Ghostscript wrapper for D:\Digitalizacja\MTS87_t25_z1_4_PDF_artykuly\01mts87_t25_zeszyt1_2.pdf M ECH AN IKA TEORETYCZNA 1  STOSOWANA 1/ 2,  25,  1987 WARUNEK  OS CYLACYJNOŚ CI  WAHAŃ  RAKIETY  JAKO  KRYTERIUM DOBORU  DŁUGOŚ CI  WYRZUTNI STANISŁAW  D U BI E L RYSZARD   KU R N ATOWSKI W ojskowa  Akademia T echniczna 1.  Wstę p Zejś cie  rakiety  z  prowadn ic  wyrzutni  posiada  istotne  znaczenie  w  dynamice  rakiet zarówno  sterowanych  jak  i  niesterowanych.  W  przypadku  rakiet  sterowanych  decyduje o  wejś ciu w pole  sterowan ia,  a wię c o realizacji  zadan ia w ogóle. W przypadku  natomiast rakiet  niesterowanych  wpł ywa  w  sposób  istotny  n a rozrzut. Proces  dynamiczny  po  zejś ciu  z  wyrzutni  zależ y  w  zasadniczy  sposób  od  prę dkoś ci zejś cia,  a  t a  z  kolei  od  dł ugoś ci  prowadnic  i  przyspieszenia  zespoł u  napę dowego,  oraz charakterystyki  aerodyn am iczn ej. Okreś lenie zatem wł aś ciwej  dł ugoś ci prowadnic wyrzutni odgrywa  zasadniczą   rolę   w  badan iu  dynamiki  ruchu.  Rozwią zanie  tego  problemu  jest przedsię wzię ciem  bardzo  skom plikowanym  ze wzglę du  n a  konieczność  speł nienia wielu kryteriów  ograniczają cych.  Przyję ta  dł ugość  prowadnicy  powinna  zapewnić  osią gnię cie przez  rakietę   pewnych  począ tkowych  param etrów  lotu,  z  których  najważ niejszym  jest prę dkość  począ tkowa  rakiety  V o .  P aram etr ten determinuje  w  znacznym  stopniu zacho- wanie się  rakiety  po zejś ciu  z prowadnicy  wyrzutni  n a niekierowanym,  aktywnym  odcinku toru. Zasadnicze  kryterium  wedł ug  H elm holtza  [1] wymaga  peł nej  stabilizacji  lotu  zakł óco- nego  rakiety  po zejś ciu  z  wyrzutn i. Jako  kryteria  ograniczają ce  przyję to: 1.  Stateczność dynamiczną   rakiety  p o zejś ciu  z  prowadnicy  wyrzutni,  którą   dla  ruchu przyspieszonego  w  zakresie  M  =  04- 0.5  sprowadza  się  do zachowania  oscylacyj- noś ci  zmian  ką ta  n atarcia  a. 2.  Z achowanie  dopuszczalnych  wartoś ci  ką ta  przepadania  i  pochylenia  stycznej  do toru  Ay  przy  zadan ej  prę dkoś ci  koń cowej  V k . Warunek  oscylacyjnoś ci  ruchu  rakiety  po zejś ciu  z wyrzutni  był  wykorzystywany  jako kryterium  doboru  dł ugoś ci  prowadn ic, ale przy  zastosowaniu  znanej  metody  zamraż ania współ czynników  równ an ia  wah ań  podł uż nych  [2]. Z asada  zamroż enia eliminował a wpł yw przyspieszenia  zespoł u  napę dowego,  który  jest  bardzo  wyraź ny,  szczególnie  przy mał ych prę dkoś ciach  ruchu.  N ic też dziwnego,  że otrzymywano  dł ugoś ci prowadnic niepomiernie dł ugie  i  rzadko  spotykan e  w  praktyce.  Wł aś ciwą   odpowiedź  daje  badan ie  statecznoś ci 110 S.  D U BIEL,  R .  KU RN ATOWSKI ruchu  nieustalonego,  a  wię c  ze zmiennymi współ czynnikami  równania.  Problemowi temu poś wię cone  jest  niniejsze  opracowanie. 2.  Wyprowadzanie  równania  ruchu  rakiety Rozważa  się   pł aski ruch  rakiety  w  pł aszczyź nie  pionowej,  ograniczają c  się   do  zakresu ką tów  n atarcia  a,  umoż liwiają cych  linearyzację   charakterystyki  aerodynamicznej.  Przy- ję to  również,  że  w  przedziale  0 -  0.5  M   współ czynniki  aerodynamiczne  są   niezależ ne od liczby  M acha. Przy  zał oż eniach  tych  m am y: —  Cx0, (2.1) 1  d a a. dy dd U kł ad  równań  opisują cych  ruch rakiety  w pł aszczyź nie pionowej jest  nastę pują cy: m —j- mV• - ' L dt «- p x , - mgcosy + T sin / 0. P onieważ v  /R/n  i-   AV+BV  + CV  + DV+E  ,, h m  # ( / ) =   h m  >  jr^  =  4  (3. i  dla rakiety  mają cej  speł niony  warun ek  statecznoś ci  statycznej  C « < 0 a wię c  zgodnie z  zależ noś cią   (2.14)  lub  (2.19) lim  0(1)  =  A  > 0  (3.2) ; - * oo Wtedy  warunek  oscylacyjnoś ci  rozwią zań  (2.11)  sprowadza  się   d o : (3.3) X  M ech.  T eoret.  i  Stos.  1—2/ 87 114  S.  D U BI EL,  R .  KU RN ATOWSKI dV W najczę ś ciej  spotykanych  przypadkach przy  pracują cym  zespole  n ap ę d o wym - -̂   >  0. U wzglę dniając  pon ad  t o , źe  V  >  0,  otrzymamy  warunki  (2.23)  w  postaci: F X (V)  =   AV4+BV3  + CVZ  + DV+E  >  0, F 2 (V)  =  BV 2   + 2CV 2  + 3DV+AE  <  0. Aby  okreś lić V Omin ,  dla  której  warunki  (3.4)  są   speł nione,  rozpatrzm y  przebieg dla  róż nych,  technicznie moż liwych  przypadków  warunkują cych  wielkość  i  zn ak  współ - czynników  A,  B,C,D'\   E.  Jak  wykazano  wyż ej,  dla wszystkich  rakiet  mają cych  zapewnio- ną   stateczność  statyczną   A  >  0. W  najczę ś ciej  technicznie  spotykanych  przypadkach  współ czynnik  B  jest  ujemny, m s m < dl y dt If gdyż zazwyczaj  projektuje  się   rakiety  w taki  sposób,  aby  —-   <  —- —-   n atom iast,  wiel- y koś ci  pozostał ych  współ czynników  wyraż eń  (2.15)  są   tego  samego  rzę du.  Współ czynnik C  dla  rakiet  z pracują cym  zespoł em  napę dowym  jest  przeważ nie  ujemny,  ale  nie  wyklu- czone  są   też i takie przypadki, n p. dla  a T   =   gsinyi,,  lub  Cf,  =   0,  że  otrzymamy  C  >  0. Wielkość  i  znak  współ czynnika  E  zależy  od  ką ta  nachylenia  stycznej  d o  t o ru . W  zakresie: — arcsin j/ 0, 4  <  y  <  arcsin ]/ 0,4  (3,5) m am y:  E  <  0,  dla  pozostał ych  ką tów  E  >  0. Ponieważ  dla  E  ź  0: lim  &[V(l)]  =   oo - signE,  (3.6) lub  w  przypadku,  gdy  E  =   0 lim  &[V(I)] -   co •   sign C .  (3.7) Miejsca  zerowe  0(V)  i  &'(V)  pokrywają   się   z  odpowiednimi  zerami  wielomianów F t (V)  i F 2 (V).  Zgodnie z  reguł ą   D escartesa  [6], w  zależ noś ci  od  iloś ci  zmian zn aku  współ - czynników  A,B,  C  i  E  wielomian  F t (V),  a  wię c  również  i  0(V)  może  mieć  trzy,  dwa, jedn o  lub  nie  mieć  wcale  rzeczywistych  zer  dodatn ich  (dla  V  >  0).  Wobec  powyż szego wykresy  &(V) i   po  przekroczeniu  której  zmiany  ką ta  .natarcia  a  spowodowane  zakł óceniam i  p o - czą tkowymi  bę dą   miał y  charakter  oscylacyjny,  gdyż  zostaną   speł nione  warun ki  (3.3) wynikają ce  z  twierdzenia  Szturma.  Rozwią zanie  ukł adu  (3.4)  w  celu  wyznaczenia  F o moż na  dokon ać metodam i numerycznymi  lub  graficznie  przyjmują c: V OmU   =*  max{Vou  V O j),  (3.8) gdzie: V 0 {  —  miejsce  zerowe  Fx(V), V o j  —  miejsce  zerowe  F 2 (V). Projektowana  dł ugość  prowadnicy  musi  być  tak  dobran a,  aby  gwarantował a  osią g- nię cia  tej  prę dkoś ci  przed  zejś ciem  rakiety  z  prowadnicy  wyrzutni. D O BÓ R  D Ł U G OŚ CI  WYR Z U T N I 115 E 0  C < 0 lub  E < 0  B < 0  C > 0 lub  E < 0  B > 0  C > 0 Rys.  2 4.  Okreś lenie minimalnej  długoś ci  prowadnic  wyrzutni M inimalną   dł ugość  prowadn ic  wyrzutni  m oż na  okreś lić  znają c  zmianę   prę dkoś ci rakiety  w  czasie  ruch u  po  prowadn icach  wyrzutni. R ównanie  róż niczkowe  opisują ce  ruch  rakiety  p o  prowadnicach  jest  analogiczne  do pierwszego  równ an ia  u kł ad u  (2.2) (przy  stał ej  sile  tarcia  podpór  rakiety  o  prowadnice wyrzutni).  P ominię cie  pozostał ych  równań  wynika  z  istnienia  równowagi  sił  normalnych z  reakcjami  belki  wyrzutn i: dV —— =   T ~mgsin0 o ~P x —R, (4.1) gdzie:  i? —si ł a  tarcia  p o d p ó r  rakiety. R ówn an ie  (4.1)  po uwzglę dnieniu  zależ noś ci  (2.4)  m oż na  przedstawić  w  postaci: (4 . 2 ) 116 S.  D u BI E L ,  R .  KU RN ATOWSKt Jeż eli  oznaczymy: Rys.  3 n =   2(a T - gsm0 Q )- 2  — m (4.3) i  przejdziemy  na  drogę   jako  zmienną  niezależ ną   otrzym am y: h~C x V\   (4.4) gd zie:  C x   —  ht>C x . W  przypadku  ruchu  rakiety  po  prowadnicach  m oż na  przyją ć: «i  =   ctiir  =   con st.,  (4.5) C x   =  con st. Rozwią zanie  równania  (4.4)  z  uwzglę dnieniem  (4.5)  przy  zerowych  warun kach  po- czą tkowych  jest  nastę pują ce: V 2 (l)  =   - = i- ( l— e~^c').  (Ą (,\ Mają c  okreś loną   wg  zależ noś ci  (3.8)  V Oml „ moż emy  po  podstawieniu  do  wzoru  (4.6) obliczyć  dł ugość  prowadnic  wyrzutni  / 0: ską d: ponieważ: L   ~   - = -   In C x 1  ,  1 i- vimln -̂ < (4. 7) (4. 8) (4.9) to  rozkł adają c logarytm  n aturaln y n a szereg potę gowy  [5] i p o  uwzglę dnieniu  tylko  pierw- szego  wyrazu  tego  szeregu  zależ ność  okreś lają ca  minimalną   dł ugość prowadn ic  wyrzutni przyjmuje  postać  [7]: D OBÓR  DŁ UGOŚ CI  WYRZUTN I  117 l 0   = — —  (4.10) aimin Zależ ność  (4.6)  opisuje  zmianę  prę dkoś ci  takiety  zarówno  w  ruchu  po  prowadnicy wyrzutni jak  i w  locie  swobodnym .  Jeż eli  rozł oż ymy wystę pują cą  we  wzorze  (4.6)  funkcję wykł adniczą  w  szereg  potę gowy  i  uwzglę dnimy  tylko  dwa  pierwsze  wyrazy  tego  szeregu to  otrzymamy: V\ l)  £   aj  (4.11) Zależ ność  (4.1) po  podstawieniu  do  (2.8) pozwala  wyznaczyć  bezpoś rednio minimalną dł ugość  prowadnicy  wyrzutni.  Otrzymamy  wtedy: C d {l)  =  K d   + ~,  (4.12) ldL  \ 1  m,  1  1  \   dt  m s   1 gdzie    0,  (4.18) (4.19) (4.20) 118 S.  D U BIEL,  R .  KU RN ATOWSKI Warunek  oscylacyjnoś ci  rozwią zań  równania  (4.16)  wynikają cy  z  twierdzenia  Szturma t o : A*l)/ T +B*l+C*\ / l  +D* 95(0 ~ ifT ~ ' 0. 1  5*/ + 2C*j/ 7  + 3- 0* i- - ~ (4.22) Oznaczając  j/ i  =   x  warunki  (4.22)  dla  /  >  0  sprowadzą  się  do  ukł adu nierównoś ci: Fi(x) =  A*x3+£*x*  + C*x+D*  >  0, F 2 (x)  =  B*x2 + 2C*x+W *  < 0. (4.23) Ponieważ  A*  >  0  i  £*  >  0;  C *  <  0;  Z>* >  0  t o  zgodnie  z  reguł ą  D escartesa  i^f*) posiada  jeden  lub  dwa  pierwiastki  rzeczywiste  dodatn ie.  N atom iast  F 2 (x)  może  mieć dwa  pierwiastki  rzeczywiste  dodatnie dla  A  =  4(C* — 3B*D*)  >  0  lub  nie mieć ich  wcale. Wobec  tego  przebieg  q>{l)  może mieć charakter jak  n a  rys.  4a,  4b, 4c. Rys.  4 5.  Przykł ad  obliczeniowy Obliczono  minimalną  dł ugość  prowadnicy  dla  rakiety  o  nastę pują cych  charaktery- stykach: m 0   =   75  [kg];  m s   =   10,25 kg 1- / , „  =   70  [kgm 2]; dt ;  s  =  0,256  [m2];  t n   =   0,47  [m ]; 0,0293;  Ci  =   1,514;  C ^  =   - 1; 755; D OBÓR  DŁUGOŚ CI WYRZUTNI 119 &  =   - 2 , 0 1;  C&  =  -   5,97  T   =   T max  =   con st « r = — =   40, 0;  26,7;  23, 3;  20,0 mg Wyniki  obliczeń  pokazan o  n a  rys.  5  i  rys.  6. VO i B i n l m / s ! i  1—n 0  15  30  Ł5  50  75  90  61° i 20 Rys.  6 6.  Wnioski W  niniejszej  pracy  rozpatrzon o  problem  wyznaczenia  dł ugoś ci  prowadnicy  wyrzutni akiet,  przyjmują c  ja ko  kryterium  oscylacyjność  zm ian  ką ta  n atarcia d  rakiety  po  zejś ciu z prowadnicy.  W  dostę pnej  literaturze jest  mał o  m ateriał ów analizują cych  warunki  startu pocisków  rakietowych  z wyrzutni  prowadnicowych.  D otychczas jako  kryterium  okreś lają ce dł ugość  prowadnicy  przyjm owano  prę dkoś ć,  przy  osią gnię ciu  której  sił a  n oś na  rakiety P z   przewyż szy  jej  cię ż ar  Q  [1]  lub  też  przyjmują c  jako  kryterium  oscylacyjnoś ci  ruchu rakiety  wokół   ś rodka  cię ż koś ci,  traktowan o  prę dkość  rakiety  jako  param etr  oraz  zanied- bywano  wpł yw  wielkoś ci  ką ta  pochylenia strzał y wyrzutni  n a prę dkość minimalną   pocisku [2]  i  [3]. P rzeprowadzon a  an aliza  wykazał a, że m in im aln a prę dkość rakiety  a zatem i minimalna dł ugość  prowadnicy  wyrzutni,  przy. przyję tym  kryterium  zależy  nie  tylko  od  takich  para- metrów  rakiety  jak  jej  charakterystyki  aerodynamiczne,  geometryczne,  cię ż arowe  oraz wielkoś ci  sił y cią gu  silnika  startowego,  lecz także  od  ką ta  pochylenia prowadnicy  wyrzutni w  chwili  startu. P onieważ  najczę ś ciej  t a  sama  wyrzutnia  zabezpiecza  start  dla  róż nych  ką tów  pochyle- nia,  zatem  należy  przyją ć  dł ugość prowadnic  dla  warun ków  dają cych  jej  wartość  najwię k- szą .  Jest  to  warunek  o  istotnym  znaczeniu. P ropon owan y  sposób  wyznaczania  minimalnej  dł ugoś ci prowadnic daje  wyniki  bardzo bliskie  spotykanym  w  praktyce.  Spotykane  dotychczas  kryteria  w  literaturze  dawał y wyniki  znacznie  przekraczają ce  dł ugoś ci w rozwią zaniach  praktycznych  i  to  nawet  kilka- krotnie.  T ak  n a  przykł ad  warunek  oscylacyjnoś ci  pomijają cy  zmianę   prę dkoś ci  (zamra- ż anie  współ czynników  równ an ia)  daje  dł ugoś ci  okoł o  4 - 5  razy  wię ksze  od  dł ugoś ci  wy- znaczonej  dla  lotu  n ieustalon ego. 520  S.  D U BI E L ,  R .  K U R N AT O WSK I Kryterium  oscylacyjnoś ci  dla  lotu  nieustalonego  należy  traktować  ja ko  warunek konieczny,  choć w  wielu  przypadkach  jest  decydują cy.  D odatkowym  warunkiem  może być  ograniczenie zmiany  pochylenia stycznej do toru  lotu, lub poł oż enie i wielkość obszaru sterowalnoś ci,  do  którego  rakietę   doprowadza  się   lotem  niesterowanym  [8]. Stanowi to jedn ak  oddzielny  problem. Literatura 1.  T .  M E P H JI JI J  F . F onEEPr, P .  F EU BM OJIBI;, Hcjiedoeanue onepaą uu,  óoeebie  naemu,  nycK cnapndoe,  M OC K - Ba>  1953 2.  Z .  P Ą C Z K O WSK I,  Balistyka  zewnę trzna  pocisku  rakietowego  artylerii  polowej.  Biuletyn WAT  6, 2, 1953. 3.  L.  WASI LE WSM ,  Zagadnienie  stabilizacji  począ tkowej  pocisków  rakietowych  brzechwowych.  Techn ika R akietowa  10,  1961 4.  3 .  KAM KE,  CnpaeomuK  no  oóbimoeembiM  dufiijiepemfuaMHbiM  ypaaueanM,  M O C K E R  1952. 5.  M . R.  Bbiroflcioiii,  CnpaeoiMuc  no  eticuteu  MameuamuKe, M O C K BH ,  1961. 6.  A.  T U R O WI C Z ,  Geometria  zer  wielomianów.  Warszawa,  1967 7.  J. B.  R OSSER , R . R .  N E WT O N ,  G . L.  G R O SS,  Mathematical  T heory  of  Rocket  Flight,  M e G r a w  G ill Book C om pan y  1947. 8.  S.  D U BI E L ,  Szerokoś ć  wią zki  i  wzmocnienie  sygnał u  niezbę dne  do  sterowania  rakiet.  Biul.  WAT  nr 11 1982  r. P  e 3  IO  M e yC JIOBH E  O C LT H JI Jm jH aH O C T H   K A^AH H il  PAKETLI  KAK  K P H T E P H ń ITOflEOPA JLHHHM   HAIIPABJlJnOUTHX n yC K O BO r O  yC T P O fł C T BA C oflepwam ieM   ciaTH   H BJiH eica  n poSjiawa  o n p eflen et u r a  MHHHMajiBHoił   flJiH H B nycKOBoro  ycrpoftcTBa  paKeTH bix  CHapHflOD.  K a it  KpnTepH H   n p in ia T a  ocqH JU iH miftH Ocn. n o  orH ouieH H M   K  ^eH Tpy  M accw  n o c n e  Bbixofla  H3 H a n p a Bn a io m H x  n ycKOBoro  ycrpoH CTBa. ypaBHeHHH   H BH ł Kemm  paKeTŁi  BbiBefleH bi  3aBHCHM0CTH   o n p e H e jM io m n e :  MHHHMaJiBHyw CKopocrb  Bbixofla  H3  H an paBjiH iom iix  n y  KoMii.  oG ecneMH BaiomyK)  0CŁ(HJiJiHą HHH0CTŁ  H3MeneHHH   yrjia aiaKH   a ,  a  Tai