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

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