针对存在输入和输出多约束的高超声速飞行器再入控制问题,提出了一种基于特征模型的鲁棒预测控制方法。对耦合的非线性再入动力学采用低阶线性特征模型简化,设计鲁棒预测控制器保证满足再入控制的多约束。基于特征模型的低阶等价性,将再入动力学的输入输出动态特性用线性时变的特征模型描述,并将三通道姿态耦合和干扰作为广义复合干扰。将灰色理论中累加求和的思想引入到特征模型参数辨识算法中,弱化了再入随机噪声的影响,通过灰色辨识方法在线估计特征模型的时变参数和干扰。设计一种基于线性矩阵不等式(LMI)滚动优化技术的H2/H_∞鲁棒预测控制律与基于灰色辨识的补偿器共同构成复合控制器,保证了整个闭环系统的稳定,满足输入和输出约束。数据仿真验证了算法的有效性。

为了研究火箭垂直回收着陆段的制导律设计问题,通过求解最省燃料问题获得制导律,将连续优化问题转化为一类二阶锥凸优化问题(SOCP)。采用凸优化问题求解程序,实时计算最优轨迹获得当前制导周期内的制导律,导引火箭飞向目标点并垂直软着陆。该方法对着陆段初始状态偏差和下降过程中气动扰动有较强的适应性。进行了3个算例的仿真,结果表明:凸优化方法具有确定的收敛性质,相较于Radau伪谱法求解更加高效; 参数设置简单,能够满足实时制导需求,具有在线应用的潜力。

为解决可控滚转电动舵机在低旋尾翼弹上的应用,以舵体为研究对象,分析了作用在舵体上的力矩,建立了系统动力学模型; 在分析舵机结构的基础上建立了舵机机构的的动力学模型和系统动力学模型。在不同的工况条件下对系统模型进行了分析和验证,分析结果验证了系统动力学模型的正确性。仿真结果表明,该舵机降低了伺服电机功率及响应速度的要求,提高了舵面效率,为在低旋制导炮弹上的应用提供了一种新的解决方案及理论参考。

为评估不同模型的粗差探测性能,使用多余观测数、内部可靠性和外部可靠性等指标对飞行器航迹测量数据处理中的3种典型模型的粗差探测能力进行了定量评估和比较分析。建立了不同模型间性能比较的等效规则,按照典型的工程应用场景进行了仿真实验。结果表明:大数据集模型的系统结构较强,具有更优的单粗差探测性能,但大模型对于多粗差探测是不利因素; 在实际应用中,应根据粗差发生的统计特征,选取数据量大小合适、结构强度高的模型作为优选模型。

针对利用炮弹飞行数据辨识阻力系数的问题,提出了一种改进形式的混杂扩展卡尔曼滤波(IHEKF)方法。引入虚拟过程噪声并且在每个时间步长对称化协方差矩阵,避免了混杂扩展卡尔曼滤波在实际应用中由于系统建模误差及弹载计算机的精度有限引起的发散问题,提高了阻力系数辨识的鲁棒性。数值仿真结果表明:当建模误差可以忽略不计时,采用IHEKF能以高精度辨识出阻力系数; 当建模误差较大时,采用IHEKF具有较好的鲁棒性。

为了研究鸭式布局弹箭俯仰动态特性,应用基于N-S方程求解的时空二阶精度的隐式迭代算法,结合刚性动网格技术,采用小振幅强迫俯仰振动法,对某鸭式布局弹箭的俯仰动导数数值计算进行了研究。以国际动导数Finner标模为对象进行了计算验证,计算结果与实验结果吻合良好,表明该文采用的方法具有较高的精确性,使用的计算条件是可行的。在此基础上,进一步探究了某鸭式布局弹箭俯仰动导数随初始攻角、马赫数的变化关系,结果表明,对于该鸭式布局弹箭,其俯仰动导数随攻角、马赫数的变化规律与俯仰力矩系数的变化规律基本保持一致。

针对抛索火箭系统主动段绳索复杂的动力学特性,建立了基于多体动力学方法的绳索模型; 数值仿真了真实火箭推力作用下绳索主动段飞行动力学过程及其动态特性。研究结果表明:主动段绳索运动呈波动状态,绳索速度和绳索内张力呈现规律性波动,随着编号增加,速度波动幅度先增大后减小,绳索内张力波动的幅度和大幅波动持续时间先减小后增大,绳段最大速度达到325.42 m/s,绳段内张力的峰值达到了8 162.5 N。仿真计算结果与试验数据较一致,该研究成果对抛索火箭系统绳索选择和系统弹道设计有参考价值。

基于FLUENT软件,采用VOF方法,对不同表面凹槽数的水下航行体超空泡流场进行了数值模拟,分析了不同表面凹槽数所形成的三维超空泡的形态特征。模拟了不同表面凹槽数情况下航行体超空泡形状并与Logvinovich半经验公式的结果进行对比,验证了数值模拟的准确性。通过对不同表面凹槽数航行体超空泡截面形态做进一步的对比,分析了超空泡面凸凹变化的原因,并得出水下航行体表面凹槽数对超空泡流的影响。计算结果表明,随着表面凹槽数的增加,超空泡外形轮廓变小,该结果与实验结果一致。

在研制高速射弹出水实验装置的基础上,利用实验和数值模拟的方法研究了细长圆柱型射弹(简称射弹)高速出水时包裹着射弹的超空泡的发展、脱落及其与自由面相互作用的全过程。根据测得的实验数据,计算出高速射弹出水过程中的空化数和阻力系数,参考Reichardt和Munzner以及Logvinovich公式,给出了阻力系数和空化数的多项式关系拟合公式,进一步形成了阻力系数归一化数值处理方法。结果表明:该高速射弹出水瞬间存在攻角时,非轴对称的空泡溃灭会使射弹的运动方向发生偏转; 适当增大射弹的长径比或空化器长度,有利于高速射弹的水下运动减阻。基于FLUENT软件并采用VOF方法,对高速射弹出水过程进行了三维数值模拟,计算结果与实验结果吻合良好。该文还给出一个出水过程中水弹道偏转的示例,说明射弹在水下与超空泡壁面的碰撞滑移会引起水中弹道的偏移。

为分析模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性的影响规律,基于正交优化方法,采用POLYFLOW软件对单孔硝基胍发射药的挤出成型过程进行了模拟仿真。分析了入口线速度恒定条件下模具结构参数对发射药成型尺寸及出口速度均匀性影响程度的主次关系,在此基础上优化了单孔发射药挤出模具结构。研究结果显示:对药料成型膨胀影响最大的因素为模具收缩角,其次为成型段长度,再次为压缩段长度; 对出口速度分布均匀性影响最大的因素为模具收缩角,其次为压缩段长度,再次为成型段长度。基于最小膨胀率和最小出口速度极差对模具结构参数进行了优化,结果表明,优化后的药料出口速度均匀性得到提高。

为了研究HLLC黎曼求解器在超声速和高超声速燃烧问题中的适用性,对4个典型算例进行了数值模拟。基于多组分方程的完全N-S方程,对时间项和空间项离散分别采用2阶Runge-kutta方法和HLLC格式,考虑了H₂/Air燃烧的详细化学反应机理,用有限速率化学反应模型模拟燃烧现象。对Sod激波管问题和高超声速钝体绕流进行数值模拟,分析了流场内密度、压力和激波位置; 对超声速燃烧和高超声速钝体激波诱导燃烧进行数值模拟,分析了流场内组分特性。数值模拟结果与实验结果或相关文献的计算结果吻合良好,表明了HLLC黎曼求解器在模拟复杂化学非平衡流场中能够准确地分析复杂的物理现象且具有较广的应用范围。

针对中心炸管式抛撒系统的定容阶段点传火、抛撒药燃烧作用过程,建立了理论模型并对其进行了仿真计算。鉴于点传火管里无装药且长径比较大,建立了一维纯气相模型,针对燃烧室内抛撒药燃烧过程,建立二维轴对称两相流模型,并通过能量交换将二者耦合。采用CE/SE方法编制了内弹道计算程序并进行了仿真计算,仿真计算结果与试验结果基本一致,验证了该文所建立的数学模型及相应的数值方法的正确性。仿真结果分析表明:无装药且长径比大的点传火管点传火过程较慢,但点火一致性良好,能够均匀释放点火能量,保证燃烧室内火药燃烧过程平稳可靠。

为提高弹丸的侵彻威力,在30 mm制式弹弹头部采用增韧TC材料,并与制式弹进行对比,采用DOP试验方法,对2种不同结构弹丸侵彻多层A3钢靶的试验结果进行分析研究。运用冲击动力学理论公式,计算TC复合弹和制式弹在冲击接触钢板瞬间的冲击压力并进行对比。重点分析对比弹头结构、材料对多层A3钢靶的穿甲效应的影响。在相同条件下,对制式弹和TC复合弹对A3钢板的侵彻深度、孔径,以及侵彻后弹芯剩余质量进行了对比分析。运用ANSYS/LS-DYNA有限元软件对侵彻过程进行模拟仿真,并与试验结果对比。结合数值模拟的结果,分别从余速和弹芯剩余质量上进一步分析TC复合弹的侵彻能力。结果表明,TC弹头对弹芯的保护效果明显,为陶瓷材料应用于其他战斗部提供了依据。

为了达到战斗部减质量并满足装药特殊接口尺寸的要求,建立了三维有限元模型。利用LS-DYNA软件对杆式射流成型过程进行了三维数值模拟,研究了周向约束对变壁厚球缺罩装药杆式射流成型规律的影响。研究结果表明:周向约束中的装药壳体壁厚及衬套材料、高度均对杆式射流的形态、速度分布有显著影响,其中周向约束材料对射流的影响最大,壳体厚度、衬套高度次之。研究得出结论:在设计战斗部周向约束时,合理匹配壳体壁厚,衬套材料、高度可有效改变射流形态和性能,同时可实现战斗部减质量及匹配装药接口尺寸要求。

为研究细晶纯铜材料药型罩的侵彻性能,对细晶纯铜材料进行力学性能研究。利用二级轻气炮加速飞片的方法对细晶纯铜材料进行了冲击加载实验,给出了细晶纯铜材料在70～320 GPa范围内的冲击波速度和质点速度的关系。计算得到了适用于LS-DYNA的Gruneisen状态方程参数。利用拟合得到的参数分析了粗晶材料及细晶材料所形成的射流在断裂时间、侵彻威力方面的差异。根据仿真,在160 mm最佳炸高进行静破甲实验。结果表明,细晶材料药型罩的侵彻威力较粗晶材料明显提高,说明将药型罩材料的晶粒组织细化是提高破甲威力的重要手段。

为预测导弹高速飞行时由于气动加热而升高的表面温度,根据已知的物理模型和试验数据,建立了一种基于自适应回归算法的导弹表面温度预测模型,使用该模型预测出温度数据,然后与实际试验数据进行对比。抽样选取含有55个个体的样本,按个体时间顺序排列样本个体,使用样本中的前50个个体训练预测模型,再使用剩余5个个体对预测模型进行检验。在前50个个体的相应时刻,预测值比实际值平均减小1.24%,标准差为1.27%; 在最后5个个体的相应时刻,预测值比实际值平均减小1.42%,标准差为0.16%。结果表明,采用基于自适应回归算法的导弹表面温度预测模型对导弹的表面温度进行预测具有较高的精度,达到了预测导弹表面温度的目的。