远程多管火箭发射动力学仿真

胡涛 郭旭敏 赵媛 贾璇 张乐

摘要：不论是进行远程多管火箭的动态设计，还是提高武器系统的性能，都要以远程多管火箭发射动力学仿真作为先在的前提。远程多管火箭具有发射快、机动性能强、可在短时间内集中火力密度的优点，历来被世界各军事强国所重视。文章对远程多管火箭的基本情况进行了概述，并进而对远程多管火箭发射的动力学模型进行了简要的图文介绍，在此基础上对相关动力学方程进行了列举。最后，对远程多管火箭发射的动力学仿真系统的相关内容作了必要的论述。

关键词：多管火箭；发射动力学；仿真

引言

在对远程多管火箭发射和控制动力学的相关理论、计算和试验研究的基础上，建立远程多管火箭的系统发射动力学模型，并得到了相应的发射动力学方程。在远程多管火箭发射动力学的理论研究之上，最终生成了远程多管火箭发射动力学的仿真系统。从动力学模型到动力学方程式再到动力学仿系统，是层层递进的关系。文章在对远程多管火箭进行简要概述的基础上，首先对远程多管火箭发射的动力学模型进行了介绍，进而建立了远程多管火箭发射的控制动力学方程，并形成了远程多管火箭发射动力学的仿真系统的分析，最后对仿真系统的结论进行了简要的概括性论述。

1. 远程多管火箭概述

多管火箭，作为战争舞台上必不可少的武器装备，自出现以来就因其发射速度快、火力密集多发的优势特征，成为陆军火力装备中不可缺少的一部分。随着战争空间的不断扩大，战争纵深范围的不断开拓，对于多管火箭的发射系统的要求也在不断的提高。远程多管火箭动力学，作为远程多管火箭发射，与飞行受力的研究系统，是在远程多管火箭的发射与飞行中，研究控制其受力和运动的理论技术与方法。“发射动力学研究在其研制中占有重要的地位，已成为当代兵器科学界关注的热点，有关发射动力学理论的研究也越来越活跃。”^[1]因此，对于远程多管火箭的研制是非常重要的，而要想改进远程多管火箭系统，并不是一朝一夕即可办到的，需要精密的研制与计划。

远程多管火箭，也因其射程远、炮射数量多而被称为陆军火力之王。如图所示。远程多管火箭在仿真过程中，既要对于多管火箭炮的实体进行细致的分析，也要结合多管火箭炮的实物来确定多管火箭发射动力系统模型的确立，要做到一比一的精准还原，以防结果出现较大的偏差。

2. 远程多管火箭发射的动力学模型

远程多管火箭包括刚体、集中质量、扭簧、弹性梁等力学元件，这是根据多管火箭各个部位的自然属性来划归的。多管火箭中的火箭弹的主体是变质量刚体，它的弹性效应约等效于其定向钮以及定心部、定向管的弹性接触作用。并且，考虑到火箭弹受到的重力，发动机使出的推力，以及推力的偏心和偏心矩，再有弹炮的碰撞力以及定心部和定向管的接触力等，以及火箭弹的质量偏心和动不平衡等都是需要统合考虑的部件元素。

将推力作为火箭弹发射作用上的非对称随机外力，这既是可控的也是随机的。闭锁力则作为火箭炮和火箭弹上的阶跃外力，这种发力仅限于发动机开火到火箭弹开始运行的过程中才存在。角稳定系统控制力被作为火箭弹的系统外力，火箭燃气射流发出的对于火箭炮的冲击力则变现为作用于火箭炮上的系统外力。另外，地面支撑不包含在系统模型之中，仅作为系统的边界条件。

远程多管火箭发射动力模型，建立在多管火箭的实体武器之上，在详细的观察基础上进行等比例缩小，根据准确的数据进行图形的模拟。

3. 远程多管火箭发射的动力学方程

动力学方程需要考虑到“火箭弹所受的重力、发动机推力、推力偏心角、推力偏心矩、定心部与定向管的接触力、火箭弹的质量偏心和动不平衡、角稳定系统控制力和力矩等因素”^[2]，若分别对于火箭炮系以及弹轴系建立火箭弹的质心运动方程和转动方程，在非对称的火箭弹的定向管内的运动的发射动力学方程，一般可证明为如下方程式。在此过程中需要注意，方程式的建立与推理并不是一成不变的，这需要根据实际情况进行具体的分析，尤其要紧跟国际研究的前沿成果，积极的对远程多管火箭的发射动力学方程进行更新与推理，没有完备的动力学方程的计算与结果，很难得到远程多管火箭发射系统的改进与完善。

4. 远程多管火箭发射动力学仿真系统

（一）新型多管火箭炮

一种新型的远程多管火箭发射系统曾在珠海航展上崭露头角，多管火箭炮因其战备优势历来为各军事强国所重视，在各大军事展上都会出现它的身影，由此可见远程多管火箭炮武器的重要地位。

（二）远程多管火箭炮的受力分析

远程多管火箭炮受力系统会受到：重力、机械作用力、弹炮作用力、发动机推力、闭锁力、燃气流冲击力、简易控制力等各种力的作用。其中机械作用力主要是指火箭炮各个部件以及火箭炮与地面之间的机械作用力。其中，机械作用力可以等价于弹性铰对应的作用力及其相应的阻尼力，它们都是系统的内力。

（三）火箭炮发射动力学仿真系统

多管火箭炮在发射过程中的动力学仿真系统包括模型的建立、轮胎和接触铰约束、地面对轮胎的单面约束、以及利用碰撞模型对处于定向器管内的火箭弹的运动受力情况进行仿真计算与分析，如此可以得到的具体的火箭炮发射动力学仿真系统。

如图所示，则是多管火箭炮发射系统仿真模型。

在仿真模型的基础上还要进行发射过程的仿真分析，如图所示。在仿真分析后方可得到动力学仿真系统。

5. 关于动力学仿真系统的结论

动力学仿真系统的建立，首先要对多管火箭炮的发射动力学进行分析，并进而推出发射动力学的方程式，在此基础上建立动力学仿真模型，并进行发射过程的动力学仿真分析。主要运用的是“ADAMS动力学仿真分析软件”^[3]，得出结论：

1. 想要建立仿真系统就必须首先建立远程多管火箭炮的全炮动力学仿真模型；

2. 之所以要运用到轮胎与地面间的接触铰的约束，是为了体现地面摩擦力对轮胎所造成的单方面的约束作用。

3. 通过建立弹与炮见得耦合碰撞模型，对火箭弹的定心部和定向钮进行了详细的分析，对其受力情况需要进行明确的情况分析。

4. 远程多管火箭炮的发射系统的仿真研究具有一定的基本原理与规则系统，但是在实际的仿真分析中要具体情况具体分析，针对不同的远程火箭炮进行形式不一的仿真模型建立与分析。

6. 结语

进行远程多管火箭的动态设计，提高武器系统的性能，远程多管火箭发射系统的动力学仿真都是先在的前提。发射快、机动性能强、可在短时间内集中火力密度的优势特征，是远程多管火箭历来被世界各军事强国所重视的原因所在，作为传统的陆军强国，我国对远程多管火箭炮的研究与设计一直都很重视。文章在对远程多管火箭发射和控制动力学的相关理论、计算和试验研究的基础上，建立远程多管火箭的系统发射动力学模型，根据发射动力学方程，以及远程多管火箭发射动力学的理论研究之上，生成远程多管火箭发射动力学的仿真系统与仿真结论。从动力学模型到动力学方程式再到动力学仿系统，是层层递进的关系，不可一蹴而就。

参考文献：

[1]王国平，芮筱亭.远程多管火箭发射动力学仿真[J].系统仿真学报.2006（18）.

[2]王国平，芮筱亭.远程多管火箭动力学研究[J].动力学与控制学报.2004（01）.

[3]裴胤，胡光宇，乐贵高，马大为.多管火箭炮系统发射动力学仿真研究[J].南京理工大学学报.2003（27）.