cho một lớp tên lửa phòng không tầm thấp phục vụ thiết bị mô phỏng huấn luyện có tính đến ảnh hưởng của các thông số khí động học và thuật toán điều khiển xử lý bài toán dẫn tên lửa tới mục tiêu cơ động trên cơ sở luật dẫn tiếp cận tỉ lệ.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA PHỤC VỤ CHO THIẾT BỊ HUẤN LUYỆN Phạm Văn Tùng*, Lê Tuấn Anh, Hoàng Việt Trung, Đồng Văn Tấn Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương pháp xây dựng mơ hình động lực học chuyển động cho lớp tên lửa phòng khơng tầm thấp phục vụ thiết bị mơ huấn luyện có tính đến ảnh hưởng thơng số khí động học thuật toán điều khiển xử lý toán dẫn tên lửa tới mục tiêu động sở luật dẫn tiếp cận tỉ lệ Mơ hình tốn thuật tốn xây dựng mơ matlab/simulink Các gói liệu tham số quỹ đạo tên lửa mục tiêu truyền sang máy tính giáo viên sử dụng giao thức TCP/IP Kết nhận cho thấy tính tương thích mơ hình kết hợp với hệ thống mơ huấn luyện Từ khóa: Quỹ đạo bay; Thiết bị huấn luyện; Tên lửa kênh; Tiếp cận tỉ lệ ĐẶT VẤN ĐỀ Để phục vụ nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị huấn luyện trắc thủ cho chủng loại tên lửa, ngồi việc xây dựng kịch bản, chương trình mơ huấn luyện nhiệm vụ khác phức tạp xây dựng mơ hình tốn động lực học cho Vấn đề này, giới có nhiều cơng trình nghiên cứu hầu hết chưa cơng bố bí mật, thể kết mô Trong nước, số cơng trình nghiên cứu đến vấn đề dừng mức độ mơ hình tốn để khảo sát hệ thống điều khiển, quỹ đạo bay, [1-3] chưa đưa vào huấn luyện mô thực tế MƠ HÌNH TỐN ĐỘNG LỰC HỌC 2.1 Mơ hình huấn luyện kíp trắc thủ Để huấn luyện cho trắc thủ, đảm bảo thao tác điều kiện bắn thực tế, mơ hình huấn luyện trắc thủ đưa sơ đồ khối khâu hình Hình Sơ đồ khối chức thiết bị mô huấn luyện trắc thủ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 25 Tên lửa & Thiết bị bay Bộ thiết bị mô huấn luyện bao gồm thiết bị phần cứng phần mềm Phần cứng bao gồm hệ thống máy tính tình huống, máy chiếu, ống phóng, cấu phóng, khối điện tử cấu phóng để giao tiếp với phần mềm, camera thực thu nhận ảnh từ phơng nền, hệ thống máy tính giáo viên, card chuyển đổi ADC/DAC để giao tiếp phần cứng phần mềm đánh giá thao tác trắc thủ Phần mềm thiết bị mô huấn luyện bao gồm chương trình chính: Chương trình tình mơ chuyển động 3D mục tiêu với điều kiện địa đồi núi, mặt biển, với mục tiêu di động máy bay trực thăng, máy bay tiêm kích, tên lửa hành trình, ; Chương trình quản lý thu thập thơng tin thao tác ngắm bắn, bóp cò xử lý tình tập bắn trắc thủ, sau tổng hợp đánh giá kết bắn trắc thủ [6] 2.2 Mơ hình tốn chuyển động tên lửa Dựa cấu hình thiết bị mơ huấn luyện thực tế triển khai, để phù hợp với việc kết nối với thiết bị huấn luyện, coi chuyển động tên lửa chuyển động chất điểm với khối lượng biến thiên theo thời gian, bỏ qua chuyển động quay tên lửa Phương trình mơ tả chuyển động tên lửa có dạng sau [5]: Fx  mV (1) Fy   mV cos    (2) Fz  mV  (3) x  V cos  cos  (4) y  V sin  cos  (5) z  V sin  (6) dm  m dt (7) Trong đó: Fx , Fy , Fz tổng lực tác dụng lên tên lửa hệ tọa độ tốc độ; V  độ hụt khối tên lửa;  ,  hai góc vận tốc tên lửa; m khối lượng tên lửa; m chuyển đổi từ hệ tọa độ quán tính sang hệ tọa độ tốc độ Tổng lực tác dụng lên tên lửa theo trục hệ tọa độ có dạng: Fx  Fdc  P sin   Fkdx  Fdc  mg sin   Fkdx (8) Fy  Fkdy (9) Fz  Fkdz  P cos   Fkdz  mg cos  (10) Trong đó: P trọng lực; Fdc lực đẩy động cơ; Fkd lực đẩy khí động, Fkdx , Fkdy , Fkdz tương ứng hình chiếu lực khí động lên trục hệ tọa độ tốc độ Các lực biểu diễn thơng qua hệ số khí động có dạng sau:  Fkdx  qSC x  qS C x  C x  x2  (11) Fkdy  qSC y  qSC y  y (12) Fkdz  qSCz  qSCz  z (13) 26 P V Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Với q áp suất động; S diện tích đặc trưng, C x , C y , C z tương ứng hệ số lực 2   khí động theo trục tọa độ; Cx , C y , Cz tương ứng đạo hàm hệ số lực khí động theo góc lệch cánh lái Trên thực tế, chủng loại tên lửa khảo sát, có góc lệch cánh lái, nhờ tên lửa quay nên kênh chuyển động khác ta có góc lệch cánh lái tương ứng với kênh Ở đây, để đơn giản hóa tốn mơ quỹ đạo phù hợp với thiết bị mô huấn luyện, bỏ qua chuyển động quay tên lửa coi có góc lệch cánh lái  x ,  y ,  z theo trục hệ tọa độ Khâu động học mục tiêu: xmt  Vmt cos  mt cos  mt ; y mt  Vmt cos  mt sin  mt ; (14) zmt  Vmt sin  mt ; (16) (15) Trong đó: Vmt vận tốc mục tiêu;  mt góc tầm;  mt góc hướng Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ: Đây phương pháp dẫn mà tốc độ góc quay véc tơ vận tốc tên lửa tỷ lệ với tốc độ góc quay đường ngắm tên lửa mục tiêu [4] Gia tốc lập lệnh phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ tính theo cơng thức sau: ac (t )  N cl  (t ) (17) Trong đó: ac gia tốc lập lệnh; N hệ số dẫn;  cl vận tốc tương đối tên lửa mục tiêu,  (t ) tốc độ góc đường ngắm tên lửa mục tiêu s (t )  R s r  Rs r VTs  VMs Rs  cl   (s=1,2,3) r2 r r 3  R (V s  cl  r   (18)  R Ts  VMs ) s 1 r s cls  s 1 r   s cls (s=1,2,3) (19) s 1 Trong đó: Rs tọa độ tên lửa không gian; r tọa độ tương đối tên lửa so với mục tiêu; VTs vận tốc tên lửa không gian; VMs vận tốc tương đối tên lửa so với mục tiêu không gian;  cls vận tốc tương đối tên lửa mục tiêu khơng gian Hệ (1) ÷ (19) mơ tả mơ hình tốn chuyển động tên lửa mục tiêu theo phương pháp dẫn Để giải hệ (1) ÷ (19) phải xác định tham số đầu vào mơ lực, mơ men tham số khác Các tham số hình học khối lượng, định tâm khí động xác định qua đo đạc, khảo sát mẫu Hệ số khí động tính tốn phần mềm ANSYS MƠ HÌNH HÓA VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 3.1 Các liệu đầu vào Các tham số khối lượng, định tâm chủng loại tên lửa sử dụng cho toán mô đặt thể bảng 1, tham số khí động lấy theo bảng Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 27 Tên lửa & Thiết bị bay Bảng Đặc trưng quán tính tên lửa t (s) m (kg) XT YT ZT (mm) (mm) (mm) 10,03 817,9 -0,122 -0,233 1.965 7,684 705,724 -0,423 -0,029 8.5 5,486 656,832 -0,442 -0,405 Bảng Các hệ số khí động   C x   rad    C y   rad    Cz   rad  0,5807 1.7032 2.1856 -0.2351 200 0,5807 1.7032 2.1856 -0.2351 350 0.7561 2.2684 2.5927 -0.3075 400 0.8533 2.0262 2.2938 -0.2743 500 0.8941 1.6964 1.9295 -0.0375 600 0.8565 1.4333 1.7935 -0.0127 700 0.8173 1.1403 1.5089 0.0227 V [m/s] Cx 20 3.2 Mơ hình hóa mơ Trên sở mơ hình tốn chuyển động tên lửa xây dựng, nhóm tác giả thiết lập chương trình mơ Matlab-Simulink, gồm khối sau: khối mục tiêu, khối khâu tên lửa, khối phương pháp dẫn (hình 2, 3, 4) Hình Giao diện chương trình mơ quỹ đạo TL-MT 28 P V Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Khâu tên lửa mục tiêu Hình Khâu PP dẫn tiếp cận tỷ lệ Với tham số đầu vào trên, kịch mô tạo cho mục tiêu sau: Trường hợp tọa độ ban đầu mục tiêu xmt  3000( m) , y mt  2000(m) , z mt  2000(m), tốc độ mục tiêu 100m/s, góc tầm góc hướng  mt  90,  mt  , chọn phương pháp bắn đuổi quỹ đạo chuyển động tên lửa thể hình Tạp chí Nghiên cứu KH&CN qn sự, Số 66, - 2020 29 Tên lửa & Thiết bị bay Trường hợp tọa độ ban đầu mục tiêu xmt  3000( m) , y mt  2000(m) , z mt  2000(m) tốc độ mục tiêu 120m/s Góc tầm, góc hướng  mt  90,  mt  , chọn phương pháp bắn đón quỹ đạo chuyển động tên lửa mục tiêu thể hình Hình Bắn đuổi theo pp tiếp cận tỷ lệ Hình Bắn đón theo pp tiếp cận tỷ lệ Các kết nhận cho thấy, quỹ đạo dẫn tên lửa đến mục tiêu phù hợp với phương pháp dẫn, phù hợp với tốn đặt 3.3 Ghép nối chương trình mơ với mơ huấn luyện Hình Giao diện phần mềm thiết bị huấn luyện Với kết đạt được, ghép phần chương trình mơ quỹ đạo tên lửa mục tiêu với thiết bị huấn luyện, kịch sau Trước tiên, chạy phần mềm sinh mục tiêu, chọn tham số cho mục tiêu địa hình, loại mục tiêu, tham số mục tiêu (hình 7) Sau phát liệu mục tiêu khởi chạy phần mềm 3D sinh tình chạy, mục tiêu bắt đầu chuyển động(hình 8, 9) 30 P V Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Mục tiêu động biển đảo Hình Mục tiêu động đồi núi Mục tiêu di động phông nền, trắc thủ bắt đầu thực thao tác ngắm bắn, mục tiêu di chuyển vào vùng phóng tiến hành bóp cò, đồng thời lúc chương trình mơ chuyển động tên lửa mục tiêu khởi chạy, mô quỹ đạo tên lửa mục tiêu để trắc thủ theo dõi bắn (hình 10) Kết thúc bắn phần mềm đưa kết luận cách ngắm bắn, bóp cò trắc thủ có hay sai chấm điểm trắc thủ (hình 11) Hình 10 Tên lửa bắn trúng mục tiêu Hình 11 Kết bắn trắc thủ Kết nhận sau thử nghiệm thực tế cho thấy, chương trình mơ động lực học tên lửa mục tiêu đề xuất kết hợp với thiết bị huấn luyện, phù hợp với môi trường huấn luyện sát với thực tế KẾT LUẬN Bài báo trình bày mơ hình tốn động lực học chủng loại tên lửa xây dựng chương trình mơ quỹ đạo chuyển động tên lửa – mục tiêu, chương trình kết hợp với thiết bị huấn luyện nhằm phục vụ cho công tác huấn luyện bắn trắc thủ Kết nhận cho thấy hệ thống phù hợp, dễ sử dụng huấn luyện Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, - 2020 31 Tên lửa & Thiết bị bay sát thực tế Tiếp theo, nhóm tác giả đưa thông số thực tiễn vào để huấn luyện sát với điều kiện tác chiến TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đức Cương, Đỗ Quý Thẩm(2002), “Mơ số chuyển động khí cụ bay tự dẫn có hệ thống điều khiển kênh”, Tuyển tập cơng trình khoa học Hội nghị học tồn quốc lần thứ bảy, Hà Nội [2] Tô Văn Dực, Nguyễn Văn Sơn, Phạm Vũ Uy, “Động lực học bay nguyên lý dẫn KCB điều khiển kênh”, NXB Khoa học kỹ thuật -2006 [3] Nguyễn Đức Cương “Mơ hình hóa mơ chuyển động khí cụ bay tự động”, Nhà xuất QĐND -2002 [4] Кашин В.М Лифиц А.Л Ефремов М.И “Основы проектирования переносных зенитгых ракетных комплексов” МГТУ им НЭ.БАУМАНА – 2014 [5] Лебедев А.А Черновровкин Л.С “Динамика полета беспилотных летательных аппаратов” Москва Издательство Машиностроение 1973 [6] Lê Tuấn Anh “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thiết bị huấn luyện bắn tên lửa Igla theo kiểu KOHYC ”, đề tài Viện KH-CNQS ABSTRACT MODEL FLIGHT DYNAMICS FOR A KIND OF AIR-TO-AIR MISSILE DEFENSE FOR TRAINING SIMULATION EQUIPMENT This paper proposes a method to create a flight dynamics model for a low-range anti-air missile class for training simulation equipment taking into account the impact of the rocket's aerodynamic parameters The article also provides an algorithm to control the problem of guiding the missile to a maneuverable target based on the proportional navigation guidance law The missile dynamics mathematics model is built and simulated in Matlab/Simulink software The trajectory parameters packets of missiles and targets are communicated to server computers using the TCP / IP protocol The results show the compatibility of the model when combined with the training simulation system Keywords: Flight trajectory; Training equipment; Single channel missile control; Proportional navigation Nhận ngày 28 tháng 12 năm 2019 Hoàn thiện ngày 18 tháng 01 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng năm 2020 Địa chỉ: Viện Tên lửa/Viện Khoa học công nghệ quân * Email: potato284@gmail.com 32 P V Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.” ... [6] 2.2 Mơ hình tốn chuyển động tên lửa Dựa cấu hình thiết bị mơ huấn luyện thực tế triển khai, để phù hợp với việc kết nối với thiết bị huấn luyện, coi chuyển động tên lửa chuyển động chất điểm... 4) Hình Giao diện chương trình mơ quỹ đạo TL-MT 28 P V Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Khâu tên lửa mục tiêu Hình. .. Tùng, …, Đ V Tấn, “Mơ hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện. ” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Mục tiêu động biển đảo Hình Mục tiêu động đồi núi Mục tiêu di động phông nền, trắc