某防御战车行进间射击炮口动态扰动特性研究

陈 吉，葛建立，谢 润，张 罡，杨国来

(1.南京理工大学 机械工程学院， 南京 210094； 2.上海机电工程研究所， 上海 201109)

随着现代战争形势的日益紧张，空袭的种类日益多样化，对防空的要求越来越高。目前广泛应用于防空的武器多为高炮、防空导弹等，弹炮结合武器系统集导弹、火炮于一体，具有拦截火力调配灵活，杀伤空域大、作战效能高以及机动能力强等特点，受到广泛青睐[1]。弹炮结合武器在行进间进行火炮射击时，由于路面不平度随机激励及火炮射击的高频激励，炮口扰动对火炮射击准确度影响较大[2]，有必要对此进行分析研究。罗竹辉等[3]对比和评价了常见的几种路面不平度生成方法，并给出了一种生成可被Adams识别的三维路面文件的方法；钟洲等[4]建立了某型车载防空导弹的行进和发射一体化多柔体动力学模型，研究了不同路面情况和车速情况下对导弹发射精度的影响；麻小明等[5]对某型防空武器行进间发射动力学进行了研究，并给出了可以安全发射的路况和车速信息；谢润等[6]建立了某自行火炮虚拟样机模型，得到了其在不同等级路面上以不同速度行驶并射击的炮口振动规律；姚琳等[7]在某越野火箭炮的刚柔耦合动力学模型中引入了油气悬架的非线性特征，研究了其对于路面垂向冲击的减轻作用。然而对于弹炮结合战车而言，由于发射装置集成了大量设备，火炮射击受到不同设备的影响，考虑其关键部件柔性并进行行进间射击的相关研究较少，对于发射装置进行调转后，其振动对行驶射击时的动态特性的影响研究较少。

本文针对某型弹炮结合战车(以下简称战车)，建立刚柔耦合多体动力学模型，选取了典型工况进行仿真，通过与试验数据对比，验证了其用于工程分析的正确性。针对火炮以不同速度行进间射击的问题，研究了相应工况下的炮口扰动。

1 刚柔耦合动力学模型建立

1.1 战车拓扑结构

弹炮结合战车包括行驶部分和发射装置，行驶部分由轮胎、悬架、车体、设备舱、工具舱及油机电站组成。轮胎通过悬架连接到车体，各舱室和油机电站固定在车体上。

发射装置由发射转塔及安装在发转塔上的光电设备、炮塔及火炮、导弹发射架(以下称发射架)及箱弹模块以及伺服电动缸(电缸)等组成。发射转塔作为承载发射装置其他部件的平台，通过旋转副与车体相连，光电设备等固连在发射转塔上，炮塔与发射转塔固定连接，火炮与炮塔通过转动副连接，提供火炮的高低射角，发射架后端通过转动副与转塔连接，电缸两端通过转动副与发射架及发射转塔连接，通过电缸的推动调节发射架的俯仰角。

本文研究的刚柔耦合动力学模型，基于以下假设：

1) 路面为刚性，不考虑路面受到车体压力产生的变形。

2) 战车底盘、光电搜索设备、炮塔及箱弹模块等视为刚体，考虑转塔及火炮身管的柔性。

3) 不考虑战车行驶过程中底盘发动机和油机电站等设备运转对战车的振动激励，不考虑风载影响。

整车的拓扑结构如图1所示。

图1中，B2、h2等左右中间轮，中间悬架的连接未标明，h1～h6为轮胎与地面的接触，h7～h12、h21、h25～h28为旋转副，h13～h18为油气弹簧连接，h19、h20、h22～h24、h29为固定约束。

图1 整车的拓扑结构框图

1.2 路面模型

路面不平度是战车行驶过程中受到的主要外部激励，可看成是平稳、遍历、服从Gaussian分布的随机过程。本文选用谐波叠加法进行路面重构，将路面谱曲线看成由许多正弦曲线进行叠加得到，正弦曲线的幅值由标准路面谱位移功率谱密度函数求出，其相位角满足正态分布随机数。

根据GB/T7031—2005的要求，对位移功率谱密度用以下公式进行拟合[8]：

(1)

其中，n0为参考空间频率;ω为拟合功率谱密度的指数。

路面不平度的拟合公式如下：

(2)

图2 D级路面不平度曲线

通过节点缝合法，编写MATLAB程序将相邻曲线的三个节点进行有序组合，得到NODE和ELEMENT矩阵，延伸至三维，生成可被ADAMS识别的rdf路面文件。

1.3 悬架、轮胎模型

战车为双横臂独立油气悬架型。悬架的刚度特性通过在ADAMS中建立弹簧(Spring)实现，在双横臂悬架上下横臂对应的硬点处建立弹簧单元[10]。悬架刚度的非线性因素根据悬架刚度试验确定，得到油气弹簧刚度曲线，如图3。

由于战车低速行进在高频激励路面上，轮胎的松弛效应对滑移率的影响较大，因此轮胎选用考虑了轮胎的纵向、侧向松弛效应的UA轮胎模型[9]。

图3 油气弹簧力曲线

1.4 发射装置模型

发射装置由发射转塔、发射架、电缸、箱弹模块、光电设备、火炮和炮塔等组成。对发射转塔和火炮身管进行柔性化处理，其他部分视为刚体。

发射转塔作为承载发射装置各种设备的平台，其刚强度影响发射装置振动响应。转塔整体为铝合金材质，转塔中部起强化作用的支撑梁为合金钢，材料参数如表1所示。

表1 转塔材料参数

支撑梁与塔体通过绑定连接约束。为保证生成的柔性体模型导入ADAMS后与其他部件连接可靠，需在转塔与其他部件连接处设置界面节点。与转塔建模类似，建立火炮身管的柔性体模型。利用Lanczos模态综合法，计算转塔及身管的模态信息。转塔与身管的模态详细信息见表2。

发射装置上搭载的火炮为小口径双管自动炮，由炮身、供输弹机构、反后坐装置、发射机构和保险机构等组成，身管固连在炮尾，火药燃气通过炮身、炮闩等结构传递到炮塔，通过反后坐装置减少其后坐力，复进机构使身管产生复进运动，建立接触关系，将身管与火炮结构采用弹簧阻尼系统连接，以模拟火炮的阻尼力及复进簧力等，其刚度和阻尼系数由试验数据确定。

表2 去除局部模态的模态信息

将路面、悬架、柔性体和其他刚性部件模型等导入ADAMS，按照实际的连接关系将模型装配完成[11]。整车装配图如图4所示。

图4 整车布局简图

模型共有3个柔性体(转塔，左、右身管)、40个转动副、2个移动副、23个固定副、以及12个驱动。系统惯性坐标系的X轴向沿车身行进方向，Y轴沿车身侧向，Z轴垂直路面向上。

2 模型校核

通过改变战车姿态，给定不同的行驶情况，模拟不同的试验状况，将仿真结果与试验结果对比，对所建立的动力学模型进行校核。

2.1 D级路面行驶校核

试验场路面状况近似为D级路面，利用1.2节的方法，建立D级路面不平度三维模型，导入ADAMS，所建立的耦合模型如图5所示。

图5 D级路面行驶模型

行驶工况如下：转塔方位角0°，发射架俯仰角0°，火炮俯仰角0°，行驶速度在5 s内匀加速至30 km/h，行驶20 s后匀减速至完全停止。

测点设置：1) 回转支承安装面中侧；2) 炮塔安装面。

计算以恒定速度稳定行驶阶段的对应测点垂向加速度均方根，与试验数据对比情况见表3。

表3 仿真与试验数据垂向加速度均方根值

试验数据与仿真数据误差均小于10%，该耦合行车模型能够满足工程使用需要。

2.2 驻车射击校核

工况设置如下：转塔方位角90°，导弹发射架俯仰角25°，火炮俯仰角3°，炮击载荷进行相应简化，根据火炮试验数据，测得在炮尾处受到的炮膛合力，在膛底施加炮膛合力，左右身管各炮击12发，每发间隔16 ms，为模拟现实情况中左右身管发射不同步的状况，右身管比左身管延迟8 ms射击。将轮毂处的转动副改为固定副，模拟战车驻车状态。测点设置：1) 转塔内回转支承安装面中侧；2) 炮塔安装面右侧。

计算处于稳定炮击阶段的回转支承安装面、炮塔安装面右侧的垂向加速度均方根，与试验数据对比情况见表4。

表4 仿真与试验数据垂向加速度均方根值

试验数据与仿真数据误差均小于10%，该炮击模型能够满足工程使用需要。

3 行进间发射计算与分析

3.1 驻车调转

在战车行进时，当目标出现在战车侧方时，需要调转发射装置进行火炮瞄准，为研究其调转对炮口扰动的影响和规律，通过选取不同调转速度，将转塔调转90°，考察调转速度对炮口扰动的影响。为了比较行进间与驻车状态下调转对炮口扰动的影响区别，先对驻车调转进行分析。在左身管炮口中心处建立参考坐标系，X轴沿身管指向炮尾，Z轴竖直向上，Y轴依据右手定则确定，指向身管侧向。炮口扰动的衡量指标为左身管横向、垂向角位移。

为研究不同调转速度对炮口扰动的影响，使战车处于驻车状态，发射装置在2 s、3 s和5 s内由初始0°调转至90°，导弹发射架及火炮身管高低角在相同时间内由初始0°分别上升到50°及70°，调转完成后开始射击，射击工况与2.2节相同。

以调转完成为0 s开始计时，在第0.05 s开始射击，射击过程左侧身管炮口横向、垂向角位移曲线如图6、图7所示。

图6 驻车调转射击炮口横向角位移曲线

图7 驻车调转射击炮口垂向角位移曲线

由图6、7可见，驻车工况下调转射击时，横向角位移受炮击载荷的影响较为明显，且不同调转速度下横向角位移相差较小。垂向角位移相比横向角位移受炮击载荷的影响更小，且调转速度越快，垂向角位移在炮击过程中变化的幅值越大。

3.2 行进间射击

在战车正常行驶过程中，火炮身管需要跟踪不同方向出现的目标，而当目标出现时，战车可能以不同速度行驶在路面上。

为研究行驶速度与射击稳定性的关系，使战车分别以15 km/h、25 km/h以及35 km/h的速度稳定行驶在D级路面上，发射装置以3.1节中3 s调转的工况进行调转，并进行火炮射击。射击过程中炮口横向、垂向的角位移如图8、图9所示。

可以看出，相比于驻车射击，行进间射击的炮口横向角位移的低速工况与驻车工况的幅值及变化规律相近，高速工况初始时刻的横向角位移绝对值增加约0.8°，且横向角位移幅值的绝对值最大。炮口垂向角位移变化较大，当战车以较低速度(15 km/h、25 km/h)行驶时，垂向角位移与驻车射击垂向角位移相差不大，而以较高速度(35 km/h)行驶时，垂向角位移的绝对值增大较明显，初始时刻的垂向角位移绝对值相比于驻车射击增加1.5°。

低速工况下，路面对战车的随机激励表现得不明显。炮口扰动的幅值及变化规律与驻车工况相近。而随着车速的提高，路面的随机激励对战车平稳性的影响逐渐增大，炮口扰动也不断增大，会对射击的稳定性、精确性造成更大影响，在制定调转策略时，需要考虑不同速度下炮口扰动的区别。

图8 行进间调转射击炮口横向角位移曲线

图9 行进间调转射击炮口垂向角位移曲线

4 结论

1) 发射装置调转时，炮口扰动的变化情况受战车行驶速度的影响较大，受发射装置调转速度的影响较小。

2) 通过与试验对比可以看出，文中所采用的动力学模型建立方法准确可靠，能够满足工程分析需要，可以为建立弹炮结合战车的动力学模型提供参考。

3) 对该型弹炮结合战车，当行驶在路况较差的路面上时，行驶速度对炮口扰动的影响较大，为提升命中目标的概率，需要将行驶速度控制在25 km/h以下。