导弹总体结构设计-3-导弹主要参数设计

导弹总体结构设计第三章主要参数的选择在第二章中我们已经讨论了导弹战术技术要求的确定方法。战术技术要求一经确定，不但明确了对导弹飞行性能等的要求，而且也有了进行导弹总体设计的依据。导弹设计的正问题描述：在导弹飞行性能及给定有效载荷质量的条件下，寻求能以最低成本保证摧毁典型目标的导弹参数。导弹设计的逆问题描述：在导弹系统研制经费及有效载荷给定的条件下，寻求保证对预定目标以最大杀伤或摧毁的导弹参数。§3.1概述一、导弹的主要参数定义：在导弹总体设计中，所谓主要参数，是指决定导弹飞行性能的那些参数。主要参数一般归纳：导弹的质量发动机推力导弹的参考面积（对有翼导弹来讲，一般指弹翼面积，对弹道导弹而言，一般指导弹的最大横截面积。）§3.1概述mPS战术飞行性能与主要参数的关系由导弹纵向运动方程：可得：§3.1概述cossindVmPaXmgdt200sin2kkVtxkVCPVdVgdtmm0tLVdt21S257.3yyaaVCPnmg二、典型弹道所谓典型弹道，是指代表典型设计情况的弹道，按它进行设计，则可以满足在导弹杀伤区（或攻击区）内所有可能弹道的要求。因此，典型弹道意味着某种设计指标的最严重情况。1、地空导弹典型弹道高近弹道（01）——最大高度，最小斜射程；高远弹道（02）——最大高度，最大斜射程；低远弹道（03）——最小高度，最大斜射程。§3.1概述04123minymaxymaxD①从耗油量严重情况来讲，显然，高远弹道与低远弹道是燃料质量的设计情况。通常，依高远弹道进行设计计算，按低远弹道进行校核计算。②从弹翼面积来讲，通常，高近弹道是弹翼面积的设计情况。可从以下分析看出：弹翼的主要功用是用来产生足够的法向力，以实现在攻击目标过程中导弹的可用过载大于需用过载。§3.1概述1243,ynynynynnnnn根据弹道可以看出，从可用过载来看，2max12yyaVCSYnmgmg由于高空与低空的空气密度相差很大，而是“1”点的导弹速度小于“2”点的速度，“1”点的导弹质量又大于“2”点的导弹质量，“1”点的可用过载比其余两条典型弹道的可用过载要小。这样，统一来看，“1”点的需用过载大，而可用过载小，故高近弹道（01）是考虑导弹机动性的主要设计情况。2、空空导弹典型弹道（1）考虑燃料消耗的严重情况最低作战高度（一般可取高度为3km）最大射击距离尾追攻击目标以最大速度直线飞行的状态§3.1概述MVmaxDmaxmaxmaxTDVtmaxTV0T0MmaxDmaxTV（2）考虑弹翼面积的设计情况a.当导弹只具有在目标尾部攻击能力时最大作战高度最小射击距离最大攻击角目标以最大内机动飞行状态§3.1概述maxDMVmaxTV0TminTRmaxqqmaxy（2）考虑弹翼面积的设计情况b.当导弹具有迎面攻击和离轴发射能力时最大作战高度最小射击距离最大离轴角导弹与目标迎击§3.1概述maxMVMminDmaxTVTminDmaxmaxy三、主要设计参数选择原则主要参数与战术飞行性能密切相关，必须保证满足战术飞行性能导弹的最低成本作为评价准则发射质量最小最为评价准则§3.1概述导弹总质量是由其各部分质量组成的。每一部分质量都与导弹的战术技术性能及其某些主要参数有密切的联系。为此，将各部分质量用导弹性能参数和主要参数来表示，并且将各部分质量综合在一起，组成导弹的质量方程，以求得它们与导弹总质量的关系。质量方程是表征导弹发射质量、有效载荷、结构特性、主要设计参数和燃料相对质量系数之间关系的数学表达式。§3.2导弹质量方程式的建立一、装有液体火箭发动机的二级有翼导弹质量方程式的建立二级有翼导弹由两级——第一级（助推级）和第二级（主级）组成，其发射质量可表示为下列形式：（一）导弹第二级质量方程式的建立§3.2导弹质量方程式的建立210mmm质量组成有效载荷：（包括战斗部质量和制导系统的质量）PmAmscm结构质量：1SBWRcsmmmmm动力系统质量：PPFestsmmmm§3.2导弹质量方程式的建立导弹第二级的质量可表示为：2PSPPmmmm将右边各项展开，并将两边同除以，可得：2m121PBWRcsFestsmmmmmmmmm（3.2.3）以下对上式各项进行分析：§3.2导弹质量方程式的建立①—燃料相对质量系数；2FFFkmmkm—考虑计算误等因素后所必需的燃料贮备系数，一般由经验决定。Fk②s2sseeeKmmm—推力室相对质量系数，它与发动机的类型、性能、材料及工作条件等有关。s2sstttKmmm—燃料输送系统相对质量系数，它与输送系统类型、流量和燃料比冲等有关。③2BBBmmKm—弹身相对质量系数，与导弹的过载、弹身结构型式等有关的参数。④§3.2导弹质量方程式的建立⑤2—弹翼相对质量系数。2RRRmmKm—尾翼相对质量系数。⑥1211cscscsKmmm—操纵系统相对质量系数。⑦§3.2导弹质量方程式的建立将①~⑦带入到3.2.3式中，可得或PPFkestsKkKK1SWBRcsKKKKK2PPSKKK式中，211[]PFkestsWBRcsmmkKKKKKK（3.2.4）221[]1PPPPSmmmKKK（3.2.5）§3.2导弹质量方程式的建立（二）第一级质量方程式的建立11(11.2)Fenmm第一级通常采用固体火箭发动机作为助推器，其质量可表示为：1Fm—助推级推进剂质量；1enm—助推级结构质量。111Fenmmm常采用发动机结构质量系数表示助推级的质量指标，可得11enenFmm式中系数1.2是考虑助推级上分离机构及稳定设备等附件的质量，一般可取1.2~1.3。§3.2导弹质量方程式的建立（三）全弹发射质量方程式的建立由令：可得：111100(11.2)(11.2)FenkenmmKmm012(1)(1)PmmKK（3.2.10）210mmm§3.2导弹质量方程式的建立二、多级固体火箭的导弹质量方程式的建立设导弹的级数为n，多级导弹总质量可表示成各部分质量之和：式中，—导弹的总质量（起飞质量）；—有效载荷的质量；—第级导弹弹体的结构质量（含伺服操纵机构等）；—第级导弹推进剂质量；—级数。0011()nPSiFiimmmmm001mmPmSimFimn§3.2导弹质量方程式的建立00,1iienitaiFimmmmmi第级（子火箭）导弹的总质量则可由下式确定：0,1im—指第i+1级导弹的总质量，对于最后一级即为有效载荷Pm和有翼导弹相同，有效载荷的质量一般由战术技术指标给定。可用下式表示0,1nPAcsammmmSienitaimmmi0im00,1iienitaiFimmmmm综上所述，第级导弹的总质量可写成下式，(3.2.15)1、固体火箭发动机的结构质量子级固体火箭发动机的结构质量包含燃烧室壳体质量、燃烧室防热层质量和喷管质量。引入固体火箭发动机结构质量系数，因此，固体火箭发动机的结构质量通常以推进剂质量和发动机结构质量系数来表示2、固体火箭尾段和级间段等的质量固体火箭尾段和级间段等的质量，除包括壳体本身结构质量外，还包含该级控制设备、伺服机构和电缆网的质量在内，初步计算时，可近似地认为与该级子火箭的总质量成正比，即§3.2导弹质量方程式的建立enieniFimmenitaimi0taiiimNm(3.2.16)(3.2.17)3、第级固体火箭推进剂质量§3.2导弹质量方程式的建立iFiFwiFimmmFwimFimFimi第级固体火箭推进剂质量可以用下式表示—根据战术技术性能确定的推进剂质量；—非工作储量，指起飞行前消耗量和工作完剩余量。FiwiFwimKm可通过修正系数来考虑非工作储量enieniwiFwimKm可得(3.2.19)(3.2.18)将式3.2.17、18、19带入到3.2.15中，可得§3.2导弹质量方程式的建立00,10(1)iiiiwieniFwimmNmKm引入火箭的推进剂相对质量系数0/kiFwiimm，则上式变成00,100(1)iiiiwienikiimmNmKm0,101(1)iiiwienikimmNK整理可得，或00,10(1)(1)iiikiwieniiNmmKm§3.2导弹质量方程式的建立0011[1(1)]PniwienikiimmmNK根据引入火箭级间质量比，可得0,10iiimm1(1)iikiwieniNK整理综合以上，可得多级固体火箭导弹的质量方程式为01020010203nPPmmmmmmmm§3.2导弹质量方程式的建立Note：实践表明，在导弹的各项相对质量系数中，燃料相对质量系数占比重最大，而且它与很多参数及导弹飞行性能有密切关系，因此，下面讨论它的计算方法。以上建立了多级固体火箭发动机导弹的质量方程，而对于采用液体火箭发动机的导弹，其质量方程的推导思路和形式与固体火箭发动机基本相同，只是液体火箭发动机的结构质量系数与固体火箭发动机的结构质量系数不同。导弹沿飞行方向的纵向运动方程式为：§3.3导弹燃料质量的一般表达式cossindVmPaXmgdt0000sinkikikikiiiiitVtttVttPdtmdVXdtmgdt积分求解上述微分方程式，并令可得：,1cosa对于火箭发动机，FsPmI且在全弹弹道上比冲取平均值，则00kikiiittFsFsttPdtmIdtmI可得燃料质量的一般表达式：0001sinkikikiiiiVttFVttsmmdVXdtmgdtI导弹燃料质量一般表达式的物理意义分析：§3.3导弹燃料质量的一般表达式0001sinkikikiiiiVttFVttsmmdVXdtmgdtI第一项表示用于增加导弹速度所消耗的燃料量；第二项表示导弹在飞行过程中克服阻力所消耗的燃料量；第三项表示导弹用于克服重力在速度方向的分量所消耗的燃料量。燃料相对质量系数求解方法：数值积分法解析法来求解原因：在导弹设计初期难以确切知道导弹运动微分方程组各项技术参数，无法求解。通过寻求能表征导弹运动特征的相对参量来取代方程中的绝对参量，形成相对量运动微分方程，从而可结合具体需要找出符合特殊设计要求的参数。一、有翼导弹相对量运动微分方程式的建立在导弹初步设计阶段通常只研究导弹在垂直平面内的质心运动（或水平平面内的质心运动）。§3.4导弹相对量运动微分方程式垂直平面内导弹质心运动方程：§3.4导弹相对量运动微分方程式02222'221cossin21sincos2cossinxyrtFFtdVmPVCSmgdtdmVPVCSmgdtdxVdtdyVdtDxytmmmdtmm引入相对量参数：§3.4导弹相对量运动微分方程式表示导弹在某一瞬时t所消耗的燃料相对质量系数。sIdtdPg（2）2221mmmm（3）sFPIm2PPmg由比冲定义，再引入相对量（推重比），可得：02tFtmdtm（1）§3.4导弹相对量运动微分方程式另外，引入相对量（翼载），将（1）、（2）、（3）式与三个相对量代入到方程式中，可得相对量运动微分方程式：20mgPS202022sin121cos121sincossxssysssssrIVCIIdVdPpPVCIIIdVdPpPIdyVdPgIdxVdPgDxyVM导引方程的相对量形式