常规基于小扰动线性化处理的建模方法,忽略了参数偏差的高阶项,很可能造成高超声速飞行器高动态环境下扰动运动模型的不准确.针对此问题,提出了保留运动参数偏差二阶高次项的非线性扰动运动模型的建立方法;应用常微分方程理论,给出了具有非线性扰动运动模型的飞行器动态特性分析方法;针对参数变化不大和有较大变化参数的典型特性点进行了验证分析.结果表明,对于扰动量不大的特性点,基于线性扰动运动模型的稳定性与非线性扰动运动模型的稳定性分析结果一致;对于扰动量较大的特性点,基于线性扰动运动模型的稳定性与非线性扰动运动模型的稳定性分析结果存在差异.在对具有大动态环境的飞行器特性点进行动态分析时,必须要考虑模型的非线性影响.

为研究大展弦比巡航导弹在弹性振动时的侧向动态特性,采用NASTRAN软件计算了结构的固有模态,分析了弹性振动时的附加非定常气动力,建立了刚体扰动运动方程组,将弹性振动引起的附加非定常气动力作为干扰输入项代入扰动运动方程组,得到了弹性振动下的动态响应.结果表明,大展弦比巡航导弹的弹性振动主要为翼面的振动;在满足气动与结构稳定的前提下,弹性振动引起的侧滑角偏量非常微小;倾斜角偏量比较大,各姿态角都在做微幅高频振荡,对弹上惯性器件的测量将造成不利影响,必须采取滤波等方式将此不利因素消除.

为解决高超声速飞行器俯冲段载荷抛撒问题,提出了基于抛撒点弹道参数组合与载荷落点映射关系的高精度载荷抛撒制导方法.采用人工神经网络方法建立了抛撒点弹道参数组合与载荷落点的映射关系,极大地降低了存储量并且提高了在线计算效率.在建立的映射关系基础上,通过设计飞行器向固定点、固定状态导引的制导律,给出了抛撒点固定的载荷抛撒制导方法;为了提高载荷抛撒的灵活性,采用预测-校正思想,给出了抛撒点实时确定的预测-校正载荷抛撒制导方法.CAV-H飞行器的载荷抛撒制导仿真表明,2种载荷抛撒制导方法获得的落点精度分别为300m与17m,所提出的2种制导方法涵盖了载荷抛撒制导的2类主要方案,可互为重要补充,能够为高超声速飞行器俯冲段高精度载荷抛撒提供参考.

为了研究导引头隔离度对末制导炮弹控制系统稳定性的影响,给出了导引头无量纲隔离度的概念,建立了末制导炮弹的制导控制系统模型;在忽略所有环节动力学的末制导炮弹简化制导控制模型中,推导了由初始指向误差角引起的末制导炮弹位置误差解析解,并进行了无量纲化;定义了表征末制导炮弹制导精度的量,在考虑所有环节动力学的情况下,引入了末制导炮弹的实际参数,分析了导引头无量纲隔离度对末制导炮弹制导精度的影响.得到了末制导炮弹控制系统在导引头无量纲隔离度x和无量纲量B1所形成平面上的稳定域;当x和B1超出稳定域时,末制导炮弹控制系统就会失稳.

为高精度预测弹道导弹落点,提出了高精度落点预测算法,即首先基于椭圆弹道粗估计所划定的落点范围搜索可能目标,然后基于4D外弹道模型应用遗传算法对弹道导弹弹道进行精细预测.该算法可快速划定目标搜索范围并精确生成弹道导弹轨迹;以导弹必定攻击我方军事目标的基本假定改变了以往算法仅依靠弹道特性的局限,并支持多弹头弹道导弹的落点预测.仿真实验表明该算法的运行时间平均在2s以内,精度在100m范围,可以满足弹道导弹预警的时间和精度要求,也可为多弹头同时预测落点.

为了完整描述破片战斗部打击轻装甲目标的全过程,建立了破片战斗部打击仿真系统.该系统实现了基于LS-DYNA计算结果的动态破片场生成,使用射击迹线仿真模型确定了破片的飞行弹道,采用THOR模型分析了目标的侵彻毁伤.该系统使用标准C++和glut库进行程序编译,实现了虚拟打击仿真的三维漫游显示.以某战斗部为例进行了算例分析,并与试验进行了对比,结果表明,仿真与试验的破片着靶总数基本一致,但在分布上有一定的差别;利用该系统进行战斗部设计和评估能够减少靶场试验次数和降低试验费用.

针对用磁阻传感器测量旋转弹滚转姿态的问题,提出了磁阻传感器滚转角及磁阻传感器滚转角速率的概念,给出了磁阻传感器测量方程和磁阻传感器滚转角速率的测量方程.经过理论推导给出了弹体滚转角速率与磁阻传感器滚转角速率的关系式,分析结果表明弹体滚转角速率与磁阻传感器滚转角速率之间的测量误差受弹丸俯仰姿态、偏航姿态和射向的影响.数值仿真表明,弹丸滚转角速率的地磁测量方法在一定条件下是可行的,但在工程实际应用中难以保证滚转角的精确测量.

为了精确测量兵器外弹道试验中弹丸着靶坐标,采用光电管和线阵CCD成像器件分别构建模拟光幕和图像细分光幕,3个模拟光幕与1个图像细分光幕构成四组合光幕阵列,4个模拟光幕与1个图像细分光幕构成五组合光幕阵列.给出了组合光幕阵列测量着靶坐标的原理,分析了测量误差并进行了仿真.结果表明所提方法能实现射击弹丸的弹着点坐标的测量,在2m×2m靶面测量误差小于1.7mm,与六模拟光幕阵列相比,提高了测量精度,简化了阵形结构.

针对薄片多体气动力干扰问题,建立了相关的控制方程和湍流方程,分别采用二阶迎风格和全隐式方法进行空间离散和时间离散,建立了含碰撞响应的非结构动网格方法.利用耦合求解Navier-Stokes方程和刚体动力学方程,数值模拟了薄片多体沉降过程.数值模拟结果与试验记录的运动状态符合较好.对薄片多体沉降干扰非定常流场结构变化的分析和对其流动机理的研究结果显示,多体间的干扰不仅改变物体的运动姿态,而且促进分离.近距的初始相对位置下,薄片运动初期产生接触,提供了物体分离的反向冲量.薄片在干扰作用下滞空翻转并存在互斥的趋势,侧缘形成附着涡,伴随着物体运动发展脱落.

为有效降低弹药前舱对聚能射流的干扰作用,提高射流穿过前舱后的侵彻威力,设计了一种新结构药型罩.通过将前舱等效为均质靶板的等效方法,得到了均质等效靶的等效厚度.利用AUTODYN-2D数值仿真软件分别对新结构药型罩和常规药型罩射流侵彻等效前舱作用过程进行了数值计算,并对射流穿过等效前舱后的侵彻孔形进行了理论计算.结果表明,与常规药型罩相比,新结构药型罩降低了等效前舱对射流的能量消耗,提高了射流穿过等效前舱后的头部速度和射流能量,对带等效前舱钢筋混凝土目标的侵彻深度提高了11.7%以上,理论计算和试验孔形基本吻合.新结构药型罩射流对前舱的抗干扰能力明显优于常规药型罩.

为研究加强筋结构靶的抗弹性能,采用动量守恒定理,分析了截卵形弹体正侵彻加强筋结构靶的过程,给出了加筋靶破坏变形后凿块质量和花瓣等效质量的理论计算,得出了弹体剩余速度与位移、侵彻位置等物理量之间的关系;通过计算侵彻不同位置时弹体运动过程中筋形成花瓣的动量,得出筋产生最大动量的侵彻位置是弹体的截顶圆与筋中心线相切的位置;对理论计算与实验和数值计算进行了比较,结果表明三者是吻合的.

针对环形起爆网络在多模成型装药上的应用问题,利用LS-DYNA仿真软件,通过改变环起爆位置,研究了起爆环距离药型罩的轴向距离和起爆环半径对形成侵彻体的速度、长径比等参数的影响规律.分析结果表明,起爆环半径对EFP成型的影响比较大,当起爆环半径从0倍增加到0.5倍装药口径时,EFP头部速度提高了37%,长径比增加了6.6倍;当起爆环到药型罩的轴向距离从0.34倍装药口径减小到-0.06倍装药口径时,侵彻体速度减小了42.7%,长径比降低了72.6%.数值模拟结果与脉冲X光摄影试验结果吻合较好,仿真与试验结果表明侵彻体速度和长径比与起爆环到药型罩的距离和起爆环半径分别呈线性变化和抛物线规律变化.

为了研究复合固体推进剂裂纹开裂过程,利用粘聚区模型理论构建了复合固体推进剂断裂过程的物理和数学模型;推导了粘聚区单元的有限元离散格式;结合ABAQUS二次开发技术对裂纹扩展过程进行了数值仿真,获得了HTPB推进剂Ⅰ-Ⅱ型裂纹扩展过程中的裂纹扩展路径和裂尖应力变化情况.分析了粘聚区本构参数对仿真结果的影响,确定了其取值范围.将仿真和实验对比,结果表明所建立的数值仿真方法可以较为准确地模拟复合固体推进剂裂尖的损伤应力场,以及预测裂纹扩展路径;粘聚区模型可以为固体推进剂装药完整性和安全性分析提供可靠的分析计算方法.

为方便应用两相流动模型对火箭发动机进行性能预示以及提高性能预示精度,利用火箭喷管内的一维两相流动的数值计算数据,通过对火箭喷管一维两相流动参数与纯气相流动变化规律的对比计算与分析,得到火箭喷管在两相流动下的性能(包括质量流量、排气速度和压强比)计算公式.该计算公式考虑了两相流动中所有的因素,如比热比、凝聚相尺寸、凝聚相百分比,甚至喷管尺寸等,具有广泛的适应性.利用这些公式与理论计算结果进行了对比,结果表明其理论预示精度达到千分位至万分位,并使得两相流动模型在火箭发动机中的应用分析得到简化,有利于提高火箭发动机性能的预示精度.

为获得贫氧推进剂在压缩情况下的力学特性,运用单向压缩方法、显微镜及CCD图像传感器技术,研究了铝镁贫氧推进剂在常温下、不同压缩速率时的力学特性,得到其在压缩情况下的应力-应变关系、屈服应力和屈服应变与压缩速率之间的关系以及在压缩过程中推进剂表面形貌的变化.建立了贫氧推进剂压缩情况下的粘弹性本构模型.试验结果表明,贫氧推进剂在压缩情况下应力-应变关系分弹性段、应变软化段、塑性不稳定段和应变强化段;贫氧推进剂力学特性受压缩速率和温度耦合作用的影响,贫氧推进剂的破坏形貌没有明显的压缩速率效应;常温下,贫氧推进剂的屈服应力和屈服应变与压缩速率的自然对数呈线性函数关系;文中建立的粘弹性本构模型与不同应变率下的线粘弹性段试验结果符合较好.

采用密闭爆发器试验考察了可燃药筒定容点火性能,分析了装填密度与点火强度对可燃药筒定容点火性能的影响,并与4/7-单的定容点火特性进行了比较.结果表明,可燃药筒的点火过程分为3个阶段,电点火击发阶段、着火阶段与可燃药筒初始燃烧阶段.与4/7-单相比,可燃药筒的点火段压力上升迅速,燃气生成速率大,点火时间短.随着点火强度的提高,可燃药筒定容点火时间缩短,压力上升速率加快,而装填密度对药筒点火特性影响不明显.

使用泵喷射推进器推进在近水面运动的细长航行体时,将受到严重波浪力干扰及尾部水动力干扰,这对运动稳定性及深度控制精度具有显著影响.为抑制干扰,在建立深度通道动力学模型的基础上,设计了模糊控制器,应用模糊控制方法对深度控制系统进行校正.以使用泵喷射推进器推进在近水面运动的某细长航行体为控制对象,通过半实物仿真试验,对比了常规双环控制方法及该模糊控制方法,结果表明,模糊控制方法具有更高的控制精度,为使用泵喷射推进器推进的近水面灵巧航行体深度控制提供了一种可行的方法.

为获得存在压力扰动时的空泡形态变化规律,基于Logvinovich空泡截面独立扩张原理建立了空泡内压可变的非定常空泡扩张表达式,针对泡压非定常时域空间扰动模型,定义了3种内压扰动形式,分别就3种状态下空泡形态特性进行了仿真研究.仿真结果表明,建立的非定常空泡扩张表达式可用于描述多种内压扰动下空泡的扩张规律;切面空泡在内压的非定常变化中始终处于非稳定状态,但宏观主体空泡具有一定的自稳修正能力;在非定常状态下,空泡形态呈现出显著的可变形态及其与时间的强耦合关系;不同的内压状态可以显著改变空泡对于航行器的包裹程度,对航行器动力学特性产生较大影响.

为研究水下超空泡航行器巡航段稳定控制,保证弹道的可靠性,提出了对超空泡航行器的纵平面、水平面和横滚进行稳定控制.从超空泡航行器流体动力产生的机理出发,提出了一种适应于稳定控制的流体动力布局,建立了航行器空间运动模型,采用空化器首舵对航行器巡航段进行控制,利用极限操舵的控制模式降低了三通道之间的耦合.针对超空泡航行器稳定控制进行了系统动态特性仿真.仿真结果表明弹道航向稳定、深度偏差小、横滚振荡幅度可控;航行器运动参数可迅速达到期望值,过滤过程和稳定性满足系统要求,鲁棒性强.

为了研究某车载转管机枪的射击精度,了解武器系统工作的稳定性,基于多体动力学理论,结合车载转管机枪的结构特点,运用ADAMS软件建立了刚柔耦合的车载转管机枪发射动力学模型,利用该模型对车载转管机枪进行了动力学分析,得出其动力学特性,提出了提高机枪射击精度的改进方案,即改变托架结构及与座圈的连接方式,降低机枪射击时的火线高度.分析结果显示,改进方案系统的射击稳定性与动力学特性比原方案有所提高,为武器的研制提供了改进方向.

为研究车载导弹发射过程系统的动态响应和导弹的运动特性,从理论角度分析了发射过程系统的振动特性,并综合分析了导弹运动扰动原理.在对发射系统合理简化的基础上建立了整车刚柔耦合动力学模型,在模型中考虑了抛盖与燃气冲击载荷,进行了完整发射过程的刚柔耦合动力学仿真.所得仿真结果与试验数据相吻合.研究结果表明,所建刚柔耦合动力学模型能够较真实地模拟导弹发射过程,整个系统结构阻尼设计基本合理,能够满足战术要求.

为了提取弹体飞行状态图像的边缘进而解算俯仰角,采用图像二值化、轮廓结构形态滤波对图像进行预处理.在利用OSTU进行图像二值化时,提出了根据高斯分布的"3δ"特性进行阈值提取的改进.在获得飞行弹体边缘轮廓的基础上,基于骨架提取中轴线法,采用坐标变换重构弹体在三维空间的真实轴线方程来解算俯仰角.边缘检测及俯仰角测试实例表明,该检测方法能够从含有噪声的图像中获得较好的图像边缘,可实现飞行弹体俯仰角的高精度解算.