弹药快速设计系统中外弹道模块的设计与实现*

杨东阳,毛 亮,姜春兰

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

弹药快速设计系统中外弹道模块的设计与实现*

杨东阳,毛 亮,姜春兰

(北京理工大学爆炸科学与技术国家重点实验室,北京 100081)

为实现对弹药外弹道性能的快速预测和分析,搭建了外弹道性能分析模块的软件体系架构,详细分析了其功能结构组成,并对经典外弹道分析模型及飞行稳定性分析模型进行梳理,通过Visual Studio 2010 C++下的MFC框架设计开发了弹药外弹道性能分析软件。利用此软件对某制式弹丸的外弹道性能进行计算分析,与实弹发射数据相比,两者吻合较好。弹药外弹道模块的实现为弹药快速设计系统的开发奠定了重要的基础。

快速设计;弹药;外弹道模块;性能分析

0 引言

现代战争是高技术的战争,战场环境瞬息万变,新型目标层出不穷,使其对弹药的研制提出了更高的要求,传统“画加打”的研制模式已不能再适应[1]。弹药快速设计系统将现代设计方法引入到弹药设计领域,集知识库技术、计算机技术于一体,实现基于知识驱动下弹药结构的快速设计和性能预估,从而提高弹药的设计效率和设计质量[2]。外弹道性能计算是弹药设计中必不可缺的重要环节,它的好坏直接影响弹丸飞向目标的精准性,从而影响最终对目标的打击效果。因此,在整个弹药快速设计系统中,外弹道模块的设计与开发至关重要。文中基于对整个弹药快速设计系统的考虑,搭建了外弹道模块的体系框架结构,详细分析了其功能组成,通过引入经典外弹道模型及相关飞行稳定分析模型,并采用Visual Studio 2010 C++内的MFC框架[3]设计开发了外弹道计算分析软件,从而为弹药快速设计系统的开发实现奠定了重要的基础。

1 外弹道模块的设计

1.1 外弹道模块架构的搭建

弹药快速设计系统主要由战术技术指标分解、部件结构设计、部件性能分析、整弹结构拼装、整弹性能分析等5大功能模块组成[4],如图1所示。

图1 弹药快速设计系统模块组成

外弹道模块属于整弹性能分析模块中的子模块,在整弹结构设计完成后,通过调用外弹道模块进行外

弹道性能的预测。

整弹性能分析模块将内弹道、外弹道、终点弹道性能分析模型以程序代码的形式嵌入在弹药快速设计系统中。其中内弹道模块根据弹药的结构参数、炮膛药室容积与发射药性质,计算最大膛压、出炮口速度等;外弹道模块根据结构参数、弹药参数与周边发射环境计算落速、射程、飞行时间等;终点弹道模块计算包括目标函数与约束条件在内的需要输出的能表征弹药威力的性能参数。弹药的快速设计在知识驱动下完成[5]。因此知识驱动下的外弹道计算模块接受参数化快速设计系统或设计人员输入的弹药各部件具体尺寸、内弹道计算参数以及知识库中的各种弹道表参数、气动参数、试验结果等,外弹道模块的计算结果也为终点弹道性能分析模块的计算提供前提输入。

外弹道模块在体系框架上主要分为3层,即全局数据库层、功能层、界面层,如图2所示。全局数据库主要存储计算相关的动态数据、静态数据等,为整个系统提供数据支持,主要包括产品实例库、分析模型库、实验数据库等;功能层执行系统的主要功能,主要包括模型选择、气动力计算、弹道计算、飞行稳定性计算;界面层即人机交互界面层,通过友好的界面与使用者进行交互,主要为用户提供系统界面显示、数据显示、信息输入与输出功能。

图2 外弹道模块基本结构

1.2 外弹道模块的功能设计

文中将外弹道功能模块分为外弹道计算和飞行稳定性计算两大模块,其组成如图3所示。外弹道计算中目前主要包含了质点弹道分析模型、修正质点弹道分析模型和刚体弹道分析模型;飞行稳定性计算主要包含了旋转稳定弹丸的急螺稳定性分析模型和飞行定向性分析模型[6]。由于系统的开放性,系统支持其它外弹道分析模型的扩充,可以将某个特定的外弹道分析模型嵌入到该模块中,从而进行特定分析。

图3 外弹道模块功能设计

目前,随着发射平台、弹药种类的不断发展变化以及在外弹道学中考虑的因素不同,外弹道模型类型众多,都是以经典模型为基础增加力和力矩建立起来的新模型[7]。

文中所涵盖的质点弹道模型、修正质点弹道模型和刚体弹道模型,这三个模型能够满足使用者基本需要,同时也方便使用者进行操作。

以修正质点弹道为例,该模型在质点弹道模型基础上增加了一个弹丸自转方程(即弹丸绕过质心的弹轴的角运动方程),考虑了诱导阻力、升力、马格努斯力、极阻尼力矩对弹丸运动的影响,计算误差比质点弹道方程小得多,计算速度比刚体弹道方程快,数学表达式[8]如下:

(1)

2 外弹道模块的实现与应用

2.1 软件开发与实现

在Visual Studio 2010集成开发环境下,采用C++语言并利用MFC框架对外弹道模块进行了开发。MFC是面向对象程序设计与应用框架的完美结合,它将传统的API进行分类封装,并包含一个应用程序框架,从而使得程序设计更为便捷。图4为外弹道模块中刚体弹道计算和急螺稳定性计算的工作界面。

图4 外弹道模块工作界面图

2.2 实例计算及分析

以某制式杀爆弹为例来验证外弹道模块的各项功能和计算结果的可靠性。初始条件如下:初始射角45°,初始速度930 m/s,赤道转动惯量1.223 6 kg/m2,极转动惯量0.142 64 kg/m2,弹重43.7 kg,弹长703 mm,弹径152 mm,圆柱部长246.1 mm,圆柱部直径151 mm,弹尾长76 mm,弹尾直径64 mm,弹形系数1.002。分别采用质点弹道、修正质点弹道和刚体弹道对其外弹道特性进行分析,得到的计算结果如图5所示。

图5 计算结果对比图

通过与实弹发射数据相对比,刚体弹道和修正质点弹道计算结果与实际数据接近,刚体弹道结算结果更为准确,修正质点弹道计算时间比刚体弹道更短,质点弹道计算结果误差在可接受范围内。此外,实例验证也表明开发的外弹道性能分析模块操作方便,计算结果可信。

3 结论

文中通过对外弹道模块软件架构的设计、功能模块的分析,以及外弹道分析模型的挖掘整理,最后借助Visual Studio 2010 C++开发了外弹道性能分析软件。利用某制式弹丸的数据对软件的可操作性和结果的可靠性进行了对比分析,结果表明软件调用方便、计算结果可信。外弹道模块的设计与实现为弹药快速设计系统的构建奠定了重要的基础。

[1] 王儒策. 弹药工程 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2005.

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[3] Ivor Horton. Visual C++2010入门经典 [M]. 苏正泉, 李文娟, 译. 5版. 北京: 清华大学出版社, 2010.

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[5] 罗仕鉴, 朱上上, 唐云开. 知识驱动的产品设计情境 [J]. 浙江大学学报: 工学版, 2008, 42(11): 1849-1855.

[6] 华恭, 欧林尔. 弹丸作用和设计理论: 榴弹和迫击炮弹 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1976.

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[8] 宋丕极. 枪炮与火箭外弹道学 [M]. 北京: 兵器工业出版社, 1993.

Design and Implementation of Exterior Ballistic Model in Ammunition Rapid Design System

YANG Dongyang,MAO Liang,JIANG Chunlan

(State Key Laboratory of Explosion Science and Technology, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China)

To achieve rapid prediction and analysis on ammunition exterior ballistics performance, software architecture of exterior ballistic performance analysis module was built, composition of its structure and functions was analyzed in detail, classical exterior ballistic analysis model and flight stability analysis model were sorted out. Software of exterior ballistic analysis was developed by MFC frame of Visual Studio 2010 C++. The results of exterior ballistics performance of a standard projectile were calculated and analyzed by the software, compared with actual data, both were in good agreement. Achievement of ammunition exterior ballistics module lays an important foundation for development of rapid ammunition design system.

rapid design; ammunition; exterior ballistics model; performance analysis

2014-07-31

国防基础科研计划(A2220110003)资助

杨东阳(1989-),男,内蒙古呼伦贝尔人,硕士研究生,研究方向:毁伤与弹药工程。

TJ012.3

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