Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định chuyển động tầm và hướng của PPK 37mm2N cải tiến

Chia sẻ: Hương Hoa Cỏ Mới | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:128

Thêm vào BST

Báo xấu

17
lượt xem 3
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của luận án là xác định được đặc tuyến mô-men truyền động dựa trên bài toán động lực học (ĐLH) cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến làm cơ sở phát triển các thuật toán điều khiển ổn định các chuyển động ngắm của pháo trong quá trình bắn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ổn định chuyển động tầm và hướng của PPK 37mm2N cải tiến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU THẮNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG TẦM VÀ HƯỚNG CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG 37MM-2N CẢI TIẾN LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội – 2021
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN HỮU THẮNG NGHIÊN CỨU ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG TẦM VÀ HƯỚNG CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG 37MM-2N CẢI TIẾN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9520101 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Trang Minh 2. PGS.TS Chu Anh Mỳ Hà Nội - 2021
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận án này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ. Hà Nội, ngày 22 tháng 10 năm 2021 Tác giả luận án Nguyễn Hữu Thắng
ii LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ sự biết ơn chân thành đến PGS.TS Nguyễn Trang Minh và PGS.TS Chu Anh Mỳ đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành bản luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Thủ trưởng Viện Khoa học và Công nghệ Quân sự, Phòng Đào tạo, Viện Tên lửa, Viện Tự động hóa KTQS và các đồng nghiệp đã luôn động viên, quan tâm, tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu của mình. Tôi xin chân thành cảm ơn các Giáo sư, các nhà khoa học trong và ngoài quân đội đã cho tôi những ý kiến đóng góp quý báu giúp tôi hoàn thành luận án. Xin chân thành cảm ơn gia đình và bạn bè đã luôn chia sẻ, động viên và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu. NCS Nguyễn Hữu Thắng
iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................ vii DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................. x DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ....................................................................... xi MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 1 Chương 1. CHUYỂN ĐỘNG NGẮM CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP VÀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG TẦM VÀ HƯỚNG CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG 37MM-2N .................... 5 1.1. Chuyển động ngắm của pháo Phòng không tầm thấp............................... 5 1.1.1. Hệ Truyền động ngắm của một số pháo Phòng không tầm thấp............ 6 1.1.2 Chuyển động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến .................................. 10 1.1.2.1. Hệ truyền động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến ........................... 12 1.1.2.2. Chuyển động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến trong quá trình bắn...................................................................................................... 12 1.1.2.3. Một số chỉ tiêu kỹ thuật yêu cầu đối với các chuyển động ngắm pháo.................................................................................................... 14 1.2. Tổng quan về ổn định chuyển động và bài toán ổn định chuyển động của cơ hệ được điều khiển .................................................................. 15 1.2.1. Ổn định chuyển động của một hệ động lực ......................................... 15 1.2.1.1. Khái niệm ổn định Liapunov ........................................................... 15 1.2.1.2. Ý nghĩa cơ học của khái niệm ổn định Liapunov ............................. 17 1.2.2. Ổn định chuyển động của cơ hệ được điều khiển ................................ 17 1.3. Tổng quan về động lực học và điều khiển chuyển động tầm và hướng pháo phòng không 37mm-2N cải tiến ................................................. 18 1.3.1. Một số mô hình nghiên cứu động lực học cơ hệ PPK 37mm-2N ........ 18 1.3.1.1. Mô hình nghiên cứu động lực học máy tự động ............................... 19 1.3.1.2. Một số mô hình nghiên cứu động lực học cơ hệ PPK 37mm-2N...... 20 1.3.2. Một số hệ thống điều khiển chuyển động tầm và hướng pháo............. 21 1.4. Đặt bài toán ........................................................................................... 24 Kết luận chương 1 ........................................................................................ 24 Chương 2. MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC PHÁO PHÒNG KHÔNG 37MM-2N CẢI TIẾN .......................................................... 26
iv 2.1. Mô hình nghiên cứu động lực học pháo phòng không 37mm-2N cải tiến khi bắn một thân pháo.................................................................. 27 2.1.1. Các giả thiết khi xây dựng mô hình. ................................................... 27 2.1.2. Mô hình động học cơ hệ pháo khi bắn một thân pháo ......................... 28 2.1.2.1. Các vật lớn chuyển động trong cơ hệ ............................................... 28 2.1.2.2. Liên kết giữa các vật: ....................................................................... 29 2.1.2.3. Hệ tọa độ gắn với các vật ................................................................. 29 2.1.2.4. Tọa độ suy rộng ............................................................................... 31 2.2. Các ngoại lực tác dụng lên cơ hệ ........................................................... 31 2.2.1. Lực tác dụng của khí thuốc lên khối lùi .............................................. 31 2.2.2. Lực tác dụng của bộ phận hãm lùi, đẩy lên ......................................... 33 2.2.2.1. Lực hãm lùi thủy lực của máy hãm lùi. ............................................ 33 2.2.2.2. Lực cản lùi của lò xo đẩy lên ........................................................... 33 2.2.2.3. Lực hãm đẩy lên của bộ phận hãm lùi và hãm đẩy lên ..................... 34 2.2.3. Lực cản ma sát giữa khối lùi với máng pháo và bộ phận bịt kín.......... 35 2.2.4. Lực ma sát tầm và mô-men cân bằng của cụm lò xo cân bằng tầm ..... 35 2.2.4.1. Lực ma sát tầm ................................................................................ 35 2.2.4.2. Mô-men cân bằng của cụm lò xo cân bằng tầm ............................... 36 2.2.5. Mô-men ma sát trên cụm ổ lăn vành răng hướng ................................ 36 2.2.6. Mô-men truyền động .......................................................................... 36 2.3. Thiết lập hệ PTVP chuyển động cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến. ............ 37 2.3.1. Dạng ma trận mới của phương trình Lagrange loại II ......................... 37 2.3.2. Xác định các thành phần của hệ phương trình vi phân ........................ 38 2.3.2.1. Ma trận khối lượng suy rộng ............................................................ 38 2.3.2.2. Ma trận quán tính ly tâm và Coriolis................................................ 43 2.3.2.3. Véc-tơ lực trọng trường ................................................................... 44 2.3.2.4. Xác định lực suy rộng của các lực tác động ..................................... 44 2.3.3. Hệ phương trình vi phân cơ hệ pháo trong các trường hợp khác nhau.................................................................................................... 48 2.3.3.1. Trường hợp không có lực phát bắn .................................................. 49 2.3.3.2. Trường hợp bắn thân pháo phải hoặc thân pháo trái......................... 49 2.3.3.3. Trường hợp bắn hai thân pháo ......................................................... 50 Kết luận chương 2 ........................................................................................ 50
v Chương 3. TÍNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC NGƯỢC PPK 37MM-2N CẢI TIẾN........................................................................................... 51 3.1. Thuật toán giải bài toán động lực học ngược cơ hệ PPK37mm-2N cải tiến ................................................................................................ 51 3.1.1. Phương pháp giải ................................................................................ 51 3.1.2. Thuật toán số giải bài toán động lực học ngược cơ hệ pháo ................ 52 3.2. Tính toán động lực học ngược cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến ................ 54 3.2.1. Các số liệu dùng trong tính toán động lực học ngược ......................... 54 3.2.2. Phần mềm tính toán động lực học ngược ............................................ 56 3.2.3. Kết quả tính toán động lực học ngược cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến ..................................................................................................... 57 3.3. Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số đến chuyển động của khối lùi hai thân pháo. ................................................................................ 60 3.3.1. Mục đích ............................................................................................ 60 3.3.2. Phương pháp khảo sát ......................................................................... 61 3.3.3. Ảnh hưởng góc tầm bắn đến chuyển động của khối lùi ....................... 62 3.3.4. Ảnh hưởng chuyển động bám đến chuyển động của khối lùi .............. 63 3.3.5. Ảnh hưởng độ cứng lò xo đẩy lên đến chuyển động của khối lùi ........ 63 3.3.6. Ảnh hưởng của sự thay đổi đường kính của vòng điều tiết máy hãm lùi đến chuyển động của khối lùi ........................................................ 65 Nhận xét kết quả khảo sát ............................................................................. 66 3.4. Mô-men truyền động tầm và truyền động hướng pháo khi bắn liên thanh .................................................................................................. 66 3.4.1. Bắn khi có sự lệch pha thời điểm phát hỏa của hai thân pháo ............. 67 3.4.2. Bắn liên thanh khi có sự khác nhau độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo. ........................................................................................... 68 Kết luận chương 3 ........................................................................................ 70 Chương 4. MÔ PHỎNG SỐ VÀ THỬ NGHIỆM ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG CHO PPK 37MM-2N CẢI TIẾN TRONG QUÁ TRÌNH BẮN ............................................................................. 71 4.1. Điều khiển chuyển động bám cho PPK 37mm-2N bằng luật điều khiển tính mô-men.............................................................................. 71 4.1.1. Luật điều khiển tính mô-men .............................................................. 71
vi 4.1.2. Mô phỏng số hệ thống điều khiển chuyển động cho pháo ................... 73 4.1.2.1. Sơ đồ mô phỏng số hệ thống điều khiển pháo .................................. 73 4.1.2.2. Bộ số liệu mô phỏng và các tham số bộ điều khiển .......................... 74 4.1.2.3. Mô phỏng số HTĐK bám cho pháo khi bắn phát một ...................... 75 4.1.2.4. Mô phỏng số HTĐK bám cho pháo khi bắn liên thanh .................... 77 4.2. Thực nghiệm xác định bộ thông số của PPK 37mm-2N cải tiến ............ 80 4.2.1. Xác định các thông số hình học và ĐLH cơ hệ pháo ........................... 80 4.2.1.1. Phương pháp xác định ..................................................................... 80 4.2.1.2. Kết quả thực nghiệm........................................................................ 80 4.2.2. Thực nghiệm xác định thông số máy hãm lùi...................................... 81 4.2.2.1. Phương pháp thực nghiệm ............................................................... 81 4.2.2.2. Dụng cụ thực nghiệm....................................................................... 81 4.2.2.3. Các tham số cần đo và kích thước, biên dạng đo.............................. 82 4.2.3. Thực nghiệm xác định mô-men ma sát và mô-men cân bằng tầm. ...... 84 4.2.3.1. Phương pháp xác định mô-men ma sát trên cụm ổ lăn hướng .......... 84 4.2.3.2. Phương pháp xác định mô-men ma sát tầm và mô-men cân bằng của lò xo cân bằng khối tầm ............................................................... 84 4.2.3.3. Kết quả thực nghiệm........................................................................ 86 4.3. Thử nghiệm bắn đạn thật kiểm chứng các kết quả mô phỏng................. 86 4.3.1. Nội dung và phương pháp thử nghiệm ................................................ 86 4.3.2. Thử nghiệm bám mục tiêu bay ........................................................... 88 4.3.3. Bắn kiểm tra độ lùi ............................................................................. 88 4.3.4. Bắn thử nghiệm ổn định chuyển động tầm và hướng pháo.................. 89 Kết luật chương 4. ........................................................................................ 94 KẾT LUẬN.................................................................................................. 95 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ ................ 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 98 PHỤ LỤC ..................................................................................................- 1 -
vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT A1 Diện tích làm việc của bề mặt pisston khi lùi của máy hãm lùi, [m2]. Av Diện tích vòng điều tiết của máy hãm lùi, [m2]. Ad Diện tích làm việc của bộ phận hãm đẩy lên của máy hãm lùi, [m2]. Ai Ma trận quay của vật thứ i . axi Diện tích lỗ chảy dầu của xi lanh hãm lùi, [m2]. b Hệ số Bravin. Cq, q  Ma trận quán tính ly tâm và Coriolis. C CB Độ cứng lò xo cân bằng. CX Độ cứng lò xo đẩy lên. Di Ma trận chuyển từ hệ tọa độ gốc x ,y ,z  0 0 0 sang hệ tọa độ x ,y ,z  của vật i . i i i di ; ai ; i ; i Các tham số động học Denavit – Hartenberg của pháo. FHL Lực cản thủy lực của máy hãm lùi, [N]. FX 0 Lực nén ban đầu của lò xo đẩy lên, [N]. FX Lực nén của lò xo đẩy lên tại thời điểm đang xét, [N]. FCB Lực nén của lò xo cân bằng tại thời điểm đang xét, [N]. Fvr Lực tác dụng lên vành răng hướng, [N]. f1 Hệ số ma sát giữa khối lùi với máng pháo . f2 Hệ số ma sát giữa khối lùi với bộ phận bịt kín. g( q ) Véc-tơ lực trọng trường. Hi Ma trận truyền biến đổi tọa độ từ một điểm trên hệ tọa độ vật thứ i  1 tới vật thứ i . K1 Hệ số điều chỉnh lực cản dòng chính trong máy hãm lùi. K2 Hệ số lực cản dòng chính.
viii K3 Hệ số lực cản dòng phụ. L Khoảng cách giữa hai trục nòng pháo, [m]. l Chiều dài chuyển động của đạn trong lòng nòng, [m]. M( q ) Ma trận khối lượng suy rộng (ma trận quán tính). M ms Mô-men ma sát của cụm ổ lăn vành răng hướng, [Nm]. M KL Khối lượng khối lùi, [kg]. m1 ; m2 ; m 3 Khối lượng các vật 1, 2, 3 tương ứng của cơ hệ pháo, [kg]. m tp ; mdd Khối lượng của thuốc phóng, đầu đạn [kg]. JTi( q ) Ma trận Jacobi tịnh tiến của vật i. J(Rii )( q ) Ma trận Jacobi quay của vật i. km Hệ số tỷ lệ của mô-men ma sát trên ổ lăn vành răng hướng. Pdn Áp suất khí thuốc ở đầu nòng . pln Áp suất khí thuốc trong lòng nòng. p0 Áp suất tống đạn. Qi Lực suy rộng thứ i. qi Tọa độ suy rộng thứ i. qr Véc-tơ tọa độ suy rộng của hệ. Rf Lực cản ma sát giữa khối lùi với máng pháo và bộ phận bịt kín, [N]. rO( 0 ) Vectơ xác định gốc tọa độ vật thứ i . i ri  Vị trí khối tâm Ci trong hệ tọa độ gốc x 0y0z 0 .  ri( i )  Vị trí khối tâm Ci trong hệ tọa độ xiyizi .  S Thiết diện ngang của lòng nòng kể cả rãnh xoắn, [m2]. TCKL Thời gian của một chu kỳ chuyển động khối lùi, [s]. Tckb Thời gian của một chu kỳ bắn, [s]. uh ; ut Mô-men truyền động hướng và tầm tại đầu trục động cơ. vd Vận tốc chuyển động của đạn trong lòng nòng, [m/s2].
ix vdm Vận tốc đầu đạn tại miệng nòng, [m/s2]. X Hành trình lùi của khối lùi, [m]. XCB Độ dịch chuyển của lò xo cân bằng, [m].  Thế năng của hệ.  Góc quay hướng, [rad].  Góc quay tầm, [rad]. [];[ ] Tương ứng là sai số cho phép của góc tầm và góc hướng. ω(i i ) Vận tốc góc vật thứ i .  Lượng thuốc tương đối đã cháy của liều.  Mật độ nhồi thuốc phóng. TPH Độ lệch thời gian phát hỏa của hai thân pháo, [s]. kt Hệ số tác dụng của khí thuốc. ty Hệ số kể đến công thứ yếu.  Diện tích lỗ chảy dỏng phụ của máy hãm lùi. h ; t Mô-men truyền động hướng và tầm trên trục quay của nó. h0 ; t0 Mô-men truyền động hướng và tầm khi không có lực phát bắn. hP ; tP Mô-men truyền động hướng và tầm khi bắn thân pháo phải. Th ; Tt Mô-men truyền động hướng và tầm khi bắn thân pháo trái. d Trọng lượng riêng của dầu trong máy hãm lùi. vr Bán kính vòng lăn của vành răng hướng, [m].  Góc quay của vành răng hướng, [rad]. cPPK Đại đội Pháo phòng không. ĐLH Động lực học. HTĐK Hệ thống điều khiển. MTĐ Máy tự động. NCS Nghiên cứu sinh. PK Phòng không. PKTT phòng không tầm thấp. PPK37mm-2N Pháo phòng không 37mm 2 nòng.
x DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1. Bảng ma trận quán tính khối........................................................ 38 Bảng 2.2. Các tham số động học D-H........................................................... 39 Bảng 2.3. Hiệu suất và tỷ số truyền các khâu làm việc trong máy tự động ... 42 Bảng 3.1. Tham số thuật phóng và kết cấu lòng nòng................................... 55 Bảng 3.2. Ảnh hưởng của độ cứng lò xo đến chuyển động của khối lùi........ 64 Bảng 3.3. Sự thay đổi một số thông số chuyển động lùi khi thay đổi dv ....... 65 Bảng 4.1. Thông số khối lượng pháo 37mm-2N ........................................... 81 Bảng 4.2. Khối tâm và mô-men quán tính của các vật .................................. 81 Bảng 4.3. Các thông số cần khảo sát của máy hãm lùi .................................. 82 Bảng 4.4. Thông số hình học máy hãm lùi.................................................... 82 Bảng 4.5. Đường kính cán điều tiết .............................................................. 83 Bảng 4.6. Hiệu suất truyền động của các bộ truyền tay quay tầm và hướng.. 86 Bảng 4.7. Kết quả đo chiều dài lùi hai thân pháo. ......................................... 89 Bảng 4.8. So sánh một số kết quả thử nghiệm và mô phỏng số..................... 94
xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1. Chuyển động ngắm tầm và ngắm hướng của pháo................................... 6 Hình 1.2. Pháo phòng không ZU 23-2 ......................................................................7 Hình 1.3. Pháo phòng không 35mm ..........................................................................7 Hình 1.4. Tổ hợp pháo PK tự hành ZSU 23-4 ..........................................................8 Hình 1.5. Tổ hợp pháo 23mm-2 trên tàu ...................................................................8 Hình 1.6. Tổ hợp pháo 25mm trên tàu.......................................................................9 Hình 1.7. Tổ hợp pháo AK 230 trên tàu Hải quân ....................................................9 Hình 1.8. Pháo phòng không 37mm-2N .................................................................10 Hình 1.9. Đại đội PPK 37mm-2N bán tự động trang bị khí tài điều khiển ............10 Hình 1.10. Thao tác ngắm bằng tay của PPK 37mm-2N........................................11 Hình 1.11. Hệ truyền động lực ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến ........................11 Hình 1.12. Hệ truyền động ngắm của PPK 37mm-2N cải tiến ..............................12 Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý hệ thống tính toán vị trí góc pháo ..............................13 Hình 1.14. Hệ tọa độ cầu xác định vị trí mục tiêu ...................................................13 Hình 1.15. Tam giác bắn đón và tam giác đường đạn ............................................14 Hình 1.16. Thuật toán nhích dần tính toán phần tử bắn đón ...................................14 Hình 1.17. Ổn định và không ổn định Liapunov.....................................................16 Hình 1.18. Đồ thị ổn định của nghiệm.....................................................................17 Hình 1.19. Mô hình nghiên cứu động lực học của máy tự động ..........................19 Hình 1.20. Mô hình nghiên cứu động lực học của PPK37mm-2N lắp đặt trên phương tiện cơ động ...............................................................................20 Hình 1.21. Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số hai thân pháo đến chuyển động của PPK 37mm-2N ...........................................................21 Hình 2.1. Các vật lớn chuyển động của mô hình cơ hệ PPK 37mm-2N................28 Hình 2.2. Mô hình động lực học PPK 37mm-2N khi bắn bằng một thân pháo ..29 Hình 2.3. Hệ tọa độ Đề-các ......................................................................................30 Hình 2.4. Mô hình tính lực suy rộng của các lực tương tác giữa các khâu trong không gian ...............................................................................................45
xii Hình 3.1. Thuật toán chương trình chính................................................................52 Hình 3.2. Thuật toán xác định lực khí thuốc tác động lên khối lùi.........................53 Hình 3.3. Thuật toán xác định quy luật chuyển động của khối lùi và tính mô-men truyền động..............................................................................................54 Hình 3.4. Một số giao diện phần mềm tính toán ĐLH ngược cơ hệ pháo .............56 Hình 3.5. Đồ thị áp suất khí thuốc theo thời gian ....................................................57 Hình 3.6. Chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu cố định ở góc tầm 00 .........57 Hình 3.7. Mô-men truyền động khi bắn một thân pháo mục tiêu cố định ở góc tầm khác nhau.................................................................................................58 Hình 3.8. Bắn đồng thời hai thân pháo mục tiêu cố định ở góc tầm khác nhau.....59 Hình 3.9. Bắn đồng thời hai thân pháo mục tiêu có vận tốc bám khác nhau .........59 Hình 3.10. Bắn một thân pháo mục tiêu có vận tốc bám khác nhau ......................60 Hình 3.11. Hệ thống bắn đồng bộ của PPK 37mm-2N cải tiến..............................61 Hình 3.12. Chuyển động của khối lùi khi bắn ở các góc tầm khác nhau ...............62 Hình 3.13. Chuyển động của khối lùi khi bắn mục tiêu có các vận tốc bám khác nhau ở cùng một góc tầm........................................................................63 Hình 3.14. Chuyển động khối lùi khi thay đổi của độ cứng lò xo đẩy lên .............64 Hình 3.15. Chuyển động của khối lùi khi thay đổi đường kính vòng điều tiết ......65 Hình 3.16. Quy luật chuyển động của hai thân pháo khi bắn lệch pha ..................67 Hình 3.17. Bắn mục tiêu cố định khi có sự lệch pha về thời gian phát hỏa ...........68 Hình 3.18. Quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo khi bắn liên thanh có sự khác nhau về độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo.....................69 Hình 3.19. Mô-men truyền động khi bắn liên thanh có sự khác nhau về độ cứng lò xo đẩy lên của hai thân pháo...................................................................69 Hình 4.1. Sơ đồ nguyên lý điều khiển bằng luật điều khiển tính mô-men .............73 Hình 4.2. Sơ đồ điều khiển Pháo .............................................................................74 Hình 4.3. Sai số bám khi không có tác động của lực phát bắn ...............................75 Hình 4.4. Sai số bám khi bắn phát một bằng một thân pháo ..................................75 Hình 4.5. Sai số bám khi bắn phát một đồng thời hai thân pháo ............................76 Hình 4.6. Sai số bám khi bắn phát một có sự lệch pha thời điểm phát hỏa............77
xiii Hình 4.7. Sai số bám khi bắn liên thanh một thân pháo phải..................................77 Hình 4.8. Sai số bám khi bắn liên thanh một thân pháo trái ...................................78 Hình 4.9. Sai số bám khi bắn liên thanh đồng thời hai thân pháo ..........................78 Hình 4.10. Sai số bám khi mô-men tác động ngẫu nhiên trong dải xác định.........79 Hình 4.11. Khảo sát và đo đạc các tham số hình, động học của pháo....................80 Hình 4.12. Mô hình 3D khẩu đội pháo trên solid work ..........................................80 Hình 4.13. Kết cấu máy hãm lùi PPK 37mm-2N ...................................................82 Hình 4.14. Biên dạng cán điều tiết ...........................................................................83 Hình 4.15. Chiều cao rãnh nông sâu ........................................................................83 Hình 4.16. Thực nghiệm xác định lực ma sát hướng ..............................................84 Hình 4.17. Thực nghiệm xác định mô-men lệch tâm của khối tầm .......................85 Hình 4.18. Một số hình ảnh thử nghiệm bắn đạn thật .............................................87 Hình 4.19. Đồ thị sai số góc tầm và góc hướng khi bám mục tiêu M96 ................88 Hình 4.20. Sai số góc pháo khi bắn thân pháo phải ................................................89 Hình 4.21. Sai số góc pháo khi bắn thân pháo trái ..................................................90 Hình 4.22. Sai số góc pháo khi bắn phát một cả hai thân pháo ..............................90 Hình 4.23. Sai số góc hướng khi bắn loạt ngắn trên cả hai thân pháo....................91 Hình 4.24. Sai số góc tầm khi bắn loạt ngắn trên cả hai thân pháo ........................92 Hình 4.25. Sai số góc hướng khi bắn loạt vừa trên cả hai thân pháo......................93 Hình 4.26. Sai số góc tầm khi bắn loạt vừa trên cả hai thân pháo ..........................93
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Nghiên cứu cải tiến, hiện đại hóa vũ khí nhằm làm tăng thêm sức mạnh của các vũ khí sẵn có luôn là định hướng nghiên cứu quan trọng trong quân đội ta. Trong đó, các hướng nghiên cứu nâng cao độ chính xác, tăng uy lực, tăng khả năng cơ động, giảm thời gian chuẩn bị sẵn sàng chiến đấu luôn được ưu tiên. Pháo phòng không 37mm hai nòng (PPK 37mm-2N) - kiểu 37mmK65 được sử dụng trong lực lượng phòng không (PK) của nhiều quốc gia trên thế giới. Chúng đã chứng tỏ khả năng tác chiến tiêu diệt các mục tiêu bay thấp và cực thấp. Hiện nay, PPK 37mm-2N đang được nhiều quân đội trên thế giới cải tiến, hiện đại hóa để có thể đáp ứng được với chiến tranh hiện đại [4]. Trong những năm gần đây, PPK 37mm-2N cũng đã được quân đội Việt Nam hiện đại hóa, trang bị khí tài điều khiển đưa vào trang bị cho các đơn vị phòng không phục vụ sẵn sàng chiến đấu [4], [34], [35], [58], [59]. Pháo phòng không 37mm-2N là loại pháo bắn liên thanh, sử dụng đạn không điều khiển. Các chuyển động ngắm luôn là yếu tố quan trọng, quyết định đến độ chính xác bắn. PPK 37mm-2N nguyên bản và PPK 37mm-2N bán tự động sử dụng phương pháp truyền động ngắm bằng tay quay do pháo thủ thực hiện. Trong chiến tranh hiện đại, mục tiêu thường có khả năng cơ động nhanh, vận tốc lớn. Nhằm nâng cao hiệu quả tác chiến đối với các mục tiêu này. Hiện nay, PPK 37mm-2N đang tiếp tục được hiện đại hóa, trang bị hệ thống truyền động lực, sử dụng động cơ điện và hệ thống điều khiển tự động thay thế cho các thao tác ngắm bằng tay của pháo thủ. Khi trang bị hệ truyền động tự động thay thế cho các thao tác bằng tay, bài toán ổn định chuyển động tầm và chuyển động hướng cho pháo trong quá trình bắn cần được quan tâm nghiên cứu. Với các lý do đó, việc thực hiện đề tài luận án: “Nghiên cứu ổn định chuyển động tầm và hướng của PPK 37mm- 2N cải tiến” là cần thiết, có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
2 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Xác định được đặc tuyến mô-men truyền động dựa trên bài toán động lực học (ĐLH) cơ hệ PPK 37mm-2N cải tiến làm cơ sở phát triển các thuật toán điều khiển ổn định các chuyển động ngắm của pháo trong quá trình bắn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: PPK 37mm-2N đã cải tiến. Hệ truyền động tầm và hướng pháo đã được thay thể bằng hệ truyền động cơ-điện. Pháo hoạt động ở chế độ điều khiển tự động các chuyển động ngắm. Phạm vi nghiên cứu: Cơ hệ pháo được xem xét trong điều kiện bắn tiêu chuẩn (bắn trong mặt phẳng bắn), xe pháo và giường pháo được khóa cứng với nền, các vật trong cơ hệ được xem là tuyệt đối cứng. Máy tự động của hai thân pháo là độc lập. Vị trí góc bắn để đảm bảo nhiệm vụ bắn trúng được xem là xác định trước (theo lý thuyết xạ kích) và được tính toán trên phần mềm tính toán phần tử bắn [3], [5]. Các điều kiện ổn định được xem xét nhằm đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật của đại đội pháo. 4. Nội dung nghiên cứu Để đạt được mục tiêu chính, luận án thực hiện các nội dung sau: - Nghiên cứu tổng quan về các chuyển động ngắm pháo, tổng quan về ĐLH và bài toán ổn định các chuyển động ngắm pháo. - Xây dựng mô hình tính toán, thiết lập hệ phương trình vi phân mô tả chuyển động tầm và hướng pháo trong quá trình bắn. - Xây dựng thuật toán giải bài toán ĐLH ngược cơ hệ pháo và tính toán mô-men truyền động tầm và mô-men truyền động hướng pháo. - Điều khiển chuyển động tầm và hướng pháo trong quá trình bắn và thử nghiệm kiểm chứng các kết quả nghiên cứu. 5. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp mô phỏng số và thực nghiệm, cụ thể:
3 - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết cơ học hệ nhiều vật. Đánh giá, phân tích và xây dựng mô hình nghiên cứu bằng phương pháp giải tích. - Từ kết quả nghiên cứu lý thuyết, tiến hành mô phỏng số trên các phần mềm mô phỏng. Thực nghiệm xác định thông số đầu vào phục vụ mô phỏng. Thử nghiệm bắn đạn thật kiểm chứng kết quả nghiên cứu. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Nội dung và kết quả của luận án góp phần mở rộng và phát triển mô hình nghiên cứu ĐLH cho lớp đối tượng pháo phòng không tầm thấp (PKTT), trong đó có PPK 37mm-2N cải tiến. Các kết quả của bài toán ĐLH ngược là sơ sở khoa học để xây dựng hệ thống điều khiển truyền động pháo đồng thời nâng cao chất lượng các hệ thống điều khiển truyền động bám. Các số liệu thực nghiệm và mô phỏng đảm bảo tin cậy để tham khảo cho việc tính toán, thiết kế, cải tiến các hệ truyền động tầm và hướng của pháo. Phương pháp nghiên cứu của luận án có thể được áp dụng để nghiên cứu động học, ĐLH cho các loại pháo có đặc tính tương tự. 7. Bố cục của luận án Bố cục của luận án bao gồm: Phần mở đầu: Trình bày tính cấp thiết, mục tiêu, yêu cầu của nhiệm vụ, các nội dung nghiên cứu và phương pháp thực hiện. Chương 1: Chuyển động ngắm của pháo phòng không tầm thấp và bài toán ổn định chuyển động tầm và hướng của pháo phòng không 37mm-2N Nghiên cứu tổng quan về chuyển động ngắm của pháo phòng không tầm thấp. Tổng quan về ĐLH và ổn định chuyển động tầm và hướng của PPK 37mm-2N. Phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan. Nhận xét, đánh giá, cụ thể hóa bài toán và các nội dung cần giải quyết. Chương 2: Mô hình tính toán động lực học cơ hệ PPK 37mm-2N Xây dựng mô hình nghiên cứu, đi sâu phân tích các thành phần lực tác động, các quá trình động lực xảy ra trong mỗi phát bắn. Xây dựng mô hình tính toán ĐLH cơ hệ pháo trong các trường hợp bắn khác nhau.
4 Chương 3: Tính toán động lực học ngược PPK 37mm-2N cải tiến Xây dựng thuật toán xác định quy luật chuyển động của khối lùi và thuật toán giải bài toán ĐLH ngược cho cơ hệ pháo. Kháo sát đánh giá ảnh hưởng của một số thông số đến quy luật chuyển động của khối lùi hai thân pháo. Tính toán mô-men truyền động tầm và truyền động hướng của pháo trong quá trình bắn. Chương 4: Mô phỏng số và kiều khiển chuyển động tầm và hướng cho PPK 37mm-2N cải tiến Mô phỏng số hệ thống điều khiển (HTĐK) pháo theo luật điều khiển tính mô-men dựa trên mô hình đã được xây dựng. Thử nghiệm kiểm chứng và đánh giá các kết quả nghiên cứu. Phần kết luận: Trình bày các kết quả nghiên cứu chính, những đóng góp mới và hướng phát triển tiếp theo của đề tài luận án.
5 Chương 1 CHUYỂN ĐỘNG NGẮM CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG TẦM THẤP VÀ BÀI TOÁN ỔN ĐỊNH CHUYỂN ĐỘNG TẦM VÀ HƯỚNG CỦA PHÁO PHÒNG KHÔNG 37MM-2N Tất cả các loại pháo khi bắn trục lòng nòng cần phải chiếm một vị trí xác định so với mục tiêu. Tập hợp tất cả các động tác để cấp cho nòng một hướng được yêu cầu trong không gian được quy ước gọi là ngắm pháo. Trong quá trình ngắm, nòng được cấp cho các dịch chuyển góc ở các mặt phẳng đứng và nằm ngang phù hợp với các số liệu ban đầu được tính toán khi chuẩn bị bắn. Sự thay đổi vị trí của nòng được thực hiện nhờ các truyền động ngắm, còn hướng của nó được đảm bảo và được kiểm soát bởi khí tài ngắm [52], [53]. Nội dung chương này trình bày tổng quan về chuyển động ngắm của pháo PKTT. Đi sâu phân tích chuyển động ngắm của pháo PPK 37mm-2N, các yêu cầu và điều kiện làm việc. Tổng quan về ĐLH và ổn định của các chuyển động ngắm pháo, phân tích các công trình nghiên cứu có liên quan. Trên cơ sở lý thuyết ổn định chuyển động của các cơ hệ được điều khiển, cụ thể hóa bài toán và các nội dung nghiên cứu cần giải quyết. 1.1. Chuyển động ngắm của pháo Phòng không tầm thấp Pháo PKTT có khả năng tiêu diệt các mục tiêu bay thấp và cực thấp ở cự ly ngắn và trung bình. Tùy theo yêu cầu, đặc điểm và nhiệm vụ tác chiến, pháo PKTT có thể được thiết kế có dạng bán cố định (ZU23mm-2N, PPK 35mm- 2N, PPK 37mm-2N) hoặc trên xe tự hành (ZSU 23-4). Một số pháo hạm ngoài nhiệm vụ chính là tiêu diệt mục tiêu mặt đất, mặt nước cũng có khả năng tác chiến, tiêu diệt các mục tiêu bay thấp (25mm - 2M/3M; AK230; AK630...). Pháo PKTT thường được thiết kế tự động, nhiều nòng và có thể bắn liên thanh. Đạn pháo được sử dụng là các loại đạn không điều khiển. Với các loại pháo này, độ chính xác và tính ổn định của các chuyển động ngắm trong quá trình bắn luôn là yếu tố quan trọng, quyết định đến độ chính xác bắn. Chuyển động ngắm của pháo bao gồm hai kênh: kênh tầm và kênh hướng