为了获得冰粒超高速撞击蜂窝夹芯结构后二次碎片云的轴向分布特性,运用AUTODYN软件进行超高速撞击数值模拟,分析弹丸直径和初速对二次碎片云速度、质量、动能的影响规律。结果表明:二次碎片云的轴向尺寸和径向尺寸与撞击初速和冰粒直径呈线性关系,基于量纲分析得到了碎片云长度和直径的经验计算公式; 碎片云的速度随轴向位置近似线性增加,但冰粒直径对二次碎片云轴向速度分布的影响更显著; 初速低于6 km/s时,大质量碎片分布在碎片云头部区域,初速高于6 km/s时,大质量碎片分布在碎片云中部位置,撞击初速恒定时,较大质量碎片分布在碎片云头部位置,且分布规律受冰粒直径的影响较小; 碎片云动能与质量具有相似的轴向分布规律。

导弹在飞行过程中的外部载荷会导致结构振动,从而引发燃烧不稳定。为了更好地理解燃烧不稳定性,预测外部载荷是很重要的。该文提出了一种基于神经网络的动态载荷识别方法。首先,设计并加工了导弹模型,进行有限元模态分析与模态试验,提取典型模态振动频率,验证了所使用有限元模型的合理性。该方法基于有限元模型开展仿真计算,神经网络由仿真结果中的足够样本数据训练,从而使神经网络能够识别典型载荷。搭建地面试验系统,开展地面激励实验获取相关数据,首先进行典型载荷识别,相对误差可达1.21%,验证了所训练神经网络的准确性和试验系统的可行性。随后对随机载荷进行识别,结果表明,用所提方法识别随机动载荷相对误差小于1.82%,该载荷识别方法具有良好的识别能力。对于导弹结构设计和发动机燃烧不稳定的预测具有重要意义。

针对刚性双轨火箭橇无法满足导弹控制装置在马赫数为2条件下的力学环境试验要求,分析了刚性双轨火箭橇的振动数据和特性,发现火箭橇振动响应与运行速度强相关,振动均方根随速度的增加呈非线性增加趋势,火箭橇刚度越大,振动响应越大,当速度为900 m/s时,刚性火箭橇振动响应均方根值达到120g,火箭橇试验中产生的振动表现为随机振动,频带范围覆盖了5～2 000 Hz,且低频振动十分剧烈。根据火箭橇的振动特性,将天然橡胶与滑靴一体化融合设计为减振滑靴,减小滑靴刚度,从而降低由靴轨冲击碰撞引起的振动,实现了火箭橇振源处的一级减振,在被试品与橇体接口处采用硅橡胶实现二级减振。通过动态特性响应仿真、振动台试验、橇轨耦合动力学计算和火箭橇试验进行了验证。研究结果表明:双轨火箭橇通过两级减振后,从振源和传递路径两方面将侧、竖向振动过载控制在了12g内,并实现了100～2 000 Hz内宽频域段减振,被试品侧、竖向减振效率分别达到52%和70%,能够为导引头类火箭橇试验提供验证技术支撑。

空射运载火箭轨迹设计受载荷、载机安全性、姿控能力等多因素限制,为了解决空射运载火箭面临的复杂多约束条件下的轨迹优化问题,提出了一种考虑穿越距离、最大载荷约束、最大控制能力的轨迹优化设计方法。建立了机箭穿越距离模型与载荷计算模型,通过将上述模型转换为过程约束引入轨迹优化问题中,利用伪谱法对轨迹优化问题进行求解,从而实现多约束条件下的空射运载火箭上升段轨迹快速优化。在此基础上,梳理了空射运载火箭轨迹设计中影响火箭穿越距离、最大载荷的典型参数,分析了参数间的制约关系。仿真结果表明:该方法能够实现多约束条件下的空射运载火箭上升段轨迹优化,为空射运载火箭研制提供参考; 从降低火箭最大飞行载荷以及总体性能提升角度考虑,空射运载火箭应在较高高度进行投放,投放后以最大角速率将攻角调节至最大值,保证火箭快速穿越稠密大气,同时应尽可能缩短穿越距离,避免火箭在低空加速。

针对目前火箭弹道实时融合方法抗干扰性差、对初值敏感、依赖于理论弹道方程等问题,从测量误差的统计特性出发,证明了从有限样本构造的高斯核密度估计函数最大值点是产生该组样本高斯分布期望的无偏估计量这一结论,提出了一种基于高斯核密度估计函数最大值点跟踪的方法:根据各设备的测量数据构造高斯核密度估计函数,将弹道融合问题转化为求该函数最大值点的问题; 由于经典的迭代求解法耗时较长,对前一帧估计结果进行平移采样,将采样结果作为当前帧最大值点的近邻进行一阶泰勒估计,最后取核函数值最大的估计位置,从而完成跟踪。对方法的有效性进行了理论分析,并与经典迭代法的时间消耗进行了对比理论计算。结合实验从抗干扰性、初值敏感度、伸缩性能、稳定性方面,与目前的选优法、样条约束法、无迹卡尔曼滤波法进行比较,证明了该文方法具有估计精度高、鲁棒性强、可扩展性强、平滑度高的优势,且满足实时性要求。

当射手存在无意识的侧倾射击习惯,或由于执行任务时的地形环境限制,需要操作枪面侧倾进行射击时,以瞄准线为基准,枪面的侧倾导致枪口的空间位置变化,从而弹道垂直面和水平面变化引起弹着点的偏移。为确定枪面侧倾射击时瞄准镜的装定方法,以某型7.62 mm高精度狙击步枪为研究对象,利用三维设计软件的空间建模功能,建立射击诸元坐标系,采用几何方法分析了枪面侧倾对外弹道的影响和弹着点偏差分布规律,推导出了枪面侧倾射击时的弹着点偏差计算公式,研究了弹道修正方法,提出了计算弹道修正量的方程组,指出了射手操枪射击时的注意事项和训练要点。在100 m射距处,设计并进行了枪面侧倾射击时的弹着点偏差和弹道修正试验,对实验结果进行了分析,以期为某型7.62 mm高精度狙击步枪在实战应用中进行枪面侧倾射击提供弹道装定参考,同时提供了一种测试弹丸偏流值的新方法。

为研究剪切来流下超空泡射弹空化与水动力特性,采用Mixture多相流模型、Schnerr and Sauer空化模型和Realizable k-ε湍流模型,对水下剪切来流中的超空泡射弹进行数值模拟研究,来流平均速度为600 m/s,剪切率为0～7 500 s^-1。均匀来流中,包裹射弹的超空泡上下对称,阻力以压差阻力为主,升力系数为0。剪切来流下,超空泡不对称,并向低速侧偏斜,压差阻力略微增加,致使阻力系数增大。由于高速侧绕流更快,低速侧的涡旋产生更显著的卷吸作用,使得射弹受到朝向低速侧法向黏性力的作用,升力系数减小为负值。当剪切率进一步增大时,弹肩高速侧出现沾湿,弹体周围黏度增加,导致阻力系数显著增加,且水压显著大于饱和蒸汽压,压力的法向分量更加剧烈地作用到低速侧方向,升力系数进一步减小。

为改善栅格翼的水动力性能,基于流动不分离理论设计了负压梯度翼型,并将其运用于栅格翼的设计; 数值模拟研究了该翼型与NACA0015翼型在一定的空化数和攻角条件下的升阻及压力分布特性; 探究了3种叶片间距的负压梯度翼型栅格翼在不同攻角下的升阻、压力及空泡几何形状。结果表明,含攻角时,该翼型对应的临界空化数要比NACA0015的小,但二者升阻系数基本一致; 小攻角情况下,栅格翼叶片数量增加时升力会趋于一常值,但阻力会不断增加; 大攻角情况下,叶片数量的增加会导致升力和阻力均明显增加。对于同一叶片间距的栅格翼,攻角越大,栅格翼叶片由上至下空泡的长度和厚度减小的速率越大。对于不同叶片间距的栅格翼,叶片数量越大,各个叶片的压力干扰越剧烈,压差阻力越大,导致升阻比降低。同时,剧烈的压力干扰会导致栅格翼的空泡长度增加。因此,在满足水动力特性要求时,基于该文翼型设计负压梯度翼型栅格翼应尽量减少叶片数量。

为了探究不同喷管构型对水下爆轰燃气射流形态与激波传播过程的影响,基于VOF多相流模型,通过求解二维非稳态雷诺时均Navier-Stokes方程分别对无喷管、加装扩张喷管、收敛喷管的爆轰管水下爆轰过程的内外流场进行二维轴对称数值模拟。研究了喷管构型对水下爆轰过程中形成的透射与反射激波的传播特性、爆轰燃气射流形态演化规律等流场特性的影响。计算结果表明:扩张喷管可以加强向下游传播的透射激波沿轴线方向的指向性,而收敛喷管会减弱透射激波的强度,增强向上游传播的反射激波强度。爆轰燃气泡初期轴向和径向发展速度均随着时间逐渐衰减,喷管对燃气泡的轴向尺度影响较小,但收敛喷管能够显著抑制燃气泡的径向尺度。研究结果可为后续水下爆轰推进的工程化应用提供技术支撑。

火炮发射过程中的热散失会影响内弹道性能。在数值仿真时由于直接计算热散失较为困难,通常采用对火药力或者燃气的绝热指数进行修正的方法,但该方法无法准确预测内弹道的性能。为此该文提出了一种基于气固两相流模型的热散失计算方法,从高温燃气与身管内壁的热交换出发,建立热散失模型,并将热散失模型与火炮膛内气固两相流模型耦合,热散失量将在气相能量守恒方程中的源项中考虑。以某155 mm火炮为研究对象,采用MacCormack差分格式求解修正后的气固两相流模型,获得膛内流场变化情况。求解得到的流场参量作为热散失模型和身管传热模型的输入参数,计算出内弹道过程中总热散失量以及身管径向温度分布规律。对给出的2种测试工况进行仿真计算,计算结果与实验结果的比较表明,考虑热散失时各指标误差明显减小,最大压力误差小于1.0%,初速误差小于0.5%。总热散失占火药燃烧后产生总能量的2%～4%。证明了该方法的可行性和优越性,有助于提高内弹道仿真的精度。

为了优化发射装置内部的阀口结构,减小发射过程中峰值负载,提高发射装置的可靠性与稳定性,针对发射装置中的阀口部件,采用正交试验设计,基于格子玻尔兹曼法(LBM)进行了仿真研究。分析进口角度α、出口角度β、通孔长度L和通孔面积S对峰值负载及出筒速度的影响,得出各因素与响应之间的响应模型。进而,针对不同出筒速度需求,根据所得曲线模型选取弹药所受峰值负载最小时的阀口结构参数,保证弹药发射过程的稳定。对通过此法选出的阀口进行仿真验证,与优化前数据对比,结果表明:优化后阀口结构参数为α=β=45°,L=27.5 mm,S=170 mm²,弹药所受峰值负载降至6 428.4 N,减小了20.15%,低压室最大压强降至0.807 7 MPa,减小了21.42%,出筒速度降低至22.4 m/s,仅减小9.49%。由此可见,优化后弹药最大负载降低明显而出筒速度降低幅值较小,故优化效果显著且方案可行。

为减小安装于机翼下的吊舱航炮膛口流场对机翼的危害,根据国外先进的航炮吊舱偏流装置结构,设计了一种带斜切角的航炮吊舱偏流装置,基于三维Euler方程并结合流体力学计算软件,应用重叠网格技术,分别对有、无偏流装置时的膛口流场进行了数值仿真,其中在有偏流装置的情况下,分别对斜切角为0°,30°,60° 3种斜切角度的偏流装置膛口流场进行了仿真分析,主要研究了在不同斜切角度偏流装置下的非对称流场结构对机翼产生的危害。研究结果表明,此偏流装置将对称性流场变为了非对称流场,能有效降低火药燃气对机翼的冲击和灼伤,并且随着偏流装置斜切角的增大,效果越明显,起到了降低火药燃气的对机翼危害的作用。同时,通过对弹丸侧向速度的计算,得到了弹丸的侧向速度增量,弹丸的侧向速度主要由偏流装置的偏心结构和斜切角引起,随着斜切角的增大,弹丸侧向速度增量有先减小后增大的趋势,选择合适的斜切角能使弹丸侧向速度增量最小,保证了射击精度。

为快速分析解决常规导弹封锁机场跑道的作战效能,提出了一种基于系统效能分析(SEA)方法的作战效能分析方法。构建了基于SEA方法的常规导弹封锁机场跑道作战效能分析的框架结构和解析模型; 结合导弹武器作战攻防体系对抗的特点,给出了封锁把握程度分布密度的计算方法并验证了模型的计算精度,该精度可满足实际作战需求。分析了抛撒子母弹分段切割机场跑道的封锁作战特点,运用成爆弹威力环“切割”跑道的思想,通过判断母弹落点与被“切割”跑道之间的几何关系,确定有利弹着区,在此基础上建立了刻画封锁把握程度的跑道失效概率的解析模型; 为了构建反映机场跑道封锁与反封锁对抗过程的封锁时间计算模型,将跑道封锁时间划分为跑道损毁情况判定时间、确定跑道抢修方案时间、排爆作业时间和弹坑修复时间4个部分。构建了排爆作业和弹坑修复阶段作业时间的计算模型,以及封锁时间性能度量的解析模型。对封锁时间性能度量的概率密度函数进行了统计推断。研究结果为后续运用SEA方法进行常规导弹封锁机场跑道作战效能分析奠定了基础。

高功率微波(HPM)的舰载应用已成为未来舰艇武器发展的必然趋势,在协同防空作战中为了将HPM武器(HPMW)的作战优势最大化,研究其协同作战火力冲突及其判定方法具有重要意义。针对舰载HPM与垂直发射武器的火力冲突问题,从HPM发射特点及其对目标毁伤与干扰机理角度,采用HPM在传输过程中微波密度呈现的高斯分布效应的原理,选择微波对目标的毁伤阈值作为主要判断依据来建立HPMW危界模型; 从扰动因素的角度将垂直发射武器的危界模型分为垂直上升段和转弯段,借助蒙特卡洛数值分析方法计算垂直发射武器危界模型安全阈值; 描述了在协同防空作战中基于弹道预测下理想弹道与HPMW天线轴线的最短距离,通过设定的安全阈值与最短距离的关系来判断是否发生火力冲突。仿真结果表明,该模型较为准确地描述了HPMW的危界,减少了可射击空域的损失,能够有效地给出较为可靠的冲突告警信号。