本文建立了一套压差式粉末燃料供给系统,通过对流化腔压力、主气路压力、流化气质量流量以及粉末供给质量等数据的实时监测,探究了在不同活塞速度、不同压差下,该供粉系统对于煤粉燃料的工作过程及供粉特性的影响,并且推导了煤粉/氮气的气固两相壅塞流量的半经验公式。得出以下结论:当粉末供给系统的供粉过程处于稳定供粉阶段时,整个供粉系统可以实现对粉末爆轰发动机燃料的稳定输送; 随着供粉流量的增加,气固两相流通过音速喷嘴喉部时气相流通面积逐渐减小导致流化腔压力升高; 通过不断的减小压差,证明了流化气总压为3 MPa,活塞速度为10 mm/s,主气路总压从1 MPa上升至2.5 MPa过程中气固两相流均处于壅塞状态; 根据流化气总压3 MPa的实验结果拟合得到的气固两相声速公式和壅塞流量半经验公式在流化气总压4 MPa时得到了进一步实验验证。因此,该拟合公式适用于压差式粉末供给系统的燃料输送过程中,对煤粉/氮气气固两相壅塞流量的预测计算。

为研究不同膨胀状态下的复合结构喷管传热特性以及碳/酚醛材料耐烧蚀层的烧蚀特性,本文基于有限体积法编制了一套耦合传热程序,湍流模型采用k-ω SST模型。该程序分别采用二维轴对称N-S方程和二维轴对称热传导方程求解流体域和固体域,耦合传热通过热流密度相等、温度连续的方法实现。并结合热解动力学模型获得了碳/酚醛材料耐烧蚀层的热物性参数随温度和时间的变化关系。采用钝头碳/酚醛试件的气动加热算例验证了该程序的准确性,再对某碳/酚醛材料耐烧蚀层、碳/碳喉衬的复合结构喷管在不同膨胀状态下的传热特性进行了数值仿真研究。结果表明:在发动机工作初期,炭化层厚度沿喷管轴向分布与温度分布趋势相近,随着发动机工作时间增加,由于喉衬对碳/酚醛材料的热传导,使与喉衬交界面成为扩张段内炭化层厚度最大区域; 当扩张段出现流动分离,分离点处炭化层厚度较大,之后沿轴向逐渐降低直至为零。

为了优化模块装药的装药设计,深入分析单模块装药的内弹道稳定深层机理,针对单模块装药模块药盒的不同装填位置及药盒破碎后火药颗粒的散布状态对压力波等内弹道特性的影响规律展开研究,基于经典内弹道理论建立模块装药一维气-固两相流内弹道模型,采用MacCormack差分方法进行数值计算,对比分析其内弹道参量在时间、空间上的变化规律。对模块药盒初始位置距膛底距离为0,100,200,300,400和500 mm的6种工况下的内弹道过程进行了数值计算及分析对比,发现模块药盒不同初始装填位置对内弹道特性有一定的影响。随着模块药盒离开膛底距离增大,膛内最大压力先增大后减小、弹丸初速也先提高后降低,在药盒初始位置距膛底100 mm时达到最大压力和最高弹丸初速; 对模块药盒破碎后药粒在膛内的均匀散布、线性散布和后堆式散布等3种状态下的内弹道过程进行了数值模拟及分析。结果表明,药粒的均匀散布与线性散布对内弹道参量影响不大,而药粒的后堆散布会延长整个燃烧过程,同时降低膛压峰值和弹丸出口速度。

基于脉冲等离子体的电热化学发射是一种新概念超高速发射技术,脉冲等离子射流的喷嘴直径对其扩展特性影响较大。为研究喷嘴直径的变化所带来的影响,建立了等离子射流在大气中扩展的非稳态二维轴对称模型,根据等离子射流在大气中扩展的特点设计了计算区域,并对计算域进行了网格无关性验证。选用Fluent软件对等离子射流自由喷射进行了数值模拟,设计了等离子发生器并开展了实验研究,验证了模型的合理性。针对5 mm、6 mm、7 mm三种喷嘴直径,数值分析了等离子射流扩展特性及特征参数变化规律。结果表明:等离子射流在大气中扩展时,喷嘴附近流场参数变化比较剧烈,后期随着喷射时间的推移逐渐衰减; 喷嘴直径越大,Taylor空腔的扩展能力越强,初期主要表现在径向扩展,而后期主要表现在轴向扩展; 同时扩展过程中压力呈现高低压相间分布的规律,等离子射流与空气的掺混现象也在增强,等离子体射流的Taylor空腔破碎加剧,说明等离子射流扩展稳定性随着喷嘴直径的增大受到了影响。

火炮的软后坐发射是减小火炮发射后坐力的重要技术途径。现有软后坐技术多采用的前冲定位击发方式,由于不同弹种的膛压不同,在发射过程中反后坐装置产生的液压阻力相差较大,造成改变弹种后不能正常超卡。为提高软后坐火炮的射击性能,应对软后坐火炮弹种适应性差的问题,提出一种带有伺服控制机构的可调流口软后坐反后坐装置,通过发射前馈控制实现对液压阻力的有效调节。并基于常规反后坐装置的软后坐发射试验数据,采用粒子群算法对其结构参数进行区间参数辨识,结合辨识与流体仿真结果对提出的反后坐装置的发射过程进行仿真分析。仿真结果显示:该反后坐装置在不同弹种条件下,使软后坐火炮发射时均能正常超卡且发射过程平稳,并将后坐阻力控制在400 kN以内,能够满足软后坐设计要求。可以看出该新型反后坐装置对各类不同弹种下的软后坐发射工况的良好适应性,具有很大的实用价值,对软后坐火炮的设计应用提供一定的参考。

飞行器采用红外探测手段对拦截弹进行探测能够增强平台的生存能力及突防的隐蔽性。但红外探测仅有测角信息,对拦截弹定位属于不完备观测,这为制导律系数辨识、运动状态估计带来了较大困难。同时,传统的制导律辨识方法基于多模型滤波算法,辨识准确性受限于模型集中模型的数量。针对上述问题,根据矩阵理论对制导律系数辨识的可观性进行了证明分析,建立了拦截弹制导段运动模型和弹载平台红外探测模型。在此基础上,将制导律系数增广为滤波状态分量,并对过程噪声方差进行设计,采用无迹卡尔曼滤波对制导律系数与运动状态进行估计。同时,构建了拦截弹弹道预报方程,将滤波稳定收敛时刻状态作为弹道预报初值,基于无迹变换进行了弹道预报与误差传播分析。仿真结果表明,提出的算法能够对制导律系数与运动状态进行准确估计,与传统方法相比具有更好的通用性,弹道预报结果能够为飞行器规避拦截、机动突防提供理论支撑。

深度强化学习的快速发展为弹道规划提供了一种新的选择,它采用与环境交互的形式寻求最优弹道规划深的度神经网络,但在与环境交互的过程中存在着强随机性,这会导致强化学习训练过程中出现训练效果差、学习效率低下等问题。针对这一问题,本文提出了基于改进深度Q网络(Improved Deep Q-Network,IM-DQN)的深度强化学习弹道规划方法。该方法在传统深度Q网络(Deep Q-Network,DQN)算法的基础上添加了优秀经验保存和探索限制率的组合策略去引导训练方向,阻止训练网络大规模崩塌现象发生。对滑翔制导炮弹模型进行三自由度建模并将弹道规划问题转化为马尔可夫决策过程,确定状态空间、状态转移方式、奖励函数以及相关算法参数进行训练。分别在无约束和有约束条件下,将此方法训练得到的航程结果分别与最大升阻比方法以及基于最优控制理论的高斯伪谱法(Gaussian Pseudospectral Method,GPM)进行横向性能对比。仿真结果表明:IM-DQN方法训练过程相较于DQN方法更加稳定,在寻求航程最优性问题上,IM-DQN方法得到的最大航程值优于上述两种参照方法,研究结果可以为今后的强化学习弹道规划提供参考。

针对枪弹弹头在稳定性、风偏敏感性以及穿甲能力条件下的外弹道设计问题,提出了一种气动外形与结构参数的优化设计方法。以类似美国M855枪弹的弹头结构为研究对象,将其分为铜质壳体、铅心及钢心3部分,以3种材质体积占比及弹头气动外形参数为优化设计变量,以横风风偏敏感性最小和穿甲厚度最大为优化目标,考虑外形参数、结构参数和稳定性等约束,建立了多目标优化设计数学模型,并采用标准粒子群算法获得全局最优解。仿真结果表明:优化后的气动外形和结构参数可确保弹头全弹道上满足动态稳定性要求; 与初始方案相比,优化方案的弹头横风风偏敏感因子减小了16.4%,落点动能增大了18.2%,穿甲厚度提高了41.8%; 与对比方案相比,优化方案的弹头在气动外形以及速度变化相同的情况下,结构参数的优化使弹丸穿甲能力提高了24.9%,同时获得了更好的稳定性,验证了本文所提优化设计方法的合理性与可行性。本文研究可为枪弹外弹道设计提供一个新的思路。

大长径比鸭式布局制导弹箭进行倾斜转弯控制时,受侧滑角、攻角和滚转角影响,鸭舵产生的斜吹洗流会引起尾翼和弹身产生额外的面外力和力矩。因此为研究侧滑角对大长细比弹箭操纵性的影响,将流场域划分六面体-多面体网格,采用CFD方法对鸭式布局弹箭在不同攻角、马赫数、舵偏角和侧滑角下的气动特性进行了数值模拟,得到了弹箭气动特性的变化规律,绘制出了弹箭的流线图、涡量图和压力云图,进行流场分析研究。利用风洞实验获得相关空气动力学参数,对实验结果作对比分析,发现风洞实验与数值模拟得到的结果都有较高的吻合度,验证了数值模拟方法的可行性。研究表明多数情况下侧滑角不为零时,由于弹箭的弹体较长,鸭舵的洗流向弹体一侧偏移,使得鸭舵的洗流对部分尾翼没有产生干扰,尾翼的当地攻角增大,尾翼法向力变大,弹箭的压心后移,平衡攻角减小,静稳定度变大,进而弹箭的俯仰操纵效率降低; 而在少数情况下弹箭尾翼当地攻角却降低,尾翼法向力有所降低,静稳定度变小,弹箭的操纵效率有所提高。

针对毁伤评估及引战配合仿真中引信炸点测量数据缺乏的问题,提出了一种光幕阵列配合炸点火焰探测原理的近炸引信炸点坐标测量方法。使用2台三光幕探测器和1台单光幕探测器构成7光幕阵列,当带有近炸引信的弹丸穿过光幕阵列的所有探测幕面时,光幕阵列系统可测量得到弹丸的飞行速度、弹丸飞行速度方向的俯仰角、方位角和弹丸的着靶坐标,弹丸在炸点火焰探测器视场内爆炸时,便可利用爆炸时刻值进一步计算得到近炸引信空间炸点三维坐标。依据多光幕阵列测量原理和布置的光幕阵列建立了炸点坐标曲线测量模型,并对炸点坐标测量误差进行了仿真和分析,通过误差仿真得到的炸点三维坐标的最大测量误差分别为7.81 mm,11.66 mm和9.817 mm。模拟实弹实验炸点三维坐标的最大测量误差分别为5.9 mm,8.2 mm和8.4 mm,与理论仿真结果一致,验证了所建立测量模型的可行性和准确性。本文研究的测量方法可实现近炸引信弹丸在终点弹道段受到空气阻力和重力影响下的炸点坐标的测量,该测量方法完全满足近炸引信空间炸点三维坐标的测量需求。

为研究某型轻质陶瓷/纤维复合装甲(碳化硼陶瓷/碳纤维/芳纶/超高分子量聚乙烯)抗12.7 mm穿甲燃烧弹打击的能力,试验得到了单发12.7 mm穿甲燃烧弹侵彻轻质陶瓷/纤维复合装甲的弹道极限速度。借助LS-DYNA软件建立枪弹侵彻陶瓷复合装甲的有限元模型,采用有限单元-光滑粒子耦合算法(FEM-SPH)计算了其极限穿透速度,分析得到了侵彻过程中陶瓷复合装甲的响应特性,仿真弹道极限速度结果与试验的误差小于5%,验证了模型的合理性。在此基础上进一步研究了靶板的有效防护区域分布和抗双发枪弹重复打击的能力及其影响因素。结果表明:陶瓷复合装甲平面内抗弹性能并不一致,受弹着点位置影响可大致分为中心区、偏心区和边缘区。偏心区整体抗侵彻性能优于中心区,但是背板变形量更大,平均增加了约30%,复合材料层间分层破坏明显; 边缘区由于不能形成完整的陶瓷锥,抗侵彻性能最差,不能形成有效防护。靶板抗双发枪弹打击的能力受着靶间距的影响,当枪弹同时着靶时,若着靶间距不小于4倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击; 当枪弹先后着靶时,若着靶间距不小于6倍弹体直径,靶板可以抗双发枪弹重复打击。

为了克服现有的动能弹侵彻深度经验公式存在的适用条件有限、局限性较大等方面的不足,考虑动能弹侵彻过程与布氏硬度钢球压入过程具有相似的破坏形式,基于能量守恒和转化定律以及动能原理,采用量纲分析法,依托布氏硬度计算公式推导了动能弹侵彻深度计算公式,并提出了侵彻效率和侵彻效率系数的概念。分别选取多组半球形和截卵形弹头动能弹中低速侵彻岩石、金属和混凝土的文献数据,考虑不同类型材料硬度的表征方法,计算侵彻效率系数和侵彻效率,并对侵彻效率与速度的相关性进行了评价。计算结果表明:动能弹侵彻岩石、高强钢、铝合金、混凝土的侵彻效率分别在1.19%～2.27%、1.13%～2.03%、0.71%～4.77%和4.49%～13.0%范围内; 通过数据拟合,发现同一种类型动能弹侵彻效率与弹丸速度有较好的相关性,大部分可决系数都超过0.74; 使用不同规格弹丸侵彻相同靶体材料时,侵彻效率与速度拟合关系的系数离散性都很小,岩石、高强钢、铝合金、混凝土的变异系数分别为0.07、0.23、0.16、0.19; 计算结果说明推导出的动能弹侵彻深度计算公式合理可靠。

为研究制式弹药侵彻毁伤冻土的过程,进行了弹丸侵彻冻土实验,制备了不同温度的冻土靶板试样并采用56式步枪进行实弹射击试验。实验结果表明:冻土材料具有明显的温度效应,随温度降低,冻土靶板强度显著增强,弹丸在冻土靶板中侵彻深度随之降低; 温度对于弹丸侵彻深度与弹道轨迹影响较大,弹丸在常温状态下土壤靶板中翻转现象较为严重,而在冻土靶板中弹丸姿态保持较好,未出现翻转。利用有限元计算软件对弹丸侵彻冻土材料进行仿真计算,分析了冻土温度和含水率对侵彻能力的影响,得到了弹丸侵彻能力与温度和含水率的关系式。仿真结果表明:弹丸侵彻深度随冻土温度的降低而线性降低; 冻土含水率的增大先减小后增大。