电磁轨道炮发射过程中的分布式脉冲电源系统冲击特性研究

电磁轨道炮发射过程中,分布式脉冲电源系统在1~2 ms的时间内,将承受30 kA以上的脉冲电流以及5 kV以上的脉冲电压,对于电源系统关键部件的工作特性造成极大的影响,甚至引起失效。因此,研究分布式脉冲电源系统在电磁轨道炮发射过程中的冲击特性是十分重要的。建立包含动态变化负载的分布式脉冲电源系统模型,利用电路仿真Pspice软件对分布式脉冲电源系统的冲击特性以及关键部件失效后的工作特性进行仿真分析,并将分析结果与实验结果进行对比。研究结果表明：电磁轨道炮发射过程中,分布式脉冲电源系统的电容器组,在单一模块晶闸管发生击穿短路故障后,受到较大的反向电流和反向电压,会对储能电容器造成严重破坏;在单一模块调波电感器发生击穿故障后,会造成故障模块的输出电流波形与电容器输出电流波形脉宽相近,且造成输出电流波形脉冲宽度变小,峰值增大（即通过晶闸管电流的di/dt变大）,可能造成晶闸管高压硅堆正向过流烧毁。仿真结果与实验结果吻合程度很高,证明所建立电磁轨道炮电源模型与实际使用模型十分接近,分析得到的结果准确性更好、可信度更高。     

基于模糊控制的脉冲功率源放电时序控制研究

为了实现多参数电源模块的脉冲成形网络输出电流的稳定性与可控性,设计了一种基于模糊控制的电源时序触发控制系统。根据发射过程中电枢状态的非线性特征,建立电磁发射系统电路模型和动力学模型,并设计模糊控制器与控制指令处理与分配系统。建立一个由20个脉冲功率源模块组成的电磁发射系统仿真程序,验证上述系统的可行性。结果表明,模糊控制理论的引入可以准确控制脉冲功率源模块放电时序,使脉冲成形网络输出电流跟踪设定电流波形。     

一种用于电磁发射的电感电容混合型储能脉冲电源

为探索电感储能脉冲电源用于电磁发射的可行性,研究了电感电容混合型meatgrinder脉冲电源电路.分析了带轨道炮负载的这种混合储能型脉冲电源系统的工作原理,结合仿真,研究了电源模块中电感、耦合系数和电容等参数对系统性能的影响,讨论了多个电源模块的并联运行问题.通过合理设计电源电路参数,这种脉冲电源电路用于轨道炮的发射是可行的,并且通过多模块的并联运行可以获得理想的脉冲电流波形和更高的系统能量转换效率.     

轨道炮脉冲电源续流硅堆设计及实验现象分析

为了满足电磁轨道发射的要求,使总输出电流能叠加为设计的电流波形,进行了脉冲电源设计和脉冲放电波形调节技术的研究,设计了高压大功率续流硅堆装置.针对实验过程中出现的问题,从理论和实验的角度,分析了脉冲功率源系统产生问题的原因,提出改进方案,使发射试验得以顺利进行.     

拉开时序下脉冲成形网络中半导体器件的击穿与保护

为了让电磁轨道内的电枢获得均匀加速,脉冲成形网络（PFN）通常采用多个脉冲成形单元（PFU）拉开时序放电的工作模式,以输出平顶电流波形。此时,PFU内的续流二极管可能会承受很高的反向恢复电压而损坏。通过对二极管反向恢复过程以及PFN电路特性的分析,提出了一种通过避 免负载上出现反向电压的方法来消除半导体开关器件损坏的隐患,并推导出避免出现反向电压的参数匹配公式。将该匹配公式应用在一套由8个75 kJ模块组成的600 kJ储能的PFN电源参数设计中。该电源系统通过控制放电时序生成了近似平顶的电流波形,且系统工作稳定,无半导体开关器件损坏现象。实验结果表明,通过合理的负载参数匹配,可以降低甚至消除二极管上的反向过电压。     

两种反求电容储能轨道炮时序方法的比较

依靠多个商业软件间的集成来完成轨道炮系统级仿真及优化不但复杂，而且还存在两个缺点，一是有限时间内，优化所采用的遗传优化算法不能保证最优且结果不可重现；二是电源的拓扑结构需要手工调整脉冲，寻优过程无法彻底的自动化。目前，轨道炮系统级轨道炮仿真代码和电容储能轨道炮 PFN 触发时序反求问题都少见文献报道。为求解此问题，将多维的触发时序优化问题转化为一维的延迟时间确定问题，从而使全局迭代法可用。应用所开发的求解及优化程序，给出了遗传优化算法及全局迭代法求解该问题的结论及比较结果。建立了电容储能轨道炮数学模型，分析了轨道电流这一参数的重要性，介绍了由轨道电流平顶波幅值反求 PFN 触发时序问题的意义。通过定义理想时序的概念，说明了迭代法的“细分逼近”特性，指出迭代法可用于解决由炮口初速反求触发时序问题。     

基于反向开关晶体管的脉冲电源在电磁发射中的应用

为了进行电磁轨道炮发射机理研究,研制了一套基于反向导通双晶复合晶体管（RSD）全固态开关的电容储能型脉冲功率电源。RSD开关采用可控等离子体换流技术,具有全面积均匀同步导通、开通损耗小、功率大、换流效率高、寿命长的特点。电源系统由16个64 kJ储能模块并联组成,采用一体化紧凑设计,内嵌充电、控制、保护与测量功能。系统额定电压18 kV、总储能1 MJ,可通过时序控制对放电波形进行调节,短路同步放电峰值可达960 kA. 系统在20 mm口径电磁轨道炮上进行了多次发射试验,结果表明脉冲电源系统可靠性高,一致性好,输出波形灵活可调,满足轨道炮超高速发射研究的需要。     

超大炮口动能电磁轨道炮设计与仿真

论证了1门200 mm口径超大炮口动能电磁轨道炮用以进行高超声速发射,目标是将20 kg弹丸的初速提高到2 500 m/s,其炮口动能将超过62 MJ.通过多个不同算例的计算,综合考虑电枢受力、电流密度与峰值电流、电感梯度和技术风险等因素,最终选择了一种简单轨道炮结构.基于200 MJ电容器组储能式脉冲电源系统,建立了轨道炮系统仿真模型并进行了分析,设计的发射器身管长为8 m,铜轨道电感梯度约为0.4 μH/m,峰值电流约为7 MA,有效电流不低于6 MA,弹丸炮口初速可达到2 540 m/s,炮口动能达到64 MJ,系统效率为31.8％.     

多匝轨道炮的电磁学优势分析

多匝轨道炮采用多层结构,是解决简单电磁轨道炮电感梯度小、电流汇聚严重等轨道炮应用问题的一个重要途径.分别对简单轨道炮、双匝、三匝轨道炮膛内磁场分布、电感梯度、轨道内电流分布进行了比较分析.分析结果为在单侧通流总量不变、口径相同条件下,3种结构形成的磁场分布近似,多匝轨道炮电感梯度提高明显且电流汇聚程度减弱.分析认为,与简单轨道炮相比,轨道炮采用多匝结构可在一定程度上降低对脉冲电流的大幅值需求,进而减小对电源的要求、降低电源及回路线缆的不必要能耗、减弱欧姆热集中带来的不良影响,是轨道炮发展的一个重要方向.     

一种电磁轨道炮系统的仿真模型

针对传统方法建模工作量大等问题,提出一种电磁轨道炮系统的模块化分解方法。对轨道炮系统的工作原理、结构特点和工作方式进行研究,将组成系统的物理部件划分为电源、轨道、电枢和弹丸4个主要的实体模块,通过替换系统模块或者改变模型内的参数,灵活方便地研究使用不同类型电源、电枢的电磁轨道炮,并建立了轨道炮系统比较实用的仿真模型。仿真结果表明:适当增大电源电压、合理设计轨道结构及使用轨道修复技术可以提高轨道炮的性能,为今后电磁轨道炮系统的建模与仿真研究提供了思路。     

模糊资源约束的飞机消耗件联合补充研究

针对不确定环境下飞机消耗件联合补充的问题,建立模糊资源约束的消耗件联合补充模型。以最小化费用为目标,运用模糊数学规划,将模糊约束模型转换为确定约束模型。为提高模型的求解速度和效果,提出综合考虑种群特征、个体特征和种群进化阶段特征的改进自适应遗传算法,并通过仿真实例,对比分析模糊约束模型和确定约束模型的结果,以及一般遗传算法和改进自适应遗传算法的性能。结果表明：改进自适应遗传算法能保持种群多样性,具有良好的收敛性,算法搜索速度快,寻优能力强,其求解的精度和速度均优于一般遗传算法。     

多管火箭炮射序优化

针对多管火箭武器的射击顺序会对其动态性能造成影响的情况,对多管火箭炮发射顺序的优化问题进行探究.把某火箭炮的发射动力学集成在多学科优化设计软件Isight中,采用Isight软件中自带的多岛遗传算法(MIGA),以火箭弹起始扰动的中间偏差最小作为优化目标对多管火箭武器的射击顺序进行优化分析,计算结果验证了射序优化的可行性.研究结果表明:多岛遗传算法对于求解非凸的、高度非线性问题是一种较好的优化方法.该方法可以为同类型火箭武器射序优化提供参考和依据.     

基于改进布谷鸟搜索算法的结构耐久性优化方法

将布谷鸟搜索算法与耐久性分析相结合,研究一种结构耐久性优化设计方法。建立了以可靠寿命为目标或约束的结构耐久性优化模型,针对复杂结构可靠寿命函数非线性强、多极值等问题,引入一种新型群智能全局优化算法——布谷鸟搜索算法,从迁徙策略、收敛准则、约束处理等方面研究改进了布谷鸟搜索算法,进一步提高了其收敛性和效率。利用双循环方法求解可靠寿命目标、单循环方法处理可靠寿命约束的概率优化策略,提出了一种稳健的结构耐久性全局优化的改进布谷鸟搜索算法。通过某轻量化车辆传动箱体应用,结果表明该方法具有较好的收敛效果和计算效率,在满足耐久性约束条件下实现了减轻质量的目标。     

一种真空触发开关脉冲电源系统研究

脉冲电源系统性能基本取决于放电开关的特性,真空触发开关因其具有工作电压范围宽、承载电荷量高、介质恢复迅速、结构紧凑等优点,可用于脉冲电源的主开关。采用RVU-43型真空触发开关研制了一套总储能2 MJ、额定工作电压13 kV的脉冲电源。电源系统由17个118 kJ电容储能模块并联组成,单个模块短路放电最大电流达52 kA,系统包含了充电、控制、测量子系统。电源在模拟负载上进行了单模块、系统同步与时序控制放电性能测试,并在电热化学发射装置上进行了发射试验。结果表明,系统输出的电流幅值较高且波形灵活可调,可靠性高,可满足电热化学发射试验的研究。     

固体运载火箭多约束弹道优化

主动段弹道设计及优化对提高固体运载火箭运载能力具有重要的意义.提出两种有利于工程实现的主动段俯仰程序角设计方法,分别为末级一次开机方式和末级两次开机方式.基于遗传算法与序列二次规划法组成的复合优化算法,实现了两种程序角对应的弹道优化仿真计算,并进行对比分析.仿真结果表明采用末级两次开机的方式可有效提高火箭运载能力.     

基于改进的复合自适应遗传算法的UUV水下回收路径规划

传统遗传算法的变异操作会简单随机产生新的路径,对算法进化性能有不利影响,使算法易陷入局部最优的陷阱;遗传算法常配合栅格法进行路径规划,所得的最优路径并非无人水下航行器（UUV)回收路径规划可获得的最短路径,并存在UUV机动性能可能与最优路径冲突的问题。为此,设计一种具有UUV机动性约束条件的改进遗传算法,提出环境复杂度的概念用于分析机动性约束的具体取值,使路径规划适配于UUV的机动性,使算法结果更具实用性;提出复合自适应变异策略,控制变异的个体在迭代过程中发生自适应的进化;当一定迭代数内种群进化停滞时,引导最优个体进行双阶段自适应变异,从而使最优路径趋近全局近似最优解,有效提高算法的收敛速度。基于MATLAB软件的算法对比仿真结果表明一般复杂水域和复杂水域环境下,改进的复合自适应遗传算法生成的最优路径相比于遗传算法和自适应遗传算法的最优路径更加平滑,路径长度更低,可见改进的复合自适应遗传算法在路径规划上收敛性能和寻优能力更优,更具有可行性和优越性。     

改进的遗传算法求解火力分配优化问题

提出一种求解火力分配优化问题的改进遗传算法。基于目标函数的相对大小构造适应度函数,较传统的界限构造法更加显著地体现染色体之间的差异,使得优良染色体更容易被选中,从而提高算法的收敛精度。采用基于父代染色体相似度的启发式遗传算子优化遗传运算,灵活、有针对性地对父代染色体进行交叉或变异操作,在防止算法陷入局部最优的同时保证种群的更新速度。仿真实验对比结果分析表明所设计的改进算法具有更高效的寻优能力。     

一种基于改进遗传算法的三维航路规划

针对遗传算法在求解航路规划时存在的收敛速度慢、容易＂早熟＂问题,结合模糊推理、模拟退火算法和自适应机制,提出了一种基于改进遗传算法的三维航路规划.算法利用极坐标描述航路点,缩短了染色体编码长度,降低了搜索空间,提高了优化效率,并将模拟退火的Boltzmann接受机制引入遗传算法,对遗传操作后的新解进行判断接受与否.仿真结果表明了该方法的有效性和可行性.