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Command Control and Simulation

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2025 , Vol. 47 >Issue 1: 114 - 118

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.015

Simulation & Evaluation

Research on the efficiency of rocket mine laying under the different wind speed and wind direction

  • TU Jiangang ,
  • WANG Wei ,
  • ZHAO Kuisheng ,
  • CHEN Shi
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  • Army Engineering University of PLA, Xuzhou 221004, China

Received date: 2024-04-03

  Revised date: 2024-07-02

  Online published: 2025-01-20

Fold

Abstract

During the operation of rocket mine laying system, due to the influence of wind speed and direction, the landing position of the mine is prone to deviate from the predetermined position after opening the cabin, which leads to the decline of mine laying operation efficiency. In this paper, a model for evaluating the operational efficiency of rocket mine laying bomb is established, the relationship between wind speed and wind direction and the landing position of rocket mine laying bomb is simulated and analyzed. The operational efficiency of rocket mine laying bomb is verified. The simulation results show that the rocket mine laying bomb is affected by crosswind level Ⅳ, and the landing position deviates greatly from the predetermined position. When the longitudinal wind speed reaches level VI, the land position of the rocket mine bomb deviates greatly from the predetermined position. The research results demonstrate the quantitative relationship between the operational efficiency of rocket mine laying bombs and wind speed and direction, which provides methodological support for the rational use of rocket mine laying system in actual combat environment.

Key words： mine laying; landing position; operational efficiency; simulation analysis

Cite this article

TU Jiangang , WANG Wei , ZHAO Kuisheng , CHEN Shi . Research on the efficiency of rocket mine laying under the different wind speed and wind direction[J]. Command Control and Simulation, 2025 , 47(1) : 114 -118 . DOI: 10.3969/j.issn.1673-3819.2025.01.015

地雷能够迟滞敌方行动,破坏敌方战术企图,在现代战争中得到了广泛的应用[1]。远程火箭布雷系统通过发射火箭布雷弹可以远距离布设雷场,防御敌方坦克、步兵等进攻部队[2]。火箭布雷弹的组成主要有战斗部和火箭发动机。战斗部包括雷舱、可撒布地雷和开舱装置。火箭发动机点火发射后将战斗部运送到预定位置的上空,通过开舱装置将地雷或水雷撒布到地面。火箭布雷精度是衡量其作业效能的重要指标[3],包括射击精度和射击密集度,影响火箭布雷作业效能的因素包括风速、风向环境温度、大气压力、设备系统误差、弹体误差等,其中风速、风向是影响火箭布雷作业效能的重要因素。潘军军[4]通过建立自适应步长的龙格-库塔法的外弹道模型,解算布雷弹落点位置,但是没有考虑风速风向的影响。阚菲菲等[5-6]通过搭建仿真实验场景,分析不同风向条件下火箭布雷弹发射开舱后地雷落点散布的规律,也没有考虑风速的影响。本文通过建立火箭布雷弹作业效能评估模型,仿真分析风速、风向与火箭布雷弹落点位置的影响关系,验证火箭布雷弹的作业效能。

1 火箭布雷弹轨迹运动过程

火箭布雷弹轨迹运动过程可分为3个阶段,如图1所示。第一阶段为主动段(曲线OS),火箭发动机携带战斗部点火发射,出定向管后到火箭发动机火药燃烧完;第二阶段为主动段末端到布雷弹开舱点,称为被动段(曲线SP);第三阶段为被动段末端到地雷降落伞系统着地[7](曲线PC)。
图1 火箭布雷弹轨迹

Fig.1 Trajectory of rocket mine laying bomb

2 火箭布雷弹仿真空气动力学模型

火箭布雷弹的飞行轨迹是涉及空气动力学的外弹道研究,通过实验测试,结合计算流体力学仿真,可以较为准确地获得火箭空气动力学参数。
在计算流体动力学中,对于非线性守恒方程,不论给定的初始条件是否光滑,流场中都会出现间断不连续的情形。因此,本文选择空间位置固定的极小有限控制体模型作为流体运动模型,流场中任一流线的动量方程以及能量方程如下[8]:
∂ ∂ t∫ΩρvdΩ+∫∂Ωρν(vn)dA=∫∂ΩρfedΩ-∫∂ΩpndA+∫∂ΩτndA
∂ ∂ t∫ΩρEdΩ+∫∂ΩρHv(vn)dA=∫∂Ωk(ΔTn)dA-∫Ωρ(fev+qn)dΩ
式中,Ω为流场空间中有限控制体;dΩ为流场空间中有限控制体Ω的外表面;dA为该流场空间中有限控制体外表面dΩ上任取的一微小面单元;n为dA外法线方向单位向量;v为流场空间中有限控制体Ω的速度矢量;ρ为流体密度,p为流体压强,t为流体绝对温度,T为流体粘性的应力张量,fe为单位质量流体单元所受体积力矢量,E为流体单位质量总能,H为流体单位质量总焓,k为流体热传导系数,τ为流体粘性应力张量。
流体单位质量总能E为
E=e+ v | 2 2=e+ u 2 + v 2 + w 2 2
式中,e为流体单位质量内能,u、v、w为速度矢量。流体单位质量总焓H为:
H=h+ v | 2 2=E+ p ρ
τ= τ x x , τ x y , τ x z τ y x , τ y y , τ y z τ z x , τ z y , τ z z
式中,τij为粘性应力作用在垂直于i轴平面指向j轴的应力张量分量[9]。

3 火箭布雷作业效能评估模型

布雷作业成功率是指火箭布雷弹发射后,地雷落入布雷任务区域、符合布雷密度要求的面积[10]。在没有外部环境干扰的发射条件下,火箭布雷弹的落点坐标满足正态分布,是二维随机变量,设某个落点的坐标为(x,z),则有
f(x,z)= ρ 2 π E x E z e - ρ 2 x 2 E x 2   + z 2 E z 2  
其中:ρ为常量,通常取值为0.477,Ex为纵向射程偏差,Ez为横向方向偏差。
根据《火箭炮定型试验规程》(GJB 349.13A—1997)规定,采用立靶密集度来衡量。方法如下:
假设一组射击实验,共发射了n发火箭布雷弹,其落点坐标用Xi、Zi表示,则其平均落点 X -、 Z -为:
X -= ∑ i = 1 n X i n
Z -= ∑ i = 1 n Z i n
纵向射程偏差Ex为
Ex=0.674 5 1 n - 1 ∑ i = 1 n ( X i - X - )
横向方向偏差Ez为
Ez=0.674 5 1 n - 1 ∑ i = 1 n ( Z i - Z - )
式(9)与式(10)中,0.674 5为单组射击时射程偏差与方向偏差计算系数。

4 火箭布雷作业效能仿真分析

4.1 横风条件下不同风速布雷弹落点仿真评估

设置仿真环境温度为20 ℃,开舱时间为40 s,火箭加速度为200 m/s2,雷伞系统质量为57.91 kg,火箭截面积为0.046 8 m2,雷伞截面积为0.070 9 m2,火箭阻力系数为0.2,雷伞系统阻力系数为0.5。
保持其他参数不变,改变环境风的风力等级,规定x轴方向的风为横风,且其正方向与发射方向相反,即风力越大风阻越大。图2为火箭布雷弹在不同速度横风2 m/s(Ⅱ级风)、4 m/s(Ⅲ级风)、6 m/s(Ⅳ级风)和8 m/s(Ⅴ级风)下的弹道轨迹。其落点位置如表1所示。
图2 不同横风下的弹道轨迹

Fig.2 Trajectory under different crosswinds

表1 不同等级横风下火箭布雷弹落点位置

Tab.1 Landing position of rocket mine laying bomb under different levels of crosswinds

等级 地雷1 地雷2 地雷3 地雷4 地雷5 地雷6
Ⅱ级风 14 909,
-341		 14 846,
-148		 14 551,
-158		 14 946,
-333		 14 763,
264		 14 927,
-311
Ⅲ级风 14 882,
-357		 14 622,
-314		 15 131,
318		 14 766,
-263		 14 602,
381		 14 986,
271
Ⅳ级风 14 523,
-101		 14 997,
84		 14 793,
73		 14 718,
-61		 14 849,
-247		 14 549,
312
Ⅴ级风 14 841,
-230		 14 639,
-353		 14 766,
58		 14 754,
342		 14 905,
226		 14 619,
-336
根据公式(10),计算不同横风等级下,布雷作业效果。当布雷弹落点在以预期布雷地点为中心,半径为200 m的圆形范围内即为作业成功,判定结果如表2所示。当风力等级为Ⅱ级风和Ⅲ级风时,布雷作业评估为成功;当风力等级为Ⅳ级风、Ⅴ级风时,布雷作业评估为失败。
表2 不同等级横风下火箭布雷作业结果

Tab.2 The results of rocket mine laying operations under different levels of crosswind

风力等级 无风 Ⅱ级风 Ⅲ级风 Ⅳ级风 Ⅴ级风
落点位置
X/m		 20 992.3 20 968 20 875.28 20 783.0 20 688.8
评估结果 参照 成功 成功 失败 失败

4.2 纵风条件下不同风速布雷弹落点仿真评估

规定z轴方向的风为纵风,纵风越大火箭布雷弹纵向偏移也越大。保持其他参数不变,改变环境中纵风的风力等级,研究其在不同风场中的发射规律。图3为火箭布雷弹在环境温度为20 ℃,发射角为60°,开舱时间为50 s时,不同速度纵风4 m/s(Ⅲ级风)、6 m/s(Ⅳ级风)、8 m/s(Ⅴ级风)和12 m/s(Ⅵ级风)下的弹道轨迹。不同纵风条件下,火箭布雷弹的落点位置如表3所示。
图3 不同纵风下的弹道轨迹

Fig.3 Trajectory under different longitudinal winds

表3 不同等级纵风下火箭布雷弹的落点位置

Tab.3 Landing position of rocket mine laying bomb under different grades of longitudinal wind

等级 地雷1 地雷2 地雷3 地雷4 地雷5 地雷6
Ⅲ
级风		 15 056,
-104		 14 825,
-302		 14773,
-278		 14 602,
-225		 15 218,
-216		 14 767,
22
Ⅳ
级风		 15 074,
-482		 14 918,
-148		 14 801,
-567		 14 899,
-228		 14 786,
-237		 15 048,
-252
Ⅴ
级风		 15 156,
-1 197		 15 131,
-652		 14 897,
-726		 15 071,
-1 120		 15 142,
-968		 14 881,
-1 130
Ⅵ
级风		 15 040,
-1 230		 14 630,
-1152		 14 685,
-996		 15 096,
-1 764		 15 074,
-1 516		 14 596,
-1 272
根据公式(9),计算不同纵风等级下的布雷作业效果。当布雷弹落点在以预期布雷地点为中心,半径为200 m的圆形范围内即为作业成功。判定结果如表4所示。
表4 不同等级纵风下火箭布雷作业结果

Tab.4 The results of rocket mine laying operations under different levels of longitudinal wind

风力等级 无风 Ⅲ级风 Ⅳ级风 Ⅴ级风 Ⅵ级风
偏移距离
Z/m		 0 33 71.1 121.3 252.6
评估结果 参照 成功 成功 成功 失败
根据表4数据,随着风力等级逐渐增加,火箭布雷弹的偏移也不断增加,从Ⅲ级风的33 m增加至Ⅵ级风的252.6 m。此外,观察弹道轨迹可以发现,横风对火箭布雷弹第三阶段的影响最大,此时偏移也最大,这是因为降落伞系统阻力系数大,横截面积也较大,因此,风阻较高,受环境风场影响最大。因此当风力等级低于Ⅴ级风时,布雷作业成功,当风力等级达到Ⅵ级风时,布雷作业失败。

5 结束语

本文通过建立火箭布雷弹飞行过程空气动力学模型与效能评估模型,并仿真分析不同风速、横风、纵风条件下,火箭布雷弹落点的位置精度。仿真结果表明,横风条件下,当风速达到Ⅳ级风速时,火箭布雷弹受风影响,落点位置偏离预定位置较大,发射失败。本文纵风条件下,当风速达到Ⅵ级风速时,火箭布雷弹落点位置偏离预定位置较大,发射失败。本文通过仿真研究风速风向对火箭布雷弹的作业效能,以期为装备实战提供指导。但是需要说明的是,当前研究条件限制为横风、纵风与火箭布雷弹的运动轨迹角度始终固定,后续工作需要对变化风向对火箭布雷弹作业效能进一步研究。

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