近年来,数据驱动方法受到广泛关注和研究,数据驱动为内弹道的发展提供了新的研究范式,具有广阔的应用前景和发展潜力。该文总结了近几年数据驱动方法在内弹道领域的相关研究成果,主要介绍了基于数据驱动的内弹道建模技术,以及基于数据驱动的内弹道性能优化方法。该文还讨论了相关研究所面临的挑战,并指出了未来值得进一步研究的方向。

针对高温富氢燃气旋转爆轰自起爆现象,进行了实验研究,通过分析典型特征参数,探究了当量比对高温富氢燃气旋转爆轰波传播特性的影响,获得了高温富氢燃气成功自起爆形成旋转爆轰波的当量比范围,分析了当量比对自起爆延迟时间的影响。结果表明:自起爆形成的初始旋转爆轰波强度较弱,会出现传播方向的改变和传播模态的改变。但通过旋转爆轰的自调节,最终能实现旋转爆轰的稳定自持传播。当预燃氧气流量在8 g/s左右,空气流量在270 g/s时,在当量比范围为0.85～1.98区间内,高温富氢燃气能够通过自起爆形成稳定的旋转爆轰波。当量比大于1.52时旋转爆轰波呈单波模态; 随着当量比减小,转变为混合模态,即在同一工况下,单波、双波模态和单/双波过渡模态无规律地交替出现。当量比减小到0.96左右时,旋转爆轰波呈现出稳定双波模态; 随着当量比的增加,自起爆延迟时间从138 ms缩减至106 ms。旋转爆轰波的传播速度随着当量比的增加先增大后减小。波速的最大值出现在当量比为1.33,此时波速为1 278 m/s。

为提高大口径火炮密实装药发射安全性,在点传火结构上通常采用底火加中心点传火管结构的点传火方案。传火管内传火药的燃烧和流动可以用一维两相模型来描述,结合主装药床的一维两相流模型,可以建立内弹道双一维两相流数学模型。在给定的装药条件下,利用火药颗粒应力模型及相应破碎模型,对点传火过程中主装药床火药颗粒间应力及其破碎特性进行了数值仿真,分析比较传火管结构及传火药质量对主装药床火药颗粒破碎特征的影响。仿真结果表明:传火药量从90 g增加到110 g,火药颗粒破碎度从2.184增加到2.781,增幅达到了 27.3%; 当传火管长度从0.3 m增加到0.38 m,火药颗粒破碎度从2.487减小到1.35,降幅达到了45.7%; 传火管直径从 30 mm 增加到35 mm,破碎度从2.487减小到1.997,降幅达到了19.7%。传火药质量的增加,会导致装药床火药颗粒破碎度的增大,而传火管长度或直径的增大,降低了传火管内传火药的装填密度,从而导致主装药床火药颗粒破碎度的降低。

在无滚转控制导弹试验工程背景下,以多波束雷达测量体系为例,提出一种导弹跟踪部位布设位置优化方案,用于提高无滚转控制导弹跟踪部位不一致修正精度。首先,通过外测数据获取跟踪部位信息,利用光学设备或遥测设备等测量数据解算出导弹惯导平台中心位置参数,并以此为基准计算出跟踪部位修正量; 其次,运用误差传播原理,分析无滚转控制导弹跟踪部位不一致修正误差,提出了通过布设两个跟踪部位来提高无滚转控制导弹跟踪部位不一致修正精度的方法; 然后,借助三角函数变换分离无滚转控制导弹对跟踪部位不一致修正精度的影响因素,据此优化跟踪部位布设角度、距离来降低无滚转控制导弹对修正误差的贡献。最后,以两个跟踪部位点布设优化为例进行仿真验证。结果表明:该文提出的跟踪部位点布设优化方案能够有效提高无滚转控制导弹背景下跟踪部位不一致修正精度,优化方案有效。

针对旋转弹丸刚体外弹道微分方程组数值解算初始条件问题,运用刚体动力学理论,分析了外弹道初始时刻的章动运动和进动运动规律,给出了弹丸绕质心运动的初始章动角和初始进动角的取值范围。通过建立外弹道坐标系,推导出初始速度方位角和初始弹轴高低角与初始章动角和初始进动角的转换关系,证明了当初始章动角和初始进动角不为零时,初始弹轴高低角不等于射角,初始弹轴方位角也不等于初始速度方位角。以某155 mm火炮底凹榴弹为例进行仿真研究,发现初始章动角对外弹道弹丸质心运动中的偏流以及绕质心运动中的章动和进动规律均有影响。所给出的外弹道数值解算初始条件及其取值范围可用于旋转弹丸刚体外弹道微分方程组数值解算。

为准确分析图像末制导炮弹气缸张开式尾翼张开特性,根据尾翼结构特点与作用原理,研究了气缸充放气过程、活塞启动之后的运动过程与尾翼片转动过程,并与末制导炮弹膛内过程和炮口后效过程相耦合量化,构建了基于后效作用的尾翼动态张开模型,基于该模型对某型图像末制导炮弹进行了数值仿真研究,得到了尾翼张开到位前弹底与气缸内压力、弹丸运动速度与位移、活塞运动位移和尾翼片张开角度等随时间的变化规律。从最大膛压、弹丸炮口初速、尾翼张开到位时距炮口位置及其尾翼片张开角度的仿真与测试情况来看,相对误差分别为3.2%、0.7%、4.7%和5.7%,仿真结果的可信度较高,并且相关曲线与实际变化规律相一致,验证了模型合理性。在此基础上,从装备设计使用的角度分析了装药量和气孔直径的变化对图像末制导炮弹尾翼张开特性的影响规律,给出了具体指导意见。研究成果可为图像末制导炮尾翼结构的优化设计、强度校核与工作异常机理分析以及其他新型气缸张开式尾翼弹的研制应用,提供一定的理论基础与数据支撑。

纯方位目标跟踪是仅根据目标相对观测站的视线高低角和视线方位角计算出目标的距离及速度。为应对纯方位目标跟踪过程中相对距离的可观测度不足的问题,针对3种具体情况分别提出了相应的改进方法。①若目标静止且相对距离初值已知,可根据观测站速度实时计算出相对距离; ②若目标匀速运动或相对距离初值误差较大,观测站可通过特殊机动的方式增强相对距离的可观测度; ③若观测站和目标之间的相对高度已知,此时相对距离的可观测度充足,即使针对具有机动能力的目标也可以准确地估计出相对距离。分别针对静止目标、匀速运动目标以及具有机动特性的目标进行了仿真,结果表明:第一种方法相对距离误差的大小取决于初值误差的大小; 第二种方法的误差受到观测站机动方式及机动加速度大小的影响,在该文设计的观测站机动方式以及仿真工况中,第二种方法的相对距离误差均值为5.26 m; 在针对第三种方法的仿真中增加了目标的机动过程和量测噪声,根据蒙特卡洛仿真结果统计出的相对距离和相对距离变化率均方根误差分别为0.81 m和0.95 m/s。

现代空战对抗过程的复杂多变使得空战决策模糊多变,有效的轨迹预测能够极大提升决策的准确性。针对空战轨迹预测中复杂时间序列的特性,提出了一种融合短时傅里叶变换( STFT)与多流 Tansfomer 网络的轨迹预测方法,旨在提高空战机动轨迹预测的精度。空战机动过程中,飞行器的轨迹变化频繁且复杂,因此,首先通过高阶差分对轨迹数据进行预处理,以消除噪声并保留轨迹的时空特征。随后,利用短时傅里叶变换对预处理后的轨迹进行频域特征提取,分析轨迹的动态变化。为了更好地捕捉位置轨迹和姿态轨迹的差异性,设计了轨迹解耦策略,将这两类轨迹分开处理。接着,基于多流动态注意力机制的 Tansommer 网络处理这些时空特征,从而实现对飞行轨迹中深层依赖关系的捕捉。该网络通过多头注意力机制对多个数据流进行加权处理,增强了模型对不同数据流的时空依赖关系的捕捉能力。实验结果表明,相比传统的预测方法,该文提出的方法预测精度提高了 3.88%:STFT 与多流 Tansfommer 结合的方法有效提高了对复杂空战机动轨迹的预测精度,验证了其在高精度空战场景预测中的适用性。

采用数值计算方法并辅以PIV实验,对低速状态下鸭式布局导弹的下洗现象进行了研究。在来流马赫数为0.03(10 m/s)和0.1(34 m/s)的条件下,对鸭式布局导弹气动参数以及流场流动情况进行了计算。结果表明:低速状态下,鸭式布局导弹的下洗现象主要由鸭舵的脱落涡随下洗流对下游流场产生影响。在没有舵偏角的情况下,产生对称的影响。探究了当鸭舵进行滚转操纵时(水平鸭舵差动偏转)下洗现象对全弹滚转特性的影响,发现存在滚转反效现象。主要原因是:在水平鸭舵差动偏转时,其后缘的脱落涡不对称,故下游流场也呈现不对称状态,即鸭舵的脱落涡会与附着在弹身和尾翼上的附着涡相互作用,使得两片水平尾翼上方的低压区域面积不对称,进而提供的法向力不相等,最终尾翼产生与鸭舵控制方向相反的滚转力矩。随着攻角的增大,尾翼产生的反向滚转力矩逐渐大于鸭舵提供的正向滚转力矩,便导致滚转反效。

为研究破片形状、质量等因素对预制破片在飞行过程中速度衰减规律的影响,利用25 mm弹道炮对球形破片、长方体破片以及静爆试验回收长方体破片进行了飞行速度测试试验。其中,球形破片直径分别为7 mm和 8 mm,质量分别为3.9 g和4.7 g; 长方体破片尺寸为8 mm×8 mm×7.05 mm,质量7.94 g。采用多普勒雷达测速技术,测量了破片在飞行过程中的实时速度数据,分析了破片速度随时间的变化规律,并运用数值分析方法得到破片速度随位移的变化规律,最后通过数据拟合得到了破片速度衰减系数、球形和长方体破片速度衰减系数与马赫数之间的关系。结果表明:对于球形破片,随破片半径的增大,速度衰减系数呈现减小趋势。对比了8 mm球形破片和8 mm×8 mm×7.05 mm长方体破片的速度衰减系数,发现两种破片的质量相差很大,但平均速度衰减系数接近。1 300～2 100 m/s初速范围内,相比长方体规则破片,静爆试验回收长方体破片的平均速度衰减系数更大,说明其在空气中飞行受到的阻力更大,速度衰减更快。静爆试验回收长方体破片形状与实际战斗部爆炸后产生的破片形状更为接近,试验结果对于战斗部设计及威力评估有更大的参考价值。

为了研究爆炸载荷冲击下厚度对于泡沫混凝土动态响应及吸能特性的影响,以不同厚度的泡沫混凝土为研究对象,利用有限元软件,开展了0.8 m/kg^1/3比例爆距下,平面尺寸300 mm×300 mm、0～30 mm泡沫混凝土厚度条件下的抗爆数值计算。随后,开展了其中0 mm、10 mm、20 mm和30 mm 4种厚度条件下的泡沫混凝土抗爆试验,验证了数值计算的准确性。通过数值计算,研究了泡沫混凝土在爆炸载荷冲击下的破坏形式及耗能机理,量化分析了泡沫混凝土吸收爆炸波能量的能力,得到了泡沫混凝土的吸能特性及背部铝合金板的变形响应随泡沫混凝土厚度变化的影响规律,推导了相应的工程计算模型。结果表明:随着厚度的增加,泡沫混凝土的破碎区尺寸逐渐减小,当厚度为30mm时,泡沫混凝土的破碎区仅占总体积的2.9%; 泡沫混凝土可以有效地吸收并耗散爆炸波的能量,其吸能能力随着厚度的增加而增加,厚度为5～30 mm的泡沫混凝土分别可以吸收42.8%～91.9%的爆炸波能量; 随着厚度的增大,背部铝合金板的位移响应逐渐减小,当厚度为30 mm时,铝合金背板中心的位移响应下降至23.2 mm,仅为不覆盖泡沫混凝土时的12.6%。

为评估不同药量的矩形装药在混凝土墩体表面爆炸对墩体的毁伤效果,通过仿真对墩体的毁伤特性展开深入的探究,采用等毁伤曲线评估毁伤效果,阐明了混凝土墩体在冲击波作用后顶面位置、侧面位置和侧棱位置的毁伤特性,得到装药质量和装药放置位置对墩体毁伤效果的影响。构建易损性体积的函数模型,得到不同位置的毁伤情况,以及墩体剩余体积随装药质量的变化曲线,在此基础上比较了不同药量的矩形装药在混凝土墩体上8个不同位置接触爆炸时墩体的易损性差异,研究了爆炸后产生的大量碎块数量和最大碎块体积。研究结果表明:混凝土墩体顶面与侧面呈现出的毁伤区域形状大体为圆形,且该圆形中心和顶面中心处于重合状态; 侧棱的毁伤区域形态接近椭圆形; 装药在顶面、侧面和侧棱区域接触爆炸时,中心位置的毁伤效果最佳; 当装药质量为1～3 kg时,炸药在混凝土墩体顶面几何中心位置爆炸的毁伤效果最佳; 当装药质量大于3 kg时,在侧面几何中心位置爆炸的毁伤效果最好。

作为一种具有出色力学性能和多功能特性的结构,点阵结构有高强度、高能量吸收等特点,为了研究三周极小曲面(TPMS)结构的抗侵彻性能,基于该结构的可设计性,建立Diamond型和Gyroid型的点阵结构模型,选择碳化硅陶瓷作为TPMS结构基体材料,利用ABAQUS有限元软件研究其抗侵彻性能。研究结果表明:在低速侵彻下,Diamond结构吸收能量的效果显著,而Gyroid结构在撞击中产生的非对称力及弹头的磨蚀能有效改变侵彻角度。针对Gyroid结构,分别对不同弹着点、不同入射角度,以及提升靶板厚度等不同的工况进行了有限元仿真,通过仿真结果分析了入射角度变化对Gyroid结构抗侵彻性能的影响,发现其射出角度的偏转程度随着入射角度的增大,呈现先减小后增大的趋势。另外,当弹丸冲击Gyroid结构凹陷的螺旋曲面时,会明显改变弹丸的射出角度。将Gyroid结构的厚度提升50%后,发现弹丸的射出角度变化提升176.92%,靶板吸收的能量提升78.26%。Gyroid结构通过自身独特的曲面结构能够有效改变弹丸的运动姿态,研究结果对轻量化装甲设计有一定的参考意义。

为深入研究弹带的磨损机制,探索弹带塑性变形的本质,对155 mm口径火炮3种弹带的表面形貌、成分、各部分组织及硬度进行对比。研究结果表明:尽管弹带具有不同的结构设计、成分构成以及各异的服役条件,但在服役后,其组织分布呈现出共性规律,其磨损程度与空间位置密切相关。非导转侧磨损普遍较轻,其组织结构主要为等轴组织; 弹带凸起部位顶部因摩擦产生细晶组织,而内部组织形貌基本保持不变; 导转侧上部磨损最为严重,组织演变由表及里呈现出细晶组织、纤维组织、长条组织、等轴组织的空间分布; 导转侧底部的磨损程度低于上部; 弹带工作过程中变形集中在表面,距离表面200 μm以上的内部组织形貌几乎不发生变化。硬度分析显示,非导转侧的硬度与弹带内部相近,而弹带凸起位置上部与导转侧上部均出现“软-硬”结构,其中细晶组织的硬度最低,纤维组织的硬度最高,等轴组织硬度居中。在3种弹带中,H96-2磨损最为严重,而H96-1磨损最小。

为精确计算某航炮多排斜侧孔膛口制退器制退效率,综合考虑弹丸对火药气体膨胀的阻碍作用和斜侧孔对气体的加速作用,进行膛口流场数值模拟。首先,对30 mm航炮进行两相流内弹道计算,得到弹丸到达膛口位置时的膛内气流状态; 然后,建立膛口流场三维N-S方程,考虑弹丸与火药气体的作用,采用多面体网格静止区域和六面体结构网格运动区域相结合的三维动网格方法,对弹丸经过每排斜侧孔时火药气体三维瞬态流动进行数值模拟,并与不考虑弹丸运动的情况进行对比。结果表明:斜侧孔能导入膛内高压火药气体,并形成超声速气流且从斜后方喷出,从而产生较大的反后坐冲量,制退效率达到38.4%; 弹丸对火药气体膨胀存在阻碍作用,在斜侧孔处出现更强的锥形斜激波,从而使更多火药气体从斜侧孔喷出,增加反后坐冲量,因此,此类膛口制退器数值模拟中必须考虑弹丸运动。该研究为新型多排斜侧孔膛口制退器设计、航炮与飞机的动态匹配研究提供了参考。