针对采用推力矢量控制的拦截弹,首先给出了推力矢量和气动力的归一化设计方法,通过引入等效舵偏角的概念,将多控制输入问题转化为单控制输入问题,并进行求解,设计了推力矢量偏心和气动舵偏转的控制分配策略,给出了气动舵偏转角及推力矢量偏心角的数学表达式,解决了多控制量之间相互争斗的问题。在此基础上,通过模型标准化,采用Backstepping方法(反步法),借助Lyapunov再设计工具,对导弹制导与控制系统进行一体化设计,得到了俯仰平面内的制导控制律。仿真结果表明,和常规制导与控制方法分别设计相比,采用该制导控制一体化设计方法能够使拦截弹有效拦截机动目标,并且导弹的姿态和执行机构偏角的变化也更加平稳。

为提高导弹制导系统对于高速机动目标的拦截效能,基于扩张状态观测器方法和反比例制导策略,设计了一种带扩张状态观测器的反比例制导律。考虑导弹自动驾驶仪动态特性,推导了平面内的制导模型; 设计了扩张状态观测器(ESO),将其与反比例导引策略相结合,设计了带ESO的反比例制导律,该制导律能有效估计目标机动并充分补偿制导律的不确定性干扰,有效提高制导精度; 将设计的带ESO的反比例制导律与经典比例制导律、普通反比例制导律进行仿真对比。仿真结果表明:所设计的带ESO的反比例制导律能减小弹目相对速度与脱靶量,适当地增加拦截时间,有效提高了制导系统对于高速机动目标的拦截效能。

为解决吸气式超声速导弹如何最优地爬升到巡航状态的问题,提出了一种吸气式超声速导弹的爬升轨迹在线规划与跟踪控制设计方法。将爬升段弹道分解为2个相切的圆弧,利用数学几何方法,推导了两相切圆的相关参数及代数方程,建立了爬升段的参考轨迹,并通过动虚拟目标追踪法设计了参考轨迹的跟踪制导律,从而实现了基于两圆相切理论的爬升段轨迹在线规划与跟踪控制,最后以典型工况为例,进行了数字仿真验证,并与hp自适应伪谱法的优化结果进行了对比分析。仿真结果表明,参考轨迹与优化结果差别不大,能够准确跟踪参考轨迹,同时算法简单,便于工程实现。研究成果可为吸气式超声速导弹爬升段轨迹设计提供参考。

以再入飞行器为背景,研究了可满足终端经纬度、高度及速度约束的平飞制导方法。在纵向及侧向2个通道内分别引入需要过载作为中间控制量,以简化运动方程及制导律设计; 针对运动方程的非线性特征,利用反馈线性化方法分别推导了可实现等高飞行并消除航向偏差的过载指令; 利用射程微分及速度微分解析预测终端速度,根据剩余速度添加侧向机动以实现减速控制; 最后将需要过载转化为姿态角指令以完成制导任务。CAV-H飞行器制导实例仿真表明,该方法能够实现等高飞行并高精度地满足终端约束,对初始偏差具有较强的鲁棒性,并能完成多样化的制导任务。

为使制导弹药有效地沿方案弹道飞行,研究了以姿态角为控制指令的三维滑模弹道跟踪控制系统。探讨了基于弹道修正策略的跟踪控制方案,将动态逆方法与趋近律滑模控制相结合设计了跟踪控制器。分析了控制器参数与系统的闭环稳定性、抖振与跟踪性能之间的关系。根据空间几何运动关系设计了过渡参考弹道,有效避免了启控点偏差带来的控制饱和问题,并给出了光滑的控制指令信息。弹道仿真表明,滑模控制可使制导弹药较严格地按期望轨迹飞行,对各种干扰具有较强的鲁棒性,控制器边界层参数的选择需综合权衡控制精度和抖振问题。

针对导弹末制导过程中的终端落角约束的问题,基于滑模控制和有限时间控制理论,设计了一种有限时间收敛末制导律。利用终端滑模控制中滑模面上的跟踪误差能够有限时间收敛到0的特点,选取终端滑模面,引入落角约束项,采用有限时间稳定性理论对导引律的有限时间收敛特性进行了证明,并给出了收敛时间的数学表达式。将该末制导律与其他2种带落角约束的导引律进行了对比仿真。结果表明,利用该制导律,制导武器能以更高的命中精度和更小的落角偏差命中目标。

制导火箭末敏弹是火箭制导控制技术和末敏弹技术有机结合的新型弹药,针对此前制导火箭与末敏子弹相结合的系统射击精度研究不够充分的问题,根据制导火箭末敏弹的工作流程和弹道特点,建立了各飞行段制导火箭和末敏子弹的弹道模型,通过分析各弹道段扰动因素的影响,对误差源进行了分配,运用Monte-Carlo法进行了射击精度仿真计算和分析。结果表明,制导火箭末敏弹系统射击精度(CEP)不大于60 m,与末敏子弹的扫描探测范围匹配,满足精确打击小幅员目标的要求。分析方法和仿真结果对完善制导火箭末敏弹指标体系、优化弹道方案以及作战使用时计算用弹量等具有重要意义,也可作为同类装备设计参考。

战斗部破片的初速以及初速分布是武器总体计算引战配合和杀伤概率时的必需参数。动爆测量是获得战斗部破片初速及初速分布的重要手段之一。对战斗部动爆破片特性进行了分析,针对动爆测量中破片数量多、距离和速度分辨率因破片密集程度而随时间变化的情况,设计了一种复合伪码调相信号,详细给出了信号的设计思路。分析结果表明,该信号具有多分辨率的特性,满足了动爆测量中分辨率可变的要求,保证了破片在飞行过程中具有较好的速度——距离二维分辨能力。理论数据分析表明,该信号能够用于战斗部动爆破片测量对雷达可变分辨率的要求,研究结果对动爆测量技术和群目标分辨技术的发展具有重要意义。

针对靶场静爆试验中破片测速难题,提出了基于摄影测量技术的破片测速方法。以某枪弹为例,开展了测速试验,建立了测试系统,解决了测试现场高速相机布置及参数设定问题; 研究了关键技术,通过解析高速相机捕捉的弹丸运动图像序列,还原了弹丸的运动轨迹方程,求解得到弹丸的飞行速度; 并将试验结果与铝箔靶测得速度进行对比,相对速度误差小于1%。实例表明,该方法能够准确测量破片的运动速度,测试结果可靠,测量精度能够满足靶场试验要求。

为了准确预测与导弹分离后导弹适配器的初始分离弹道,使用基于局部重构方法的动网格技术,将适配器的运动与流场的变化耦合。通过CFD方法实时求解适配器飞行过程中的气动载荷,并对适配器的六自由度运动微分方程进行求解。使用基于尺寸函数的局部重构方法对适配器周围网格进行更新。通过数值计算得到了适配器在初始分离弹道阶段的气动载荷系数曲线,以及适配器的分离速度、角速度曲线和分离飞行轨迹,并与试验结果进行了对比,两者高度一致。结果表明,在分离初速的作用下,适配器与导弹的距离逐渐增大,在气动力作用下适配器发生偏转,直到初始分离弹道结束适配器未与导弹发生碰撞。

应用概率论正态分布函数N维分布理论,对炮弹密集度指标和实战中炮弹对目标作用效果的关系进行了研究。通过对密集度计算理论的梳理与指导,在一维、二维密集度计算模型的基础上,通过对三维正态积分计算的研究,创新并提出球概率误差计算模型,建立了炮弹多维密集度指标与命中概率的关系,完善了更接近实战要求的密集度指标体系。研究结果可指导各类炮弹在密集度指标方面的论证、设计、考核和使用。

为了准确表征陶瓷/纤维轻型装甲复合材料的抗侵彻性能,提高抗弹性能评估的可靠性,通过12.7 mm穿甲燃烧弹打击侵彻被测靶板的DOP试验方法,以质量防护系数表征分析了陶瓷/纤维复合装甲板在不同打击位置的抗侵彻能力。数据表明:以陶瓷片铺层的复合装甲板在不同打击点的抗弹性能分散性较大,存在抗侵彻典型区域和危险点,弹体着靶位置影响对其抗弹性能的评价。只有充分考虑危险点的试验数据,陶瓷/纤维复合装甲板的抗弹性能试验评估才能更准确、可靠。

针对目前弹体侵彻试验中混凝土靶体积大且成本高的问题,对混凝土靶结构进行了等效研究。利用三维计算软件程序模拟了动能弹对混凝土靶板的垂直侵彻过程。研究发现,Ma为2左右,靶弹直径比大于等于30的混凝土靶等效为半无限靶。进一步对不同靶弹直径比的靶板施加不同厚度的钢箍进行计算。结果表明,有钢箍的混凝土靶能减小边界效应对弹丸侵彻性能的影响,并得到了各个速度段钢箍厚度与靶弹直径比的定量关系,增加不同厚度的钢箍来等效半无限靶可达到减小靶体径向尺寸的目的,对降低试验成本具有重要的意义。

10 mm布袋弹是具有柔性变形特点的新型防暴弹药,传统的侵彻杀伤弹药威力试验方法及标准不适用于考核评价10 mm布袋弹的致伤威力。为探索此类弹药致伤威力方法,建立了生物致伤模型,进行了生物试验,对试后生物进行了活体解剖和伤情分类,分析了不同条件下的此类弹药对人体的致伤威力特性。试验结果表明:为防止致死情况发生,10 mm布袋弹在0.1～1 m范围内严禁对人员进行射击,在3 m距离外,使用过程中应避开胸腹部等要害部位。

为了研究磁场对翻转射流颗粒的抑制和修正问题,分析了断裂聚能射流颗粒与外加磁场的相互作用过程,使用装药直径为56 mm的成型装药在490 mm和650 mm 2种炸高下进行了磁场与聚能射流相互作用的试验研究,利用Ansoft Maxwell电磁分析软件,对不同初始翻转角度的聚能射流颗粒在外加磁场中的受力以及力矩情况进行了数值仿真,仿真和试验吻合较好。仿真结果表明,磁场对翻转射流颗粒具有抑制和修正作用,初始翻转角度对射流颗粒的受力以及力矩有较大影响; 材料的电阻率在聚能射流颗粒与强磁场相互作用过程中有很大的影响。

弹药协调器定位故障是火炮弹药自动装填系统的典型故障,其动作可靠性受多个不确定性因素影响,显式的极限状态方程难以获得。为计算协调器动作可靠性的定量数值,对协调器进行了不确定性建模,并根据标准状态的测试数据对模型进行了修正,构建了基于径向基神经网络的代理模型以提高计算效率,将网络输出与原始样本数据进行对比。结果表明,径向基神经网络能够很好地拟合原始模型。对代理模型进行了Monte-Carlo仿真分析,求解了定位误差的概率分布,弹药协调器的动作可靠性估计值为92.48%。

末敏子弹在火药燃气推力作用下从母弹舱内抛出后,其表面红外辐射主要源于减速减旋运动产生的气动加热。针对此问题,应用SIMULINK建立了末敏子弹减速减旋弹道的仿真模型,求解并分析了弹道诸元的变化规律。以部分弹道数据和气流参数为来流条件,利用FLUENT对其气动热进行了数值模拟,分析了不同飞行条件下的表面瞬态温度、压力分布规律。结果表明:末敏子弹在减速减旋段的速度较低,表面温度梯度较小,红外辐射特征较弱; 高温区集中在弹头附近、伞盘以及连接杆部位; 驻点温度的仿真结果与工程计算结果吻合较好。研究结论可为末敏弹的红外侦察预警仿真技术提供帮助。