Phân tích, khảo sát và đánh giá sự hạn chế tính cơ động của tên lửa cánh lái khí động

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> PHÂN TÍCH, KHẢO SÁT VÀ ĐÁNH GIÁ SỰ HẠN CHẾ<br /> TÍNH CƠ ĐỘNG CỦA TÊN LỬA CÁNH LÁI KHÍ ĐỘNG<br /> VŨ HỎA TIỄN*, NGUYỄN NGỌC HƯNG*, NGUYỄN CÔNG THỨC**<br /> Tóm tắt: Vấn đề được đề cập trong bài báo là tập trung phân tích và chứng minh<br /> bằng tính toán về những giới hạn khả năng cơ động của tên lửa với hệ cánh lái khí động<br /> truyền thống. Từ đó làm rõ những yếu tố hạn chế đối tượng trong điều kiện chiến tranh<br /> hiện đại, khi mục tiêu có khả năng cơ động cao, hoạt động ở độ cao lớn.<br /> Từ khóa: Tên lửa phòng không, Cánh lái khí động, Khả năng cơ động, Hệ thống tự động ổn định trên khoang.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Những đặc trưng cơ bản, đánh giá tính cơ động của tên lửa [1], là khả năng tác động nhanh<br /> τp, khả năng tạo quá tải npmax (gia tốc pháp tuyến Wpmax) cực đại và trang bị cơ động Wα (đạo<br /> hàm riêng gia tốc pháp tuyến theo góc tấn công). Những đặc trưng trên được xác định thông qua<br /> những tham số của hệ thống tự động ổn định trên khoang (Automatic System Stabilization -<br /> ASS) và máy lái.<br /> Những đặc trưng động lực học ảnh hưởng tới tính cơ động của tên lửa là vận tốc trung bình<br /> V tb và xung lực đẩy riêng J 0 . Những đặc trưng phân bố trên khoang có ảnh hưởng tới những<br /> tham số như: khối lượng; mômen; vị trí trọng tâm và sự dịch chuyển của nó; độ dự trữ ổn định<br /> tĩnh của tên lửa và thay đổi của nó trong khi bay. Những đặc trưng khí động có ảnh hưởng tới<br /> tính cơ động của tên lửa là: các hệ số lực nâng Cy, Cz; đạo hàm riêng của chúng C У ( C Z ) theo<br /> góc tấn công  và góc trượt β; diện tích đặc trưng của bề mặt nâng S 0 .<br /> Từ những vấn đề nêu trên, đặt ra bài toán cần xác định giới hạn về khả năng cơ động của tên<br /> lửa cánh lái khí động trong mối ràng buộc giữa các đặc trưng, tham số đã chỉ ra.<br /> <br /> 2. MÔ HÌNH TOÁN HỌC ĐÁNH GIÁ TÍNH CƠ DỘNG CỦA TÊN LỬA<br /> Điều khiển tên lửa theo phương pháp khí động dựa trên cơ sở của phương pháp tạo lực -<br /> mômen khí động [2] về bản chất được thể hiện theo logic hình 1. Kết quả là tên lửa tiếp cận mục<br /> tiêu dưới tác động của gia tốc pháp tuyến W(t) làm giảm độ trượt h(t) theo thời gian. Đối với tất cả<br /> các loại sơ đồ khí động đều có một nguyên lý hoạt động chung được xác định bởi bản chất của<br /> phương pháp tạo lực và mômen điều khiển, liên quan tới lệnh điều khiển đầu vào hệ ASS tỷ lệ với<br /> độ trượt ban đầu h0.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. Nguyên lý điều khiển khí động của tên lửa để khử độ trượt ban đầu (h=h0-hkh).<br /> Bản chất của sự điều khiển bao hàm việc khử độ trượt ban đầu h0 (tại thời điểm nào đó) giữa tên<br /> lửa và mục tiêu, quá trình có thể biểu diễn dưới dạng phương trình tổng quát sau:<br />  <br /> h  h0  p ,  mt , D (t )  hkh. (t ), (t ), (t ), (t ), w(t ),... (1)<br /> Phương trình (1) tổng quát hóa mối liên kết tác động đầu vào với phản ứng đầu ra của một<br /> vòng điều khiển (VĐK) kín tên lửa từ thời điểm t=0 tới thời điểm khử hoàn toàn độ trượt ban<br /> đầu h0 (t=d), như hình 2.<br /> Về toán học, mô hình tổng quát (1) khá tổng hợp và phức tạp vì là hàm nhiều biến. Các biến của<br /> nó có thể lại là hàm của các đại lượng khác. Bởi vậy ta phải “đóng băng” một số biến ít liên quan tới<br /> những đặc trưng cơ động của tên lửa. Phân tích tính cơ động của tên lửa được bắt đầu từ việc xem<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 36, 04 - 2015 9<br />  Tên lửa & Thiết bị bay<br /> <br /> xét mối liên hệ giữa khả năng tác động nhanh р của tên lửa với các tham số của hệ ASS, thành phần<br /> chính của cả hệ thống điều khiển, có ảnh hưởng đáng kể tới sự hình thành những đặc trưng cơ động.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 2. Sự hình thành các đặc trưng điều khiển của tên lửa khi thực hiện lệnh.<br /> 2.1. Bài toán điều khiển của hệ ASS trên khoang tên lửa<br /> Điều khiển tên lửa, theo hình 2, trải qua hai giai đoạn sau: giai đoạn (t0 – t2) khử độ trượt ban<br /> đầu h0 và giai đoạn (t2 – t4) thiết lập lại vị trí cân bằng của tên lửa. Trong cả hai giai đoạn, hệ<br /> ASS trên khoang đều đóng vai trò chính, điều khiển chuyển động và ổn định tên lửa. Bản thân<br /> hệ ASS cũng là VĐK kín, bao gồm: tên lửa là đối tượng điều khiển; các cảm biến vận tốc góc<br /> (VTG), gia tốc thẳng (GTT) tạo nên các mạch hồi tiếp; máy lái và cánh lái khí động.<br /> Những yêu cầu cơ bản đối với một hệ ASS là phải đảm bảo: khả năng cơ động cho trước<br /> (quá tải tạo được, thời gian phản ứng và quá chỉnh); ổn định góc hay vận tốc góc xoắn; ổn định<br /> VĐK kín theo các dao động đàn hồi thân tên lửa.<br /> Để có thể đáp ứng những yêu cầu trên, hệ ASS trên khoang cần được xây dựng ở dạng hệ tự<br /> động điều khiển ba kênh (gật, hướng và liệng). Trong đó kênh gật và hướng có cấu trúc giống<br /> nhau, sử dụng để ổn định chuyển động ngang tên lửa, nên ta chỉ xét việc lựa chọn tham số và<br /> đặc trưng cho hệ ASS kênh điều khiển ổn định góc gật làm đại diện.<br /> 1. Sơ đồ cấu trúc và các đặc trưng của hệ ASS với hồi tiếp theo VTG và GTT<br /> Hệ ASS trên khoang với hồi tiếp theo VTG và GTT là hệ kín phổ biến, được sử dụng để điểu<br /> khiển và ổn định tên lửa trong điều kiện tên lửa có (hoặc không có) dự trữ ổn định tĩnh. Sơ đồ cấu<br /> trúc điển hình của một kênh ASS theo [1,4] được dẫn ra trên hình 3, có chỉ rõ những mối liên hệ<br /> xuất hiện khi tên lửa chuyển động như vật thể cứng có tính tới tính chất đàn hồi của thân. Mạch<br /> hồi tiếp theo GTT bảo đảm tính ổn định của hệ điều khiển kín khi dự trữ ổn định tĩnh (a2