Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
NGHIÊN CỨU PHỐI TRÍ KHÍ ĐỘNG PHỤC VỤ TÍNH TOÁN<br />
CẢI TIẾN, THIẾT KẾ MỚI TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN<br />
MỘT KÊNH TẦM GẦN<br />
Nguyễn Văn Chúc1*, Phan Văn Chương1, Trần Mạnh Tuân1, Lê Quang Thương1,<br />
Trần Phú Hoành1, Lê Đức Hạnh2<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định tham số hình dạng ngoài<br />
(phối trí khí động) của tên lửa thỏa mãn đồng thời một số chỉ tiêu yêu cầu của lớp<br />
tên lửa điều khiển một kênh chống tăng tầm gần. Các chỉ tiêu này không chỉ phụ<br />
thuộc vào các đặc trưng khí động của tên lửa, mà còn phụ thuộc vào các tham số<br />
quán tính, động lực học bay của tên lửa. Phương án tốt nhất của các tham số thiết<br />
kế nhận được từ việc phân tích cơ sở dữ liệu các tham số khí động, động lực học<br />
bay trong môi trường MATLAB. So sánh các kết quả phối trí cụm cánh trước tương<br />
ứng với 2 phương án trọng tâm.<br />
Từ khóa: Phối trí khí động; Hệ số khí động; Tên lửa một kênh; Tên lửa có điều khiển.<br />
<br />
Ký hiệu và chữ viết tắt<br />
cy , cy - Đạo hàm hệ số lực nâng mx , mx x - Đạo hàm của mô men Cren<br />
f ML , f zdk - Tần số máy lái, tần số điều<br />
ny - Quá tải pháp tuyến<br />
khiển<br />
fx , fz - Tần số tên lửa trong hệ gắn xT , xF - Tọa độ trọng tâm và tiêu cự<br />
liền<br />
g - Gia tốc trọng trường - Mật độ không khí<br />
Jz - Mô men quán tính ngang - Góc lệch cánh<br />
Lref , S M - Chiều dài và diện tích đặc<br />
- Góc lái<br />
trưng<br />
m, V - Khối lượng và vận tốc tên lửa X FT - Độ ổn định tĩnh<br />
<br />
mz , m z - Đạo hàm mô men Tangas TLCT - Tên lửa chống tăng<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Tên lửa chống tăng (TLCT) có điều khiển được nhiều nước quan tâm nghiên cứu phát<br />
triển, liên tục được cải tiến nâng cấp chứng tỏ tính hiệu quả của loại vũ khí này. Ở Việt<br />
Nam, TLCT đặc biệt là tổ hợp TLCT B-72 số lượng còn nhiều, đã được sử dụng hiệu quả<br />
trong chiến tranh, và còn được trang bị, tuy nhiên chất lượng ngày càng xuống cấp, tính<br />
năng lạc hậu, đang được Quân đội nâng cấp, cải tiến, chế tạo mới đáp ứng yêu cầu chiến<br />
tranh hiện đại.<br />
Do vậy, song song với việc chuyển giao công nghệ, nâng cấp, cải tiến việc làm chủ<br />
thiết kế chế tạo tổ hợp TLCT là một thực tiễn cấp bách. Để làm chủ thiết kế, chế tạo,<br />
nhiệm vụ đầu tiên là phải làm chủ thiết kế hệ thống: Tính toán, phối trí khí động, mô<br />
phỏng động lực học trên cơ sở đó đặt yêu cầu cho các cụm khối cấu thành.<br />
Trong phạm vi bài báo trình bày phương pháp, kết quả tính toán hình dạng ngoài của<br />
một tổ hợp TLCT có điều khiển (CTVN) có một số tính năng kỹ thuật cơ bản như sau:<br />
- Cự ly bắn: 500÷2500 (m)<br />
- Vận tốc bay trung bình: 100÷115 (m/s)<br />
- Cỡ đạn: 125 (mm)<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 11<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
- Đầu nổ kiểu tan đem, khả năng xuyên thép: 600÷800 (mm)<br />
- Khối lượng: 12,6±0,3 (kg)<br />
Trên cơ sở phân tích xu hướng cải tiến hình dạng ngoài của tên lửa được biểu diễn trên<br />
hình 1:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Hình dạng ngoài tên lửa.<br />
Bài toán phối trí khí động được phát biểu như sau: Biết trước tham số khối lượng,<br />
quán tính, lực đẩy hệ thống động cơ, xác định biên dạng ngoài của tên lửa thông qua tọa<br />
độ các điểm Ai ( i = 1 ÷13) và tiêu cự lực khí động F (Hình 1.1) đáp ứng một số chỉ tiêu<br />
sau [8]:<br />
- Tần số dao động riêng của tên lửa trong kênh dọc trục f z khi bay với vận tốc cực tiểu<br />
Vmin phải lớn hơn giá trị tối thiểu f z min :<br />
<br />
1 mz Vmin<br />
2<br />
fz SM Lref f z min (1)<br />
2 Jz 2<br />
<br />
Giá trị f z min phụ thuộc vào chế độ dẫn của đạn. Đối với đạn tên lửa được điều khiển<br />
bởi người thì f z min 3 f zdk 1, 5 Hz<br />
- Chỉ tiêu của tần số quay quanh trục dọc f x : Tần số quay quanh trục dọc fx không nhỏ<br />
hơn 2 lần so với tần số dao động riêng fz trong toàn bộ dải vận tốc của đạn để tránh hiện<br />
tượng cộng hưởng tần số:<br />
mx 1 mz Vmin<br />
2<br />
f x 2 2 f z S L (2)<br />
mx x J z 2Vm2ax M ref<br />
- Giá trị lớn nhất của fx cần phụ thuộc vào tần số tác động cao nhất của máy lái fML. Cụ<br />
thể đối với lớp tên lửa đang nghiên cứu do trong một chu kỳ quay của đạn máy lái tác<br />
động 4 lần nên cần có:<br />
f x f ML / 4 (3)<br />
- Quá tải pháp tuyến của tên lửa nymin ở vận tốc thấp nhất phải lớn hơn giá trị quá tải tối<br />
thiểu nmin<br />
2<br />
Vmin S M mz <br />
ny min c y c y max nmin (4)<br />
2 mg mz <br />
Đối với tên lửa chống tăng quá tải tối thiểu nmin 1,1<br />
- Chỉ tiêu về độ ổn định tĩnh của tên lửa:<br />
<br />
<br />
<br />
12 N. V. Chúc, …, L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động … một kênh tầm gần.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
mz xT xF<br />
X FT 0,19 0,12 (5)<br />
cy Lref<br />
Dưới đây trình bày phương pháp xác định tham số hình dạng ngoài của lớp tên lửa có<br />
hình dạng như hình 1 trên cơ sở thỏa mãn các chỉ tiêu (1)-(4) như tên lửa mẫu và đạt giá trị<br />
nhỏ nhất chỉ tiêu (5) là một chỉ tiêu quan trọng nhất đảm bảo tính ổn định và tính tương<br />
đồng của hệ thống dẫn, điều khiển tên lửa.<br />
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU<br />
Để xác định được các chỉ tiêu (1) đến (5) cần phải xác định không chỉ các hệ số khí<br />
động của tên lửa mà còn cả các tham số động lực học. Số lượng các tham số thay đổi dẫn<br />
đến cần phải tính toán hệ số khí động, quỹ đạo rất nhiều phương án (ví dụ 5 tham số thay<br />
đổi theo 3 mức tạo thành 125 bộ tham số). Để giải quyết bài toán đặt ra các tác giả đề xuất<br />
phương án nghiên cứu xác định các tham số hình dạng bên ngoài của tên lửa như hình 2.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Sơ đồ phương pháp xác định tham số biên dạng (phối trí khí động).<br />
Tính đặc thù của phương pháp là: Thứ nhất, tạo và hiệu chỉnh tham số đầu vào<br />
(for005.dat) với biên dạng của tên lửa mẫu B-72 kiểm tra tính đúng đắn kết quả<br />
(for006.dat) khi dùng phầm mềm Missile Datcom [6] với số liệu đã công bố trong [2, 3] và<br />
kết quả thử nghiệm;<br />
Thứ hai, kết hợp bài toán tính toán biên dạng, tự động cập nhật vào-ra của Missile<br />
Datcom với bài toán tính toán tham số quỹ đạo [1], tính toán chỉ tiêu trong cùng môi<br />
trường MATLAB-SIMMULINK.<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 13<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
Với phương pháp đề xuất trên cho phép thiết lập quan hệ giữa các tham số hình dạng<br />
với các chỉ tiêu thông qua các tham số khí động và quỹ đạo có trong các công thức (1)-(5).<br />
Thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cho phép đánh giá vùng hợp lý của<br />
tham số cần nghiên cứu.<br />
2.1. Kiểm chứng phương pháp<br />
Áp dụng phương pháp trên cho biên dạng tên lửa B72. Kết quả tính toán các chỉ<br />
tiêu (1) đến (5) được đưa ra ở bảng (bảng 2). Hình 3 so sánh kết quả tính toán theo<br />
phương pháp trên với kết quả thổi khí động dưới âm của Viện Khoa học Công nghệ<br />
Xây dựng.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Thử nghiệm hệ số khí động tên lửa B-72 và so sánh với kết quả tính.<br />
Dựa vào đồ thị nhận thấy kết quả tính toán các tham số khí động của tên lửa B-72 bằng<br />
phần mềm Missile Datcom phù hợp với kết quả nhận được từ phương pháp thổi thực<br />
nghiệm. Như vậy, có thể dùng phần mềm Missile Datcom để tính toán xây dựng cơ sở dữ<br />
liệu bộ tham số khí động.<br />
Như vậy, sơ đồ thuật toán xác định tham số biên dạng khí động (hình 2.1) hoàn toàn đủ<br />
điều kiện để sử dụng tính toán xác định tham số biên dạng khí động cho một lớp tên lửa<br />
kiểu B-72.<br />
2.2. Xác định các tham số thiết kế của cụm cánh trước<br />
Phương pháp trình bày ở hình 2 là tổng quát cho bất kỳ tham số hình dạng nào có mặt<br />
trong file đầu vào for005.dat. Trong khuôn khổ bài báo các tác giả trình bày một số kết<br />
quả ứng dụng phương pháp đề xuất để xác định các điểm A3, A4, A5, A6 - xác định phần<br />
<br />
<br />
<br />
14 N. V. Chúc, …, L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động … một kênh tầm gần.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
nhô ra của cụm cánh phía trước của tên lửa khảo sát. Tham số khí động của cụm cánh<br />
trước được sơ bộ tính theo<br />
các công thức bán thực<br />
nghiêm [7] thông qua các<br />
tham số đặc trưng (sải cánh<br />
L, góc cụp χ, dây cung gốc<br />
cánh b0, dây cung mút cánh<br />
bk, và vị trí gốc cánh xa) như<br />
hình 4. Từ bộ tham số này<br />
hoàn toàn xác định hình dạng<br />
của cánh.<br />
Như vậy, có thể coi số Hình 4. Các tham số thiết kế của cụm cánh trước.<br />
lượng các tham số thiết kế<br />
độc lập của cụm cánh trước là 5 tham số. Nhiệm vụ thiết kế bộ cánh trước là xác định bộ 5<br />
tham số thiết kế đảm bảo các chỉ tiêu (1) đến (5) của cả đạn tên lửa, tính toán tọa độ các<br />
điểm A3, A4, A5, A6.<br />
Vùng các tham số qua khảo sát được chọn như sau:<br />
- Sải cánh L = 145165 mm; Góc cụp χ =0 200; Dây cung gốc cánh bo =60 64mm;<br />
Dây cung mút cánh bk = 25mm ; Vị trí gốc cánh xa = 020 mm.<br />
3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN<br />
3.1. Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số thiết kế cụm cánh trước tới chỉ tiêu ổn<br />
định tĩnh<br />
Lựa chọn 3 tham số khảo sát là sải cánh, góc mũi tên và vị trí bắt đầu gốc cánh. Kết<br />
quả khảo sát nhận được đồ thị ảnh hưởng của một số tham số thiết kế cụm cánh trước tới<br />
chỉ tiêu độ ổn định tĩnh của tên lửa như sau:<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 5. Ảnh hưởng của , xa , L tới X FT .<br />
Như vậy, để đạt được chỉ tiêu về độ ổn định tĩnh (5) có thể thay đổi các tham số thiết kế<br />
cụm cánh trước.<br />
3.2. So sánh kết quả tính toán 2 phương án XT = 638 mm và XT =632 mm<br />
Khi thiết kế tên lửa do nhiều nguyên nhân mà trọng tâm tên lửa có thể bị thay đổi dẫn<br />
đến các bộ tham số khí động theo nó phải thay đổi để đáp ứng các chỉ tiêu. Nhóm tác giả<br />
đặt vấn đề thay đổi các tham số thiết kế cụm cánh trước để đảm bảo các chỉ tiêu (1) đến<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 15<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
(5) của tên lửa ứng với trọng tâm mới. Giả thiết tên lửa có trọng tâm là XT = 638 (mm) và<br />
XT = 632 (mm). Phân tích kết quả tính toán nhận được hai bộ các tham số thiết kế đáp ứng<br />
các chỉ tiêu của cụm cánh trước tương ứng của 2 phương pháp đưa ra. Từ bảng kết quả ta<br />
nhận thấy: Tương ứng với mỗi vị trí trọng tâm có một bộ tham số hình học của cụm cánh<br />
trước khác nhau để đảm bảo các chỉ tiêu (1)-(5) (bảng 1).<br />
Bảng 1. Bảng so sánh tọa độ các điểm Ai (i= 3÷6) và X FT tương ứng với 2 phương án.<br />
Như vậy, bằng cách thay đổi<br />
các tham số thiết kế cụm cánh Tên XT =638 (mm) XT =632 (mm)<br />
trước hoàn toàn có thể giải quyết gọi X(mm) Y(mm) X(mm) Y(mm)<br />
được bài toán do thay đổi trọng A3 240.4 37.7 230 36<br />
tâm của tên lửa mới trong một<br />
phạm vi nào đó. A4 245 77.5 230 79<br />
3.3. Kết quả tính toán tham số<br />
biên dạng khí động cho TLCT có A5 270.9 77.5 255 79<br />
điều khiển tầm gần<br />
Sử dụng phương pháp trên tiến A6 281 49.4 271 46.7<br />
hành tính toán trên xác định được<br />
các tham số thiết kế cụm cánh trước X FT -0.2…-0.178 -0.185…-0.148<br />
của tên lửa CTVN như sau:<br />
- Sải cánh L = 155mm; Góc cụp χ = 80; Dây cung gốc cánh bo = 64mm;<br />
- Dây cung mút cánh bk = 25mm ; Vị trí điểm bắt đầu dây cung gốc cánh xa = 5mm;<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 6. So sánh kết quả tính toán và thử nghiệm hệ số khí động tên lửa CTVN.<br />
<br />
<br />
16 N. V. Chúc, …, L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động … một kênh tầm gần.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
<br />
Tiến hành chế tạo cụm cánh trước theo các tham số thiết kế trên và thổi thử nghiệm mô<br />
hình mới bằng ống thổi dưới âm. Kết quả thổi thử nghiệm nhận được phù hợp với kết quả<br />
tính toán trước đó (hình 6).<br />
Các chỉ tiêu động lực học của tên lửa CTVN cũng đáp ứng các yêu cầu (1) đến (5)<br />
(bảng 2).<br />
Bảng 2. Bảng tham số động lực thân cánh tên lửa B-72 và CTVN ở một số thời điểm.<br />
Các tham<br />
Tên lửa B-72 Tên lửa CTVN<br />
số<br />
Thời điểm<br />
1 15 25 1 15 25<br />
khảo sát (s)<br />
xT (m) 0.494 0.483 0.476 0.633 0.612 0.597<br />
xF (m) 0.517 0.517 0.517 0.663 0.663 0.663<br />
m (kg) 10.165 8.632 7.536 11.880 10.356 9.268<br />
V (m/s) 117.306 123.205 120.378 101.084 112.621 113.491<br />
fz (Hz) 1.942 2.531 2.795 1.230 1.842 2.157<br />
fx (Hz) 7.800 8.408 8.406 6.778 7.565 7.824<br />
ny (Vmin) 3.274 3.361 3.422 1.698 1.836 1.935<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Bài báo trình bày phương pháp xác định các tham số phối trí biên dạng khí động tên lửa<br />
trên cơ sở tạo cơ sở dữ liệu các tham số khí động, quỹ đạo khi tham số hình học bên ngoài<br />
của đối tượng thay đổi. Việc kết hợp phương pháp bán thực nghiệm (Missle Datcom) phân<br />
tích chọn bộ tham số đáp ứng nhiều chỉ tiêu của lớp tên lửa một kênh với hiệu chỉnh bằng<br />
thực nghiệm cho phép rút ngắn thời gian thiết kế, độ tin cậy của lời giải được lựa chọn.<br />
Trình bày kết quả xác định tham số bộ cánh trước của tên lửa mới trên cơ sở đạn 9M14M<br />
của tổ hợp TLCT B-72 với tính năng tiên tiến hơn. Kết quả tính toán làm cơ sở để thiết kế<br />
chế tạo đầu nổ khí động tên lửa CTVN.<br />
Phương pháp đề xuất trên sẽ được phát triển trong việc mở rộng các tham số hình dạng<br />
khác, các bộ tham số được xác định trong giải bài toán tối ưu đa chỉ tiêu lựa chọn tham số<br />
thiết kế [3].<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. Nguyễn Văn Chúc, Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu đề tài: “Mô phỏng động lực<br />
học tổ hợp tên lửa có điều khiển một kênh tầm gần phục vụ tính toán thiết kế”, năm<br />
2017.<br />
[2]. “Tổ hợp tên lửa chống tăng 9K11”, Hà Nội, năm 2006.<br />
[3]. Kivan Arlan. “Aerodynamic Optimization of Missile External Configuration”.<br />
Master’s Thesis METU 2014.<br />
[4]. Nhu-Van Nguyen, Maxim Tyan, Jae-Woo Lee, “Investigations on missile Configuration<br />
Aerodynamic Characteristics for design optimization”, Trans. JASA, 2014.<br />
[5]. Ocokoljic G.J., “Aerodynamic shape optimization of guided missile based on wind<br />
tunel testing and computational fluid dynamic simulation”, “Thermal Science”, vol<br />
21, No3, 2017.<br />
[6]. Wiliam B. Blake, Missile Datcom. User manual, 1998.<br />
[7]. Астрахова Т.П, “Основы aэродинамической компоновки”, изд. МГТУ им.<br />
Баумана.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 17<br />
Tên lửa & Thiết bị bay<br />
<br />
[8]. Коростелева О.П., “Теоретические основы проекторования ствольных<br />
управляемых ракет”, Киев 2007.<br />
ABSTRACT<br />
STUDY ON AERODYNAMICS CONFIGURATION FOR IMPROVEMENT AND<br />
NEW DESIGN CALCULATION OF ONE-CHANNEL GUIDED MISSILE<br />
The paper presents a method of determining the missile external shape<br />
parameters (aerodynamic configuration) that meet certain required criteria of close<br />
range one-channel guided anti-tank missiles. These criteria depend not only on the<br />
aerodynamic characteristics, but also on the missile inertinal and flight dynamics<br />
parameters. The best variant of the design parameters is obtained from the analysis<br />
of aerodynamic and flight dynamics parameters in the MATLAB environment.<br />
Compared the configurational results of the front wings, which correspond to the<br />
two variants of the center of gravity.<br />
Keywords: Aerodynamic configuration; Aerodynamic coefficents; One-channel missiles; Guided missiles.<br />
<br />
Nhận bài ngày 27 tháng 3 năm 2019<br />
Hoàn thiện ngày 19 tháng 4 năm 2019<br />
Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019<br />
<br />
Địa chỉ: 1Viện Tên lửa / Viện KH-CN quân sự;<br />
2<br />
Viện KH-CN quân sự.<br />
*<br />
Email: nvchuc2008@gmail.com.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
18 N. V. Chúc, …, L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động … một kênh tầm gần.”<br />