Nghiên cứu phối trí khí động phục vụ tính toán cải tiến, thiết kế mới tên lửa điều khiển một kênh tầm gần

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 11 NGHIÊN CỨU PHỐI TRÍ KHÍ ĐỘNG PHỤC VỤ TÍNH TOÁN CẢI TIẾN, THIẾT KẾ MỚI TÊN LỬA ĐIỀU KHIỂN MỘT KÊNH TẦM GẦN Nguyễn Văn Chúc1*, Phan Văn Chương1, Trần Mạnh Tuân1, Lê Quang Thương1, Trần Phú Hoành1, Lê Đức Hạnh2 Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xác định tham số hình dạng ngoài (phối trí khí động) của tên lửa thỏa mãn đồng thời một số chỉ tiêu yêu cầu của lớp tên lửa điều khiển một kênh chống tăng tầm gần. Các chỉ tiêu này không chỉ phụ thuộc vào các đặc trưng khí động của tên lửa, mà còn phụ thuộc vào các tham số quán tính, động lực học bay của tên lửa. Phương án tốt nhất của các tham số thiết kế nhận được từ việc phân tích cơ sở dữ liệu các tham số khí động, động lực học bay trong môi trường MATLAB. So sánh các kết quả phối trí cụm cánh trước tương ứng với 2 phương án trọng tâm. Từ khóa: Phối trí khí động; Hệ số khí động; Tên lửa một kênh; Tên lửa có điều khiển. Ký hiệu và chữ viết tắt ,y yc c   - Đạo hàm hệ số lực nâng xm  , xxm  - Đạo hàm của mô men Cren ,ML zdkf f - Tần số máy lái, tần số điều khiển ny - Quá tải pháp tuyến ,x zf f - Tần số tên lửa trong hệ gắn liền T x , Fx - Tọa độ trọng tâm và tiêu cự g - Gia tốc trọng trường  - Mật độ không khí zJ - Mô men quán tính ngang  - Góc lệch cánh ef ,r ML S - Chiều dài và diện tích đặc trưng  - Góc lái m, V - Khối lượng và vận tốc tên lửa FTX - Độ ổn định tĩnh zm  , zm  - Đạo hàm mô men Tangas TLCT - Tên lửa chống tăng 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Tên lửa chống tăng (TLCT) có điều khiển được nhiều nước quan tâm nghiên cứu phát triển, liên tục được cải tiến nâng cấp chứng tỏ tính hiệu quả của loại vũ khí này. Ở Việt Nam, TLCT đặc biệt là tổ hợp TLCT B-72 số lượng còn nhiều, đã được sử dụng hiệu quả trong chiến tranh, và còn được trang bị, tuy nhiên chất lượng ngày càng xuống cấp, tính năng lạc hậu, đang được Quân đội nâng cấp, cải tiến, chế tạo mới đáp ứng yêu cầu chiến tranh hiện đại. Do vậy, song song với việc chuyển giao công nghệ, nâng cấp, cải tiến việc làm chủ thiết kế chế tạo tổ hợp TLCT là một thực tiễn cấp bách. Để làm chủ thiết kế, chế tạo, nhiệm vụ đầu tiên là phải làm chủ thiết kế hệ thống: Tính toán, phối trí khí động, mô phỏng động lực học trên cơ sở đó đặt yêu cầu cho các cụm khối cấu thành. Trong phạm vi bài báo trình bày phương pháp, kết quả tính toán hình dạng ngoài của một tổ hợp TLCT có điều khiển (CTVN) có một số tính năng kỹ thuật cơ bản như sau: - Cự ly bắn: 500÷2500 (m) - Vận tốc bay trung bình: 100÷115 (m/s) - Cỡ đạn: 125 (mm) Tên lửa & Thiết bị bay N. V. Chúc, , L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động một kênh tầm gần.” 12 - Đầu nổ kiểu tan đem, khả năng xuyên thép: 600÷800 (mm) - Khối lượng: 12,6±0,3 (kg) Trên cơ sở phân tích xu hướng cải tiến hình dạng ngoài của tên lửa được biểu diễn trên hình 1: Hình 1. Hình dạng ngoài tên lửa. Bài toán phối trí khí động được phát biểu như sau: Biết trước tham số khối lượng, quán tính, lực đẩy hệ thống động cơ, xác định biên dạng ngoài của tên lửa thông qua tọa độ các điểm Ai ( i = 1 ÷13) và tiêu cự lực khí động F (Hình 1.1) đáp ứng một số chỉ tiêu sau [8]: - Tần số dao động riêng của tên lửa trong kênh dọc trục zf khi bay với vận tốc cực tiểu Vmin phải lớn hơn giá trị tối thiểu minzf : 2 min ef min 1 2 2 z z M r z z m V f S L f J      (1) Giá trị minzf phụ thuộc vào chế độ dẫn của đạn. Đối với đạn tên lửa được điều khiển bởi người thì min 3 1,5z zdkf f Hz  - Chỉ tiêu của tần số quay quanh trục dọc xf : Tần số quay quanh trục dọc fx không nhỏ hơn 2 lần so với tần số dao động riêng fz trong toàn bộ dải vận tốc của đạn để tránh hiện tượng cộng hưởng tần số: 2 min ef2 ax 1 2 2 2x x z x z M r x z m m m V f f S L m J V           (2) - Giá trị lớn nhất của fx cần phụ thuộc vào tần số tác động cao nhất của máy lái fML. Cụ thể đối với lớp tên lửa đang nghiên cứu do trong một chu kỳ quay của đạn máy lái tác động 4 lần nên cần có: / 4x MLf f (3) - Quá tải pháp tuyến của tên lửa nymin ở vận tốc thấp nhất phải lớn hơn giá trị quá tải tối thiểu nmin 2 min min ax min 2 M z y y y m z V S m n c c n mg m               (4) Đối với tên lửa chống tăng quá tải tối thiểu min 1,1n  - Chỉ tiêu về độ ổn định tĩnh của tên lửa: Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 13  0,19 0,12z T FFT y ref m x x X c L          (5) Dưới đây trình bày phương pháp xác định tham số hình dạng ngoài của lớp tên lửa có hình dạng như hình 1 trên cơ sở thỏa mãn các chỉ tiêu (1)-(4) như tên lửa mẫu và đạt giá trị nhỏ nhất chỉ tiêu (5) là một chỉ tiêu quan trọng nhất đảm bảo tính ổn định và tính tương đồng của hệ thống dẫn, điều khiển tên lửa. 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Để xác định được các chỉ tiêu (1) đến (5) cần phải xác định không chỉ các hệ số khí động của tên lửa mà còn cả các tham số động lực học. Số lượng các tham số thay đổi dẫn đến cần phải tính toán hệ số khí động, quỹ đạo rất nhiều phương án (ví dụ 5 tham số thay đổi theo 3 mức tạo thành 125 bộ tham số). Để giải quyết bài toán đặt ra các tác giả đề xuất phương án nghiên cứu xác định các tham số hình dạng bên ngoài của tên lửa như hình 2. Hình 2. Sơ đồ phương pháp xác định tham số biên dạng (phối trí khí động). Tính đặc thù của phương pháp là: Thứ nhất, tạo và hiệu chỉnh tham số đầu vào (for005.dat) với biên dạng của tên lửa mẫu B-72 kiểm tra tính đúng đắn kết quả (for006.dat) khi dùng phầm mềm Missile Datcom [6] với số liệu đã công bố trong [2, 3] và kết quả thử nghiệm; Thứ hai, kết hợp bài toán tính toán biên dạng, tự động cập nhật vào-ra của Missile Datcom với bài toán tính toán tham số quỹ đạo [1], tính toán chỉ tiêu trong cùng môi trường MATLAB-SIMMULINK. Tên lửa & Thiết bị bay N. V. Chúc, , L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động một kênh tầm gần.” 14 Với phương pháp đề xuất trên cho phép thiết lập quan hệ giữa các tham số hình dạng với các chỉ tiêu thông qua các tham số khí động và quỹ đạo có trong các công thức (1)-(5). Thông qua việc nghiên cứu ảnh hưởng của các tham số cho phép đánh giá vùng hợp lý của tham số cần nghiên cứu. 2.1. Kiểm chứng phương pháp Áp dụng phương pháp trên cho biên dạng tên lửa B72. Kết quả tính toán các chỉ tiêu (1) đến (5) được đưa ra ở bảng (bảng 2). Hình 3 so sánh kết quả tính toán theo phương pháp trên với kết quả thổi khí động dưới âm của Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng. Hình 3. Thử nghiệm hệ số khí động tên lửa B-72 và so sánh với kết quả tính. Dựa vào đồ thị nhận thấy kết quả tính toán các tham số khí động của tên lửa B-72 bằng phần mềm Missile Datcom phù hợp với kết quả nhận được từ phương pháp thổi thực nghiệm. Như vậy, có thể dùng phần mềm Missile Datcom để tính toán xây dựng cơ sở dữ liệu bộ tham số khí động. Như vậy, sơ đồ thuật toán xác định tham số biên dạng khí động (hình 2.1) hoàn toàn đủ điều kiện để sử dụng tính toán xác định tham số biên dạng khí động cho một lớp tên lửa kiểu B-72. 2.2. Xác định các tham số thiết kế của cụm cánh trước Phương pháp trình bày ở hình 2 là tổng quát cho bất kỳ tham số hình dạng nào có mặt trong file đầu vào for005.dat. Trong khuôn khổ bài báo các tác giả trình bày một số kết quả ứng dụng phương pháp đề xuất để xác định các điểm A3, A4, A5, A6 - xác định phần Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 15 nhô ra của cụm cánh phía trước của tên lửa khảo sát. Tham số khí động của cụm cánh trước được sơ bộ tính theo các công thức bán thực nghiêm [7] thông qua các tham số đặc trưng (sải cánh L, góc cụp χ, dây cung gốc cánh b0, dây cung mút cánh bk, và vị trí gốc cánh xa) như hình 4. Từ bộ tham số này hoàn toàn xác định hình dạng của cánh. Như vậy, có thể coi số lượng các tham số thiết kế độc lập của cụm cánh trước là 5 tham số. Nhiệm vụ thiết kế bộ cánh trước là xác định bộ 5 tham số thiết kế đảm bảo các chỉ tiêu (1) đến (5) của cả đạn tên lửa, tính toán tọa độ các điểm A3, A4, A5, A6. Vùng các tham số qua khảo sát được chọn như sau: - Sải cánh L = 145165 mm; Góc cụp χ =0 200; Dây cung gốc cánh bo =60 64mm; Dây cung mút cánh bk = 25mm ; Vị trí gốc cánh xa = 020 mm. 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN 3.1. Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số thiết kế cụm cánh trước tới chỉ tiêu ổn định tĩnh Lựa chọn 3 tham số khảo sát là sải cánh, góc mũi tên và vị trí bắt đầu gốc cánh. Kết quả khảo sát nhận được đồ thị ảnh hưởng của một số tham số thiết kế cụm cánh trước tới chỉ tiêu độ ổn định tĩnh của tên lửa như sau: Hình 5. Ảnh hưởng của , ,ax L tới FTX . Như vậy, để đạt được chỉ tiêu về độ ổn định tĩnh (5) có thể thay đổi các tham số thiết kế cụm cánh trước. 3.2. So sánh kết quả tính toán 2 phương án XT = 638 mm và XT =632 mm Khi thiết kế tên lửa do nhiều nguyên nhân mà trọng tâm tên lửa có thể bị thay đổi dẫn đến các bộ tham số khí động theo nó phải thay đổi để đáp ứng các chỉ tiêu. Nhóm tác giả đặt vấn đề thay đổi các tham số thiết kế cụm cánh trước để đảm bảo các chỉ tiêu (1) đến Hình 4. Các tham số thiết kế của cụm cánh trước. Tên lửa & Thiết bị bay N. V. Chúc, , L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động một kênh tầm gần.” 16 (5) của tên lửa ứng với trọng tâm mới. Giả thiết tên lửa có trọng tâm là XT = 638 (mm) và XT = 632 (mm). Phân tích kết quả tính toán nhận được hai bộ các tham số thiết kế đáp ứng các chỉ tiêu của cụm cánh trước tương ứng của 2 phương pháp đưa ra. Từ bảng kết quả ta nhận thấy: Tương ứng với mỗi vị trí trọng tâm có một bộ tham số hình học của cụm cánh trước khác nhau để đảm bảo các chỉ tiêu (1)-(5) (bảng 1). Bảng 1. Bảng so sánh tọa độ các điểm Ai (i= 3÷6) và FTX tương ứng với 2 phương án. Như vậy, bằng cách thay đổi các tham số thiết kế cụm cánh trước hoàn toàn có thể giải quyết được bài toán do thay đổi trọng tâm của tên lửa mới trong một phạm vi nào đó. 3.3. Kết quả tính toán tham số biên dạng khí động cho TLCT có điều khiển tầm gần Sử dụng phương pháp trên tiến hành tính toán trên xác định được các tham số thiết kế cụm cánh trước của tên lửa CTVN như sau: - Sải cánh L = 155mm; Góc cụp χ = 80; Dây cung gốc cánh bo = 64mm; - Dây cung mút cánh bk = 25mm ; Vị trí điểm bắt đầu dây cung gốc cánh xa = 5mm; Hình 6. So sánh kết quả tính toán và thử nghiệm hệ số khí động tên lửa CTVN. Tên gọi XT =638 (mm) XT =632 (mm) X(mm) Y(mm) X(mm) Y(mm) A3 240.4 37.7 230 36 A4 245 77.5 230 79 A5 270.9 77.5 255 79 A6 281 49.4 271 46.7 FTX -0.2-0.178 -0.185-0.148 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 61, 6 - 2019 17 Tiến hành chế tạo cụm cánh trước theo các tham số thiết kế trên và thổi thử nghiệm mô hình mới bằng ống thổi dưới âm. Kết quả thổi thử nghiệm nhận được phù hợp với kết quả tính toán trước đó (hình 6). Các chỉ tiêu động lực học của tên lửa CTVN cũng đáp ứng các yêu cầu (1) đến (5) (bảng 2). Bảng 2. Bảng tham số động lực thân cánh tên lửa B-72 và CTVN ở một số thời điểm. Các tham số Tên lửa B-72 Tên lửa CTVN Thời điểm khảo sát (s) 1 15 25 1 15 25 xT (m) 0.494 0.483 0.476 0.633 0.612 0.597 xF (m) 0.517 0.517 0.517 0.663 0.663 0.663 m (kg) 10.165 8.632 7.536 11.880 10.356 9.268 V (m/s) 117.306 123.205 120.378 101.084 112.621 113.491 fz (Hz) 1.942 2.531 2.795 1.230 1.842 2.157 fx (Hz) 7.800 8.408 8.406 6.778 7.565 7.824 ny (Vmin) 3.274 3.361 3.422 1.698 1.836 1.935 4. KẾT LUẬN Bài báo trình bày phương pháp xác định các tham số phối trí biên dạng khí động tên lửa trên cơ sở tạo cơ sở dữ liệu các tham số khí động, quỹ đạo khi tham số hình học bên ngoài của đối tượng thay đổi. Việc kết hợp phương pháp bán thực nghiệm (Missle Datcom) phân tích chọn bộ tham số đáp ứng nhiều chỉ tiêu của lớp tên lửa một kênh với hiệu chỉnh bằng thực nghiệm cho phép rút ngắn thời gian thiết kế, độ tin cậy của lời giải được lựa chọn. Trình bày kết quả xác định tham số bộ cánh trước của tên lửa mới trên cơ sở đạn 9M14M của tổ hợp TLCT B-72 với tính năng tiên tiến hơn. Kết quả tính toán làm cơ sở để thiết kế chế tạo đầu nổ khí động tên lửa CTVN. Phương pháp đề xuất trên sẽ được phát triển trong việc mở rộng các tham số hình dạng khác, các bộ tham số được xác định trong giải bài toán tối ưu đa chỉ tiêu lựa chọn tham số thiết kế [3]. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Chúc, Báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu đề tài: “Mô phỏng động lực học tổ hợp tên lửa có điều khiển một kênh tầm gần phục vụ tính toán thiết kế”, năm 2017. [2]. “Tổ hợp tên lửa chống tăng 9K11”, Hà Nội, năm 2006. [3]. Kivan Arlan. “Aerodynamic Optimization of Missile External Configuration”. Master’s Thesis METU 2014. [4]. Nhu-Van Nguyen, Maxim Tyan, Jae-Woo Lee, “Investigations on missile Configuration Aerodynamic Characteristics for design optimization”, Trans. JASA, 2014. [5]. Ocokoljic G.J., “Aerodynamic shape optimization of guided missile based on wind tunel testing and computational fluid dynamic simulation”, “Thermal Science”, vol 21, No3, 2017. [6]. Wiliam B. Blake, Missile Datcom. User manual, 1998. [7]. Астрахова Т.П, “Основы aэродинамической компоновки”, изд. МГТУ им. Баумана. Tên lửa & Thiết bị bay N. V. Chúc, , L. Đ. Hạnh, “Nghiên cứu phối trí khí động một kênh tầm gần.” 18 [8]. Коростелева О.П., “Теоретические основы проекторования ствольных управляемых ракет”, Киев 2007. ABSTRACT STUDY ON AERODYNAMICS CONFIGURATION FOR IMPROVEMENT AND NEW DESIGN CALCULATION OF ONE-CHANNEL GUIDED MISSILE The paper presents a method of determining the missile external shape parameters (aerodynamic configuration) that meet certain required criteria of close range one-channel guided anti-tank missiles. These criteria depend not only on the aerodynamic characteristics, but also on the missile inertinal and flight dynamics parameters. The best variant of the design parameters is obtained from the analysis of aerodynamic and flight dynamics parameters in the MATLAB environment. Compared the configurational results of the front wings, which correspond to the two variants of the center of gravity. Keywords: Aerodynamic configuration; Aerodynamic coefficents; One-channel missiles; Guided missiles. Nhận bài ngày 27 tháng 3 năm 2019 Hoàn thiện ngày 19 tháng 4 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 17 tháng 6 năm 2019 Địa chỉ: 1Viện Tên lửa / Viện KH-CN quân sự; 2Viện KH-CN quân sự. *Email: nvchuc2008@gmail.com.