Mô hình động lực học chuyển động của tên lửa phục vụ cho thiết bị huấn luyện

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA<br /> PHỤC VỤ CHO THIẾT BỊ HUẤN LUYỆN<br /> Phạm Văn Tùng*, Lê Tuấn Anh, Hoàng Việt Trung, Đồng Văn Tấn<br /> Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương pháp xây dựng mô hình động lực học chuyển<br /> động cho một lớp tên lửa phòng không tầm thấp phục vụ thiết bị mô phỏng huấn<br /> luyện có tính đến ảnh hưởng của các thông số khí động học và thuật toán điều khiển<br /> xử lý bài toán dẫn tên lửa tới mục tiêu cơ động trên cơ sở luật dẫn tiếp cận tỉ lệ. Mô<br /> hình toán thuật toán được xây dựng và mô phỏng trong matlab/simulink. Các gói dữ<br /> liệu tham số quỹ đạo của tên lửa và mục tiêu được truyền sang máy tính giáo viên<br /> sử dụng giao thức TCP/IP. Kết quả nhận được cho thấy tính tương thích của mô<br /> hình khi kết hợp với hệ thống mô phỏng huấn luyện.<br /> Từ khóa: Quỹ đạo bay; Thiết bị huấn luyện; Tên lửa một kênh; Tiếp cận tỉ lệ.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Để phục vụ nghiên cứu thiết kế chế tạo bộ thiết bị huấn luyện trắc thủ cho một chủng<br /> loại tên lửa, ngoài việc xây dựng các kịch bản, chương trình mô phỏng huấn luyện ra thì<br /> một nhiệm vụ khác phức tạp là xây dựng mô hình toán động lực học cho nó.<br /> Vấn đề này, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu nhưng hầu hết chưa<br /> được công bố và còn trong bí mật, chỉ thể hiện ở các kết quả mô phỏng. Trong nước, một<br /> số công trình đã nghiên cứu đến vấn đề này nhưng chỉ dừng ở mức độ mô hình toán để<br /> khảo sát các hệ thống điều khiển, quỹ đạo bay,... [1-3] chưa đưa vào bộ huấn luyện mô<br /> phỏng thực tế.<br /> 2. MÔ HÌNH TOÁN ĐỘNG LỰC HỌC<br /> 2.1. Mô hình bộ huấn luyện kíp trắc thủ<br /> Để huấn luyện cho trắc thủ, đảm bảo các thao tác và điều kiện bắn như thực tế, bộ mô<br /> hình huấn luyện trắc thủ đưa ra sơ đồ khối các khâu như hình 1.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Sơ đồ khối chức năng của thiết bị mô phỏng huấn luyện trắc thủ.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 25<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Bộ thiết bị mô phỏng huấn luyện bao gồm các thiết bị phần cứng và phần mềm. Phần<br /> cứng bao gồm hệ thống máy tính ra tình huống, máy chiếu, ống phóng, cơ cấu phóng, khối<br /> điện tử trong cơ cấu phóng để giao tiếp với phần mềm, camera thực hiện thu nhận ảnh từ<br /> phông nền, hệ thống máy tính giáo viên, card chuyển đổi ADC/DAC để giao tiếp giữa<br /> phần cứng và phần mềm đánh giá thao tác của trắc thủ. Phần mềm của thiết bị mô phỏng<br /> huấn luyện bao gồm 2 chương trình chính: Chương trình ra tình huống mô phỏng chuyển<br /> động 3D của mục tiêu với các điều kiện địa hình như đồi núi, mặt biển, với mục tiêu di<br /> động là máy bay trực thăng, máy bay tiêm kích, tên lửa hành trình,...; Chương trình quản<br /> lý thu thập thông tin về thao tác ngắm bắn, bóp cò và xử lý tình huống trong khi tập bắn<br /> của trắc thủ, sau đó sẽ tổng hợp và đánh giá kết quả bắn của các trắc thủ [6].<br /> 2.2. Mô hình toán chuyển động của tên lửa<br /> Dựa trên cấu hình của thiết bị mô phỏng huấn luyện thực tế đã được triển khai, để phù<br /> hợp với việc kết nối với bộ thiết bị huấn luyện, coi chuyển động của tên lửa là chuyển<br /> động của chất điểm với khối lượng biến thiên theo thời gian, bỏ qua chuyển động quay của<br /> tên lửa. Phương trình mô tả chuyển động của tên lửa có dạng sau [5]:<br /> Fx  mV (1)<br /> <br /> Fy   mV cos    (2)<br /> <br /> Fz  mV  (3)<br /> x  V cos  cos  (4)<br /> y  V sin  cos  (5)<br /> z  V sin  (6)<br /> dm<br />  m (7)<br /> dt<br /> Trong đó: Fx , Fy , Fz là tổng các lực tác dụng lên tên lửa trong hệ tọa độ tốc độ; V là<br />  là độ hụt khối của tên lửa;  ,  là hai góc khi<br /> vận tốc tên lửa; m là khối lượng tên lửa; m<br /> chuyển đổi từ hệ tọa độ quán tính sang hệ tọa độ tốc độ.<br /> Tổng các lực tác dụng lên tên lửa theo các trục hệ tọa độ có dạng:<br /> Fx  Fdc  P sin   Fkdx  Fdc  mg sin   Fkdx (8)<br /> Fy  Fkdy (9)<br /> <br /> Fz  Fkdz  P cos   Fkdz  mg cos  (10)<br /> Trong đó: P là trọng lực; Fdc là lực đẩy động cơ; Fkd là lực đẩy khí động,<br /> Fkdx , Fkdy , Fkdz tương ứng là hình chiếu của lực khí động lên các trục của hệ tọa độ tốc độ.<br /> Các lực này được biểu diễn thông qua hệ số khí động có dạng sau:<br /> <br />  2<br /> Fkdx  qSC x  qS C x 0  C x  x2  (11)<br /> <br /> Fkdy  qSC y  qSC y  y (12)<br /> <br /> Fkdz  qSCz  qSCz  z (13)<br /> <br /> <br /> <br /> 26 P. V. Tùng, …, Đ. V. Tấn, “Mô hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Với q là áp suất động; S là diện tích đặc trưng, C x , C y , C z tương ứng là các hệ số lực<br /> 2  <br /> khí động theo các trục tọa độ; Cx , C y , Cz tương ứng là các đạo hàm hệ số lực khí động<br /> theo góc lệch cánh lái. Trên thực tế, đối với chủng loại tên lửa đang khảo sát, chỉ có một<br /> góc lệch cánh lái, nhờ tên lửa quay nên đối với các kênh chuyển động khác nhau ta có các<br /> góc lệch cánh lái tương ứng với kênh đó. Ở đây, để đơn giản hóa bài toán mô phỏng quỹ<br /> đạo phù hợp với thiết bị mô phỏng huấn luyện, bỏ qua chuyển động quay của tên lửa và<br /> coi như có 3 góc lệch cánh lái  x ,  y ,  z theo 3 trục của hệ tọa độ.<br /> Khâu động học mục tiêu:<br /> xmt  Vmt cos  mt cos  mt ; (14)<br /> y mt  Vmt cos  mt sin  mt ; (15)<br /> zmt  Vmt sin  mt ; (16)<br /> Trong đó: Vmt là vận tốc của mục tiêu;  mt là góc tầm;  mt là góc hướng.<br /> Phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ:<br /> Đây là phương pháp dẫn mà tốc độ góc quay của véc tơ vận tốc tên lửa tỷ lệ với tốc độ<br /> góc quay của đường ngắm tên lửa mục tiêu [4].<br /> Gia tốc lập lệnh trong phương pháp dẫn tiếp cận tỷ lệ được tính theo công thức sau:<br /> ac (t )  N cl  (t ) (17)<br /> Trong đó: ac là gia tốc lập lệnh; N là hệ số dẫn;  cl là vận tốc tương đối của tên lửa<br /> mục tiêu,  (t ) là tốc độ góc của đường ngắm tên lửa mục tiêu.<br /> R s .r  Rs .r VTs  VMs Rs . cl<br /> s (t )    2 (s=1,2,3) (18)<br /> r2 r r<br /> 3 3<br /> <br />  R (V s Ts  VMs )  R s cls 3<br />  cl  r   s 1<br />  s 1<br />   s cls (s=1,2,3) (19)<br /> r r s 1<br /> <br /> Trong đó: Rs là tọa độ của tên lửa trong không gian; r là tọa độ tương đối của tên lửa<br /> so với mục tiêu; VTs là vận tốc của tên lửa trong không gian; VMs là vận tốc tương đối của<br /> tên lửa so với mục tiêu trong không gian;  cls là vận tốc tương đối của tên lửa mục tiêu<br /> trong không gian.<br /> Hệ (1) ÷ (19) là mô tả mô hình toán chuyển động của tên lửa và mục tiêu theo phương<br /> pháp dẫn. Để giải được hệ (1) ÷ (19) phải xác định được các tham số đầu vào của mô hình<br /> như lực, mô men và các tham số khác. Các tham số hình học khối lượng, định tâm khí<br /> động được xác định qua đo đạc, khảo sát mẫu. Hệ số khí động được tính toán bằng phần<br /> mềm ANSYS.<br /> 3. MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ<br /> 3.1. Các dữ liệu đầu vào<br /> Các tham số khối lượng, định tâm của một chủng loại tên lửa sử dụng cho bài toán mô<br /> phỏng đặt được thể hiện trong bảng 1, các tham số khí động được lấy theo bảng 2.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 27<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Bảng 1. Đặc trưng quán tính tên lửa.<br /> t m XT YT ZT<br /> (s) (kg) (mm) (mm) (mm)<br /> 0 10,03 817,9 -0,122 -0,233<br /> 1.965 7,684 705,724 -0,423 -0,029<br /> 8.5 5,486 656,832 -0,442 -0,405<br /> <br /> Bảng 2. Các hệ số khí động.<br /> 2  1   1   1 <br /> V [m/s] Cx 0 C x  C y  Cz <br />  rad   rad   rad <br /> 2<br /> <br /> <br /> 20 0,5807 1.7032 2.1856 -0.2351<br /> 200 0,5807 1.7032 2.1856 -0.2351<br /> 350 0.7561 2.2684 2.5927 -0.3075<br /> 400 0.8533 2.0262 2.2938 -0.2743<br /> 500 0.8941 1.6964 1.9295 -0.0375<br /> 600 0.8565 1.4333 1.7935 -0.0127<br /> 700 0.8173 1.1403 1.5089 0.0227<br /> 3.2. Mô hình hóa mô phỏng<br /> Trên cơ sở mô hình toán chuyển động của tên lửa đã được xây dựng, nhóm tác giả thiết<br /> lập chương trình mô phỏng trên Matlab-Simulink, gồm các khối cơ bản sau: khối mục tiêu,<br /> khối khâu tên lửa, khối phương pháp dẫn (hình 2, 3, 4)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Giao diện chương trình mô phỏng quỹ đạo TL-MT.<br /> <br /> <br /> 28 P. V. Tùng, …, Đ. V. Tấn, “Mô hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Khâu tên lửa và mục tiêu.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Khâu PP dẫn tiếp cận tỷ lệ.<br /> Với tham số đầu vào như trên, kịch bản mô phỏng được tạo ra cho mục tiêu như sau:<br /> Trường hợp tọa độ ban đầu của mục tiêu xmt  3000( m) , y mt  2000(m) ,<br /> z mt  2000(m), tốc độ mục tiêu 100m/s, góc tầm và góc hướng  mt  90,  mt  0 , chọn<br /> phương pháp bắn đuổi thì quỹ đạo chuyển động của tên lửa được thể hiện như ở hình 5.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 29<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> Trường hợp tọa độ ban đầu của mục tiêu xmt  3000( m) , y mt  2000(m) ,<br /> z mt  2000(m) tốc độ mục tiêu 120m/s. Góc tầm, góc hướng  mt  90,  mt  0 , chọn<br /> phương pháp bắn đón thì quỹ đạo chuyển động của tên lửa mục tiêu được thể hiện ở hình 6.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Bắn đuổi theo pp tiếp cận tỷ lệ. Hình 6. Bắn đón theo pp tiếp cận tỷ lệ.<br /> Các kết quả nhận được cho thấy, quỹ đạo dẫn tên lửa đến mục tiêu phù hợp với phương<br /> pháp dẫn, phù hợp với bài toán đặt ra.<br /> 3.3. Ghép nối chương trình mô phỏng với bộ mô phỏng huấn luyện<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 7. Giao diện phần mềm thiết bị huấn luyện.<br /> Với các kết quả đạt được, ghép phần chương trình mô phỏng quỹ đạo tên lửa mục tiêu<br /> với bộ thiết bị huấn luyện, kịch bản như sau. Trước tiên, chạy phần mềm sinh mục tiêu,<br /> chọn các tham số cho mục tiêu như địa hình, loại mục tiêu, tham số mục tiêu (hình 7). Sau<br /> khi phát dữ liệu mục tiêu và khởi chạy thì phần mềm 3D sinh tình huống sẽ chạy, khi đó<br /> mục tiêu bắt đầu chuyển động(hình 8, 9).<br /> <br /> <br /> 30 P. V. Tùng, …, Đ. V. Tấn, “Mô hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Mục tiêu cơ động trên biển đảo. Hình 9. Mục tiêu cơ động trên đồi núi.<br /> <br /> Mục tiêu di động trên phông nền, trắc thủ bắt đầu thực hiện thao tác ngắm bắn, khi mục<br /> tiêu di chuyển vào vùng phóng thì tiến hành bóp cò, đồng thời lúc này chương trình mô<br /> phỏng chuyển động của tên lửa mục tiêu được khởi chạy, sẽ mô phỏng quỹ đạo tên lửa và<br /> mục tiêu để trắc thủ có thể theo dõi bài bắn của mình (hình 10). Kết thúc bài bắn phần<br /> mềm sẽ đưa ra kết luận về cách ngắm bắn, bóp cò của trắc thủ có đúng hay sai và chấm<br /> điểm từng trắc thủ (hình 11).<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 10. Tên lửa bắn trúng mục tiêu. Hình 11. Kết quả bắn của trắc thủ.<br /> Kết quả nhận được sau khi thử nghiệm thực tế cho thấy, chương trình mô phỏng động<br /> lực học của tên lửa mục tiêu đề xuất có thể kết hợp được với thiết bị huấn luyện, và phù<br /> hợp với môi trường huấn luyện sát với thực tế.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Bài báo đã trình bày một mô hình toán động lực học của một chủng loại tên lửa và xây<br /> dựng chương trình mô phỏng quỹ đạo chuyển động của tên lửa – mục tiêu, chương trình<br /> này có thể kết hợp với bộ thiết bị huấn luyện nhằm phục vụ cho công tác huấn luyện bắn<br /> của các trắc thủ. Kết quả nhận được cho thấy hệ thống phù hợp, dễ sử dụng huấn luyện và<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 66, 4 - 2020 31<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> sát thực tế. Tiếp theo, nhóm tác giả sẽ đưa các thông số thực tiễn vào để bộ huấn luyện<br /> được sát hơn với điều kiện tác chiến.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Nguyễn Đức Cương, Đỗ Quý Thẩm(2002), “Mô phỏng số chuyển động của khí cụ<br /> bay tự dẫn có hệ thống điều khiển một kênh”, Tuyển tập công trình khoa học Hội nghị<br /> cơ học toàn quốc lần thứ bảy, Hà Nội.<br /> [2]. Tô Văn Dực, Nguyễn Văn Sơn, Phạm Vũ Uy, “Động lực học bay và nguyên lý dẫn<br /> KCB điều khiển một kênh”, NXB Khoa học kỹ thuật -2006.<br /> [3]. Nguyễn Đức Cương. “Mô hình hóa và mô phỏng chuyển động của các khí cụ bay tự<br /> động”, Nhà xuất bản QĐND -2002.<br /> [4]. Кашин В.М. Лифиц А.Л. Ефремов М.И. “Основы проектирования переносных<br /> зенитгых ракетных комплексов”. МГТУ им НЭ.БАУМАНА – 2014.<br /> [5]. Лебедев А.А. Черновровкин Л.С. “Динамика полета беспилотных летательных<br /> аппаратов”. Москва Издательство Машиностроение 1973.<br /> [6]. Lê Tuấn Anh. “ Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thiết bị huấn luyện bắn tên<br /> lửa Igla theo kiểu KOHYC ”, đề tài nền Viện KH-CNQS.<br /> ABSTRACT<br /> MODEL FLIGHT DYNAMICS FOR A KIND OF AIR-TO-AIR MISSILE DEFENSE<br /> FOR TRAINING SIMULATION EQUIPMENT<br /> This paper proposes a method to create a flight dynamics model for a low-range<br /> anti-air missile class for training simulation equipment taking into account the<br /> impact of the rocket's aerodynamic parameters. The article also provides an<br /> algorithm to control the problem of guiding the missile to a maneuverable target<br /> based on the proportional navigation guidance law. The missile dynamics<br /> mathematics model is built and simulated in Matlab/Simulink software. The<br /> trajectory parameters packets of missiles and targets are communicated to server<br /> computers using the TCP / IP protocol. The results show the compatibility of the<br /> model when combined with the training simulation system.<br /> Keywords: Flight trajectory; Training equipment; Single channel missile control; Proportional navigation.<br /> <br /> Nhận bài ngày 28 tháng 12 năm 2019<br /> Hoàn thiện ngày 18 tháng 01 năm 2020<br /> Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 4 năm 2020<br /> <br /> Địa chỉ: Viện Tên lửa/Viện Khoa học và công nghệ quân sự.<br /> *<br /> Email: potato284@gmail.com.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 32 P. V. Tùng, …, Đ. V. Tấn, “Mô hình động lực học chuyển động … cho thiết bị huấn luyện.”<br />