为了提高导弹的突防及精确打击能力,提出一种对协同作战的导弹进行攻击角度和攻击时间控制的方法.选取一枚导弹作为领弹,以目标为球心,以领弹距目标的距离为半径构造虚拟球体,根据从弹的理想攻击角在虚拟球体上确定从弹所对应的虚拟点.建立从弹与虚拟点的相对运动模型,然后基于最优控制理论设计了状态调节器,控制从弹逼近且跟踪虚拟点,最后实现几枚导弹攻击时间和攻击角度的协同.为了降低对从弹需用过载的要求,对虚拟点的轨迹进行了改进设计.仿真结果表明,所提出的控制方法及对虚拟点轨迹的改进设计是有效的.

为增强变后掠翼航弹的滑翔能力,研究了一种变后掠翼航弹的滑翔弹道优化设计问题.分析了变后掠翼航弹的气动特性,将弹道优化问题转化为最优控制问题,利用最小值原理,推导了滑翔段飞行距离最大的必要条件,在此基础上采用粒子群算法对攻角及后掠角进行寻优,形成了一种基于攻角与后掠角双变量控制的弹道优化设计方法.数值仿真算例表明,在满足状态方程约束的条件下,双变量比固定外形和常规单变量控制的航弹射程显著提高,寻优结果符合气动特性分布规律,通过最优控制和粒子群算法优化弹道的方法是可行的.

为研究变质心控制高速滑翔弹在下滑弹道上的动力学建模与弹道跟踪控制问题,基于Lagrange分析力学建立了滑翔弹在下滑纵向平面上的动力学方程,并将其转化为标准状态方程.在标准下滑弹道的某配平点上作小扰动线性化,然后根据LQR理论设计了飞行控制律.控制律通过沿弹头纵轴移动的滑块实现,可避免空气舵在高速飞行条件下的气动热烧蚀等问题.数值仿真表明,滑块具有强大的控制能力,只需在较小范围内移动即可有效控制弹头精准跟踪标准下滑弹道,验证了本文方法的有效性和可行性.

针对具有有界干扰的随机离散系统,通过构造闭合随机预测代价函数,利用随机极小值原理,推导了一种迭代形式的有限时域滚动反馈预测控制律,通过连续逼近方法给出了连续形式预测控制律算法,将该连续形式的预测控制算法应用于导弹制导律设计中,为了避免边值及计算量问题,推导了一种逼近预测制导律.仿真结果表明,该制导律具有弹道预测的特点,与比例导引律及增广比例导引律相比较,弹道终段过载较小.

针对大潜深AUV大幅变深时弹道参数变化显著、小扰动线性化模型偏差大的问题,提出了一种易于实现的纵向运动变结构控制方法.设计了控制切换函数和控制算法,分析了系统在状态空间内的运动,证明了切换面的可到达性和控制算法的稳定性,给出了消减控制抖振的改进方法.应用Simulink编程,进行了AUV六自由度运动仿真.仿真结果表明,采用改进的纵向变结构控制,AUV变深速度快、航迹平滑,控制效果好.

为研究随机风场和升阻比误差对空空导弹可攻击区的敏感度,基于某空空导弹模型与三维比例制导律以及随机风场模型等,通过大规模系统的导弹与目标对抗飞行轨迹仿真,迭代出了该空空导弹在各种(随机干扰)条件下的三维可攻击区.数值飞行仿真表明,随机风场和升阻比误差改变了空空导弹的可攻击区的形状和大小,这表明空空导弹的可攻击区对这些随机干扰具有较高的敏感度,当计算空空导弹的可攻击区时,必须考虑随机风场和升阻比误差,这具有明显的实际工程设计与空战应用的价值.

火炮弹丸的体积小、过载高、速度快,测量其飞行姿态难度大,针对此问题,提出了一种利用测速雷达实现旋转弹丸飞行姿态测量的方法.该方法通过在弹丸底部刻槽使其回波具备比较明显的线极化特性,以回波调幅指数表示弹丸飞行姿态.根据底部刻槽弹丸的表面结构,通过数值计算建立姿态角与调幅指数的对应关系,从射击试验弹丸的回波中处理出调幅指数,进而构建姿态角方程,辅以弹丸角运动规律解算出弹丸的飞行姿态.仿真分析表明,该方法是有效的.

为测定弹丸的瞬时速度与姿态,利用标定过的线阵像机,在镜面摄像法下从2个视角对运动中的弹丸进行扫描成像.在研究了线阵像机的动态成像方程后,利用若干个目标特征点和对应的图像点,建立测量问题数学模型;通过两步法求解出弹丸的速度、姿态和初始位置8个参数.对不同像机参数下的不同弹丸几何尺寸和不同的运动姿态参数进行了图像仿真和测量实验,结果表明算法的姿态测量误差优于0.4°,合速度的相对测量误差优于2%.利用线阵像机成像模型和最优化算法测量弹丸速度与姿态参数具有较高的精度.

为解决飞行目标攻角高精度测试问题,在深入分析狭缝摄影测试攻角方法的基础上,结合双线阵CCD交汇测试过靶坐标原理,给出了基于双序列线阵图像分析获得攻角的方法,研究了轴上点有效数据的识别算法,解决了攻角计算中2个方向的尺度对应问题,并设计了测试系统.实验室低速目标攻角测试实验验证了测试方法的可行性,研究的测试系统能够对长度(mm)/速度(m/s)大于0.3的圆柱形目标进行攻角测试.

针对地磁测量计算姿态角时容易受到测量环境干扰的问题,分析并建立了完整的磁测量数学模型,通过简化该模型,得出磁测量输出轨迹为椭球面分布,并利用最小二乘椭球参数拟合的方法,完成了基于椭球面分布的磁修正椭球参数估计.通过试验分析,基于椭球参数拟合修正方法的测量误差小于2%,有效地修正了测量环境及传感器本身带来的测量误差.

为了计算战斗部破片命中点参数,在考虑速度衰减条件下,利用射击线法提出了一种通过一次遍历求解所有破片命中点参数的计算模型.通过分析,获得解的3种存在条件,分别对应于单枚破片与目标面元的3种运动关系.以钢球破片为例,定量讨论了弹目交会参数和速度衰减系数对命中点参数的影响.结果表明,目标的运动速度和静态破片初速对命中点参数的影响比较大,导弹运动速度对命中点参数的影响较小.

为研究布撒器反跑道子弹药时序落点散布,并实现对子弹药时序落点的精确预估,分析了子弹药的运动模型以及飞行时序,影响子弹药落点的因素主要有投放初始条件、机构误差和风干扰.采用了神经网络与遗传算法相结合的方法,建立了落点散布的预估模型和仿真程序.仿真结果表明,该方法能够有效地描述反跑道子弹药时序落点散布,同时可以进行精确预估计算,可为布撒器的总体设计提供重要技术手段.

为了提高爆磁压缩电磁脉冲弹作战使用效能,根据该弹定向辐射特点,分析了爆磁压缩电磁脉冲弹定向辐射引战配合特性,建立了电磁脉冲弹引战配合的数学模型,给出了控制电磁脉冲弹引信最佳起爆时刻的数值计算方法.通过数值优化分析,给出了弹目交会参数对定向辐射天线对准精度的影响曲线.仿真图像表明,俯仰角参数对辐射天线对准精度影响最大.研究结论可为电磁脉冲弹攻击参数的计算和战术使用提供理论依据.

为了研究直接粘贴应变片对推进剂装药表面应变测量的影响,通过试验研究了某双基推进剂的松弛和蠕变行为,分别获得了推进剂的应力松弛模量和蠕变应变.在获得应力松弛模量的基础上,运用有限元方法分析了应变片对测量推进剂试样表面应变在蠕变情况下的影响,并与文献中的试验数据进行了对比分析.研究表明,在短时间内应变片的测量结果有一定的精度,该研究可为接触测量方法产生误差机理及量值提供参考,并为数值计算的准确性提供试验依据.

为研究等离子体对双基药的作用机理,对双芳-3进行了等离子体点火和常规点火试验.利用X射线能谱仪和扫描电子显微镜对试验后的样品进行了物理化学分析.对比样品分析结果,等离子体点火中大量Al和Cu粒子沉积在火药表层,可增加由火药表层向内部的热传导;同时,等离子体射流的冲击作用可使火药表面形成大量气泡和孔洞并产生微通道,增加了点、传火通道.

为了解复合底排推进剂中AP氧化剂的含量及AP颗粒的大小对推进剂表观燃速的影响,利用一种综合燃烧模型,通过对燃烧过程的简化,计算了AP氧化剂不同粒径尺寸对底排推进剂燃速的影响,并和实验结果进行了比较.在此基础上,对不同AP含量的底排推进剂燃速进行了预测计算.结果表明,AP含量越高,底排推进剂的燃速越大;AP颗粒尺寸与底排推进剂燃速是非线性、非单调变化的关系.当AP粒径小于150μm时,AP颗粒尺寸越大,推进剂燃速越低;但AP粒径等于200μm时的推进剂燃速略高于150μm时的燃速.

为研究改性单基发射药装药的内弹道特性,基于经典内弹道理论,建立了能够表征改性单基发射药燃烧特征的双气源项内弹道模型,制备了样品并进行了30mm火炮的内弹道试验验证.计算结果与试验结果相符合.通过模型计算,深入讨论了浸渍剂含量及分布、浸渍深度等因素对内弹道性能的影响.当浸渍含量分布函数为右抛物线类型时比左抛物线类型最大膛压降低了3MPa,初速提高了10m/s,实现了在较低最大膛压下更高初速的期望;浸渍深度在计算中出现临界值,当浸渍深度大于外层厚度的0.6倍时,能够得到初速增加而最大膛压不增加的内弹道效果.

为了研究AF-315液体单元推进剂在高压下的燃烧特性,设计了一种测量液体推进剂高压线燃速的实验装置,采用离子探针测速技术测定了液体推进剂燃烧时火焰面的传播速度.利用此实验装置,测量了AF-315在29.4～55.0MPa压力范围内的表观线燃速.实验结果表明,燃速与压力之间满足指数关系,但燃速系数及燃速指数在29.4～43.1MPa和43.1～55.0MPa内具有不同的值.通过最小二乘法线性拟合,分别得到了两压力区间内AF-315线燃速与压力的经验公式.

为了揭示斜爆轰的胞格结构,基于带化学反应的Euler方程,利用五阶WENO格式,对尖劈诱导的斜爆轰进行了数值模拟,分析了其非定常的波阵面结构.结果表明,斜爆轰波阵面被分为4个区域,依次是斜激波、类ZND结构、单三波点结构和双三波点结构.根据三波点的轨迹绘制了胞格结构,其中单三波点的轨迹为平行直线,而双三波点的轨迹为倾斜的鱼鳞状结构.如移除来流在斜爆轰波切向的分速度,得到斜爆轰法向的胞格结构,其横波间距小于正爆轰胞格的横波间距,这是由于斜爆轰波中横波是爆轰波,而正爆轰波中横波是激波.

为了保证喷管在高温燃气中的结构安全,必须对喷管的温度分布及热结构进行准确的预估.为此,建立了复合结构喷管的轴对称有限元模型,采用CFD流体计算软件和ANSYS热分析及结构分析模块,对喷管的温度场及应力场进行了数值模拟,实现了热-结构耦合计算.计算结果表明,喷管内壁的对流换热系数在喉部达到最大;温度的峰值出现在扩张段下游到喉部,在同种材料内温度连续变化;在不同材料交界面处温度和应力出现明显的梯度变化,并形成应力集中.所得结论可为喷管结构设计、安全评估提供技术支持.

为了研究空投雷弹斜入水的水下弹道动态特性,采用有限元分析程序ANSYS/LS-DYNA显式动力方法建立了斜入水数值模型,利用ALE算法和ALE-Lagrange耦合运算功能数值模拟了入水初始弹道,分析了尖拱体斜入水初始条件对水下初始弹道的影响,以及网格划分尺寸与数值计算稳定性的关系以确保结论的正确性.数值结果表明,小质量尖拱体小角度斜入水会引起水下初始弹道大偏移,可以通过调节质量或入水姿态来抑制忽扑甚至弹跳行为,初始入水弹道依靠于入水初始条件.

潜射导弹在水下垂直发射出筒过程中,弹体受到发射筒与适配器的共同约束,使得出筒阶段弹体载荷水平较高.为研究横向支撑对弹体出筒姿态的影响,依据动量和动量矩定理建立了导弹水下垂直发射出筒过程动力学模型,对艇速为1m/s、2m/s工况下的适配器和气密环-减震垫2种弹筒适配方式对导弹出筒时刻姿态的影响进行了仿真计算.结果表明,2种横向支撑方式下,出筒俯仰角、攻角量值差别不大,但角速度、质心横向偏移量差别较大,尤其是在气密环-减震垫横向支撑方式下,弹体出筒伴随较大的震荡过程.

针对多管火箭炮发射系统基座的轻量化问题,基于拓扑优化理论及基座的设计要求,建立了基座优化的有限元模型.通过引入惩罚因子和最小成员尺寸避免了优化时数值不稳定的问题,得到了基座的拓扑优化设计结构.进行了刚强度校核和动力学响应分析.结果表明,刚强度满足设计要求,优化后的比刚度裕度得到了提高,质量减小了23%;经分析,优化后的基座对整炮性能响应的影响基本可以忽略.该优化设计方法可为多管火箭炮其他部件的轻量化设计提供参考.

为研究弹带表层金属在急剧升温条件下的热软化机理与组织演变过程,基于再结晶动力学理论分析表层金属发生再结晶及晶粒长大的可能性,研究了动态再结晶对弹带表层热软化的影响,采用金相显微镜和扫描电镜(SEM)观察并分析了回收砂弹的弹带细观与微观组织.实验中发现了存在于弹带表面薄层的再结晶组织,且部分晶粒未显著长大,这表明再结晶是弹带表层热软化的微观机理.