电磁轨道发射作为电磁发射技术的重要分支,具有发射速度高、射速可调节等显著优势,被誉为改变未来战争样式的颠覆性技术之一。目前,电磁轨道发射技术仍然面临射击精度低及装置寿命短等关键瓶颈问题,这些都与电磁轨道发射装置所涉及的复杂电、磁、热和力等多领域耦合发射动力学行为密切相关,然而国内外对极端冲击条件下电磁轨道发射装置的系统动力学分析尚缺少成熟理论方法和技术手段。针对上述情况,从动力学建模、性能预测、优化设计等方面综合阐述近期电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法的国内外研究进展,总结相应的研究方向和需求。随着电磁轨道发射装置的工程化发展,电磁轨道发射系统的建模与仿真应考虑发射环境的全系统因素,建立电磁轨道发射装置和发射环境耦合的发射动力学性能快速预测和优化设计系统,详细阐明电磁轨道发射装置和发射环境多领域耦合振动机理等基础科学问题,为电磁轨道发射装置系统动力学的深入研究和相关装备研制提供支撑。

在水下目标定位中,布站构型的共面约束会导致目标单点定位的几何精度因子(GDOP)理论最小值不能达到。为改善水下布站的观测矩阵,将单圆锥扩展为组合圆锥构型布站模式。然而,传统的优化算法易陷入局部最优且存在收敛效率低等问题。针对以上问题,提出了一种改进的自适应粒子群算法。首先提出了一种有共面约束的水下声学定位系统组合圆锥构型,并证明了所提出的组合圆锥构型具有可叠加性、可旋转性以及GDOP旋转不变性; 其次,针对布站优化指标单一的问题,构建了一种基于水下目标全局GDOP的布站优化准则; 在此基础上提出了一种基于自适应粒子群的优化算法,并应用于组合圆锥构型下的水下声学定位系统布站优化。所提出的自适应粒子群算法能增强布站的全局最优性,提高算法收敛效率和水下目标的定位精度。

针对滑翔制导炮弹末制导过程中的攻击角度与攻击时间控制问题,为简化制导律设计、方便工程应用,提出了一种将现有高性能非时间约束制导律扩展为可处理时间约束形式的方案。该方案以非线性导引模型为基础、现有制导律作用下的弹丸飞行轨迹为参考轨迹,通过为弹丸预设合理的飞行时间并结合轨迹预测的方法,将滑翔制导炮弹的末制导过程分为2个阶段。第一阶段制导炮弹在扩展后的制导律作用下飞行,通过增加参考轨迹曲率、延长弹丸飞行时间的方式使攻击时间误差在有限时间内收敛至零; 第二阶段制导炮弹在原始制导律作用下飞行,直至命中目标以满足脱靶量与攻击角约束。同时,通过不同工况下的大量仿真,研究了设计参数的取值范围对第一阶段中弹丸攻击时间误差收敛性能的影响。该扩展方案的推导过程无需现有制导律的显式表达,具有一定的通用性。研究结果表明:通过合理的参数设置,扩展方案可以在现有制导律的基础上实现攻击时间控制,且制导指令光滑,需用过载较小,符合作战任务要求。

为提高滑翔制导炮弹在爬升段和滑翔段的气动弹道性能,实现大幅度增程的目的,基于尾翼变后掠变展长的形式对常规固定外形的滑翔制导炮弹进行变外形设计。采用Missile Datcom作为气动计算工具,以尾翼展长和后掠角作为变形参数,并调整舵翼的外形参数,基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对滑翔制导炮弹的爬升段(优化目标为弹丸的零升阻力系数和静稳定储备量)和滑翔段(优化目标为弹丸的升阻比和操纵比)分别进行了变外形多目标优化设计,最终获得各飞行段的最优外形方案。数值仿真结果表明:优化后的变外形方案可明显改善该滑翔制导炮弹各飞行段的气动弹道性能。在本文设定的飞行条件下,爬升段阻力系数降低了13.3%,滑翔段升阻比增大了36.1%,弹丸在整个飞行过程中稳定性适当,且稳定性和操纵性、舵偏角与平衡攻角匹配较好; 相较于基准固定外形方案,滑翔控制条件下采用变外形方案的滑翔制导炮弹射程增加了8.4%,增程效果显著。本文工作为滑翔制导炮弹的变外形方案设计提供了参考。

为研究暴雨条件对滑翔制导炮弹气动特性的影响,基于双向动量耦合的欧拉-拉格朗日方法,采用考虑转捩的剪切应力输运湍流模型(Transition SST)和三阶精度的MUSCL格式,建立了暴雨环境下的滑翔制导炮弹气动特性计算模型并进行数值模拟。结果表明:与无雨条件相比,降雨在弹丸表面形成了贴体水膜层,后续雨滴粒子下落时,会冲击弹丸表面水膜形成凹坑,增加了弹丸表面的粗糙度; 随着飞行速度的增加,弹体表明温度逐渐升高,水膜层的厚度随着蒸发不断减小; 当炮弹以亚跨音速飞行时,暴雨环境对炮弹气动系数有较大的影响,当炮弹以Ma=0.8 的速度在降雨强度为2 200 mm/h的工况下飞行时,阻力系数提高了27.39%,升力系数减小了18.09%。同时,随着降雨强度的提高,炮弹阻力会呈现先增加后减小再增加的趋势,但此差异会随着炮弹飞行速度的增大而逐步消失,而升力系数会不断下降; 在降雨强度不变,炮弹飞行速度达到Ma=0.95时,阻力系数提高了32.29%,升力系数减小了18.38%; 当炮弹飞行速度达到Ma=1.2时阻力系数提高了21.76%,升力系数减小了18.87%。

大口径加榴炮主要以模块装药结构为主,炮管内部流场复杂。基于模块装药结构,对短管炮内部燃烧场分区域建立二维轴对称两相流内弹道数理模型,采用MUSCL格式对该模型进行离散求解,编制程序对短管炮膛内流场进行了数值模拟,研究两模块装药结构在燃烧过程中的膛内流场特性以及不同破膜压力对两模块装药结构膛内燃烧的影响。仿真结果表明:与实验值相比,计算获得的膛内压力全局平均误差约为7.42%,峰值误差仅0.72%,说明所建立的内弹道数学模型与编制的程序能够较好地对两模块装药火炮发射过程进行数值模拟。模块药盒对火焰波的传递有阻碍作用,在模块药盒破裂之前,火焰波与压力波主要在模块内部流动,与外界物质交换较少。模块药盒破碎后,火药颗粒才随着压力波向膛内自由空间运动,火焰波和压力波开始在膛内传递。随着模块药盒破裂压力的增大,模块装药膛内发射药燃烧越充分,压力上升时间减少。点火药燃气从传火孔处向周围区域扩散,膛内温度也从传火孔处开始升高,逐渐向四周传导,从而点燃发射药。

为提升某大型起竖-翻转设备的快速响应能力,开发了一种新型燃气-液压混合作动装置,针对该新型混合动力装置,建立了变构型燃烧“凹型”药柱燃面推移变化数学模型及气液混合作动装置内弹道数值计算模型,完成了样机研制和空放试验研究,通过变构型燃烧“凹型”药柱的燃面匹配设计,实现了对不同燃烧阶段作动装置的快速建压和流量的稳定输出控制,验证了本文所建立的内弹道数值计算模型的准确性及该混合作动装置系统设计的可靠性。在此基础上,分析了“凹型”药柱设计参数对作动装置工作性能的影响,计算结果表明:作动装置输出流量的大小和响应时间的快慢主要与“凹型”药柱初始燃面及增面燃烧阶段肉厚的大小相关,药柱整体高度则决定了作动装置系统工作时间; 在本文计算工况下,凹槽直径和药柱高度每增加10 mm,作动装置响应速度、平均输出流量和工作时间分别提升0.09 s、13 L/min和0.2 s左右。研究结果可为大型起竖装置的快速展开提供一种新的动力源及内弹道设计方法。

翻转输药机构是弹药自动装填系统的重要组成部分,其运动精度可靠性对于确保发射药输送动作的顺利执行至关重要。现有的机构运动精度可靠性研究主要基于输入参数的概率模型,需要通过大量实验样本数据来确定参数的概率分布函数,这对于很多工程实际问题而言成本极高甚至无法实现。然而,将输入变量考虑成非概率区间模型在一定程度上可以规避上述难点,区间模型不要求输入变量,有详细的样本特征,只需要确定输入变量的不确定幅度或者界限,这相对于确定变量的概率分布较为容易。在此基础上,针对机构运动精度可靠性的评估提出了一种基于输入参数非概率区间模型的新型时变可靠性分析方法。该方法旨在机构完整运动时间区间内搜索输出响应区间域的局部极值时刻,并引入非概率可靠性指标来评估和分析局部极值时刻的瞬时运动精度可靠性,由此将时变可靠性问题转化为瞬时可靠性问题。将该方法应用于某翻转输药机构进行可靠性评估,结果表明所提出的非概率时变可靠性分析方法对机构运动精度可靠性分析具有一定指导意义。

永磁式电磁制退机以磁场为能量传输介质,有望彻底解决传统液压式制退机液体泄漏、阻力规律稳定性差等问题。然而电磁制退机工作过程中的热特性变化规律尚未探明,限制了电磁制退机的进一步发展。依据电磁制退机的结构,建立了热源网络温度场分析模型,计算了电磁制退机各主要部件的热参数,结合热路传播路径编写了温度场计算程序,得到了火炮后坐过程中电磁制退机不同时刻的瞬态节点温度,探究了电磁制退机瞬态工作过程中的温度传播规律与分布特性。同时建立有限元模型,对热源网络分析模型进行了验证。最后充分利用热源网络模型计算效率高的优势,开展了连发射击工况下电磁制退机的热特性研究、失效预测和冷却措施探究,为电磁制退机的工程设计提供了参考。

电涡流制退机具有无液体泄漏、无需密封、阻力稳定的优势。与目前应用较多的永磁式电涡流制退机相比,混合励磁式电涡流制退机采用线圈替代了一部分永磁体,对阻力特性的调节效果更好。对比了混合励磁式电涡流制退机2种可能的结构形式,然后根据磁路分析与初步计算选择出具有更好阻力性能的结构。针对该结构,利用等效磁路法计算气隙磁场,采用子域模型考虑感生涡流影响,建立了求解混合励磁式电涡流制退机阻力值的等效子域模型。根据某口径火炮反后坐要求,确定了制退机的主要尺寸参数,完成了混合励磁式电涡流制退机结构参数的前期设计,并通过数值计算对解析计算结果进行了验证。接着,针对某口径火炮发射时的工况建立仿真模型,以炮膛合力曲线和复进机力的后坐行程函数曲线作为条件输入,分析强冲击载荷下混合励磁式电涡流制退机的电磁阻尼力、后坐位移和后坐速度规律。最后,分析了不同气隙宽度与内筒的电导率对电磁阻尼力的影响,结果表明气隙宽度越小电磁阻尼力越大,同时过大的内筒电导率会导致电磁阻尼力呈现“马鞍”型。本文研究可为混合励磁式电涡流制退机的工程化应用提供理论基础。

嵌入后退式子母弹分离过程中,当子弹的后、中吊挂脱离导轨后,子弹运动姿态受到母弹的牵连,处于半约束状态,吊挂与导轨间的接触碰撞和母弹对子弹的气动干扰对分离过程具有极大的影响。为了为嵌入后退式子母弹高速分离安全性设计提供重要的理论支撑依据,确保子母弹安全分离,提出了子母弹高速分离高精度时空数值仿真安全性评价方法。在构建子母弹分离过程变构型气动力响应面模型和变构型变质量多体动力学模型的基础上,建立了子母弹分离过程变构型变质量组合体多体-气动流固耦合高精度时空数值仿真平台。基于该模型对不同的初始边界条件的子母弹分离过程进行仿真计算,获得了子母弹分离过程中的姿态参数,可对子母弹分离安全性进行动态评估; 确定了子母弹可安全分离初始边界条件,为制定有利于提高子母弹高速分离安全性的技术措施提供了量化设计依据。通过仿真算例和试验表明,所构建的子母弹高速分离高精度时空数值仿真平台具有较高的准确性和可信度,研究结果对嵌入后退式子母弹高速分离安全性评价具有非常重要的工程价值。

基于高速摄像方法开展串列双圆柱倾斜入水试验研究,分析串列双圆柱入水空泡演化特性及运动特性的变化规律。结果表明:当双圆柱入水时序差为3.5 ms时,圆柱Ⅱ(后入水圆柱)入水后进入圆柱Ⅰ(先入水圆柱)的空泡中并与之碰撞。根据独立扩张原理,圆柱Ⅰ在被撞击后获得瞬间的加速,从而使撞击位置截面的空泡迅速扩张,形成嵌套空泡。碰撞破坏了双圆柱的稳定性,导致两个圆柱在水中翻转。当时序差在10.2～31.8 ms范围内时,圆柱Ⅱ入水后进入圆柱Ⅰ的空泡中,未与圆柱Ⅰ发生碰撞,在穿破圆柱Ⅰ空泡壁后再次进入水中运动。由于圆柱Ⅱ在空泡中运动时受到的阻力显著低于水中运动,因此具有较好的存速性能。当时序差为48.2 ms时,圆柱Ⅰ空泡尾部在浮力作用下上飘明显,两个圆柱的空泡壁面之间的排斥作用导致圆柱Ⅱ受到压力后轨迹偏移,圆柱Ⅱ入水后没有进入圆柱Ⅰ的空泡中。圆柱Ⅱ入水运动特性与单个圆柱相似,所以圆柱Ⅰ入水后流场的扰动对圆柱Ⅱ的影响很小。但是随着圆柱向下运动,两个圆柱周围空泡之间的相互作用影响了圆柱Ⅱ在水中运动的姿态。

为实现潜射导弹出水姿态的快速精确计算,建立了海洋流场模型和潜射导弹出水动力学模型,分析了空化现象对弹体水动力特性的作用,研究了弹体速度,海流速度,波浪高度以及出水相位对导弹出水姿态的影响。研究结果表明,在速度不高于20 m/s的情况下,空化效应对出水过程中导弹姿态的影响较小; 弹体速度直接影响导弹受波浪力的作用时间,弹速越低,潜射导弹受波浪力影响越长,出水姿态参数变化越明显; 海流流速越大,导弹姿态受扰动越严重,侧向偏距越大; 波高影响波浪力幅值大小,对出水姿态参数有着直接的影响,波高越大对出水姿态参数的影响越大; 出水初相位和流速主要影响流体质点的运动方向,改变波浪附加惯性力,导弹在波谷和波峰位置出水对导弹姿态影响最大,波节介于两者之间。

电磁轨道炮内膛尺寸精度与发射过程中枢轨高速滑动电接触状态密切相关,准确获取内膛尺寸可有效指导其电枢设计、枢轨匹配性研究等工作。根据轨道炮异形炮膛截面及其形貌特征,并结合内膛间距变化形态,提出一种基于角平分线特性的内膛尺寸高精度测量方法,通过将局部长度范围内两条轨道空间位置关系等效成一定角度张开的两条线段,以角平分线为测量基准,在其上任取一测量点,过该点分别做两条轨道的垂线,定义两垂足的连线即为该测量点处的轨道间距值。通过开展样机设计、全系统误差分析及对比校核,对某口径轨道炮轨道间距进行工程实测。结果表明测量误差≤0.05 mm,满足精度要求。通过获取轨道间距准确数据,可对后期电磁发射装置数值建模、装配工艺及性能检测提供不可或缺的测量手段,进而促进轨道炮武器的工程化应用。