弹道学是兵器科学与技术的基础学科之一,同兵器技术的发展息息相关。伴随着智能弹箭的兴起和发展,智能弹道理论与技术将是今后外弹道学发展的一个主流方向。但如何理解智能弹道的概念、内涵和功能,智能弹道同已有弹箭的飞行弹道有何差异、所依托的关键技术有哪些、难点何在,以及后续发展中应注意的问题等这些内容尚在探讨中。该文以展望外弹道学发展为着眼点,以外弹道理论与技术为基础,对上述问题展开分析和梳理,以期为后续智能弹道理论与技术的发展提供帮助。应当指出,智能弹道理论与技术引出了众多外弹道学新问题、新概念、新术语和新技术,需要外弹道学研究人员不断探讨,并在发展研究中逐渐完备其理论。该文仅是抛砖引玉,希望有更多外弹道学研究人员来开展这方面研究,逐步形成智能弹道理论体系。

为研究射流环境中声阻抗差异对爆轰管口流场结构的影响规律,建立爆轰管内外流场的轴对称模型,采用OpenFoam平台的rhoReactingCentralFoam求解器进行耦合求解。通过在管口处构建氩气、氢气和空气混合物、氦气3种自由射流区域,结合管口处是静止空气时的仿真结果,分析了管内外介质声阻抗差异对爆轰流场结构的影响。结果表明:氩气射流和静止空气会使爆轰波溢出管外时,在声阻抗间断面处形成反射激波; 氦气射流会使爆轰波溢出管外时,在声阻抗间断面处形成反射稀疏波; 氢气和空气混合物射流则对该过程无影响。在氩气射流和静止空气中形成的马赫盘减小到基本消失,滑移线和其后的超音速区域在马赫盘附近相遇; 氢气和空气混合物射流和氦气射流中的马赫盘减小后仍保持一定大小,滑移线和其后的超音速区会在离马赫盘较远的地方相遇。自由射流与可爆混合物的声阻抗差异会使前导激波波阵面发生变形并改变其指向性。氩气射流中的前导激波阵面在靠近中心轴线处弯曲程度减小,静止空气中的前导激波大致呈现球面波的形态,氢气和空气混合物射流与氦气射流中的前导激波阵面发生凸起。

为研究受到侧向膨胀弱约束边界影响的爆轰波在窄直通道内的传播特性,以H₂/O₂/Ar混合气为燃料,采用48步详细化学反应机理,对爆轰波的侧向膨胀过程进行了二维数值模拟。研究了侧向膨胀弱约束气体种类、温度以及可燃预混气高度对爆轰波传播速度和波面结构的影响。研究结果表明:使用氩气或者已燃产物作为弱约束气体不会对爆轰波的侧向膨胀程度和波面结构产生明显影响。当弱约束气体温度为1 000 K、1 500 K和2 000 K时,在已燃产物内传播的激波的速度大于爆轰波的波速,由此产生一道由激波指向爆轰波的诱导激波,该诱导激波会导致爆轰波的速度增加。弱约束气体温度从300 K升至500 K,不会对爆轰波的传播特性产生影响。可燃预混气高度越高,爆轰波速度亏损越小。存在使得爆轰波免于熄灭的最小可燃预混气高度,且这一临界值会因弱约束气体温度的升高而降低,当弱约束气体温度为300 K时爆轰波的无量纲临界传播尺寸h/λ>0.13。研究结果对揭示爆轰波的侧向膨胀损失机理具有重要的意义。

轻型复合装甲是现代装甲防护系统的研究重点之一,为了研究不同陶瓷厚度陶瓷/纤维复合靶板的抗侵彻性能,开展了12.7 mm穿甲燃烧弹在同一工况条件下正侵彻芳纶/SiC陶瓷/UHMWPE纤维复合靶板的弹道试验。回收试验后的弹芯和靶板,观测分析了弹芯和陶瓷的破碎特征和失效模式,同时对回收的弹芯和靶板碎片进行筛分、称重,分析弹芯和陶瓷碎片的累积质量分布规律,表征了陶瓷/纤维复合靶板的抗侵彻性能。研究结果表明:弹芯头部破碎呈粉末状,身部破碎成大小不规则的碎片,而剩余弹芯无破碎且断口表面呈规律性断裂特征。通过扫描电子显微镜对剩余弹芯的断口处进行观测,发现断口处存在规律性的解理性断裂特征,表明弹芯断口处的主要失效模式为拉应力作用下产生的脆性断裂和局部的塑性变形,且为多次断裂失效作用的结果。陶瓷破碎形态为环状裂纹、径向裂纹以及两种裂纹相互交织形成的含有锥角的陶瓷锥,且随着陶瓷厚度每增加1 mm,陶瓷锥锥角增大约11.67%。陶瓷破碎区域分为粉碎区和裂纹区,粉碎区是以着靶点为中心圆形区域,且陶瓷厚度每增加1 mm,粉碎区面积增大约11.13%。对弹芯和陶瓷碎片统计分析发现,弹芯和陶瓷碎片累积质量分布规律均符合Rosin-Rammler幂率分布函数,且随着陶瓷厚度的增加,平均特征尺寸减小,弹芯与陶瓷的破碎程度增大。

针对某构型陶瓷复合装甲板开展了12.7 mm穿甲燃烧弹的侵彻试验,得到了枪弹对复合装甲板的极限穿透速度和靶板的毁伤形态。基于LS-DYNA光滑粒子动力学方法,建立了枪弹侵彻陶瓷复合装甲板的有限元模型,通过对比试验和数值模拟得到的枪弹对靶板的极限穿透速度、陶瓷板正面的破坏形态和穿孔尺寸、复合靶板背面变形及损伤情况,验证了该模型的正确性。利用建立的有限元模型分析了枪弹着靶攻角对侵彻过程中枪弹和靶板动态响应的影响规律。研究结果表明:相较无攻角情况,攻角不大于6°时,由于枪弹头部与接触面积较小,增加攻角可增强枪弹对陶瓷复合装甲板的侵彻能力; 当攻角进一步增大后,枪弹穿透陶瓷靶板后,由于枪弹偏转角度较大,其尾部仍与陶瓷板中央破碎区外未破碎的陶瓷相互作用,消耗了其部分动能,导致其侵彻能力下降。陶瓷吸收的能量约为复合材料层的5倍,即枪弹着靶攻角主要通过影响陶瓷板的吸能情况影响最终靶板的穿透情况。

为研究小口径预制破片弹药在末端防御中的毁伤效能,采用有限元方法对预制破片弹战斗部的起爆过程进行模拟计算,分别研究装药底部中心位置起爆、单点偏心起爆、双点对称起爆、中心-偏心双点起爆4种起爆形式下,预制破片飞散的特性,获得预制破片平均终速、平均飞散角及分布占比的变化规律。研究结果表面:装药底部中心起爆时,预制破片的飞散速度存在分层现象,71.7%的破片速度在300～800 m/s之间,平均飞散终速约为687.1 m/s,且约91.7%的破片飞散角度分布在±45°区间内。改变装药起爆位置后,预制破片的平均飞散终速发生变化,单点偏心起爆时,随着偏心距离的增加,破片的平均飞散终速减小约1.2%～2.5%; 双点起爆2种工况下,预制破片的飞散终速随偏心距离的增加呈现减小-增加-减小的趋势,适当增加偏心距离,破片平均飞散终速提升约5%。在偏心起爆方式下,破片的平均飞散角度随着起爆位置偏心距离的增加而波动减小。因此,为提升战斗部的毁伤能力,对于双点起爆方式,可适当增加起爆点间的偏心距离; 对于单点起爆方式,则应适当缩小偏心距离。研究结果可为指导预制破片弹药战斗部的设计提供参考。

为研究屏蔽装药的冲击引爆特性,从理论上建立了带屏蔽板殉爆现象的量纲分析方法。采用ANSYS/LS-DYNA 有限元软件对屏蔽装药的冲击引爆过程进行数值模拟,重点分析了屏蔽板厚度、主发装药的质量、主发装药的长径比和爆距对屏蔽装药冲击引爆的影响。利用(非)线性最小二乘法,拟合得到屏蔽板厚度与殉爆距离的函数关系以及主发装药的质量与殉爆距离的函数关系。结果表明:量纲分析结果和拟合关系式吻合良好,充分论证了拟合公式的有效性和准确性。非接触爆炸时,随着屏蔽板厚度的逐渐增大,殉爆距离呈指数衰减,屏蔽板厚度在3 mm以内时,增大屏蔽板厚度对殉爆距离影响较大; 大于3 mm时,进一步增大屏蔽板厚度对提高炸药抗冲击引爆毁伤能力影响显著变小。非接触爆炸时,在主发装药长径比保持不变的情况下,殉爆距离与主发装药的半径呈线形关系,与主发装药的质量呈立方根关系; 在主发装药质量保持不变的情况下,当主发装药和被发装药的直径相等时,殉爆距离最大。

弹丸挤进身管是一个极其短暂的过程,伴随着强冲击、高过载和高温的力学环境。在此过程中,均质黄铜弹带在阳线作用下发生弹塑性变形及损伤破坏,致使武器身管内表面挂铜现象普遍存在。随着内凹六边形负泊松比蜂窝结构的广泛运用,结合该结构优良的减载和抗冲击性能,提出了一种新型内凹六边形负泊松比蜂窝结构弹带,并建立了弹带挤进身管的有限元模型,研究了内凹六边形负泊松比蜂窝结构弹带在正装药条件下挤进身管过程中的变形模式与力学特性。研究结果表明:内凹六边形负泊松比蜂窝型结构弹带能够满足发射时的内弹道性能要求,与传统均质黄铜弹带相比,在挤进过程中弹丸运动规律无显著差异; 由于内凹六边形负泊松比蜂窝结构弹带经历了线弹性、平台区和密实化3个变形阶段,弹带表层有轻微的损伤与断裂,且与身管内表面贴合较好; 与常规弹带相比能够极大减小弹带挤进时的损伤耗能,损伤耗能最大值降低了76.9%。内凹六边形负泊松比蜂窝结构弹带能够减少身管内表面挂铜现象的发生,在一定程度上减少身管表面烧蚀,提高身管寿命。

为强化线圈感应型弹射器对弹射体外形的适应性,提升弹射器的空间利用率,提出了电枢外置式线圈感应型电磁发射器,建立了6组不同条件的发射器模型,通过数值计算求解驱动线圈的磁场分布,通过静态有限元仿真计算驱动线圈和电枢的耦合情况,理论分析了电枢的受力情况,进行了瞬态有限元仿真验证,研究了驱动线圈内径和电枢相对位置对发射器的影响。磁场计算结果表明,驱动线圈内部径向磁感应强度与外部径向磁感应强度近似相等,外置电枢包围的轴向磁通为5.51×10^-5～22.04×10^-5 Wb,内置电枢包围的轴向磁通为2.81×10^-5～17.39×10^-5 Wb,驱动线圈外部的磁感应强度峰值为5.38×10^-3～7.32×10^-3 T,内部磁感应强度峰值为1.57×10^-2～1.93×10^-2 T。静态有限元仿真结果显示,外置电枢与驱动线圈的互感和互感梯度大于内置电枢约1.5倍～3倍。瞬态有限元仿真结果表明,内置结构的效率为2.96%～17.57%,外置结构的效率为4.94%～19.76%。证明了外置电枢包围的磁通约为内置电枢包围磁通的1.27倍～1.96倍,因此在径向磁感应强度接近的情况下,外置电枢可以获得更大的加速力; 驱动线圈外部的磁感应强度大约是内部磁感应强度的1/3,因此外置结构具有更好的电磁防护能力; 外置结构的能量转换效率比内置结构的效率高12.5%～66.6%,因此外置结构具有更高的能量转换效率。

为了解决边条翼升力不足的问题,探究翼身干扰对边条翼弹箭升力的提升情况,采用数值计算方法,对比了亚、超音速范围内边条翼翼身组合模型、常规翼翼身组合模型、仅边条翼模型、仅常规翼模型与仅弹身模型的法向力随攻角的变化情况。结果表明:在亚音速范围内,由于上表面耦合涡涡量大,流速快,而下表面来流受阻碍作用流速慢,上下表面压差变大,翼身干扰对翼身组合模型法向力提升很大,在Ma=0.6且α=20°下翼身干扰对其弹身法向力的提升有195%,对边条翼平均提升幅度有46%; 在超音速下,由于上表面角涡涡量相比于仅边条翼模型提升不大,翼身干扰对边条翼法向力提升有限。翼身干扰的作用区域为翼根附近的弹翼及弹身,边条翼弦长长,受影响的区域大,因而翼身干扰对边条翼翼身组合模型法向力的提升更大。

为了深入研究尾翼式弹箭的气动特性变化规律,基于滑移网格方法开展了旋转式尾翼弹箭非定常绕流流场的仿真计算,利用ANF标模风洞实验结果验证了数值仿真方法的正确性。以某十字布局尾翼式弹箭为研究对象,在不同马赫数(Ma=0.9～2.0)、攻角(2°,4°)、旋转速度(π rad/s,2π rad/s,4π rad/s)、尾翼斜切角(0°,1°,2°)下,分析了旋转式尾翼弹箭的各气动特性参数变化规律及其影响机理。计算结果表明:旋转速度对弹箭的纵向气动特性(阻力、升力、俯仰力矩特性)基本没有影响,主要影响滚转特性和马格努斯特性; 斜切尾翼角对弹箭的升力特性参数和俯仰力矩特性基本没有影响,主要影响阻力、滚转以及马格努斯特性; 弹箭绕其纵轴旋转(0°～360°)过程中,阻力特性参数和升力特性参数呈现周期性变化规律,并且当弹箭旋转至45°时,瞬时升阻比最小; 弹体是产生阻力特性的主导因素(85%左右); 弹体和尾翼对升力特性的贡献各占50%左右。因此,在弹箭设计过程中要注意斜切尾翼角度以及转速所带来的影响,选取合适的斜切角。

基于基函数约束的最佳误差模型弹道估计(EMBET)是外弹道事后高精度数据融合处理的重要方法,选择合适的基函数,对有效、准确地获取弹道参数和分析弹道特征意义重大。为直观研究不同基函数对外弹道数据融合处理准确性及处理效能的影响,对三次B-Spline基函数和两点三次Hermite基函数表征弹道参数的EMBET数据融合方法进行了比较分析。首先,应用两种基函数对弹道轨迹进行表征,将弹道测量数据的融合处理问题转化为基函数系数的估计问题,从而实现外弹道融合模型的解算。然后,结合武器系统理论弹道特征,通过融合解算实例,对基于两种基函数的数据融合方法进行了对比仿真,分别从弹道坐标、弹道速度和测量元素误差三个方面,对两种数据融合方法的准确度进行了比较分析。仿真结果表明,在相同条件下,基于两种基函数的数据融合方法均可以实现弹道坐标及速度参数的高精度求解,但基于B-Spline基函数的外弹道数据融合方法不仅在待估参数压缩和计算效能方面更具优势,而且弹道速度参数求解精度更高。

潜射导弹是国家威慑力量的重要组成,其出筒过程作为发射的初始关键阶段,存在高压气体对弹底的巨大冲击以及气体和水之间强烈的相互作用等复杂流体动力学问题,具有重要的研究意义。基于压力基下的三维非定常可压缩数值模拟方法,采用VOF多相流模型和重叠网格技术,分别对楔形体入水过程的加速度变化和不同工况下潜射导弹出筒过程中流场变化和弹体运动特性开展了研究。通过对楔形体入水过程的模拟验证了网格的无关性与本文计算方法的有效性。对潜射导弹出筒过程的模拟结果表明:筒底压力越大,出筒速度越快,所受轴向力越大,速度衰减更为迅速,且弹体横向位移越大,所受横向载荷越高; 来流导致了迎流面气体减少,背流面气体增多,两侧流场的不对称形成了侧向力和绕质心的旋转力矩,弹体因此向来流方向偏转; 来流速度越大弹体横向加速度越大,弹体越容易偏移。本文研究结果可以为潜射导弹出筒过程的弹道设计提供理论及技术支撑。