针对日益严重的“低慢小”无人机“黑飞”问题,基于高低压发射原理设计了一种反无人机捕网装置,建立了捕网装置发射过程的内弹道和外弹道耦合计算模型,数值模拟了不同装药量、高压室容积对于发射装置捕获无人机性能的影响,将装置初速、装置体积与质量、高压室压力峰值归一化后分别表征装置的捕获性能、便携性以及安全性,分析了不同发射条件下装置捕获性能、便携性以及安全性之间的内在联系。通过粒子群优化算法对发射结构参数及发射条件进行优化后,捕网装置的捕获性能、便携性以及安全性等综合性能得到大幅提升,为反无人机捕网装置的深入研究提供理论指导。

为了解机枪在水下发射环境中膛口燃气射流场的演化特性,建立了膛口燃气射流(含弹丸)在液体中扩展的两维两相流模型,借助Fluent软件,运用UDF和动网格技术,针对12.7 mm机枪在水中发射形成的膛口燃气射流场进行了数值模拟与分析。结果表明,在近水面发射条件下,燃气出膛口后,先迅速膨胀,形成一个射流膨胀区,温度与压力迅速降低。随后由于膛口燃气持续流入,受限于弹底边界和周围水的约束,形成一个压缩区,燃气温度与压力又快速上升。在弹丸出膛后0.12 ms,已经能清晰地观察到马赫盘结构,且马赫盘距膛口的位移随时间变化特性满足指数上升规律; 在10 m水深发射环境下,膨胀区的扩展受限于更大的水压,使膨胀区下游与气液界面附近的温度峰值与压力峰值偏大,且峰值所处位置向膛口方向移动; 马赫盘距膛口位移随时间变化较小。

为研究水下变深度发射导弹的内弹道问题,通过由多个燃气发生器组成的弹射动力系统,建立了水下发射的内弹道计算模型,介绍了可同时满足多种深度发射的内弹道仿真方法,进行了仿真计算。结果表明:在20～60 m的深度范围发射,可以通过调节3个燃气发生器的点火时序,得到18.9 m/s±3.4 m/s的出筒速度调节范围。由多燃气发生器组成的弹射动力系统是解决变深度发射导弹的有效途径。

针对轻气炮隔离膜片展开过程中流体与结构的相互影响,基于FCBI单元法,引入Johnson-Cook弹塑性本构模型,采用流固耦合的方法对此过程进行数值仿真,得到膜片周围流场特性和膜片的动力学响应。以膜片展开速度和低压侧压力变化作为性能评价指标,分析了破膜压力、高压侧注气温度、膜片厚度及开槽形状等因素对膜片展开性能的影响。计算结果表明:破膜压力越高,高压侧注气温度越高,且膜片在满足强度要求的情况下越薄,越有利于提高发射管内压力; 采用开槽方式为六道凹槽的膜片对展开过程最为有利。仿真结果揭示了膜片式轻气炮破膜做功机理,再现了膜片展开的过程,为轻气炮膜片结构的优化设计与内弹道性能的优化提供重要参考。

针对研发、检测弹药的安全性试验需求,通过分析高速弹丸加载的内弹道特性,结合身管结构的力学和强度分析,设计了一种采用火药燃气驱动技术的高速破片发射装置,该装置口径为25 mm,长度4 m。设计最大装药量200 g,发射最大弹丸质量75 g,最大膛压250 MPa。计算了该装置速度、压力与装药量、弹丸质量的关系,并与试验结果进行比较,发现二者具有较好的一致性。利用该发射装置,可将65 g质量的弹丸发射至1 840 m/s,实现了破片的高速可控加速,可应用于弹药的破片撞击安全性考核。

以整装式液体发射药火炮为背景,从气液两相湍流掺混出发,研究燃烧稳定性的方法。设计圆柱型观察室,采用数值模拟方法,基于流体动力学理论,分别模拟六股和八股燃气射流在圆柱型边界条件下的扩展。通过追踪燃气空腔的扩展,获得了射流场两相分布、流线分布及压力分布。模拟结果表明:2种工况下燃气射流的轴向位移相似,六股燃气射流外轮廓更为光滑,其径向发展强于八股燃气射流。八股燃气射流相互干涉对流场的影响较为剧烈,湍流掺混明显。2种工况下径向压力分布对比明显,轴向压力分布相似。

为了研究连续旋转爆轰发动机(CRDE)隔离段的反压特性,建立了等直隔离段以及带扩张段的隔离段模型,用FLURNT对这2种构型的隔离段进行三维数值模拟,研究了旋转爆轰波在隔离段内向上游传播的特性,分析了不同结构对流场结构、激波串前传位置的影响; 对同一结构,分析了反压大小、旋转速度对其的影响。研究结果表明,反压在隔离段内与附面层相互作用,诱导出复杂激波和膨胀结构,形成了激波串。反压扰动在隔离段中前传的距离与隔离段的构型、反压旋转速度和大小有关:等直隔离段的抗压能力相对更强,反压旋转速度或压力增加,都会使得扰动区域增加。数值模拟结果对CRDE隔离段反压特性研究以及结构设计具有一定参考价值。

为研究姿轨控发动机射流换向阀门开/闭过程的复杂流场,采用耦合两方程湍流模型的最小二乘无网格方法进行数值模拟,清晰捕捉到了合理的流场结构与流动特征,成功模拟出附壁流动、主流的切换等复杂的非定常流动状态,给出了主流切换时间,能够客观地反应射流阀的基本切换过程。数值模拟结果为姿轨控发动机射流阀门的设计提供了参考,耦合两方程湍流模型的最小二乘无网格方法在求解射流阀切换过程这一实际工程问题时具有良好的适应性。

为了研究修正组件滚转条件下二维修正弹鸭舵的法向气动力非线性规律,建立了鸭舵坐标系,考虑弹丸攻角、舵偏角、弹丸运动和迎风区与背风区等影响因素,采用多元泰勒展开理论,建立了动态鸭舵法向力计算模型; 采用数值计算分析了不同攻角、舵偏角组合的鸭舵法向力特性,得到了不同舵偏角下鸭舵法向力随攻角的变化规律,分析了滚转条件下舵偏角和攻角对4个鸭舵法向力系数的影响规律。结果表明:鸭舵法向力计算模型的计算结果与数值计算结果吻合较好,该模型为二维修正弹的气动力计算提供了参考。

针对传统的三点法制导律在六自由度弹道仿真时的应用限制,设计了一种基于三点法弹目拦截几何的滑模制导律。在地面坐标系下利用方向余弦阵,推导出了三维空间中三点法制导律的弹目拦截几何; 将目标机动视为模型扰动量,建立了三点法拦截几何的状态空间方程; 基于滑模控制理论,通过选取合适的滑模面并通过极点配置确定其参数,设计了一种滑模制导律; 依据Lyapunov稳定性理论,对所设计的制导律进行了稳定性证明并进行了数值仿真。仿真结果表明,在导弹整个飞行过程中,坐标原点、导弹和目标始终都在一条直线上,严格符合三点法弹目拦截几何,并且制导指令相对平滑,符合实际需求。

针对多目标优化算法设计的控制系统鲁棒性不强的问题,基于随机鲁棒方法设计了导弹姿态控制系统参数,并进行了对比仿真验证。在确定姿态控制系统结构基础上,根据系统对快速性和稳定性的要求,提出一个包含系统稳定性、时域指标和频域指标项的指标体系。在此基础上,通过对各指标或各指标的不满足概率适当加权,分别为粒子群优化算法和随机鲁棒方法定义适应度函数,并在参数取值区间内对待定控制参数进行寻优,从而实现姿态控制系统参数的优化整定。蒙特卡洛仿真实验表明了随机鲁棒方法用于鲁棒控制系统设计的有效性。

针对全导式多弹头在确保射击精度与弹头密集分布条件下的作战需求,提出了一种数值导航计算和相对制导的方法。基于零视加速度理论,在自由段采用数值导航计算方法,有效地消除了惯性导航系统加速度计漂移误差对导航精度的影响,减小了弹头落点偏差。以摄动制导理论为基础,研究了从弹伴随主弹飞行的相对制导方法,设计了满足落点约束的姿态控制方程和制导关机方程,将从弹和主弹分离时刻的状态参数作为标准关机量,实时计算分离后从弹的关机量并与标准关机量进行对比,满足相对距离条件则实施关机。仿真表明:通过数值导航与相对制导方法能有效实现全导式多弹头的伴随飞行,并以较高精度命中目标,从弹掩护主弹攻击的效果较好。

以一种大展弦比“重叠式”可折叠弹翼组件为研究对象,采用数值模拟与风洞试验相结合的方法,分析了该弹翼组件气动布局在小型化滑翔型制导航空弹药中的应用,对弹翼组件的外形参数进行了优化设计。通过三自由度弹道仿真计算验证了该弹翼组件气动布局的气动特性及滑翔性能。研究结果表明:这种“重叠式”可折叠弹翼组件气动布局可以大幅度减小折叠弹翼在收拢状态下的外形尺寸; 在同样的弹体结构和尺寸包络限制下,弹翼弦长可达到传统面对称平直弹翼的2倍,有效增大了升力面面积,实现了在外形尺寸限制下的高升阻比气动布局; 该弹翼组件在结构上更为简洁紧凑,解决了传统的对折式弹翼形式在小型化制导弹药上应用所面临的结构效率和气动增益受限的问题。

为了获得材料硬度对刻槽壳体爆炸驱动形成破片性能的影响规律,选取3种不同热处理硬度下的D60钢作为刻槽壳体材料,通过破片速度测试与沙箱回收破片试验,研究了D60钢刻槽壳体形成破片的速度及质量分布特性,并利用AUTODYN-3D软件结合Stochastic随机失效模型,仿真研究了D60钢刻槽壳体爆炸驱动下形成破片作用过程及破片速度、质量变化规律。结果表明:随着硬度的降低,0.1 g以上的破片数量增加,破片平均尺寸增大,不同硬度D60钢刻槽壳体形成破片初速差异不大。HRC36壳体形成的破片形状较另外2种硬度破片规则,且高硬度壳体材料形成破片穿甲能力较强,可以完全穿透6 mm厚Q235A钢板。

根据悬浮子弹药对导弹的末端拦截所需的起爆激励条件,研究了导弹飞行过程中的声辐射特性。利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对亚声速、跨声速和超声速3种速度等级导弹飞行过程中的表面脉动压力进行了仿真,得到了导弹周围的压力分布及其表面最大脉动压力随速度的变化关系。依据气动声学的声学相似理论对亚声速导弹所产生的声场进行了仿真,分析了该辐射声场中各参量的变化。结果表明:高频单色波可以作为悬浮子弹药激爆检测信号,研究结果可应用于悬浮子弹药声光激爆机制的设计。

为实现冲击波尽量小的高效后坐,提出了定向反射膨胀原理,设计了相应的装置。运用一维准定常气体动力学理论,建立了气体动力学模型,根据实际情况选定模型参数进行数值分析,得到了装置减后坐效率及弹丸炮口初速等理论分析结果; 根据理论分析结果确定了实验装置的基本参数,设计实验并在某30 mm口径的火炮上进行定向反射膨胀装置的实验验证。实验测试结果表明,理论分析结果与实验测试结果基本一致,验证了定向反射膨胀装置作用特性研究的正确性,为定向反射膨胀原理及装置的继续研究打下了基础。