为了优化钝形弹头激波针外形设计,在超声速条件下实现显著减小气动阻力,有效提高全弹飞行速度的目的,采用数值模拟方法研究了亚、跨、超声速范围内球头激波针外形参数对减阻效果的影响及其流动机理,并以最大落地速度为优化目标,基于气动/弹道耦合方法对激波针外形参数进行了优化。结果表明:亚、跨声速范围内,由于激波针产生的附加阻力较大,使得全弹阻力系数增大,激波针无减阻效果; 超声速时,激波针的减阻效果明显,且随马赫数的增大,最佳减阻外形的长度增大,半径减小。基于气动/弹道耦合的激波针外形优化方法充分考虑了气动阻力对飞行弹道的影响,优化后全弹落地速度、射程增幅提高10.0%左右。同时,在计算范围内增加激波针对全弹升力特性、静稳定性的影响均较小。

针对打击机动目标带攻击角度约束的末制导问题,提出了一种带攻击角度约束的制导律。基于弹目相对运动模型,将攻击角度约束问题转化为终端视线角约束问题。设计了一种新型非奇异快速终端滑模面,结合改进的超螺旋算法,提出了一种自适应非奇异快速终端二阶滑模制导律。该制导律能够使弹目视线角及其角速率有限时间收敛,并设计了参数自适应律有效补偿未知扰动。通过仿真实验,验证了所提制导律能以期望攻击角度精确命中目标,且与现有制导律相比,收敛速度更快,制导精度更高,能量消耗更少。

防空领域中存在拦截目标速度高,控制时间短等难题。基于Simulink模块仿真,搭建激光末制导回路并构造该回路的伴随系统,仿真分析了随着弹-目接近速度不断提高,激光导引头在不同响应速度条件下,导引头角速度测量误差、角速度噪声以及导引律中的角度约束等因素所引起的脱靶量随末制导时间的变化规律。结果表明,提高激光导引头的响应速度能够有效降低弹-目接近速度提高所带来的影响。若弹-目接近的马赫数达到4以上,导引头带宽至少需大于80Hz,才能使得制导精度不会随着接近速度的提高而进一步的降低。

基于摄动落点偏差预测的弹道修正方法具有落点偏差计算精度高,弹上计算量小等优点。研究了基于该理论在二维弹道修正应用中相关的系列问题。基于多元函数的泰勒级数展开理论,推导了完整的摄动落点偏差预测理论模型。基于摄动偏差理论提出了一种修正步长自适应的射角诸元快速求解方法,一般循环解算弹道模型不超过3次即可得到落点误差不超过1 m的射角诸元。基于不同弹道位置上平均弹道误差,给出了偏导数求解中弹道偏差设置方法。提出了一种动态弹道偏差阈值修正方法,选用该方法进行弹道修正,平均弹道修正次数减少29.1%,而弹丸落点CEP增大不明显。

为解决基于雷达探测系统的一维弹道修正弹的快速在线弹道参数辨识及精度分析问题,针对阻力环体制的一维弹道修正弹,建立了适配于一维弹道修正弹的飞行控制弹道模型,并基于卡尔曼滤波理论建立了弹道滤波模型,给出了弹道预报的方法。结合扩展卡尔曼弹道滤波模型,计算分析了数据测量精度、基础阻力系数变化等因素对预报弹道落点的影响。研究结果表明:为了提高无控弹道和修正弹道的预报精度,应尽可能准确地获取全弹的阻力系数,并进行若干发炮射试验,通过反复调整预报-校正分段以确定出较佳弹道参数方差,来提高后续弹道预报精度。

为研究航空末敏子母弹子弹的地面散布问题,基于欧拉方法建立了航空末敏子母弹的母弹飞行阶段六自由度数学模型,基于拉格朗日多刚体建模方法建立了子弹减速阶段以及稳态扫描阶段的动力学模型,对衔接段做合理假设后,得到了航空末敏弹的全弹道模型; 分析了载机水平投弹速度和抛撒速度对子弹地面散布情况的影响。仿真结果表明:末敏子弹散布x、z轴方向落点间距与抛撒速度大小成正比; 末敏子弹散布x轴方向的落点间距与载机的水平投弹速度大小成正比,投弹速度对z轴方向的落点间距基本没有影响。

为降低武器弹药密集度试验的成本投入,得到密集度试验最优用弹数量,利用蒙特卡洛抽样模拟法,对一定弹药总发数在不同组数分组试验与不分组试验时的密集度进行了仿真研究。通过不同试验样本总量,按不同分组方式及不分组方式进行抽样模拟,得到了总体散布参数估计值的均值、方差和相对误差,以及分组试验时各组密集度中极大值和极小值之比的最大值、均值和方差。对比分组试验模拟结果与不分组试验模拟结果发现:试验弹药总发数一定时,分组数越多,密集度估算误差越大,密集度估计值的无偏性越差,不分组试验可略微提高密集度的估计精度,但改善并不明显。为了将气象等随机因素对密集度估计的影响计入考虑,密集度试验应分组进行。

为提升弹药产品密集度抽样检验水平,基于Bayes理论,建立了一种新的计量型一次抽样检验方法。构造了密集度的先验密度函数,推导了生产方风险和使用方风险的后验公式,研究了样本量和接收常数与双方风险的关系,制定了相应的抽样方案表。计算结果表明,该方法适用于逐批检验弹药产品密集度的批质量水平,与现有固定样本量抽样检验方法相比,所需样本量随产品批质量水平变化而变化,当产品质量优良时,样本量下降,有利于节约试验成本。

多级活塞缸式发射装置作为新型冷发射方式之一,具有兼容不同弹径、免装填等优点。为研究多级活塞缸式发射装置的结构安全性,通过理论分析、数值仿真等方法对多级活塞缸式发射装置的运动过程进行了梳理,分析了多级活塞缸式发射装置中缓冲材料的吸能需求,并揭示了结构质量特性偏差、装配姿态偏差、燃气动力偏差、缓冲材料特性偏差等因素对导弹离台姿态的影响规律。多级活塞缸式发射装置的运动规律由各级缸筒的几何参数和被推动导弹的质量参数决定,对缓冲吸能的需求较高,多模块的多级活塞缸式发射装置中导弹的离台姿态更加稳定。研究结果可为多级活塞缸式发射装置安全性设计提供理论支撑,为多级活塞缸式发射武器系统提供指标分解依据。

为模拟某压裂火药在油井作业中燃气的压力变化规律,需要确定火药的燃烧速度与其温度的关系。利用密闭爆发器实验系统,获得不同温度条件下火药燃气的压力随时间的变化曲线。基于内弹道火药燃烧特征量静态分析方法,计算出不同温度下火药的燃烧速度定律,并进一步计算燃速系数与温度的关系。通过拟合得出火药的燃速随温度增长的指数式变化函数,通过误差分析判定该函数适用于30 ℃～150 ℃的温度变化区间,为不同温度下的井下模拟计算提供了理论支持。

为了进一步研究二次燃烧对燃气弹射内弹道的影响,采用三维非稳态雷诺平均Navier-Stokes方程和重整化群湍流模型对燃气弹射过程进行数值研究,运用动态分层动网格技术模拟尾罩的运动。与实验结果对比表明,二次燃烧工况获得的内弹道参数更接近实验值。数值研究结果进一步表明:多组分工况获得的燃气与空气接触面光滑,而二次燃烧工况接触面呈现褶皱现象; 初容室内氧气质量分数的变化规律表明,二次燃烧现象发生在燃气发生器工作后的0.2 s内。受初容室内二次燃烧影响,弹射加速度呈现初期时二次燃烧大于多组分工况,后期多组分工况大于二次燃烧工况现象; 二次燃烧现象提前了飞行器的出筒时间,减小了飞行器的出筒速度。

为了研究不同弹丸结构和壳体材料对PELE横向效应的影响,通过实验方法,对比研究了常规结构、轴向分层结构和径向分层结构PELE(壳体材料均为钨合金)对多层间隔金属靶的毁伤效果。研究结果表明:轴向和径向分层结构PELE产生的破片数量较常规结构PELE分别提高了5.3%和84.2%,且其对第2层靶板的开孔尺寸分别提升了23%和16%,但是它们无法对后续靶板继续形成高效毁伤; 故此,将分层结构PELE的壳体材料换成钨丝/锆基非晶复合材料,做进一步实验研究。实验结果发现:钨丝/锆基非晶复合材料的分层结构PELE对第2层靶板的开孔尺寸下降约10%,但是,对第3层、第4层靶板的破坏尺寸提升分别约90%～140%和25%～30%。结果表明:钨丝/锆基非晶复合材料与分层结构PELE相结合,可提升对多层间隔靶板的高效毁伤。

为研究7.5 g圆柱体弹侵彻下,不同厚度配比的陶瓷/钛合金靶板的弹道极限速度及靶板的破坏模式,利用有限元软件ANLYSYS/LS-DYNA,对高速圆柱体弹侵彻陶瓷/钛合金结构进行数值模拟仿真,得到了弹道极限速度随陶瓷厚度和钛合金厚度变化的拟合公式,探讨了陶瓷和钛合金厚度比对结构抗弹性能的影响规律。结果表明:陶瓷/钛合金结构的破坏变形程度基本随着结构弹道极限速度的增大而增大,与增加陶瓷厚度相比,增加钛合金厚度对弹体侵蚀程度及靶板变形程度产生的影响更大; 结构的单位面密度吸能基本随陶瓷/钛合金厚度比的增大呈先增大后减小的趋势,当陶瓷/钛合金厚度比在1～2之间时,结构抗弹性能较好。

将电离反应按照反应机理的不同进行分类,采用不同的化学反应发生判据将其引入DSMC中,研究了基于分子水平的电离流场特性。通过对比不同组分流场的计算结果,发现引入电离反应会使流场整体温度和热流密度变小,且流场中的电子大多集中在飞行器头部。通过对比不同电离反应对流场特性的影响,发现联合电离反应是所有电离反应发生的基础; 电子激发电离反应对流场游离电子的生成有促进作用,而置换电离反应对游离电子的生成有抑制作用; 但后2种电离反应都会减弱飞行器表面的热流密度。