工作在较宽飞行范围的高马赫数组合动力飞机,其动力性能受到飞行条件/飞行姿态以及模态转换的影响,并进一步影响其飞行任务性能。为尽可能真实并快速地评估组合动力飞机的飞行任务性能,提出了一种考虑模态转换的组合动力飞机任务性能快速评估方法,并量化研究了不同飞行轨迹、不同模态转换区间对飞行任务性能的影响。首先建立了高马赫数飞机的飞行动力学模型,将飞行姿态考虑进任务分析中; 随后建立了组合动力的非安装及安装性能计算模型,飞行轨迹中可实时模拟动力装置的性能; 最后建立了模态转换模拟模型,可分析模态转换过程对飞行任务性能的影响。结果表明:该文研究的飞行马赫数为5的组合动力飞机,巡航高度由海拔20 km升高至27 km,巡航距离增加18.3%,总航程增加21.9%; 将模态转换马赫数区间由低马赫数2～2.3向高马赫数2.2～2.5范围移动,爬升加速段距离增加8.4%,爬升加速时间增加5.8%。

基于气动热/结构温度响应耦合计算方法,研究了弹头固定攻角再入条件下锥身典型子午面结构温度响应特性,以及滚转姿态变化时刻对各子午面结构温度响应的影响,建立了考虑弹头滚转姿态变化影响的防热层厚度优化方法,并基于该方法开展了弹头防热层厚度优化。最后,研究了滚转姿态变化次数对优化效果的影响。结果表明:在再入弹道前段进行滚转姿态变化可使外壁面气动加热量更为合理,有效降低弹体锥身壳体内壁面温升。当迎、背风面壳体内壁面最大温升约束为25 K时,与无滚转姿态变化状态下相比,滚转姿态变化设计可使防热层厚度减小0.725 mm,减小幅度为5.4%。通过与滚转姿态变化时刻的联合设计可有效降低锥身防热层厚度。与单次滚转姿态变化时相比,两次滚转姿态变化时防热层厚度减小量仅增大1.9%,增加滚转姿态变化次数对优化效果影响较小。

针对打击机动目标带攻击角度约束的导引律设计问题,采用滑模控制理论、任意收敛时间控制方法和干扰观测器,设计了一种攻击角度和收敛时间控制的导引律。根据弹目相对运动关系,将目标机动和建模误差等视为干扰,构建了考虑攻击角度约束的制导系统状态方程。分析了任意收敛时间控制方法在干扰情况下的性能,采用滑模控制和干扰观测器对任意收敛时间控制方法进行改进,提升鲁棒性。将该方法用于滑模面和趋近律设计中,采用干扰观测器对系统扰动进行估计,基于滑模控制理论,结合制导控制系统状态方程,推导出了收敛时间和攻击角度可控的滑模导引律。相比有限时间收敛导引律,该导引律的收敛时间和攻击角度可直接设定,无需根据制导参数计算。设置不同的目标机动方式以及不同的攻击角度和收敛时间,进行了多场景的数值仿真。结果表明,所提导引律能够有效实现攻击角度和收敛时间控制,并精确命中目标,同时相比现有导引律其制导性能更佳。

为了研究采用弯型预爆管的预爆轰式连续旋转爆轰发动机点火起爆过程和旋转爆轰波的传播特性,设计了H₂/O₂弯型预爆轰管的预爆轰点火装置,进行了预爆轰点火实验,并研究了应用该预爆轰管的煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆特性。借助高频动态压力传感器和高速摄影,分别记录了实验过程中的压力信号与流场动态变化过程,分析了旋转爆轰波的起爆过程以及传播特性。实验结果表明:初始爆轰波在到达燃烧室入口后迅速膨胀解耦,形成两个沿相反方向传播的压力波,并且压力峰值迅速衰减; 成功起爆后,爆轰波在燃烧室内以双波对撞模态自持传播,每一周期内双波发生对撞的位置不断变化; 当煤油质量流量增加时,燃烧室内形成稳定旋转爆轰的时间间隔增加; 在稳定工作范围内,提高当量比可以增加爆轰波的平均传播速度。该实验验证了将该弯型预爆管应用于煤油/富氧空气旋转爆轰发动机点火的可行性,进一步揭示了煤油/富氧空气旋转爆轰发动机的起爆过程。

电磁轨道炮炮膛装配精度直接影响到发射过程中枢轨滑动电接触状态,为分析炮膛装配精度对电枢动态发射的影响,基于炮膛间距实测数值,提取炮膛间距典型变化形态,并建立典型形态下电枢内弹道发射动力学模型,理论分析了炮膛尺寸变化在发射过程中对电枢受力、振动等的影响,并通过真实工况下的动态发射试验和枢轨静态滑动接触试验对理论分析结论进行验证。研究结果表明,膛间距的随机变化可导致发射过程中电枢和轨道处于非对称接触状态,在膛间距变小时,枢轨接触区域会经历由小变大的过程,这一过程有利于增大枢轨接触区域,当膛间距增大时,枢轨接触区域逐渐减小,造成局部面积通过电流过大,当内膛装配精度误差超过0.2 mm以上时,由此引起的内膛间距波动可导致发射过程中电枢受力不均,同时对电枢产生横向附加振动,这是导致电枢膛内高速运动而解体的主要原因之一。通过分析炮膛装配精度对电枢发射过程的影响,研究结果可以有效指导枢轨匹配性设计,对促进电磁炮未来工程化应用意义显著。

粉末在容弹以及发动机燃烧室内的掺混状态对粉末爆轰特性有较大的影响,因此亟须对粉末在有限空间内的喷射掺混特性展开研究。搭建了一套透明的容弹系统,通过高速摄影监测系统,对片状煤粉在容弹内的喷射掺混过程进行观测,并对高速摄影拍摄图片进行后处理,分析煤粉在容弹内的喷射掺混变化规律。针对煤粉喷射掺混图像建立了一种灰度值标准差曲率分析方法,研究发现标准差曲率趋于0的初始时刻为煤粉掺混均匀最佳时刻,可以选取为最佳点火时间点,且该方法所选取的时刻与逐帧分析高速摄影图像所选取的时刻吻合。在煤粉浓度为120 g/m³,210 g/m³,300 g/m³下,依次展开煤粉喷射掺混实验,并应用此灰度图像标准差曲率分析方法进行分析。实验结果表明:保持煤粉浓度一致时,掺混均匀性最佳时间随喷粉时长的增长而逐渐缩短,点火时刻提前; 保持喷粉时长一致时,掺混均匀性最佳时间随供粉浓度的增长而延长,点火时刻延后。

针对大口径火炮在弹带挤进阶段由于应力过大易对炮膛内壁造成损伤的问题,以大口径火炮发射过程的内弹道特性为背景,展开尼龙-紫铜复合弹带的结构设计及其动态挤进过程的数值仿真研究。基于现有紫铜材质弹带,通过注塑工艺制备一种尼龙-紫铜复合结构弹带,降低挤进过程中的弹带应力。利用经典内弹道方程组求解内弹道过程中弹丸弹底压力变化,并作为动力条件展开动力学分析,使用单一及复合材质弹带的弹丸挤进过程中的内弹道动力学参数,分析尼龙厚度对复合弹带性能的影响。研究发现,相比于紫铜弹带弹丸,相同条件下使用尼龙弹带的弹丸内弹道动力学参数更高,而挤进终点时刻弹带应力更低; 对于使用复合结构弹带的弹丸而言,其内弹道性能和弹带尼龙含量相关。复合弹带尼龙厚度越厚,则挤进过程中弹丸内弹道动力学参数越高,而挤进终点时刻弹带应力越低。相关研究可为中大口径火炮弹带设计提供一定参考。

为了获得12.7 mm穿燃弹侵彻30CrMnSi钢板的剩余速度和断裂特性,开展了12.7 mm穿燃弹侵彻不同厚度30CrMnSi靶板的试验研究,分别利用激光测速和测速靶测量了弹心穿靶前后的速度,通过改变靶厚获得了12.7mm穿燃弹对30CrMnSi靶板的极限穿深。然后使用LS-DYNA动力学软件,利用FEM网格与SPH粒子相结合的数值模拟方法对12.7 mm穿燃弹侵彻30CrMnSi靶板的过程进行了仿真计算。最后利用穿甲力学理论对穿燃弹的侵彻深度、剩余速度和不同厚度靶板的弹道极限进行了理论计算。结果表明:弹心剩余长度随着靶板厚度的增加而增加,弹心的侵蚀区域由弹身部位逐渐向弹尾移动,弹性区域逐渐扩大,并且随着靶板厚度的增加,靶板的弹道极限也随之增加,弹心侵彻靶板后的剩余速度逐渐降低,根据理论计算,12.7 mm穿燃弹对30CrMnSi靶板的理论侵彻深度约为27.7 mm,与试验结果相符。

基于爆炸反应装甲与聚能射流的作用机理,研究某新型反应装甲对金属射流的干扰作用,运用理论分析、数值模拟和试验验证的方法进行综合研究,采用三维数值模拟软件ANSYS/LS-DYNA,运用控制变量法,针对特定结构反应装甲进行不同法线角条件下的侵彻模拟,并进行侵彻过程分析,得到不同法线角条件下反应装甲对金属射流的有效切割长度、金属射流的剩余侵彻速度、反应装甲面板和背板的运动速度随时间变化等干扰作用变化数据,能够观察到反应装甲面板和背板的飞行状态和干扰后的射流形状。根据所得数据、曲线图及侵彻结果图并结合相关干扰作用理论进行分析。得到面板和背板对射流有效干扰长度、面板和背板最大速度、射流剩余侵彻速度等干扰性参数变化规律。对比分析表明,随法线角的增大,面板和背板有效干扰长度逐渐增大,法线角70°工况条件相比于法线角0°,背板有效切割金属射流的长度范围提高了368%; 射流剩余侵彻速度随法线角的增大呈减小趋势,法线角在50°～70°范围,射流剩余侵彻速度降低幅度最大; 且随法线角的增大,射流受反应装甲干扰作用越强。

为了探究一种以紫铜作为药型罩材料的周向多线性爆炸成型弹丸侵彻毁伤规律,用25 mm口径火炮发射一种长径比为1:5的紫铜EFP等效弹丸,分别从紫铜弹丸1 000～1 700 m/s的着靶速度和0°～70°的着靶角度两方面研究了其对Q235钢的侵彻毁伤规律,建立了紫铜杆式弹丸侵彻Q235钢靶的仿真模型,拟合出了实验所用紫铜的Johnson-Cook本构模型参数及断裂失效参数,并且利用侵彻试验结果对仿真模型的准确性进行验证。研究结果表明:该拉伸试验得到的Johnson-Cook本构模型参数及断裂失效参数能够较为准确地描述紫铜在侵彻过程中的断裂失效行为; 在800～2 000 m/s时,紫铜EFP模拟弹丸侵彻深度随侵彻速度的增加呈线性增加; 弹丸着靶角为40°时,弹丸偏转角达到最大6.35°,弹丸着靶角在10°～30°之间时,弹丸侵彻深度能达到最大。该研究可为周向多线性紫铜爆炸成型弹丸战斗部的威力设计提供参考。

埋头弹作为一种新型弹药,具有体积小、形状规则等优点,是未来弹药发展的重要方向之一。弹体破碎性直接影响弹丸威力,为提高弹丸威力,弹体材料、炸药种类、弹体装药结构必须合理搭配。通过对30CrMnSiA、40MnNiMo、50SiMnVB 3种常用弹体材料进行破碎性试验,寻求一种适合某小口径埋头弹的弹体材料。试验结果表明:50SiMnVB材料的弹体形成的有效破片数量最多,质量相对均匀,更适合用于小口径弹药弹体材料。同时,针对50SiMnVB弹体材料形成破片质量分布不均、利用率低等问题,利用ANSYS LS/DYNA有限元分析软件对该口径埋头弹弹体膨胀和自然破片形成过程进行了数值模拟,通过对弹体自然破片形成机理的分析并结合埋头弹发射具有高膛压、高过载的特点,设计出一种结构简单,加工成本低廉,可用于高膛压、高过载的弹体结构,并对所设计的弹体结构自然破片的形成过程进行数值模拟。数值仿真结果表明该种弹体结构设计方案具有较高的可行性。进行了破碎性试验验证,试验结果表明该种弹体结构形成的有效破片数量可增加16.5%。

为辨识多信标长基线定位系统误差,及提高定位精度,针对目标安装多个信标且目标体积不可忽略的情况,构建了多信标体制的长基线水下定位模型。进一步针对测元系统误差中包含的声速误差、时延误差,在多信标体制定位模型的基础上,构建了多类系统误差辨识模型,并结合水下目标定位过程,计算时延残差,构建模型最优检验统计量,给出了系统误差模型的最优选择准则,实现水下目标位置参数和系统误差参数的有效估计。仿真结果表明,该模型最优选择准则可以有效选择合适的系统误差辨识模型,提高长基线水下目标的定位精度。提出的基于最优模型选择的多信标长基线定位系统误差辨识方法可为水下目标定位试验提供理论支撑和有效参考。

未来信息化战争对迫击炮射程、射击精度、机动性等核心指标提出了很高要求,迫击炮座钣的轻量化设计已成为迫击炮轻量化设计的研究热点。复合材料因具有强度高、质量轻、耐冲击等优点在座钣设计上得到了应用。为保证复合材料座钣的强度和稳定性,拓展复合材料座钣的适用工况,采用多目标聚合方法,以座钣沿炮膛轴线方向的位移、侧方向的位移、复进阶段反跳程度、炮口振动状态和座钣质量为优化目标,开展了迫击炮复合材料座钣多工况多目标研究。采用BP神经网络方法,构建近似代理模型,并进行模型验证和可信评估,基于代理模型,利用遗传算法对优化问题进行求解。考虑复合材料层合板的材料特性,对复合材料座钣进行优化设计,达到其射击稳定性和机动性之间的最佳匹配,提高迫击炮复合材料座钣的综合性能。综合比较黏土、中硬土和坚硬土3种工况下复合材料座钣的强度和射击稳定性,结果表明该研究方法对迫击炮的轻量化设计具有一定的参考价值。

冲击Hugoniot试验不可避免地受到不确定因素的扰动,冲击Hugoniot关系的参数标定和不确定度量化对理解爆轰多物理过程的动力行为极为关键。首先,收集Los Alamos实验室的粒子速度-冲击波速度试验数据,通过不确定度传递律计算冲击波速度的标准不确定度,结果表明不能仅仅依靠绝对偏差的大小来判断异常值。采用基于绝对偏差距离的自适应聚类异常值检测法,剔除试验数据中的异常干扰点。其次,针对清洗后的试验数据,利用最小二乘回归方法拟合粒子速度-冲击波速度的冲击Hugoniot关系,并利用统计理论推导出Hugoniot参数的不确定度。进而,使用国内试验装置和试验数据,通过建立合适的误差公式,将Hugoniot曲线的预测值与试验值做比对,预测结果与试验结果吻合良好。结果还表明:清洗后的Hugoniot关系能更准确地预测PBX9502的冲击动力行为,确认标定参数的有效性。最后,将Chapman-Jouguet理论结合合理的假设和近似,给出了基于Hugoniot关系爆压的计算公式,给出了爆压的不确定度量化。研究结果能为发展强预测能力、高可信度软件提供保证。