炮弹在发射和飞行的过程中,受各种随机误差的影响,造成射弹散布。设法减小或控制随机误差影响、改善炮弹地面密集度,始终是常规弹箭技术研究的方向。近年来研究者另辟蹊径,发展和研究了弹道修正理论与技术,即通过对一段实测飞行弹道参数的在线误差影响辨识,后续弹道预报,并通过弹上简易机构进行弹道修正调节,实现低成本下大幅度改善炮弹地面密集度。该文综合近年来国内外部分文献资料报道,结合多年的研究经验,对弹道修正弹技术的特点、难点及其工程应用中存在的射程扩展量等作一介绍,对未来的技术发展作一展望,以期为从事这方面研究的人员提供参考。

针对传统迫击炮弹落点精度差,打击精度低,设计了迫击炮弹弹道修正算法,采用摄动落点偏差预测法、自适应比例导引法、自适应比例微分导引法对弹道进行修正。建立了六自由度弹道模型及控制模型,阐述了摄动落点偏差预测法和比例导引法基本原理; 针对比例导引律中常值比例系数不符合实际弹道变化的特点,在纵向平面设计了自适应比例导引律,横向平面设计了自适应比例微分导引律。采用蒙特卡洛模拟打靶仿真验证,考察制导律在纵向平面、横向平面以及复合制导的修正能力。仿真结果表明,在纵向平面,自适应比例导引律效果最好; 在横向平面,自适应比例微分导引律效果最好。仿真分析了3种制导方法的复合制导效果。仿真结果表明,在纵向平面升弧段采用摄动落点偏差预测制导方法,以及在降弧段纵向平面采用自适应比例导引律、在横向平面采用自适应比例微分导引律的复合制导能力得到有效提升,迫击炮弹落点圆概率误差从无控时的126.317 m降为0.965 5 m。大射角、小射程条件下模拟打靶,圆概率误差为1.864 3 m。

为了研究加装精确制导组件的旋转稳定火箭弹弹体的绕流特性,尤其是鸭舵尾涡对弹体绕流的影响,通过计算流体力学方法,进行了网格密度研究,并对多攻角多转速工况的流场状态进行了数值仿真,利用Q准则实现对涡核心区域的辨识,并定性分析了不同工况下的流场特性,定量对比分析了弹体受力。结果表明:鸭舵涡系使弹体上出现不对称的条带状低压区域,使弹体受力呈现不对称性; 受弹体滚转影响,鸭舵涡系发生扭转,其扭转方向与弹体滚转方向一致; 鸭舵涡系与弹体旋转的共同作用诱导产生次级涡; 存在攻角时弹体的侧向力仍然表现出明显的马格努斯效应; 与传统回转体弹丸不同的是弹体转动角速度为0时侧向力系数不为0,且与攻角相关。

为满足单兵火箭弹体积小、质量轻、低成本的设计要求,建立了由两路舵机控制的俯仰、滚转双通道单兵火箭弹模型,差动进行滚转控制,同向偏转进行俯仰控制,应用反演法对俯仰通道控制器进行设计,并与PID控制进行对比分析。同时,为了与三通道控制作对比,引入偏航控制。研究结果表明,该控制器的解耦性能优于PID控制,具有良好的跟踪效果。在主要气动参数摄动的情况下,它能保持一定的鲁棒性和抗干扰能力。反演控制器可以满足双通道单兵火箭弹的控制要求,与三通道控制相比,提出的两路舵机控制模型具有更加灵活的弹内布局,更符合单兵火箭小口径、低成本的要求。

二维弹道修正弹气动力特性的研究是求解二维弹道修正弹弹道、分析二维弹道修正弹飞行稳定的基础,是实现精准控制、减小散布必要的理论支撑。该文对二维弹道修正弹的力学特性进行了分析,采用弹翼组合体气动特性工程计算方法,建立二维弹道修正弹气动计算模型,对二维弹道修正弹的升力和阻力进行计算。计算结果与CFD仿真结果对比,误差均小于10%,模型具有较好的可靠性。采用遗传算法,结合二维弹道修正弹气动计算模型,分析了舵偏角和滚转角对二维弹道修正弹升阻比的影响。结果表明,舵偏角越小,全弹的最优升阻比越大,最佳攻角越大,气动能力越好。当攻角大于10°且滚转角为180°时,全弹具有更好的气动能力。

为了得到某型弹道修正弹的落点散布规律和射击精度评定方法,以蒙特卡洛打靶获取的落点数据为基础,通过基本的数值统计分析、直方图法、概率纸法、偏度峰度法以及SPSS软件分析等方法,对修正弹落点散布情况进行统计分析,确定了其散布服从二维正态分布,得到了相应的概率密度函数,对比了修正弹与无控弹的射击精度。结果表明,弹道修正弹射击精度的评定可以采用与无控弹同样的指标和计算方法,为修正弹项目验收的射击精度评定部分以及后续的作战使用提供了理论和技术支撑。

为了提高人形机器人智能化程度,进一步对机器人导航进行研究,将弹道曲线应用于机器人导航控制,建立了弹道曲线航道模型和人形机器人弹道曲线航道北斗导航模型,提出了人形机器人弹道曲线航道北斗导航算法,研发了人形机器人弹道曲线航道北斗导航系统,给出了人形机器人弹道曲线航道北斗导航控制原理,通过仿真和实验进行了验证。结果表明:提出的弹道曲线航道模型、人形机器人弹道曲线航道北斗导航模型是合理的,给出的人形机器人弹道曲线航道北斗导航系统可实现人形机器人弹道曲线航道北斗导航,该系统将进一步提高人形机器人的智能化水平。

针对柔性拦截网空中投送展开的动力学过程,提出采用滞空时间、最大开网面积、有效拦截面积作为柔性拦截网开网效果的衡量指标,分析了影响柔性拦截网开网效果的主要因素。为了分析柔性拦截网开网过程,建立了柔性绳索非线性动力学模型,采用有限元求解方法求解控制方程,并进行了数值仿真。结果表明,牵引头在展开方向的动能大小是影响柔性网滞空时间的主要因素; 牵引头质量、弹射角度及弹射速度与柔性网滞空时间呈负相关关系; 牵引头弹射角度和弹射速度与柔性网最大展开面积呈正相关关系。仿真结果可为柔性拦截网空中开网参数的工程设计提供参考。

为了解决常规靶场测控系统中弹丸三维速度实时高精度处理的难题,提出了基于多元异类实时数据融合处理弹丸三维速度的方法。该方法通过联立弹丸位置和径向速度这两类测元的误差方程,建立了基于径向速度测元的测控系统实时数据融合模型,实现了弹丸三维速度的实时解算。将该方法应用于常规靶场典型试验的实例仿真中,与纯粹的三维速度IMM卡尔曼滤波和增加径向速度观测量后的IMM卡尔曼滤波进行对比分析,验证了模型的正确性和方法的有效性。研究结果表明,该文提出的方法能够高精度处理弹丸的三维速度,并且实时性强,易于工程实践。

基于ANSYS/LS-DYNA非线性动力有限元方法对内置调速挡板型中心炸管式子母弹的抛撒进行数值模拟分析是高效的。为了研究调速挡板对各方向上的子弹抛撒速度及其载荷分布的影响,基于某航空子母弹模型,将挡板的覆盖区域作为研究对象,设置了3种不同工况。数值模拟结果表明,在中心管内设置挡板会对子弹抛撒速度产生显著的影响,且子弹抛撒速度与挡板覆盖的方向有关,各方向子弹抛撒速度的分布范围在17～37 m/s之间。其中在未设置挡板的方向上子弹抛撒速度最大,在35 m/s左右。数值模拟结果对差异化目标打击类型子母弹的子弹散布规律研究有一定参考价值。

为了研究导弹发射系统发射内弹道特性,采用Fluent软件建立了内置式发射动力系统发射过程仿真模型,使用动网格技术模拟了导弹在发射筒内的运动过程,通过发射系统流场及固体壁面间的热-流耦合计算,得到了导弹发射出筒过程中的能量利用系数。仿真所得的内弹道结果能较好地与试验结果吻合,发射动力系统耗散的热量约为发射筒耗散热量的1/4。所建立的仿真计算模型可为后续仿真工作提供参考,计算所得的能量利用系数可为发射内弹道预示计算提供依据。

为了保证阶梯多根的装药设计形式的火箭发动机点火过程的安全性与稳定性,研究了不同开孔大小点火药盒的火箭发动机点火过程的流场特性。采用FLUENT计算软件对不同开孔大小点火药盒的火箭发动机点火过程的内流场进行了三维数值仿真,分析了点火药盒开孔大小对点火过程流场特性的影响。不同开孔大小点火药盒的输出压强都大约在4 ms时达到最大,开孔面积占点火药盒端面积百分比为2.5%、3%、3.5%的3种工况分别对应的最大输出压强约为54.8 MPa、44.6 MPa、32.9 MPa; 3种工况下燃烧室压强达到6 MPa时为推进剂点燃的压强,开孔面积百分比2.5%的点火药盒为6.6 ms,开孔面积百分比3%的点火药盒为7.1 ms,开孔面积百分比3.5%的点火药盒为8.2 ms。点火药盒开孔面积越小,所对应的输出压强越大,所需要达到推进剂点燃压强的时间越短。研究结果可为类似结构的固体火箭发动机点火试验点火药盒的设计提供参考。

基于圆柱形空腔膨胀模型,将靶板变形所做的塑性功等效为刚性弹在整个侵彻过程所消耗的动能,对用于计算刚性卵形弹侵彻半无限厚铝合金靶板的侵深公式进行了推导。利用MTS万能试验机对2A12T4、6061T6、7075T6共3种铝合金材料进行了室温下的静态力学性能实验,得到了它们的真实应力-应变曲线,并将各参数代入侵深方程进行计算。通过12.7 mm穿燃弹侵彻3种铝合金靶板的末端弹道试验,得到了不同速度下3种铝合金靶板的侵彻深度,并与理论结果进行了对比验证。结果表明:该理论模型与试验结果吻合良好,推导得到的穿深方程较为可靠。同时,靶板材料的应力-应变数据的可靠性对模型预测的准确性有较大的影响。

针对传统火炮复进机中维护难、不易控制等问题,提出一种圆筒型永磁直线电机的新型电磁复进机。初步设计了新型电磁复进机结构,建立直线电机有限元模型,分析直线电机的推力特性,并得到电机的具体参数。利用Matlab/Simulink建立了直线电机的数学模型,运用有限控集模型预测控制算法(FCS-MPC)对复进机进行了控制。仿真结果表明,所设计的电磁复进机满足火炮复进过程的推力需求,模型预测控制算法的响应速度快,能够快速准确地使炮身复进到射前位置,并能在不同射角下维持炮身处于待发位置。