理论教育 飞行稳定性的形式及优化方法

飞行稳定性的形式及优化方法

时间:2023-06-29 理论教育 版权反馈
【摘要】:为了实现飞行稳定,弹丸应绕自身轴线进行高速旋转,以此来克服翻转力矩的不利作用。表7.4.1常见弹丸的起始自转角速度另外,由于弹丸自转角速度很高,比一般机械转速高得多,故当弹丸质心或者引信零件偏离弹丸的几何轴线时,将产生极大的惯性离心加速度。

飞行稳定性的形式及优化方法

实际的弹丸均近似为一轴对称的刚体,它在飞行中同时具有质心运动和围绕质心的运动。

弹丸在飞行中受到空气阻力作用,通常阻力中心不通过弹丸质心,对于旋转弹丸,一般位于弹顶与质心之间。当弹轴与速度矢量不重合(即章动角δ≠0)时,将产生一个翻转力矩,使δ增大,这将影响质心运动规律,使射击准确性变差。

尾翼弹是利用尾翼作用使阻心后移到质心之后,由此所形成的力矩——稳定力矩,将使章动角减小,这样的尾翼弹称为静态稳定弹。

另一种办法是使不带尾翼的轴对称弹丸高速旋转。只要转速高于某个数值,弹轴将不会因翻转力矩的作用而翻转,而是围绕某个平均位置旋转与振动。根据弹丸在飞行中的实际情况,通常将弹道起始段的弹丸质心运动轨迹近似为一直线,叫弹道直钱。随后重力影响逐渐增大,弹道向下弯曲,直到落点,此弯曲的弹道叫弹道曲线段。飞行稳定的弹丸,其弹轴不过于偏离切线,弹丸飞行稳定性越好,不但有利于提高射程,而且散布精度较高。旋转弹丸飞行稳定性包括急螺稳定性、追随稳定性及动态稳定性三部分,下面对三种稳定性进行介绍。

1.急螺稳定性

发射时,在膛内由于各种不均衡因素的作用,使弹丸获得一个力矩冲量。当弹丸出膛口后,弹轴与弹道切线就不重合。这样,空气阻力的作用线不通过弹丸的质心,而形成一个迫使弹丸翻转的力矩。此力矩的大小取决于弹外飞行速度和弹轴对弹道切线的偏角,并在弹道的起始段具有最大值。在该力矩的作用下,弹丸将产生翻转的趋势。为了实现飞行稳定,弹丸应绕自身轴线进行高速旋转,以此来克服翻转力矩的不利作用。旋转弹丸的这种性质,称为急螺稳定效应。

2.追随稳定性

当弹丸在弹道曲线段飞行时,弹道切线的方向时刻都在改变。这时,也要求弹丸的动力平衡轴做相应的变化,以保持二者在任何时刻都没有很大的偏差。弹丸的动力平衡轴能随着弹道切线做相应变化,这种跟随弹道切线以同样角速度向下转动的特性称为追随稳定性。弹丸的追随稳定性是由于空气动力矩对弹丸的作用达到的,在弹道顶点处,该处的空气动力矩小而弹道曲率较大,追随稳定性最差。

3.动态稳定性

具有急螺稳定性和追随稳定性的弹丸,其弹轴的摆动虽然具有周期性,但因条件不同,其摆动幅值可能是逐渐增大或衰减。如果幅值逐渐增大,就有可能使章动角过大而导致射击密集度变差。为了保证射击的准确性,必须防止摆动幅值的增大。摆动幅值始终衰减的弹丸具有动态稳定性。

枪弹圆柱部被迫嵌入膛线,从而使弹丸产生绕其自身几何轴线的旋转运动。膛线与螺纹相似,它沿膛轴旋转一周(即2π弧度)前进的距离(与螺纹的螺距相当)称为膛线导程。膛线导程可表示

式中,h为膛线导程;d为口径;η为膛线缠度。(www.daowen.com)

假定弹丸在膛口附近经过dt的时间转动dγ角度,该角度与相当,此时角速度可表示为

它沿膛线前进的相应距离可表示为。假设弹丸相对于膛口的真实速度为vg,则

可获得弹丸的起始自转角速度为

式中,ωg为起始自转角速度。

由于实际中vg≈v0,故

从上式可以看出,在初速、膛线缠度相同的情况下,口径越小,自转角速度越大;反之,口径越大,自转角速度越小。也可从表7.4.1列出的几种弹丸的起始自转角速度值,推算得出此结论。

表7.4.1 常见弹丸的起始自转角速度

另外,由于弹丸自转角速度很高,比一般机械转速高得多,故当弹丸质心或者引信零件偏离弹丸的几何轴线时,将产生极大的惯性离心加速度。例如,当零件的偏心距离为1 mm、旋速ω=2 000 rad/s时,惯性离心加速度将达4 000 m/s2。因此,设计弹丸时,应对弹丸的质量偏心或引信零件的偏离弹轴问题予以足够重视。

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