Khảo sát vòng điều khiển kín từ xa tên lửa phòng không theo một số phương pháp dẫn làm cơ sở hoàn thiện và phát triển luật dẫn cầu vồng

Tên lửa & Thiết bị bay N. T. Tùng, N. C. Định, V. H. Tiễn, “Khảo sát vòng điều khiển luật dẫn cầu vồng.” 18 KHẢO SÁT VÒNG ĐIỀU KHIỂN KÍN TỪ XA TÊN LỬA PHÒNG KHÔNG THEO MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP DẪN LÀM CƠ SỞ HOÀN THIỆN VÀ PHÁT TRIỂN LUẬT DẪN CẦU VỒNG Nguyễn Thanh Tùng*, Nguyễn Công Định, Vũ Hỏa Tiễn Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả khảo sát các quỹ đạo của tên lửa phòng không (TLPK) theo ba phương pháp dẫn (PPD) khác nhau. Trên cơ sở đó thực hiện so sánh những đặc trưng cơ bản của hai PPD truyền thống được sử dụng rộng rãi trong các hệ điều khiển từ xa (ĐKTX) là phương pháp “Ba điểm” (T/T) và “Đón nửa góc” (ПC) với phương pháp “Cầu vồng” để làm rõ những lợi thế của PPD này. Cũng từ kết quả đánh giá, phân tích PPD “Cầu vồng” bài báo đề xuất hướng hoàn thiện và phát triển nó trong điều kiện bắn các mục tiêu hiện đại, có khả năng cơ động cao và tấn công từ xa ngoài vùng tiêu diệt của tổ hợp TLPK. Tiêu chí đánh giá các PPD trong bài báo là sai lệch thẳng của tên lửa so với quỹ đạo động (QĐĐ) và khả năng duy trì vận tốc tên lửa sau điểm gặp. Từ khóa: Tên lửa phòng không, Phương pháp dẫn cầu vồng, Vận tốc tên lửa. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong HTĐK từ xa khi sử dụng các PPD truyền thống “T/T”, “ПС” quỹ đạo tên lửa tiếp cận mục tiêu đều từ phía dưới, do đó, trong trường hợp tên lửa (TL) không còn lực đẩy (động cơ hành trình ngừng làm việc) dưới tác động của lực cản khí động và lực trọng trường, vận tốc tên lửa bị giảm nhanh chóng tới giá trị giới hạn Vmin<600m/s (đối với đạn 5B27Y). Khi đó, do suy giảm áp lực khí động ( 2 pVq 2   ) tên lửa sẽ không thể điều khiển được theo quỹ đạo mong muốn. Khác hẳn so với hai PPD truyền thống kể trên, phương pháp “Cầu vồng” có quỹ đạo tính toán luôn nằm phía trên đường ngắm đài điều khiển – mục tiêu và tiếp cận mục tiêu (MT) từ trên xuống. Do đó, kể cả khi động cơ hành trình ngừng làm việc, vận tốc TL suy giảm chậm, mức độ suy giảm vận tốc phụ thuộc vào góc nghiêng quỹ đạo, góc càng lớn suy giảm vận tốc càng nhỏ. Những nhận định trên đều có tính chất định tính, cần được chứng minh bằng định lượng. Bài báo này đặt vấn đề khảo sát đánh giá các PPD từ xa. Kết quả khảo sát định lượng về giá trị sai lệch thẳng trọng tâm tên lửa (hε) so với điểm chạy của nó trên quỹ đạo động và phụ thuộc vận tốc tên lửa vào góc nghiêng quỹ đạo θp sẽ giúp ta lựa chọn PPD hiệu quả và hoàn thiện nó để bắn các loại mục tiêu hiện đại, cơ động phức tạp. 2. CƠ SỞ CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP DẪN TỪ XA Phương trình phương pháp dẫn từ xa ở dạng tổng quát được viết như sau: k mt k mt ( t ) r ( t ) r               (1) Trong đó: k k,  - Tọa độ góc ngắm yêu cầu của PPD, tương ứng với mặt phẳng tà và mặt phẳng phương vị; mt mt,  - Tọa độ góc mục tiêu tương ứng với hai mặt phẳng tọa độ; ,   - Các hàm số lượng đón tương ứng với 2 mặt phẳng; mt pr r r   - Hiệu cự ly giữa TL và MT. Động hình học dẫn từ xa được giải thích trên hình 1 [2], theo đó góc đón cần thiết sẽ là: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 19 k k ( t ) r ( t ) r           (2) Hình 1. Động hình học phương pháp dẫn từ xa. a) Khi dẫn bằng phương pháp ba điểm “T/T” theo [2] góc đón bằng “0”: 0 0 k k       (3) b) Khi dẫn bằng phương pháp “ПС” theo [2] góc đón xác định như sau: . 1 2 1 2 mt k mt k r r r r                   (4) c) Phương pháp dẫn “Cầu vồng” [3] có quỹ đạo dẫn TL trong mặt phẳng phương vị như phương pháp “T/T”, còn trong mặt phẳng đứng quỹ đạo dẫn TL cao hơn đường ngắm đài - mục tiêu (hình 2). Trong phần đầu của quỹ đạo, TL thực hiện việc tăng tuyến tính độ cao tới giá trị tính toán Hmax, sau đó đổi hướng tới mục tiêu theo quy luật hạ thấp độ cao và góc nghiêng quỹ đạo θn. Hình 2. Quỹ đạo dẫn TL theo phương pháp cầu vồng. Phương trình phương pháp dẫn “Cầu vồng” trong mặt phẳng đứng có dạng như sau: (t) cv P k r   ; max max max cv k k p k mt cv cv k p p k khi r r k k r khi r r r                     (5) Pk rp εmt εk rmt Yq Xq Vp Vmt MT Δεk MT Xq xmt Δεmax θn r(Hmax) Hmt Hmax Yq x(Hmax) Tên lửa & Thiết bị bay N. T. Tùng, N. C. Định, V. H. Tiễn, “Khảo sát vòng điều khiển luật dẫn cầu vồng.” 20 Trong đó: kcv – Hệ số “Cầu vồng”; max k - Góc ngắm cực đại của TL so với MT, giới hạn bởi độ rộng cánh sóng anten phát lệnh ĐĐK và độ cao bay của MT. Ở đoạn đầu của quỹ đạo, trước khi đạt độ cao Hmax PPD này điều khiển TL theo điều kiện đầu của phương trình (5), TL bay theo đường thẳng với góc nghiêng quỹ đạo không đổi maxk . Việc chuyển từ giai đoạn I sang giai đoạn II của quá trình điều khiển được thực hiện tại phần đỉnh của “Cầu vồng” khi thỏa mãn đẳng thức: max max max max(H ). (H ).kp k cvH r r    (6) Ta xét phương trình của PPD ở giai đoạn II, hạ độ cao, sau khi sử dụng bổ sung biểu thức hình chiếu vector vận tốc TL trong mặt phẳng thẳng đứng. Ngoài ra, góc tà của MT bay thấp nhỏ nên ta có thể bỏ qua được (εmt ≈ 0), khi đó, nếu tính tới phương trình thứ hai trong (5), ta nhận được biểu thức sau đây: . .k p P p p k cv H V sin H r r        (7) Trong đó: Hp - Độ cao của tên lửa; rp - Cự ly tên lửa. Nếu vi phân phương trình 2 trong hệ (7) và đem so sánh kết quả với phương trình 1 của hệ, ta nhận được phương trình sau đối với thời điểm TL gặp MT( 0r  ) ( ) ( ) P G cv n G V t K sin r t   (8) Trong đó: θn - Góc nghiêng quỹ đạo (vector vận tốc) khi tiếp cận điểm gặp; VP(tG), (t )Gr  - Tương ứng vận tốc TL và vận tốc tiếp cận tại điểm gặp; tG là thời gian tên lửa gặp mục tiêu. Ta đưa thêm một khái niệm mới, đó là cự ly bay tương đối của TL - r , tương ứng với đỉnh của “Cầu vồng” max( )p G r H r r  (9) Trong đó: rp(Hmax) – Cự ly của TL tại đỉnh “Cầu vồng”; rG – Cự ly TL tại điểm gặp. Như vậy, nếu sử dụng các biểu thức (6), (8) và (9), ta sẽ nhận được biểu thức cho quỹ đạo động TL khi dẫn từ xa theo phương pháp “Cầu vồng”. Độ cao cực đại của “Cầu vồng” đạt được so với cự ly tương đối r và bằng: max max 57,3 k GH r r   (10) Với maxk tính theo độ. Góc tiếp cận của TL tại điểm gặp là: max . 1 57,3 1 ( ) k mt n p G r V sin r V t             (11) 3. KHẢO SÁT CÁC PPD TRONG VÒNG ĐIỀU KHIỂN KÍN TÊN LỬA TỪ XA Tham số mục tiêu được chọn cho mô phỏng như sau: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 21 - Vận tốc mục tiêu: Vmt=300m/s - Cự ly ngang ban đầu của mục tiêu: D0mt = 40.000m - Mục tiêu bay bằng ở độ cao: Hmt = 3.000m Bộ tham số tên lửa sử dụng để mô phỏng dựa theo Bộ tham số của tên lửa 5B27Y: - Cự ly ban đầu: Xp(0)=0 - Độ cao ban đầu: Yp(0)= 0 - Thời gian làm việc của động cơ phóng 4s - Thời gian làm việc của động cơ hành trình 33.5s - Tốc độ thay đổi nhiên liệu tương đối ở chế độ tăng tốc μc1 = 0.087 - Tốc độ thay đổi nhiên liệu tương đối ở chế độ bay hành trình μc2 = 0.004 - Khối lượng tương đối tức thời của tên lửa 1 0,087 , 0 4 0,652 0,004 , 4 37.5 0,6 37.5 t t t t t            - Tải trọng riêng trên cánh Ps = 800 kg/m 2 - Độ dự trữ ổn định χ=0.1 - Hệ số lực cản chính diện Cx = 0.0523 - Hệ số lực nâng Cyα = 0.035[1/s2] Sơ đồ cầu trúc đầy đủ vòng kín điều khiển tên lửa từ xa trong mặt phẳng đứng được trình bày trên hình 3 [3], trong đó: KTĐmt(p) – Hàm truyền hệ bám tọa độ mục tiêu; KLL(p) – Hàm truyền hệ lập lệnh; Kλ(p) – Hàm truyền của đường truyền lệnh; KTL(p) – Hàm truyền của tuyến lái; KP(p) – Hàm truyền của khâu tên lửa; KLHN(p) – Hàm truyền của khâu liên hệ ngược động hình học; KTĐ.P(p) – Hàm truyền hệ bám tọa độ tên lửa. Hình 3. Sơ đồ cấu trúc vòng điều khiển từ xa trong mặt phẳng đứng. Vòng kín ĐKTX được khảo sát với các tham số MT và TL như đã cho theo ba PPD sau trong khâu lập lệnh: - Phương pháp “T/T”; - Phương pháp “ПС”; - Phương pháp “Cầu vồng”. Kết quả mô phỏng là các đặc trưng và tham số sau: quỹ đạo TL-MT; vận tốc tên lửa; quá tải tên lửa; sai lệch thẳng; thời gian kéo dài tới vận tốc 600m/s; cự ly kéo dài tới vận Tên lửa & Thiết bị bay N. T. Tùng, N. C. Định, V. H. Tiễn, “Khảo sát vòng điều khiển luật dẫn cầu vồng.” 22 tốc 600m/s Hình 4. Quỹ đạo tên lửa - mục tiêu theo ba PPD. Hình 5. Đặc trưng vận tốc của tên lửa theo các giai đoạn bay. Hình 6. Đặc trưng tạo quá tải của tên lửa. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 51, 10 - 2017 23 Bảng 1. Số liệu kết quả mô phỏng. Phương pháp dẫn Vận tốc tên lửa tại điểm gặp mục tiêu Góc nghiêng quỹ đạo tại điểm gặp Thời gian kéo dài tới vận tốc 600m/s Cự ly kéo dài tới vận tốc 600m/s Sai lệch thẳng tại điểm gặp TT 631.2801 m/s 8.60070 1.215 s 736 m 1.0 m ПС 631.9138 m/s 7.24140 1.313 s 802 m 0.35 m CV 729.9286 m/s -1.76190 4.396 s 2833 m 0.44 m Nhận xét: - Sai số (độ lệch thẳng) của PPD “T/T” tại điểm gặp lớn nhất (1.0m) gấp 2-3 lần so với hai PPD còn lại; - Quá tải của tên lửa theo PPD “Cầu vồng” và phương pháp “ПC” ở lân cận điểm gặp mục tiêu đều xấp xỉ bằng 0, tức là ở giai đoạn này tên lửa tiếp cận mục tiêu theo đường thẳng; - Sai lệch thẳng của PPD “Cầu vồng” và “ПC” xấp xỉ nhau, tuy nhiên dự trữ động năng (Kv=VCV/VПС) của PPD “Cầu vồng” cao hơn so với PPD “ПC” 1.2 lần. 4. KẾT LUẬN Từ các kết quả khảo sát có thể rút ra một số kết luận sau: - Phương pháp “Cầu vồng” là một phương pháp dẫn có lợi về động năng tên lửa. Tức là với quỹ đạo tiếp cận mục tiêu từ trên xuống, độ cong quỹ đạo xấp xỉ “0”, tên lửa còn tiếp tục duy trì được vận tốc có lợi cho điều khiển trong một khoảng thời gian bay thụ động. Trong trường hợp mô phỏng bằng tham số cụ thể, thời gian bay thụ động, duy trì Vcv≥Vmt là 4.4s, cho phép tên lửa mở rộng vùng tiêu diệt là 2833m (gấp 3 lần hai PPD truyền thống). - Với những góc nghiêng quỹ đạo (θ) lớn hơn, chắc chắn thời gian bay thụ động của tên lửa sẽ tăng, đồng nghĩa với khả năng mở rộng vùng tiêu diệt mà không cần thay đổi động lực của bản thân tên lửa, đây là một yếu tố quan trọng khẳng định ý nghĩa hoàn thiện PPD “Cầu vồng”. - Phương pháp “Cầu vồng” có hiệu quả không khi bắn mục tiêu cơ động cũng là vấn đề cần phải nghiên cứu. Vấn đề hoàn thiện PPD “Cầu vồng” để bắn mục tiêu cơ động cũng được đặt ra trên cơ sở những nhận xét là PPD này có ưu điểm cả về độ chính xác và có lợi về năng lượng. Trong những công bố tiếp theo sẽ là kết quả giải quyết những vấn đề trên. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Lê Anh Dũng, Nguyễn Hữu Độ, Huỳnh Lương Nghĩa, giáo trình “Lý thuyết bay hệ thống điều khiển tên lửa phòng không”, Tập 1,KVKTQS, (1998). [2]. Lê Anh Dũng, Nguyễn Hữu Độ, Huỳnh Lương Nghĩa, giáo trình “Lý thuyết bay hệ thống điều khiển tên lửa phòng không”, Tập 2,KVKTQS, (1998) [3]. Vũ Hỏa Tiễn, giáo trình “Động họс các hệ thống điều khiển thiết bị bay”, HVKTQS, (2013). [4]. Trần Ngọc Hà (2011), “Nâng cao chất lượng điều khiển chuyển động của các khí cụ bay dựa trên công cụ lý thuyết điều khiển hiện đại”. [5]. Nguyễn Ngọc Khoa (2002), “Nghiên cứu xây dựng và thử nghiệm một phương pháp dẫn tên lửa điều khiển từ xa chống lại các mục tiêu bay thấp”. [6]. John H. Blakelock – “Automatic control of Aircraft and Missiles” - Air Force Institute of Technology-Colonel USAF-1991. Tên lửa & Thiết bị bay N. T. Tùng, N. C. Định, V. H. Tiễn, “Khảo sát vòng điều khiển luật dẫn cầu vồng.” 24 ABSTRACT IMPROVING AND COMPLETING RAINBOW GUIDANCE LAW BASED ON ANALYZING CLOSE LOOP OF COMMANDED MISSILE CONTROL SYSTEM ACCORDING TO DIFFERENT GUIDANCE LAWS. In this paper, the result of analyzing flight trajectory of surface-to-air missile according to three different guidance laws is showed. Based on that, compared basic characteristics of two traditional guidance laws employed widely in commanded missile control system such as three point guidance law or lead half angle guidance law to rainbow guidance law to show explicitly advantages of this method. The derivation result of analyzing, article proposed improved guidance law to intercept mordern targets which have high manuerving, in addition to increasing attack range. The criteria for evaluating performance of guidance law is guidance error and capacibility of maintaining missile velocity after impact point. Keywords: Surface-to-air missile, Rainbow guidance law, Missile velocity. Nhận bài ngày 12 tháng 6 năm 2017 Hoàn thiện ngày 15 tháng 10 năm 2017 Chấp nhận đăng ngày 25 tháng 10 năm 2017 Địa chỉ: Học viện KTQS; *Email: tungtl82@yahoo.com.vn