为发展具有精确打击能力的有控旋转稳定弹,研究了一类采用双旋结构的鸭式布局旋转稳定弹。分析了该类有控弹的飞行原理,补充了其飞行动力学建模所需的坐标系; 根据牛顿第二定律和动量矩定理,建立了七自由度刚体质心运动方程和绕质心运动方程; 讨论了作用在弹体上的诸力和力矩。编制计算程序对鸭式布局双旋弹的弹道特性进行了仿真分析,揭示了无控条件下双旋弹前、后体的转速和全弹攻角、偏流的变化规律,得到了控制力和控制力矩作用下双旋弹体的攻角响应。仿真结果与其飞行原理吻合,符合外弹道规律,验证了所建模型的合理性,为后续研究该类有控旋转弹提供了理论基础。

为研究旋转控制固定鸭舵二维弹道修正弹的气动特性,采用风洞实验方法,对该弹气动特性随马赫数、攻角以及舵偏角的变化规律进行了研究。结果显示:在实验研究马赫数、攻角和舵偏角范围内,舵偏角增大对模型有一定增阻作用; 模型升力系数随舵偏角增大而增大、随攻角呈线性变化关系; 在相同马赫数和攻角下,俯仰力矩系数和滚转力矩系数随舵偏角的增大而增大。该研究结果为旋转控制固定鸭舵二维弹道修正弹的弹道设计和研究提供了参考依据。

为了研究惯导飞行阶段外框摆动受限时某型末制导炮弹的弹道特性,通过分析惯导陀螺外框工作角度受限后其可能发生的3种运动情况,基于欧拉方程确定陀螺转子的运动状态,分别建立了陀螺转子进动运动的计算模型。利用simulink建立了末制导炮弹弹道数值仿真系统,考虑了外框架摆动受限后外转子运动变化规律,并分析其对惯导飞行控制过程的影响。结果表明,当外框摆动受限时,转子发生进动并改变惯导控制过程的计算基准,对射程、侧偏及落角等弹道诸元产生很大的影响。

为了提高在线跟踪主动段弹道导弹的精度,提出了基于在线修正的弹道模板方法,详细构建了空气动力、推力、重力、科氏力、牵连惯性力等的动力学模型,结合不敏卡尔曼滤波和粒子滤波算法,对弹道模板参数进行在线校正及对导弹目标进行实时跟踪。在仿真过程中,基于加加速度模型和当前统计模型构建了交互多模型算法,并将该算法结合不敏卡尔曼滤波和粒子滤波算法与在线修正的弹道模板方法进行比较分析。仿真结果表明,该方法能够对弹道模板参数进行准确估计并能获得比交互多模型算法更高的跟踪精度。

为研究子母弹中心燃气式抛撒过程中推弹装置在由定容向变容阶段转换瞬间的受力状态对子弹最终抛速和姿态的影响,设计了中心燃气式抛撒定容阶段试验装置; 建立了燃气发生器内的零维火药燃烧模型和推弹装置内定容流场的二维两相流模型。数值仿真结果与试验结果的对比分析验证了模型的可行性; 分析了不同的燃气发生器小孔分布和几种扰流装置对推弹装置受力状态的影响,结果表明:改变小孔分布使边界所受合力矩呈振幅衰减的周期性振荡,造成子弹抛撒姿态的不确定性; 不同类型、不同大小和位置的扰流机构对抛撒性能有重要影响。

针对高炮系统未来空域窗射击参数选择缺乏依据的问题,提出了基于模式搜索法的空域窗射击参数自寻优设计方法。在分析比较集火射击和空域窗射击2种方式异同的前提下,以集火射击毁歼概率计算模型为基础,构建了空域窗射击毁歼概率计算模型,研究基于模式搜索法作为模型求解方法的可行性。仿真结果表明,模式搜索法在计算精度仅降低0.55%的同时,大幅度减少了计算时间,是可行的。

为了准确地分析速射火炮的立靶密集度,将时间序列分析方法引入射击效力分析,用时间序列建模方法对速射火炮的立靶密集度试验数据建立了数学模型,证明了立靶密集度数据的相关性是不可忽略的。模型比较与模型验证的结果表明,相对于一阶模型,该文建立的模型预测误差更小,精度更高,为更好地分析武器系统射击效力奠定了基础。

为了求解火箭弹攻击混合目标时的最优火力分配方案和最小弹药消耗量,利用最优化思想和加权平均的方法,提出了综合毁伤率的概念并给出其算法,将该方法用于判定混合目标整体毁伤情况。基于单一目标的最有利火力分配方法和最小弹药消耗量求解方法,建立了混合目标最优火力分配方案和最小弹药消耗量的计算模型,为实际火箭炮的作战使用和弹药预测提供了理论基础。

为了研究炮弹密集度指标与实战中炮弹对目标作用的关系,寻求建立更接近实战要求的密集度指标体系,分析了炮弹密集度指标的现状,对各类炮弹终点作战效应进行归纳。应用概率论正态分布函数n维分布理论,推导出三维联合分布计算公式,对炮弹三维密集度指标命中概率和密集度指标考核的算法建立模型。基于空间几何关系,推导了三维密集度单点测量和两点测量的计算方法。结果表明:对于炮弹装备产品建立三维密集度指标体系在理论和实践上都是可行的,也是必要的; 所建立的三维密集度指标体系可满足对各类炮弹论证、设计、考核和使用的要求; 通过三维密集度指标体系的建模,可以充分应用计算机技术,使密集度指标体系能够更精确、更快速完成各类炮弹的射击诸元的指挥、装定和修正,提高密集度战术技术指标的实用性。

为了计算弹道导弹突防中诱饵掩护效果,以弹头的被识别概率和弹头平均突防数作为效能指标,考虑不同数量诱饵干扰情形和不同的反导拦截策略,建立了诱饵掩护效果计算模型,给出了识别效率、突防效率和拦截效率的定义,对诱饵掩护下的导弹突防伪装效能进行了定量分析。对反导系统采用“发现即拦截”和“识别后拦截”策略的突防效果进行了仿真,结果表明:在“发现即拦截”策略下,反导系统最多可拦截的目标数对进攻方的突防效率有重要影响。该研究结果对开展弹道导弹突防能力仿真评估具有参考价值。

为对纸靶法获取的弹孔图像进行数据判读以测量弹丸飞行状态参数,提出了一种新的数字化图像采集与处理纸靶弹孔的方法,其核心是弹丸三维模型正投影匹配搜索算法,可实现弹丸穿靶姿态、位置的高精度测量。实验结果表明,利用该方法采集靶纸上的弹孔图像简便易行,分析和处理的自动化程度高、受人为主观因素影响较小,且测量精度优于传统方法。该方法在已知三维模型的弹丸章动纸靶数据处理中有较强的适用性。

为了研究附着空泡对潜射导弹弹道的影响,根据潜射导弹肩空泡尾段压力分布特性,建立了弹体运动方程,分析了潜射导弹弹体所受外力和外力矩,建立了肩空泡尾段横向力模型。通过对潜射导弹所受流体动力进行建模,求解导弹运动方程,得到不同工况下的水弹道结果。将采用弹道计算模型得到的结果与同工况试验结果进行了比较分析,结果表明,由于空泡发展不对称引起的空泡尾段横向力对弹体扶正具有较大影响,相较于发射深度、出筒速度,迎背流空泡长度差对出水俯仰角及俯仰角速度影响更大。

针对复杂超空泡系统微分方程求解困难的问题,提出了一种研究超空泡稳定性的方法,根据Logvinovich截面独立扩张原理,建立了空泡非定常流动模型,再由气体状态方程,将空泡内气体的体积与空泡内气体的压力建立函数关系,经过理论推导,得出空泡内压力的微振方程。通过对压力微振方程的求解,得到超空泡流的振动频率特性。结果表明,空泡的稳定性与动力学相似参数有关,当把该动力学相似参数控制在一定范围内时,空泡在运动过程中是稳定的,否则空泡的稳定状态就会被打破,使空泡破灭。该方法有助于更好地掌握超空泡技术,为工程实践提供理论支撑。

对60 mm口径的尖卵型和双弧线型弹体进行高速侵彻素混凝土靶试验,弹体撞击速度为800～1 400 m/s。试验结果表明,在所研究的速度范围内,弹体侵彻深度随着靶速度呈线性增加的趋势,弹体质量侵蚀小于5%,可近似认为刚性弹侵彻。在空腔膨胀理论基础上,通过建立尖卵型和双弧线型弹头部形状函数,分析了2种不同弹头形状弹体的受力情况,建立了阻力模型,数值求解了弹体的侵彻深度。理论计算结果与试验结果吻合较好,分析结果表明,弹体质量、着靶速度、靶体一致的条件下,双弧线型弹体的侵彻能力比尖卵型高约9%。

针对K装药结构,基于改进的射流成型理论,建立了K装药射流形成与侵彻理论模型,并通过Mathematica软件编程计算射流成型过程。结果表明:相对于传统锥形罩装药,同样药型罩结构的K装药形成射流的头部速度提高了31.02%,质量堆积点降低了23.8%,射流长度增加了30.5%。优化设计适用于K装药的偏心亚半球型药型罩,形成了速度较高、质量比大、质量堆积点降低且更易拉长的杆式射流,并进行了静爆试验验证,理论计算与试验的侵彻深度结果误差为5.8%。

为克服目前普遍采用的钨合金壳体的PELE侵彻能力不足、靶后破片形状不规则等问题,提出采用集束钨丝复合材料制作PELE壳体,对其穿甲过程进行了试验研究,利用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对PELE撞击靶板的动态响应进行了数值仿真,仿真结果与试验结果的对比分析表明:集束钨丝壳体PELE在穿透靶板后能产生明显的横向效应; 与钨合金壳体PELE相比,集束钨丝壳体PELE靶后形成破片速度更高、破片形状更规则,具有更优异的侵彻能力和横向毁伤性能。

为了提高聚能装药战斗部的侵彻威力,设计了一种顺序起爆式串联战斗部。利用冲击波Hugoniot关系计算了前级装药爆轰产生的冲击波在复合结构隔爆装置中的衰减过程,确定了前、后级装药间距为2倍装药口径; 建立了延迟起爆时间的计算模型,获得了最佳延迟时间,通过X光成像及侵彻钢靶试验进行了验证。研究结果表明,最佳延迟时间为85 μs,在此延迟时间下后级装药能够克服前级爆轰场的作用并形成有效射流,侵深能够达到正常射流的80%,破甲威力满足串联聚能装药战斗部增大穿深的需求。

为准确获取枪弹对明胶靶标的毁伤参数,采用基于改进型自适应均值滤波、二值化轮廓跟踪法的数字图像预处理技术,实现了被侵彻明胶靶标正交图像的空腔轮廓线提取; 采用基于去除伪轮廓线、多项式拟合、切线斜率差去尖角、椭圆截面法的三维建模技术,建立了毁伤空腔模型。以高速摄影系统拍摄的弹丸侵彻明胶靶标图像为实例,对模型进行了验证,计算出了3个重要毁伤参数,即弹丸侵彻最大瞬时空腔体积、窄伤道长度、动能传递量,为枪械杀伤效能评估研究提供了一种可行方法。

对高速步枪弹撞击带复合防护人体上躯干冲击响应进行了有限元建模和数值计算分析,以CT扫描获取人体上躯干建模源图像,建立了包括皮肤、肌肉、胸廓骨骼结构、主要内脏器官和纵膈在内的人体上躯干有限元模型; 根据步枪弹高速侵彻特点,建立了软硬复合防弹衣有限元模型,利用显式非线性有限元方法对高速步枪弹撞击带软硬复合防护衣的人体上躯干的冲击响应进行数值计算,获得了皮肤、胸骨、心脏、肺脏、肝脏以及胃的动态冲击响应情况。计算结果与实验结果的对比验证了有限元计算模型的正确性,数值计算结果定量揭示了人体上躯干靶标动力响应特性和软硬复合防弹衣后人体钝性损伤时压力传递机制,为冲击效应与损伤评估提供了基本数据,为数值模拟步枪弹高速钝击有软硬复合防护的人体靶标作用效应提供了一种有效方法。

针对高超声速飞行器研究了一种既能保证终端位置、动压、法向过载约束,又能保证终端落角、落速约束的末段制导方法。该制导方法基于高斯伪谱法实时解算非线性最优控制问题以获得最优反馈控制,将一种初值猜测策略加入到高斯伪谱法解算过程中以加速算法收敛,并在无反馈信息的最后一个制导周期使用比例导引方法以保证飞行器准确命中目标。在三自由度模型各项拉偏情况下进行蒙特卡洛打靶实验,仿真结果表明,在较恶劣的飞行环境下,在线高斯伪谱制导方法具有很好的稳定性和鲁棒性。

针对电磁轨道炮电流波形平稳性的特殊要求,提出了一种基于改进遗传算法的电源时序优化方法。根据脉冲电源时序放电的特点,将电磁轨道炮的工作过程分成相互关联的多个阶段,采用多阶段优化策略。各阶段运用引入了精英保留、自适应变异和交叉3种策略共同作用的改进遗传算法产生新种群,克服早熟及收敛速度慢的缺陷; 优化过程中逐步动态更新缩小设计变量的搜索空间,以进一步提高搜索能力。以使用金属电枢的电磁轨道炮多个脉冲电源时序设计为例进行分析比较,结果表明,该方法不但增强了搜索能力,改善了求解的质量,而且电流波形非常平稳,提高了优化结果的实用性,是确定电磁轨道炮脉冲电源时序的一种有效方法。