为研究向前喷气协助航行体入水通气空泡多相流动特性,开展了喷气协助航行体入水实验。分析了入水过程中射流穿透水面开口空泡的形成及发展,探讨了不同喷气量、入水角度对空泡形态、射流长度等的影响。实验结果表明:在开口空泡形成过程中,自由液面存在不同区域(扰动区、过渡区及空泡形成区)的转变,这些区域的形成与航行体位置有关; 在航行体穿越气液界面之后,射流形成的空泡壁面由于黏性剪切流动存在显著的K-H失稳,且小喷气系数下存在空泡湮灭现象。在穿透液面过程中,空泡直径和射流长度均呈减小趋势; 开口空泡深度、空泡直径和射流长度随喷气系数呈线性增长,但受入水角度的影响有限。

为了解决运载火箭末级小推重比情况下最优弹道设计的问题,达到火箭入轨速度损失更小、消耗推进剂更少的目的,采用更加准确的线性引力场模型,通过简化偏航程序角和协态变量,将真空飞行段最优推力方向转换为含有5个约束条件的两点边值问题进行求解,进而通过积分运动方程得出最优弹道。此外,结合运载火箭飞行的特点对迭代初值进行了研究,提出了协态变量和火箭飞行时间初值的设置方法,并归纳出基于线性引力场的运载火箭全程飞行弹道设计思路和设计流程。仿真结果表明:在正常推重比情况下该方法与传统方法的设计结果吻合,俯仰程序角基本呈线性变化; 在给定的小推重比情况下,该方法速度损失更小,相比传统设计方法和迭代制导仿真可分别节省推进剂2.9%和2.1%,同时俯仰程序角已不能按线性化规律来设计。该设计方法具有较好的收敛性能和优化效果,对小推重比情况下的弹道设计具有良好的适应能力,可应用于运载火箭上升段全程弹道设计,也可为运载器在线轨迹规划等提供新思路。

升力式飞行器助推段弹道设计面临着复杂大气飞行环境下多约束耦合条件下的运载能力优化难题,需要在满足分离高度、攻角量值与变化率限幅、入轨点高度与倾角等约束下,通过设计助推段程序角,使得入轨点速度最大。为了寻求一种快速解决这一问题的工程设计方法,以三级固体运载器为研究对象,提出了升力式飞行器助推段多约束弹道设计方法,通过设计助推段弹道模式制定了设计变量,梳理确定了助推段约束条件,建立了多约束下以入轨速度最大为目标的优化模型。通过分析设计变量与约束条件的耦合关系制定了高效的优化流程,并以牛顿迭代法确定优化初值,且以序列二次规划法开展优化仿真。仿真获得了满足多约束条件下的优化解,入轨速度提高了3.1%,验证了升力式飞行器助推段弹道设计方法的正确性和优化求解流程的有效性。升力式飞行器助推段多约束弹道优化设计方法具有较强的工程实用性,模型建立方法与优化求解流程可为其他优化问题提供参考。

传统L1惩罚序列凸规划算法(LPSCP)在进行制导炮弹弹道规划时,线性近似误差大,导致目标函数曲线震颤,难以收敛到最优解。针对此问题提出了一种改进的L1惩罚序列凸规划算法(ILPSCP)。ILPSCP算法引入指数衰减的相对信赖域宽度和带上界的惩罚系数,消除了目标函数的震颤。以一般化控制能量最优轨迹规划模型为研究对象,利用Radau伪谱法离散连续变量,线性凸化非线性动态方程,建立标准凸优化模型。以制导炮弹纵向平面内滑翔弹道模型为仿真实例,分别采用传统的LPSCP算法、提出的ILPSCP算法和非线性最优化通用工具箱GPOPS2 3种方法进行仿真对比。结果表明:ILPSCP算法成功解决了传统LPSCP算法震颤和不稳定等问题; 同时ILPSCP算法的仿真结果与GPOPS2的仿真结果高度重合,证明了提出的算法对求解复杂弹道规划问题的有效性。

气动参数对弹丸的弹道特性起决定性作用,在无控弹丸研制过程中,准确获取弹丸气动参数是减小落点散布、提高打击精度的基础与关键。为了进一步提高弹丸阻力系数的辨识精度,基于质点弹道方程,通过数值仿真产生弹道数据,利用极限学习方法在多种噪声环境下实现弹丸阻力系数弹道大数据辨识。该方法随机产生输入权重以及隐含层神经元阈值,随机生成的输入权重以及隐含层神经元阈值彼此独立,且不需要迭代更新,克服了传统辨识方法辨识时间长、辨识精度低的问题。基于最小二乘原理,通过求解隐含层输出矩阵的Moor-Penrose广义逆矩阵即可确定网络最优输出权值,进而精确辨识弹丸阻力系数。在不同测量噪声条件下,将极限学习方法辨识结果与传统BP神经网络方法以及极大似然方法辨识结果进行对比研究。仿真结果表明:利用极限学习方法辨识弹丸阻力系数的辨识精度更高,收敛速度更快,抗干扰能力更强,能够在高噪声环境下有效辨识弹丸阻力系数,可以满足工程实际需要。

以某挂载多管发射器的小型四旋翼无人机为研究对象,为研究特种弹药发射对四旋翼无人机飞行稳定性造成的影响,建立了特种弹药发射内弹道模型,通过内弹道编程计算获得了该发射器发射某特种弹药产生的后坐冲量。基于牛顿-欧拉方程建立了无人机及多管发射器的六自由度动力学模型,通过Simulink建模计算,获得了四旋翼无人机及多管发射器的姿态与位置变化数据,计算和试验结果符合较好。研究表明:在多种发射工况下,基于PID控制器控制下的四旋翼无人机皆能安全实现特种弹药悬停发射; 改变四旋翼无人机机身受到的后坐冲量大小进行数值计算,可得到四旋翼无人机悬停状态下实现安全发射所受到的后坐冲量理论阈值; 为四旋翼无人机及挂载多管发射器的研制提供了理论和数据支撑。

为优化弹体头部外形,减小侵彻过程头部侵蚀对弹道偏转的影响,进而提升弹体斜侵彻多层靶弹道稳定性,设计了一种复合式侵彻体,利用ANSYS/LS-DYNA,计算了复合式侵彻体以500～800 m/s速度侵彻3层间隔钢靶的弹道偏转情况,对比了复合式与整体式侵彻体弹道偏移量,探讨了帽罩材质对复合式侵彻体弹道的影响机制,并进行了实验验证。结果表明:在500～800 m/s速度范围内,复合式侵彻体侵彻各层及最终弹道偏移量均明显小于整体式侵彻体,随着侵彻速度由500 m/s增加至800 m/s,弹道稳定性分别提升54%、50%、60%和32%; 在500 m/s侵彻速度下,35CrMnSiA帽罩复合式侵彻体弹道偏移总量略小于93WNiFe帽罩复合侵彻体,当速度增大至800 m/s时,93WNiFe帽罩复合式侵彻体的弹道最终偏移量小于35CrMnSiA帽罩复合式侵彻体。

针对12.7 mm穿燃弹对半无限厚均质各向同性软钢靶的侵彻行为,采用12.7 mm弹道枪进行了多发垂直侵彻Q235半无限钢靶的弹道试验。试验结果表明:12.7 mm穿燃弹对Q235半无限钢靶的侵彻过程中弹芯无明显变形,表现为刚性侵彻,侵彻深度与弹芯的着靶动能呈线性关系。利用LS-DYNA有限元软件对12.7 mm穿燃弹的侵彻过程进行了数值模拟研究,数值模拟结果与试验结果有较好的一致性,得到了弹丸的侵彻阻力曲线,发现弹丸的侵彻阻力在弹芯着靶前为最大侵彻阻力的5%,弹芯着靶瞬间弹丸的侵彻阻力迅速增大,说明弹芯在12.7 mm穿燃弹对Q235半无限钢靶的侵彻过程中为主要侵彻元。数值仿真过程中,将穿燃弹的着靶动能等效为弹芯的着靶动能时,弹芯的侵彻深度比试验侵彻深度高约40%; 将穿燃弹的着靶速度等效为弹芯着靶速度时,侵彻深度与试验相差在1%以内,进一步说明了穿燃弹对Q235半无限钢靶侵彻时弹芯为主要侵彻元。将穿燃弹的侵彻模型简化为刚性弹芯的侵彻模型,在空腔膨胀理论的基础上建立了12.7 mm穿燃弹芯刚性侵彻时的深度预测公式。关键词:穿甲力学; 穿燃弹; 刚性侵彻

截顶结构超聚能装药较常规聚能装药具有更加优异的综合毁伤能力,即侵彻深度和侵彻口径可以大幅度提升。为了提高大锥角聚能装药结构的侵彻深度和侵彻口径,对大锥角聚能装药进行了截顶结构设计,通过调整附加装置结构及材料,并对药型罩的结构进行调整,初步设计了6组方案,利用AUTODYN-2D软件对不同聚能装药结构的成型特性进行数值仿真研究。结果表明:通过加入高密度的附加装置代替传统药型罩的顶部,改变附加装置和药型罩的结构,在附加装置推动、药型罩压垮加速空间增大以及压垮角增大的三重作用下,能够有效提高射流的头部速度,提高药型罩材料的质量利用率,可以形成直径粗大的高速射流。其中采用截顶半球形附加装置变壁厚结构超聚能装药所形成的射流形态最优,其射流头部速度可超过10 000 m/s,药型罩利用率达到51.6%。

射流成型情况关系到对目标的侵彻毁伤效果。非晶合金材料有着不同于金属材料的独特力学特性,其用于聚能装药中形成的射流形态十分特殊,可以在保证一定侵彻深度的同时提高开孔孔径。将数值模拟和试验验证相结合,对Zr基非晶合金药型罩射流成型特性展开研究。将Zr基非晶合金和Cu药型罩形成的射流进行对比分析,发现具有明显差异。这是由于非晶合金材料在高应变率下的微小塑性不予考虑,经过弹性压缩阶段后,由于Zr基非晶合金材料屈服强度极大,几无塑性,药型罩破碎,形成大量质量不均的粒子,仿真上体现为密度分布,并向轴向汇聚形成粒子流,由于粒子质量不等,在碰撞汇聚时,小质量粒子径向速度较大,分布在外围,大质量粒子则靠近轴心,形成大直径的非凝聚高速集束粒子流,并通过X光摄像试验结果进行验证。基于脆性材料模型的本构方程和SPH数值仿真方法能够对射流成型近似模拟,当射流因药型罩加工质量问题致使质量不均匀时,仿真与实际具有一定差距。

为了满足某多级杆式空气发射系统的研制需要,建立了多空气瓶动力源时序开阀供气的多级杆发射系统的内弹道仿真模型,设计了模型正确性验证试验方案,开展了该系统的内弹道仿真与试验研究。描述了多级杆式空气发射系统的设计原理,根据该发射系统的工作原理,借鉴经典枪炮零维内弹道模型,建立了该空气发射系统弹射过程的内弹道模型,进行了通用工况的仿真模型研究。设计了多级杆式空气发射系统内弹道模型正确性校验试验方案,开展了3 000 kg配重的弹射试验,测量了弹射过程中的内弹道压力参数,结合试验开展情况讨论了该发射系统的内弹道特点,提出了空气发射系统中管路及阀门应注意的事项。将仿真计算的结果与试验测试数据进行对比分析,结果表明计算结果与试验结果吻合较好,满足多级杆式空气发射系统的研制需要。所建立的内弹道模型可指导特定发射需求气瓶初始压力及开阀控制时序的参数制定,对某多级杆式空气发射系统的研制具有参考意义。

为了提高某型无后坐力线膛火炮武器系统发射破甲弹飞行过程的稳定性,发射时能够有效降低弹丸转速,在传统弹带的基础上设计了一种新型双层塑料(尼龙)滑动式弹带,对弹丸进行减旋,并对其进行试验验证及仿真分析,利用SIMULATION对弹带挤进过程中弹带受力情况进行仿真分析。通过仿真结果可知,外层弹带为主要受力件,受到的应力较大,导致其变形量仍然较大。试验后回收的外层弹带膛线印痕明显,但相比传统单层式弹带,弹丸转速由原4 000 r/min下降到1 949 r/min,试验与仿真分析基本吻合,基本能够满足该无后坐力线膛炮发射破甲弹尾翼稳定的要求,具有一定的改进效果。基于双层弹带的结构方案及试验分析,充分考虑了外层弹带受力变形对弹丸在飞行过程中稳定性的影响,设计了3层复合结构滑动式弹带,由塑料外层弹带、塑料内层弹带和金属内衬弹带组成。优化后的仿真结果表明,金属内衬弹带成为了主受力件,有效降低了外层弹带所受的应力,弹丸减旋效果达到最优。

为了获得“金属风暴”武器发射过程中的耦合内弹道参数,以达到武器系统优化改进目的,设计测试“金属风暴”武器相邻弹丸之间耦合膛压的测试弹。针对30 mm小口径武器弹上空间有限、耦合膛压导致弹丸同时受弹底压力、弹前压力,力学特性复杂的问题,设计了测试弹的机械结构,将薄膜压电传感器、加速度传感器、信号采集调理、信息处理和存储、通信传输、电池等电路系统集成一体,制成了耦合膛压测试弹; 为了提高耦合膛压的测量准确性,利用加速度测试结果对薄膜传感器压力测量结果中的惯性力进行了修正。利用“金属风暴”武器开展了射击试验,检验了耦合膛压测试弹的性能。试验结果表明:耦合膛压测试弹的机械强度满足发射及回收要求,测试弹机械结构可以保护薄膜传感器不被火药气体烧蚀,经过加速度传感器修正处理可以得到弹丸发射期间的弹底压力与弹前压力,耦合膛压测试弹能够获得“金属风暴”武器的耦合内弹道参数。

药协调器是某大口径火炮弹药自动装填系统的重要组成部分,是复杂的机电系统,其性能好坏将直接影响弹药自动装填系统的精度、可靠性和安全性。为了分析药协调器的动态特性影响因素以提高协调到位可靠性,对系统进行了仿真与试验研究。采用Adams和Simulink仿真软件分别建立了药协调器的动力学模型及控制系统模型,利用交互接口建立了药协调器机电联合仿真模型,分析了药协调器机电系统的动态特性,并将实测协调过程的角度数据与仿真结果进行比对。对比结果显示,联合仿真模型能够准确描述药协调器的运动特性。在此基础上,选取了实际调试过程中具有代表性的花键磨损、轴承局部损伤2种故障模式,并利用故障注入技术进行了故障仿真分析,明确了花键磨损与轴承局部损伤对系统运动过程的影响,故障仿真结果表明,花键磨损量及轴承摩擦系数越大,协调运动越不稳定,且基于联合仿真的故障注入方法可以为协调到位可靠性的影响因素分析提供参考,分析结果可为系统故障分析提供依据。

为了实现弹药协调机械臂定位精度超差的性能故障诊断,提出了一种基于函数型主成分分析(FPCA)与差分进化极限学习机(DEELM)结合的故障诊断方法。建立了协调机械臂的动力学解析模型,进行了标准状态下协调过程的仿真分析,同时对协调机械臂实验台架进行了相同状态的协调过程测试,二者输出的支臂角位移曲线吻合较好; 利用协调机械臂的动力学解析模型,分析得到气弹簧初始压力和支臂角位移测量误差2个故障参数的临界取值范围,并据此定义了不同的故障类型,在不同故障类型对应的参数取值范围内通过抽样仿真和模拟故障实验获得支臂角位移样本数据; 以函数的视角对支臂角位移数据进行分析,将其表示为平滑的函数曲线,利用FPCA计算得到样本数据的函数型主成分得分作为特征参数; 将FPCA提取的特征参数与对应的分类标签作为输入与输出信息训练DEELM,利用训练好的DEELM对仿真样本和实验样本进行诊断测试,诊断正确率为98.10%,表明了该方法能够实现协调机械臂性能故障的有效诊断。

对潜射鱼雷的综合防御是当前水面舰艇构建防御鱼雷指控系统的核心内容。首先,在基本概念层面区分了纵向综合与横向综合的不同侧重,从主要特征角度归纳了防御对象多样性与防御手段多样性的基本内涵,在防御过程方面明确应立足一次性防御理念展开决策部署,并强调态势生成问题是制约防御效能提升的主要瓶颈。其次,围绕综合防御态势生成过程中的识别与定位2个关键性问题,进一步分析了来袭鱼雷制导类型的识别原理与输出特点,探讨了实际弹道预测法和似然弹道预测法的实现方式及特征差异,从而形成了对综合防御鱼雷态势生成问题的完整表述。最后指出,综合防御鱼雷的目的可划分为主要对抗目的和辅助对抗目的,综合防御基本原则包括综合优先、效费比最佳、硬杀伤优先、威胁优先或信度优先等,综合防御火力分配可采取二级分配的方式,并围绕不同报警距离范围归纳了多手段综合防御鱼雷的关注重点及一般规律。研究表明,一套相对完整的水面舰艇防御鱼雷理论体系已初步形成,这对相关指控装备的研制和相应指挥能力的提升具有参考意义。