Chương 1 cũng nêu các biện pháp nâng cao độ ổn định hiện đang sử dụng cho các loại tên lửa không điều khiển; tình hình nghiên cứu về ổn định trong và ngoài nước. Chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh trong không gian. Nội dung chương 2 dựa trên cơ sở hệ phương trình vi phân chuyển động của đạn – vật bay trong không gian để xây dựng hệ phương trình mô tả chuyển động của tên lửa ổn định bằng cánh. Khảo sát nâng cao độ ổn định cho đạn phản lực bằng lựa chọn tham số cánh hợp lý.
Chương 3 thực hiện việc giải hệ phương trình mô tả chuyển động của tên lửa không điều khiển ổn định bằng cánh đã được xây dựng ở chương 2, áp dụng cho một loại đạn phản lực cụ thể là đạn B41-M. Việc giải hệ phương trình này được thực hiện bằng phần mềm tính toán viết trên ngôn ngữ lập trình Turbo Pascal 7. Từ kết quả giải bài toán, đánh giá ảnh hưởng của một nhóm các thông số của cánh đến các thông số chuyển động. Kết quả đánh giá cho phép đưa ra các khuyến cáo nhằm tìm ra các giá trị thông số cánh hợp lý.
* Chương 4: Trình bày kết quả thực nghiệm để kiểm chứng các kết quả tính toán lý thuyết. 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHO ĐẠN TÊN LỬA KHÔNG ĐIỀU KHIỂN 1. Một số khái niệm về ổn định đạn Khi nghiên cứu chuyển động của đạn nói chung, tên lửa không điều khiển nói riêng [3], [18], [27],[28], [44], [53] thường chia thành chuyển động không bị nhiễu loạn và chuyển động nhiễu loạn. Chuyển động trong điều kiện khí tượng tiêu chuẩn và lập bảng gọi là chuyển động không bị nhiễu loạn.
Quỹ đạo chuyển động của đạn trong trường hợp này gọi là quỹ đạo tiêu chuẩn (hay quỹ đạo không nhiễu loạn, quỹ đạo danh nghĩa). Tuy nhiên, trong thực tế đạn chuyển động dưới tác động của nhiều yếu tố trong đó có nhiều yếu tố phụ không được kể tới hoặc không thể xét một cách cụ thể khi giải bài toán chuyển động cho đạn (ví dụ: sai lệch của nhiệt độ so với qui luật chuẩn; những thay đổi như của lực đẩy động cơ; gió giật;. Các yếu tố này gọi là các nhiễu loạn và làm cho đạn không chuyển động theo quỹ đạo tiêu chuẩn. Trong trường hợp này, quỹ đạo chuyển động của đạn được gọi là quỹ đạo bị nhiễu loạn.
Khái niệm chuyển động nhiễu loạn liên quan đến tính ổn định của đạn. Theo lý thuyết nghiên cứu về tính ổn định chuyển động của vật rắn: chuyển động của một vật được gọi là ổn định nếu nó có tính chất quay về chuyển động không nhiễu loạn sau khi ngừng tác động của các yếu tố nhiễu loạn.1 a), đường liền nét biểu diễn quỹ đạo tương ứng với chuyển động không nhiễu loạn. Giả sử trên đoạn AB của quỹ đạo có một vài nhiễu loạn làm đạn chuyển động theo đường AB’ lệch đi so với quỹ đạo AB. Nếu theo những qui định khắt khe của lý thuyết ổn định chuyển động vật rắn thì chuyển động của đạn được coi là ổn định nếu sau khi ngừng tác động của nhiễu loạn ở điểm B’ thì quỹ đạo chuyển động nhiễu loạn sẽ tiến dần đến quỹ đạo tiêu chuẩn và trùng với nó ở điểm D nào đó.
Thực tế thấy rằng, ngay cả đối với những loại tên lửa tiên tiến nhất cũng không thể đảm bảo được những điều kiện như vậy vì do những sai số tự bản thân của nó. Không một hệ thống tên lửa nào có thể chống lại hoàn toàn các nhiễu loạn. Chính vì vậy, khi nói đến tính ổn định chuyển động đạn có thể hiểu đó là một miền ổn định chuyển động. Dưới các tác động nhiễu loạn, quỹ đạo thực không bị sai lệch so với quỹ đạo tiêu chuẩn vượt quá một giới hạn cho phép nào đó.1 b), hai đường đứt đoạn giới hạn vùng chuyển động ổn định của đạn.
Khi xét tại một 5 điểm S trên quỹ đạo và kí hiệu sai lệch cho phép tại điểm đó là thì đạn sẽ được coi là ổn định nếu không có một quỹ đạo nào đi ra khỏi đường tròn bán kính . Mô tả quỹ đạo chuyển động của đạn a. Tiêu chuẩn chuyển động ổn định; b. Vùng chuyển động ổn định Khái niệm sự ổn định chuyển động của đạn là cơ sở để đặt ra yêu cầu cho các biện pháp bảo đảm giữ đạn trên quỹ đạo ở vị trí đúng với hướng chuyển động.
Để thấy rõ bản chất vật lý của các biện pháp này, ta xét một viên đạn hình trụ trước hết coi như chưa có chuyển động quay quanh trục đối xứng và cũng chưa có cánh. Khi chuyển động trong không khí trong trường hợp tổng quát trục đạn lệch khỏi hướng của véc tơ tốc độ khối tâm v một góc (hình 1. MR L R R o v o Lta Ltk Hình 1. Sơ đồ mô tả tác động của lực khí động lên đạn O – Khối tâm; O’ – Tâm cản; Lta – Khoảng cách từ đỉnh đạn tới tâm cản; Ltk – Khoảng cánh từ đỉnh đạn đến khối tâm; L – Chiều dài viên đạn.
Trong trường hợp này lực cản khí động R đặt tại tâm cản O’ nằm giữa đỉnh đạn và khối tâm và nó tạo ra một mô men lật MR đối với khối tâm và có xu hướng 6 lật nhào đạn trong không gian. Để bảo đảm đạn bay ổn định, nghĩa là trong quá trình chuyển động mũi đạn luôn luôn hướng về phía trước và sai lệch quỹ đạo thực so với quỹ đạo tiêu chuẩn không vượt quá một giới hạn cho phép, đạn thường được tạo chuyển động quay trên quỹ đạo. Hiện nay thường sử dụng hai phương pháp để ổn định cho tên lửa không điều khiển: ổn định bằng cánh và ổn định bằng phương pháp quay nhờ góc nghiêng loa phụt. Phƣơng pháp ổn định bằng quay nhanh nhờ góc nghiêng loa phụt 1.
Bản chất sự ổn định cho tên lửa quay nhờ loa phụt Phương pháp ổn định này dựa trên cơ sở của hiệu ứng con quay, nghĩa là tạo cho đạn tốc độ quay cần thiết khi chuyển động trên quỹ đạo bay. Để tìm hiểu về hiệu ứng con quay, khảo sát con quay trong 2 trường hợp: con quay đứng yên và trường hợp có chuyển động quay [1], [2]. Khi chưa có tốc độ quay (hình 1.3, a), dưới tác động của trọng lực (q) sẽ tạo ra mô men trọng lực (Mq ). Mô men này không thay đổi về hướng nên làm cho góc trương động () tăng dần và kết quả là con quay đổ xuống.
Sơ đồ nguyên lý về hiệu ứng con quay a. Con quay đứng yên; b. Con quay tham gia hai chuyển động quay - góc trương động; - tốc độ quay quanh trục con quay; 0 - tốc độ quay quanh trục cân bằng; Mq - mô men trọng lực; q - trọng lực tác dụng lên con quay Khi con quay quay nhanh với tốc độ xung quanh trục của nó (tốc độ quay riêng), dưới tác dụng của mô men trọng lực sẽ tạo ra chuyển động đảo phức tạp 7 (chuyển động tiến động) quanh trục thẳng đứng với tốc độ quay 0 (hình 1. Trục của con quay sẽ tạo ra một mặt nón nào đó.
Tốc độ quay của con quay đối với hệ quy chiếu cố định ( 1 ) bằng: 1 0. Do tốc độ quay tiến động có giá trị rất nhỏ so với tốc độ quay riêng nên véc tơ mô men động lượng hướng gần theo trục của con quay. Hiện tượng con quay quay nhanh không bị đổ được giải thích trên cơ sở những kết luận sau đây của cơ học lý thuyết: - Nếu tác dụng lực vuông góc vào trục của con quay đang quay nhanh thì trục của con quay không chuyển động theo hướng của lực mà quay trong mặt phẳng thẳng góc với lực theo hướng của véc tơ mô men của lực đối với điểm cố định; - Trục của con quay đang quay nhanh có tính chất ổn định đối với xung lượng của các lực tác dụng tức thời. Sau đây sẽ nghiên cứu ứng dụng kết luận trên vào mô hình chuyển động của đạn trên đường bay trong hai trường hợp tên lửa không quay và tên lửa có chuyển động quay nhanh.
Trường hợp tên lửa không quay (hình 1.2) Như đã trình bày ở trên, đối với tên lửa không có cánh, do tâm cản (O’) nằm , trước khối tâm (O) nên khi dời lực cản R về khối tâm sẽ nhận được một lực ( R ) và mô men ( M R - mô men khí động). Dưới tác dụng của mô men lật này trị tuyệt đối của góc trương động sẽ tăng dần làm cho tên lửa bị lật hoặc bị gục trên đường bay. Trường hợp đạn-tên lửa có chuyển động quay xung quanh trục của nó với tốc độ (hình 1.4) Khi tên lửa có chuyển động quay nhanh xung quanh trục của nó với tốc độ , do sự không đối xứng về hình học; về khối lượng của tên lửa xung quanh trục của nó và sự phân bố không đồng đều các thông số khí động xung quanh nên nó không chỉ chuyển động quay quanh trục mà còn đồng thời bị đảo xung quanh vị trí cân bằng. Vì thế, theo nguyên lý của hiệu ứng con quay mặc dù chịu tác dụng của lực cản không khí R song tên lửa vẫn không bị lật hay bị gục trên đường bay.
Sự ổn định chuyển động của tên lửa khi có chuyển động quay Để đảm bảo cho tên lửa quay ổn định trên đường bay, cần phải tạo cho nó tốc độ quay khoảng 20. Khi đó các loa phụt phải đặt nghiêng so với trục của tên lửa một góc xác định ( - hình 1. Tuy nhiên: nếu lớn thì tên lửa sẽ ổn định tốt trên đoạn thẳng quỹ đạo (ổn định con quay) song lại kém ổn định trên đoạn cong (ổn định định hướng). Trường hợp nhỏ thì sẽ không đảm bảo yêu cầu ổn định trên đoạn thẳng của quỹ đạo.
Sơ đồ biểu diễn góc nghiêng của loa phụt P - Lực đẩy; P1 và P2 – các thành phần lực đẩy dọc trục và pháp tuyến 1. Tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay quanh trục Theo các tài liệu [1], [2], [6], [9], thực chất của việc tính toán ổn định chuyển động của tên lửa quay là xác định góc nghiêng . Góc được xác định theo điều kiện đồng thời đảm bảo ổn định chuyển động trên đoạn thẳng (ổn định con quay) và ổn định trên đoạn cong của quỹ đạo (ổn định định hướng): min max , (1.1) hay tg min tg tg max , (1.