为准确预测高超声速飞行器翼面的热环境以利于飞行器的设计。通过数值算例验证了基于参考焓法的气动加热工程算法的可行性;提出了一种高超声速飞行器三维翼面的气动加热、辐射换热、瞬态热传导的准定常耦合求解方法,通过与非耦合的气动加热、辐射换热及瞬态热传导方法相比,指出考虑耦合求解的必要性。在飞行器典型弹道飞行条件下,该耦合求解方法考虑气动加热、辐射换热、结构热传导耦合效应,实现了高超声速三维翼面温度的准确预测,该方法可用于高超声速飞行器气动热分析及热防护设计。

为寻求SC型双翼末敏弹实现稳态扫描的最佳气动外形,运用计算流体力学方法建立了SC型末敏弹的气动特性仿真模型,基于正交试验法对SC型尾翼末敏弹的翼片结构参数进行了优化设计。分析了尾翼面积、弯折角对SC型末敏弹气动特性的影响规律,得到了尾翼参数对双翼末敏弹阻力系数和极转动力矩系数影响的主次关系。在此基础上分析得到一种可以同时满足大阻力系数和大极转动力矩系数的末敏弹气动外形结构。优化结果显示,优化模型阻力系数较优化前增加5.14%,极转动力矩系数增加4.53%,高塔试验表明优化模型双翼末敏弹能在下落过程中保持稳定。研究方法和结果可为双翼末敏弹的气动布局和优化设计提供参考。

针对中远程导弹中末制导交班过程中的弹道交接问题,基于交接过渡段制导的思想设计了一种新的中末制导交接律。首先给出了满足导弹弹道一阶和二阶平滑的条件,然后分别采用三角函数和多项式函数形式的交接律平滑算子作为加权系数,求解出满足弹道平滑条件的平滑算子具体表达式。仿真结果表明:所设计的中末制导交接律算法简单,适用于导弹攻击过程中不同阶段制导律的弹道交接及实现中末制导交接过程中的弹道一阶和二阶平滑交接。

针对远程精确制导炮弹弹道优化问题,给出了一种基于Gauss伪谱法的滑翔弹道快速优化方法。以制导炮弹飞行时间为性能指标,考虑一阶动力学滞后,引入虚拟控制量,并将其作为优化变量,为保证攻击效果,对滑翔末端弹道倾角和速度值进行了约束,建立了纵向平面内弹道优化模型。利用Gauss伪谱法对状态量和控制量进行了离散,将最优控制问题转换为非线性规划问题,并利用序列二次规划法对其进行了求解,最后将求解结果与传统的直接打靶法进行了对比。结果表明,该方法具有较高的优化效率,能够快速计算出满足各种约束的滑翔弹道,具有在线优化的潜力。

传统的弹道导弹整个飞行弹道近似在发射点、目标点、地心构成的弹道面内,机动突防能力差,针对此问题,提出了一种弹道导弹弹道面转移的策略,以实现导弹横向大范围机动。为实现这一策略,研究了一种弹道面转移变换的规划方法,基于椭圆弹道理论,利用随机方向法优化各弹道面相关参数,充分运用发动机动力,实现了突防要求的弹道面转移变换。仿真计算表明,惯性段飞行时间大大减少,弹道面转移变换规划方法和突防是有效的。

为了根据空中飞行弹箭的一段实测弹道参数,准确预报弹道落点,并实施弹道修正,实现对目标的精确打击,在阐述弹道修正弹飞行原理的基础上,建立了扩展卡尔曼气动参数辨识弹道模型。该模型可对一段实测弹道参数进行弹道滤波,辨识出空中飞行弹丸的实际阻力和升力符合系数,并能较准确预报其后续飞行弹道。数值计算结果表明,经扩展卡尔曼弹道滤波后,能有效剔除测量弹道参数的噪声,且坐标滤波方差、阻力和升力符合系数迅速收敛;预报弹道落点的精度与飞行弹道参数的测量时间和采样时间间隔有关,考虑到实时弹道预报方法的预报弹道落点精度和解算时间等,飞行弹道参数测量时间宜取6~8 s,采样时间间隔宜在60~120 ms范围内选取,为弹箭实现弹道修正提供了参考。

针对存在参数误差的制导炮弹,提出了一种离散自适应滑模控制器。考虑到制导炮弹姿态控制系统模型存在的非线性、耦合问题,基于反馈线性化方法将系统离散化,并设计了制导炮弹离散滑模控制器。为减小离散系统中与参数误差对应的准滑模切换带宽度,设计了带死区的参数自适应更新规律,利用李亚普诺夫理论证明了闭环不确定系统的稳定性,使得控制系统具有较强的鲁棒性。仿真结果表明,所设计的控制器能有效地处理含有较大程度气动不确定性的问题,具有较好的跟踪控制性能。

基于末端弹道小机动、平稳特点,采用质点弹道模型描述目标的运动,结合非线性不敏卡尔曼滤波算法(Unscented Kalman Filter,UKF)对雷达量测数据进行滤波及弹道参数估计。根据现实需要,由某一时刻滤波得到的目标位置、速度和弹道系数进行外推计算。计算结果表明,对于飞行马赫数为1~3的来袭目标,外推2 s目标空间位置绝对误差可以稳定控制在10 m左右。考虑到雷达对目标的径向速度测量数据较为精确的特点,提出了一种基于最小二乘拟合和充分利用径向速度数据的计算方法,确定了目标外推初始边界条件。计算过程和结果表明,该方法具有更快的计算速度和更好的计算精度。

为实现弹道导弹在打击小射程目标时能量的有效利用,增强导弹的突防能力和禁避飞区规避能力,提出了通过初始射面横向机动角使导弹一级偏离传统射面,后面级再修正射面以命中目标的横向机动方法,在各级能量方程的基础上,建立了初始射面横向机动角的解析计算模型。通过该模型可以快速确定初始射面横向机动角,为后续机动角和程序设计奠定了基础。仿真结果表明,提出的能量管理方法能够有效提高弹道导弹的能量管理效力,方法合理且可靠性高。

为准确测量无翼/舵布局导弹由于安装电缆罩等凸起物所产生的小载荷滚转力矩,并给布局选型和姿态控制提供依据,提出了一种应用于风洞试验的高精度滚转力矩测量技术,利用机械轴承支撑试验模型，承受除滚转力矩外的其它载荷,专门设计了“米”字梁结构的高精度单分量天平测量滚转力矩,并利用自动滚转尾支撑机构获得模型不同滚转角下的滚转力矩。风洞试验结果表明,该技术与常规天平测量技术相比,滚转力矩测量精度大大提高,具有较高的实用性和经济性。

针对高炮分布式配置条件下空域窗射击的实现问题,基于分布式高炮之间的协同射击理论和未来空域窗射击理论,提出了时空域射击窗和空间域射击窗2种射击方式。给出了2种射击方式的理论分析及具体实现步骤。时空域射击窗方式通过选择射击时机,实现了弹丸同一时刻对目标同一未来点的火力包围,提高了拦截目标的概率;而空间域射击窗在实现空域窗射击的同时,增加了射击时机。仿真验证结果表明这2种射击方式是可行和有效的。

为研究大口径转管机枪在轻型三脚架上射击时的射击密集度随方位射角的变化规律,建立了具有不同方位射角的转管机枪系统刚柔耦合发射动力学模型,对机枪系统的射击动力学特性进行了仿真计算,分析了机枪系统不同方位射角射击时三脚架中柔性部件的弹性变形情况。利用动力学仿真得到膛口响应,计算了转管机枪以5个不同方位射角射击时的射击密集度。结果对比表明,转管机枪在轻型三脚架上射击时,随着方位射角的增大,射击稳定性变差,方位射角超过一定范围射击密集度下降明显,且左右射击时转管机枪系统振动具有不对称性。分析结果为转管机枪系统改进三脚枪架提供了参考。

为了获得刻槽参数对破片形成的影响规律,利用AUTODYN 3D软件对50SiMnVB钢战斗部的破片形成进行了三维数值模拟,对比分析了不同刻槽参数对壳体断裂的影响,并对壳体断裂模型进行简化,推导了外刻槽壳体断裂迹线及其断裂概率,并进行了试验验证。结果表明:外刻槽技术对于50SiMnVB钢战斗部是可行的,断裂是从刻槽根部开始,断裂方式为剪切断裂;随着刻槽深度增加、刻槽间隔增大,主破片形成率和质量占有率增大,破片控制效率提高。得出了沿断裂迹线断裂的概率,为刻槽参数的选择提供了一种可行依据。

针对线膛枪管内膛与弹丸的复杂结构以及高度非线性的挤进过程,求解了弹丸挤进时期的弹底压力,采用多软件综合仿真的方法,建立了枪管和弹丸的高精度有限元模型,模拟了弹丸的挤进过程。分析了弹丸挤进过程所受应力、变形量的时空演化规律,展示了弹丸上膛线刻痕的形成过程,获得了弹丸嵌入阻力变化规律的仿真结果。通过计算并比较弹丸嵌入阻力不同拟合公式的可决系数,获得了弹丸嵌入阻力的最优拟合公式。所得结果为内弹道起始问题的研究、枪管内膛结构设计提供了理论参考。

为了研究小口径可燃药筒装药膛内实际燃烧规律,以小口径可燃药筒定容燃烧的pt曲线与主装药膛内燃烧的pt曲线为标准,应用势平衡理论确定了小口径可燃药筒装药的燃气生成函数表达式,建立了药筒装药的内弹道模型。利用该模型对25 mm弹道炮在可燃药筒装药下的内弹道过程进行了模拟计算,得到了装药在膛内的实际燃气生成规律,并最终获得了25 mm可燃药筒装药的弹道解。计算结果表明,小口径可燃药筒装药的燃烧过程分为3个阶段,即可燃药筒燃烧结束前阶段、可燃药筒燃完至势平衡点阶段及碎粒燃烧阶段,各阶段的燃气生成规律均以三项式表示。以小口径可燃药筒装药膛内燃气生成函数为基础模拟得到的计算曲线与火炮实测曲线基本一致,可以描述和分析小口径可燃药筒装药膛内实际燃烧规律。

在利用密闭爆发器进行可燃药筒燃烧性能试验时会产生一些燃烧灰烬,不满足燃烧状态方程推导过程中“固体火药全部转变为气体产物”这一假设,而可燃药筒火药力、余容的处理方法即建立在此假设之上。针对此问题,使用该处理方法得到更准确的可燃药筒火药力、余容表达式以指导火炮内弹道设计,引入了一个与燃烧灰烬质量相关的修正系数,对该处理方法进行修正,并推导得出了火药力、余容修正后的求解式。针对某批次可燃药筒的爆发器试验,应用修正后的求解式计算出火药力、余容。计算结果表明:与原处理方法相比,考虑燃烧灰烬的影响对可燃药筒火药力修正量较小,但对余容的修正量较大。

为了研究药型结构对发射药燃速测试结果的影响,以高能硝胺发射药为研究对象,采用密闭爆发器燃烧实验和数据处理的分析方法,研究了4种药型及其不同内孔长径比发射药的燃速特性及其变化规律;采用中止燃烧实验研究了发射药内孔长径比对侵蚀燃烧的影响,并与太根发射药对比研究了燃速特性对侵蚀燃烧的影响关系。结果表明,多孔药的燃速压力指数明显小于单孔药,在内孔长径比相同的条件下,随着发射药内孔数量的增加,正比式燃速系数减小,燃速压力指数减小;在药型相同的条件下,随着内孔长径比增大,发射药侵蚀燃烧现象加剧,正比式燃速系数增大,燃速压力指数减小;燃速较高的发射药,侵蚀燃烧现象对燃速参数测试结果的影响更大。

针对用于膛压测量的高压压电传感器静态与准静态工作曲线之间的差异展开了定量的分析,分别利用静态压力标定机及落锤液压动标装置对Kistler6215传感器进行了静态及准静态校准,采用最小二乘法分别建立了静态校准和准静态校准的工作模型;通过F检验法检验了2种工作模型方差的显著性,并对两条回归直线斜率的置信区间进行了分析,同时研究了2组标定数据的点灵敏度的变化情况。研究结果表明,在0.05置信水平下,两条回归直线的斜率不同,与高压压电传感器静态校准相比,实施准静态校准更实用。

为提高激光半主动末段修正迫弹的命中概率,提出了优化发射角的方案。建立了激光导引头目标捕获概率模型和命中概率模型,以发射角为优化变量,以命中概率和平均落点偏差为目标函数,采用功效系数法求出最优射角。通过蒙特卡洛法进行模拟打靶和仿真计算,将优化前后的结果进行对比。分析结果表明,优化射角的方案可使末修迫弹命中概率提高10%以上,对激光半主动末段修正弹的射表编制具有重要意义。

采用系列弹道实验,研究了双层钢/铝爆炸复合靶在不同形状破片侵彻作用下的毁伤机理和抗侵彻性能。实验采用14.5 mm滑膛枪发射直径6 mm的钢质球形破片和边长4.2 mm的钢质立方体破片。基于实验结果,分析了不同形状破片侵彻下靶板的毁伤机理和破坏模式,讨论了破片形状、动能及靶板厚度分布等因素对复合靶抗侵彻性能的影响。结果表明:在球形破片和立方体破片的侵彻作用下,钢面板发生剪切冲塞破坏,铝背板发生延性扩孔破坏;复合靶板抗立方体破片侵彻性能优于抗球形破片侵彻性能;在球形破片的侵彻作用下,当靶板厚度一定时,复合靶板的抗侵彻性能随钢面板与铝背板厚度比的增大而提高,对于立方体破片则相反。

为研究电容储能脉冲电抗器在连续脉冲载荷作用下不同因素对温度场的影响程度,根据脉冲电抗器结构特点,建立脉冲电抗器温度场传热模型;分析了连续脉冲热载荷加载条件下,不同散热方式、散热条件及脉冲载荷加载时间间隔等因素对电抗器最高温度及温度场分布的影响。数值仿真结果表明,脉冲热载荷加载时间间隔是影响电抗器最高温度的主要因素;在脉冲电抗器散热过程中,端面散热为主要散热方式。

为进一步扩大无网格方法在复杂化学反应流场模拟中的计算规模,基于MPI(Message Passing Interface)并行环境,发展了耦合有限速率反应模型的并行无网格算法,其流体动力学采用包含反应源项的二维轴对称Euler方程建模,对流通量采用多组分HLLC(Harten Lax van Leer contact)格式计算,时间项运用4阶Runge Kutta法显式推进。分别采用2~8个进程对激波诱导燃烧流场以及高速运动弹丸诱导斜爆轰流场进行了数值模拟,其结果同实验以及网格方法获得的结果吻合较好,并且具有较理想的并行效率,验证了其在复杂化学反应流大规模计算中应用的正确性和有效性。