鱼雷入水段弹道研究

鱼雷初始弹道是鱼雷全弹道中最复杂、难度最大的弹道段之一，而入水弹道则是典型的初始弹道段。初始弹道理论研究的主要手段是仿真，本文结合入水空化实验、建立了局部空化流场的数值计算模型、空化流体动力计算模型和空泡段弹道数学模型。在此基础上。利用鱼雷空泡段弹道仿真软件，对复杂入水条件下的鱼雷空泡段弹道进行了仿真。     

细长体射弹高速水平入水研究

为研究射弹在水中航行的弹道特性,对细长体射弹高速水平入水进行了实验,并利用高速摄像机进行了自动同步拍摄,研究了超空泡的形成和发展过程,以及水箱底部2处位置在水下压力波影响下的压力变化趋势; 基于动网格技术模拟了射弹在水中的航行过程,获得了射弹质心的位移、速度、加速度、射弹的偏转角度等物理量的变化规律,通过对航行过程中空化现象的详细分析得到了射弹空化发生的部位。结果表明:由于受水压力波影响,射弹周围水域压力会出现突跃; 射弹航行过程中先在弹肩部位发生空化; 射弹航行过程中尾部在空泡内发生偏移以保证航行的稳定性。     

水深和弹体长径比对超空泡弹体阻力系数及空泡形状影响的实验研究

为研究超空泡射弹的运动规律,用高速摄影机拍摄了3种长径比的弹体,在6个不同的水深下产生的超空泡的运动过程,对超空泡与自由面相互作用过程进行了研究。结果表明：随着水深的增加,超空泡的体积会变小,持续时间会变短,弹体的阻力系数会增大;当超空泡可以完全覆盖住弹体的情况下,如果速度相同,随着弹体长径比的增加,超空泡的体积基本保持不变,但其阻力系数会增大;随着水深减小,当超空泡与自由面发生相互作用时,空泡的尺寸(体积)增大、并且空泡的持续时间变长,这应该是大气进入到超空泡内的缘故;以长径比为8的弹体为例,空泡的持续时间从5~6 ms增加到12 ms以上,空泡无量纲长度和直径分别约增加了30%和15%.     

旋转弹头水平入水空泡及弹道的实验研究

利用数字式高速录像机实验研究了头部为半球形的弹头与手枪普通制式弹头在两个水深、6种速度下水平入水时的空泡及弹道特征。实验结果表明,弹头形状对弹头空泡与入水弹道的稳定性有着重要影响。半球形弹头表现出较好的弹道稳定性,而普通制式弹头的弹道不稳定,呈现出特有的藕节形空泡。在一定的速度范围内,弹头入水的速度衰减规律具有一定的相似性,表现出极强的速度衰减特性。建立了弹头水中速度衰减规律的数学预报模型,并与实验结果进行了比较,理论与实验结果符合得较好。     

斜截头弹体入水的弹道特性

斜截头弹体的入水会发生姿态偏转和弹道弯曲。从理论上分析弹丸在水中的偏转过程,得出斜截头弹体姿态偏转方程。利用AUTODYN软件对斜截头弹体入水过程进行数值模拟,基于模拟结果提出描述弹体质心轨迹的经验公式,并通过试验验证其准确性。设计炮射垂直入水试验,利用高速摄像机记录弹丸的撞击速度和运动过程。试验结果表明：理论分析得出的姿态偏转方程可靠,数值模拟和基于数值模拟得出的质心弹道经验公式的预测精度可信。     

锥头圆柱体高速入水空泡深闭合数值模拟研究

考虑入水过程的空化效应,基于有限体积法和流体体积（VOF)方法求解气、汽、液三相流动的RANS方程,并引入动网格技术,对小型锥头圆柱体高速自由垂直入水问题开展了数值模拟研究,得到了入水空泡演化过程以及深闭合过程空泡流场的流动特性和压力分布特性。将入水弹道及空泡形态的数值结果与理论分析结果进行了对比,验证了数值计算结果的正确性。对入水空泡深闭合的研究结果表明,高速条件下入水空泡的深闭合发生在面闭合之后、自由液面以下较深位置,空泡在深闭合后迅速溃灭。同时,在空泡内外多相流场的相互作用下,空泡壁尚未完全收缩至轴线便已闭合,闭合区域出现高压区,压力极值始终出现在空泡分离点处直至空泡溃灭。     

大口径弹体高速入水载荷特性研究

针对未来海上平台发射大口径抛射体入水冲击载荷问题,为了研究速度接近200 m/s时,不同速度、入水角度以及攻角对大口径平头弹体入水径向载荷以及轴向载荷的影响,基于LS-DYNA软件,采用多介质ALE方法,对速度在150～190 m/s,入水角度在45°～60°之间,具有3°～7°攻角的弹体入水模型进行数值模拟。结果表明:在同一入水速度的情况下,轴向载荷峰值随入水角度的增加而增加,径向载荷峰值随着入水角度的改变有一定的波动;在入水初期,径向载荷到达峰值后慢慢趋于稳定并收敛于0;径向载荷的峰值出现在轴向载荷撞水瞬间产生的第1次小峰值时刻;正攻角会使弹体产生顺时针旋转的径向载荷,负攻角会使弹体产生逆时针旋转的径向载荷,载荷大小随着攻角数值大小的增大而增大。     

不同头型射弹低速倾斜入水空泡及弹道特性试验研究

为研究射弹头型对低速倾斜入水空泡及弹道特性的影响,基于高速摄像方法,开展不同头型射弹低速倾斜入水对比试验,得到了射弹头型对入水空泡、运动速度、俯仰角和阻力系数的影响规律。试验结果表明：同一入水时刻,空泡直径随着头部锥角增加而增大,半球头型射弹入水空泡直径小于锥角头型射弹;锥角头型射弹速度衰减速率随着锥角增加而增大,半球头型射弹速度衰减率小于锥角头型射弹;入水过程中半球头型射弹俯仰角变化最为剧烈,弹道稳定性也较差;不同头型射弹在入水过程中运动参数呈现出较强的非线性特性。     

回转体高速垂直入水冲击特性研究

回转体入水过程不仅影响其运动轨迹,而且将引起回转体壳结构以及内部元器件的动态响应。本文利用大型商用软件MSC.dytran数值模拟技术,对圆盘尖拱头型回转体最危险的入水状态,即垂直入水过程进行了数值仿真,得到了此回转体垂直入水的冲击特性,以及垂直入水初期的弹道特性、轨迹与入水超空泡。分析结果将对此回转体头部壳体强度设计、提高抗冲击性能、入水弹道设计以及水中布放位置研究都具有重要的参考价值。     

基于高速摄像弹道跟踪原理的弹丸章动角测试方法

弹丸章动角是影响火炮射击密集度的重要因素之一,一直是火炮研究领域的热点问题。为得到弹丸出炮口段附近弹丸章动角测试结果,采用基于高速摄像的弹道跟踪法开展弹丸章动角测试方法研究。利用高速数字摄像机和弹道跟踪架建立弹道跟踪系统,记录弹丸飞行轨迹图像,借助于图像分析软件获得弹丸上下章动角测试结果。采用弹道跟踪系统对某火炮弹丸进行实例验证,得到弹丸出炮口段附近弹丸上下章动规律,各发弹丸之间弹丸章动角数值分散性较大,第1发弹丸章动角最大值为-5.2°. 研究结果表明,弹道跟踪法是获取弹丸章动角测试结果的理想方法。     

航行器小角度入水跳弹过程研究

为研究跨介质航行器小角度入水的跳弹现象,基于计算流体力学软件CFX构建数值计算模型,并验证了该模型的准确性和适用性。分别对跨介质航行器不同顶角、密度及设计的环形槽类截头外形的小角度入水跳弹过程进行仿真研究,并分析了整个跳弹过程及角加速度、角速度、位移的变化规律。研究结果表明：航行器的顶角角度和密度越小,其弹道越易向上发生弯曲,越容易发生入水跳弹现象,而浸水阶段角速度突变是由于航行器尾部与水面拍击造成的;环形槽类截头尖拱体航行器具有一定的抑制跳弹的作用,其环形槽的位置对入水跳弹过程影响较大,可根据任务需求对环形槽位置进行选择。     

基于曲面地表的弹箭射程计算方法

为了研究地表曲面对弹箭射程的影响,基于Kane方法建立计及地表曲面、重力加速度大小和方向变化的改进刚体弹道模型,将大地线的概念引入到弹箭射程计算中,讨论大地主题反解法、正球体两点距算法、椭球体两点距算法、高斯投影距算法4种在曲面地表情况下计算射程的方法,比较改进刚体弹道模型和普通刚体弹道模型计算射程的差异。计算结果表明,在300 km范围内,椭球体两点距算法计算射程具有较高的精度,可作为曲面地表上的射程计算方法;考虑地表曲面后,采用改进刚体弹道模型比普通刚体弹道模型精度更高。     

舰炮发射弹道修正弹测量弹道坐标转换精度研究

舰炮发射弹道修正弹后舰艇将继续航行,测量弹道的舰面雷达随之运动和摇摆,需要将 雷达测量的相对弹道坐标转换到以发射时炮口为原点的弹道坐标系中。相对弹道坐标、舰艇摇摆 角、航速、航向角等测量误差和舰艇升沉均会对转换后的弹道坐标精度产生影响,为量化诸误差对 弹道坐标的影响,建立了诸误差对弹道坐标精度影响的数学模型,并进行了仿真计算,得到了相对 弹道坐标、摇摆角、航速、航向角等测量误差和升沉对转换后弹道坐标精度的影响情况。     

入水参数对自导深弹攻潜弹道的影响与分析

为分析自导深弹的攻潜弹道,建立了自导深弹在纵平面内的弹道数学模型,利用MATLAB/Simulink软件对不同入水参数下深弹攻击作匀速直线运动的目标潜艇的弹道进行了仿真,仿真结果表明,攻击同一目标时,入水参数对自导深弹水下攻潜的弹道影响较大。该结果对空投自导深弹的战术使用有一定的参考价值。     

隔转鸭舵式弹道修正弹电磁执行机构工况研究

为研究隔转鸭舵式弹道修正弹执行机构的工况,对鸭舵和轴承进行动力学建模,改进基于欧拉方法的双旋弹道模型,并利用弹道参数对电磁执行机构的设计工况进行验证。以不同发射条件下弹体和鸭舵的滚转状态为基础,提取执行机构的工作转速和电磁扭矩。计算结果表明：鸭舵在出炮口后能够快速实现相对弹体的反向滚转,并逐渐达到低速的平衡状态,且平衡转速受发射条件影响小。弹体转速是引起执行机构工作转速范围较大的原因,弹丸经过弧顶后,执行机构的工况趋于平稳,转速保持在130~230 r/s范围,所需扭矩小于0.5 N·m. 从执行机构工作带宽的角度考虑,最佳启控点宜在弧顶之后。基于顶层弹道模型获取关键部件设计指标的方法为双旋弹道修正弹的工程应用提供了借鉴。     

小型运动体高速倾斜入水空泡流动数值研究

为研究小型运动体高速倾斜入水时的空泡流动特性,采用求解雷诺时均Navier-Stokes方程的方法开展数值模拟。应用实验结果验证了数值方法的正确性。基于该方法对入水过程流体动力特性、流场结构特性与空泡发展进行分析,并研究了入水角度对入水流场的影响。研究结果表明：运动体在入水撞击阶段受到较大的阻力、升力和力矩,同时承受着极强的载荷;随着入水的深入,头部半球形高压区逐渐向头部中点移动,且空泡壁面的速度方向由指向水中向指向空泡内过渡;入水角度越小,撞击阶段阻力系数与砰击压力越小,入水后越容易发生弹道偏移,同时拉脱现象发生得越晚,入水空泡的最大尺寸越大。     

基于滑动参数实时估计的履带车辆运行轨迹预测方法研究

要实现履带车辆的无人驾驶,在轨迹规划阶段需要准确预测其未来一段时间内的运动轨迹,然而履带与地面之间的滑动使车辆运动轨迹的准确预测变得非常困难。通过研究转向过程中履带接地段的运动,建立基于瞬时转向中心的履带车辆运动学模型。针对车辆的相对位姿是滑动参数的泛函,雅可比矩阵难以求解的问题,通过对泛函微分方程线性化,推导了雅可比矩阵的解析解。根据车辆相对位置计算值和测量值的差值,运用Levenberg-Marquardt算法迭代求解滑动参数,并结合给定控制序列预测未来一段时间内车辆的运动轨迹。该方法不需要提前知道土壤参数,并且能够实时估计滑动参数,以适应路面变化。实车试验结果表明,与传统轨迹预测方法相比,利用该方法预测车辆轨迹时,车辆位置偏差减少30%以上。