高旋二维弹道修正弹的角运动特性

为研究高旋二维弹道修正弹舵控后的攻角与速度偏角的特性,通过在无控弹角运动基础上增加控制组件提供的控制力和力矩,建立了其角运动方程,对起始扰动作用、瞬时控制力作用、长时间控制力作用下的弹丸攻角、速度偏角规律进行了分析。数值计算结果表明:高旋二维弹道修正弹受瞬时控制力作用时,产生的平衡攻角、平均速度偏角的方向与瞬时控制力方向大致相反; 在固定方位舵控力长时间作用下,平衡攻角、平均速度偏角方向与控制力方向近似成180°,相差一个小的角度; 攻角运动是由舵控力产生相反方向的攻角与重力产生向右的动力平衡角合成的,该攻角运动规律将影响弹道的质心运动。研究结果为高旋二维弹道修正弹的控制策略与控制方案设计提供了理论依据与参考。     

155mm固定翼双旋弹二维弹道修正引信的翼面转速特性及修正能力研究

二维弹道修正引信实现弹道修正的前提是对头部翼面部分转速进行控制。基于155 mm 固定翼双旋弹二维弹道修正引信平台,分别对双旋环境下弹体和翼面的转速特性进行了分析。建立翼面作用下双旋弹丸运动模型,采用计算流体力学软件对二维弹道修正引信进行数值模拟,计算得到了翼面各项气动力参数;通过对二维弹道修正滚转通道动力学方程展开分析,以弹丸和头部翼面部分转动惯量为基础,综合分析了翼面转动惯量、摩擦力矩、翼面滚转阻尼力矩和翼面导转力矩对全弹道转速、落点、横向偏差、攻角的影响;在转速控制基础上对155 mm 固定翼二维弹道修正引信修正能力进行了评估。研究结果表明：二维弹道修正引信导转翼面角度取5.0°~5.5°、修正翼面角度取8°~9°时可以满足控制所需的平衡转速和修正能力要求;双旋转速仿真结果可以反映弹道修正引信、精确制导组件等双旋弹丸的转速特性,为此类双旋弹丸翼面部分设计提供了理论依据。     

确定射程弹道修正弹阻力器展开时刻的算法研究

用增阻系数的概念,建立了增阻式射程弹道修正弹的质心运动方程组。对弹丸的纵向速度和纵向加速度进行了理论分析和数值仿真试验,得出了在弹道末段弹丸的纵向加速度保持不变的结论。并据此分析了阻力器作用时间与作用距离及修正距离的关系,指出了阻力器作用距离和修正距离均与阻力器作用时间呈二次关系,并用计算机仿真验证了这一结果。根据这个结论,用时间修正系数的概念推导了阻力器展开时刻的近似计算公式。为了进一步提高修正精度,提出了采用比例加速收敛的算法,在较少的弹道重复计算次数内达到预定的落点精度。仿真结果表明了这一算法昀正确性与可行性。     

基于双旋运动弹道修正弹系统建模

针对配装弹道修正组件的炮弹,其外弹道飞行过程中受力特性和运动状态相较于传统炮弹发生了较大改变,为准确描述修正弹的运动规律,提出了基于双旋运动的弹道修正弹系统建模方法。该方法通过分析修正组件与弹体之间的运动特点,建立运动约束关系,选择适宜的坐标系,利用多刚体理论建立起完整的适用于多种型号的修正弹弹道模型。仿真和飞行试验结果表明,所建立的数学模型可对弹丸的运动状态进行准确的描述,仿真结果与实际弹丸落点偏差小于弹丸射程的5‰,符合精度要求。     

修正组件结构参数对旋转稳定弹道修正弹稳定性的影响研究

为提供修正组件优化与多种弹丸平台适配组件设计的参考与依据,结合弹-翼组合体气动特性理论简化模型与工程算法、复攻角理论及赫尔维兹稳定性原理,推导了与组件结构参数相关的弹道修正弹稳定性判据,并依此研究了修正组件结构参数（组件质量、质心位置、鸭翼翼展、舵偏角）对双旋式旋转稳定弹道修正弹飞行稳定性的影响规律。稳定性理论分析结果表明：相同组件外形(除鸭翼外)下,通过弹体配重或组件结构优化使组合体质心适当前移对弹丸飞行稳定性有利;为增大鸭翼修正力的同时减少对稳定性影响,增大舵偏角的方案相较于增大翼展更优。通过弹道仿真与飞行试验定性地验证了适当地前移质心可增强弹丸的飞行稳定性。     

鸭式布局双旋弹飞行动力学建模与仿真

为发展具有精确打击能力的有控旋转稳定弹,研究了一类采用双旋结构的鸭式布局旋转稳定弹。分析了该类有控弹的飞行原理,补充了其飞行动力学建模所需的坐标系;根据牛顿第二定律和动量矩定理,建立了七自由度刚体质心运动方程和绕质心运动方程;讨论了作用在弹体上的诸力和力矩。编制计算程序对鸭式布局双旋弹的弹道特性进行了仿真分析,揭示了无控条件下双旋弹前、后体的转速和全弹攻角、偏流的变化规律,得到了控制力和控制力矩作用下双旋弹体的攻角响应。仿真结果与其飞行原理吻合,符合外弹道规律,验证了所建模型的合理性,为后续研究该类有控旋转弹提供了理论基础。     

阻尼片横向弹道修正的落点预测方法

为了减小旋转稳定弹的横向落点散布,对一种采用阻尼片调节弹道偏流的横向修正方案进行了研究。实现横向弹道修正的核心是落点预测,故对该横向修正方案的原理及有效性进行了分析,由此提出落点预测模型应满足的要求。针对无控弹道的升弧段和降弧段,分别推导出相应的弹道解析预测模型,并通过考虑弹丸的动力平衡角和转速特性,建立了一个可计及阻尼片作用的三自由度弹道模型。经后处理的炮射试验数据验证以及不同条件下的弹道仿真,结果表明,该横向弹道落点预测模型在线计算量较小,预测误差约为20m,可满足工程应用中对落点预测模型计算速度和精度方面的要求。     

迫弹横向脉冲控制飞行稳定性

为了研究迫弹利用脉冲发动机进行弹道修正而引起的飞行稳定性问题,分析了横向脉冲控制力及控制力矩,建立了有控弹道模型,在一定的假设条件下推导出脉冲作用段迫弹的攻角方程,讨论了脉冲作用段迫弹的飞行稳定性,给出了脉冲冲量大小及距质心作用距离的约束条件.研究表明,正常情况下,横向脉冲控制对迫弹的动稳定条件、追随稳定条件及共振不稳定条件没有影响,但需控制脉冲冲量大小和距质心作用距离,使得扰动引起的攻角增量幅值不超过允许的极限值,保证迫弹在脉冲作用后仍能稳定飞行.     

改装弹丸特征量对射弹散布的影响分析

为将砂弹应用于靶场的火炮外弹道试验,对某型105 mm榴弹弹丸改装前后的特征量差异进行了统计分析,提出了弹丸特征量散布的概念,并以动力平衡角为媒介,应用外弹道理论推导出弹丸质心位置和极转动惯量与射弹散布的关系公式,计算得到了满足弹丸飞行稳定性的特征量范围和满足射弹散布指标要求的特征量散布范围,经分析发现基于目前工艺改装砂弹的理论射弹散布较大,因此没有理由将砂弹直接应用于火炮外弹道试验。     

基于高度的阻力系数实时修正方法

针对不同弹道高度的气象不同引起雷诺数不同,进而导致阻力系数不准确的问题,提出了基于高度的阻力系数实时修正方法。该方法通过空气动力计算软件获取到同一马赫数不同高度气象条件对应的弹丸阻力系数变化量与高度的对应关系,在弹道解算中,采用弹丸实际弹道高度插值该关系,实现了弹丸阻力系数的实时修正。155 mm榴弹底排弹最大射程角验证结果表明,4 500 m海拔时,高度修正的阻力系数对弹丸的射距和横偏影响可达2%,从弹道顶点时刻开始弹丸落点预测,采用修正后的阻力系数较采用地面阻力系数的落点预测精度约提高了一倍。     

固定鸭舵双旋火箭弹超声速侧向气动特性

为研究加装了固定鸭舵修正组件的双旋火箭弹的气动特性,采用ANSYS Fluent软件计算弹体周围流场,采用滑移网格方法模拟弹箭旋转运动,在验证数值方法的基础上,对超声速下无鸭舵、鸭舵修正组件不旋和鸭舵修正组件反旋3种状态的双旋火箭弹进行数值模拟,重点分析了鸭舵修正组件对全弹和部件侧向力的影响.计算结果表明:加装鸭舵修正...     

旋转稳定二维修正弹鸭舵法向力计算模型研究

为了研究修正组件滚转条件下二维修正弹鸭舵的法向气动力非线性规律,建立了鸭舵坐标系,考虑弹丸攻角、舵偏角、弹丸运动和迎风区与背风区等影响因素,采用多元泰勒展开理论,建立了动态鸭舵法向力计算模型; 采用数值计算分析了不同攻角、舵偏角组合的鸭舵法向力特性,得到了不同舵偏角下鸭舵法向力随攻角的变化规律,分析了滚转条件下舵偏角和攻角对4个鸭舵法向力系数的影响规律。结果表明:鸭舵法向力计算模型的计算结果与数值计算结果吻合较好,该模型为二维修正弹的气动力计算提供了参考。     

近距耦合鸭式布局导弹气动特性

由于导弹在大攻角下舵面法向力会下降,导致机动性降低。在鸭舵前添加反安定面,可使之与鸭舵之间产生有利干扰,在获得机动性的同时获得高操纵性。采用数值模拟方法研究亚声速和超声速条件下双鸭式布局导弹的近距耦合效应。在验证数值方法可靠的基础上,与鸭式布局导弹进行对比分析,重点研究来流工况为Ma=0.5与Ma=2.0时在不同迎角下反安定面与鸭舵之间的涡系演变过程,并对舵面法向力和俯仰力矩进行了分析。分析结果表明：当来流处于亚声速时,在中大迎角以后产生的增升效果明显,反安定面卷起的下洗涡与鸭舵涡卷绕融合后使之得到明显增强,涡强度的增强延迟了鸭舵表面的流动分离,提高了法向力;当来流处于超声速时,相互之间的耦合作用变为使鸭舵上表面流速增加和下表面涡量减少,进而提升鸭舵升力;双鸭式布局能够增加平衡迎角,提高操纵性。     

固定鸭舵导引组件修正力模型改进及参数辨识

固定鸭舵双旋弹道修正弹通过调整固定鸭舵相位角控制修正力方向,从而改变弹体姿态,实现弹道修正。准确的导引组件修正力模型是提高修正弹修正精度的关键。本文在风洞试验基础上验证了数值计算的有效性。针对非零攻角下翼身干扰不对称现象,基于小扰动理论建立了基于4片舵片考虑翼身干扰的修正力模型。使用计算流体力学(CFD)所得数据,通过Levenberg-Marquardt算法对修正力模型进行参数辨识。辨识结果表明：基于4片舵片气动模型的y轴方向、z轴 方向修正力随相位角呈正弦规律变化;在给定马赫数情况下,所建立的气动模型弹头对舵片的干扰系数对攻角变化不敏感,干扰系数随攻角相对变化小于4.9%;所建立的修正力气动工程模型y轴 方向和z轴方向修正力的残差平方和比现有模型更小,头部修正组件的修正力模型与CFD计算结果吻合较好。     

弹道修正火箭弹修正方案与射击精度研究

为了提高弹药射击精度,采用脉冲推冲器和阻力板作为修正执行机构对弹道进行修正。针对不同修正方案,建立了各自对应的的六自由度弹道模型,设计了以落点预测为基础的控制策略。在分析、比较单一执行机构弹道修正特点的基础上,提出了组合修正方案。以某型火箭弹为应用对象,对不同修正方案的弹道修正效果进行了仿真实验。结果表明:脉冲推冲器对横向偏差修正效果明显,对纵向偏差修正能力不足; 阻力板对纵向偏差修正效果明显,无法消除横向偏差; 组合修正方案对横向偏差和纵向偏差都具有较好的修正效果,能将火箭弹的圆概率误差提高到28 m。最终通过飞行试验对上述结论进行了验证,结果验证了组合修正方案对弹道修正的有效性。     

带扰流片旋转稳定弹制导律研究

针对带扰流片旋转稳定弹转速很高造成运动响应方向与控制力作用方向存在偏差,导致制导方法设计困难的问题,为发展适用于带扰流片旋转稳定弹的制导方法,提出了一种基于速度追踪和参数优化的制导律。根据带扰流片旋转稳定弹的六自由度弹道模型,仿真分析了在制导律作用下弹丸的弹道特性和命中精度。仿真结果表明:所设计的制导律能够导引弹丸命中目标,满足控制精度要求,可有效减小干扰条件下的落点散布,提高射击密集度,且控制过程中扰流片方位角变化平缓,易于实现。     

固定舵二维修正弹外弹道仿真与动态模拟

为研究固定舵二维弹道修正弹的修正能力,采用流体力学分析软件Fluent与机械系统动力学自动分析软件Adams联合仿真方法建立了固定舵二维修正弹的动力学仿真模型。基于鸭舵修正原理提出了仿真环境下鸭舵减旋和测姿的模拟方法,在Adams软件环境下通过在舵片模型上建立Marker监测点实现了对鸭舵实时滚转角的直接监测;应用该仿真方法对横风作用力从1 N增大到10 N的情况进行仿真,相比于无风干扰,横偏增加了36.5%到298.0%;分别对10 N横风作用力、0.5°横向跳角和0.5°定起角干扰下的弹道修正进行了仿真。研究结果表明：相对于无修正情况下的横偏,在10 N横风作用力下的修正量能够达到90%,由跳角引起的横向、纵向落点偏差得到显著降低;通过与半实物仿真实验及实弹射击试验的对比,证明该仿真方法具有一定的合理性。     

某大口径火炮发射弹丸启动压力研究

火炮发射时火药燃气压力将弹丸挤入炮膛,适当的挤进阻力能够减小初速或然误差、提高弹道一致性,是复杂的力学与火药燃烧耦合的过程。经典内弹道理论提出了启动压力假设,当火药燃气平均压力高于启动压力时弹丸开始运动,该假设导致启动压力物理含义不清楚、数值难以确定。本文以弹丸挤进过程和经典内弹道假设为基础,建立了弹底压力冲量与弹丸直线运动动量之间的数学关系,提出了弹底压力的冲量、截尾冲量与虚拟弹丸动量的关系。由于弹丸运动方程的积分形式更能反映出启动压力所具有的冲量物理意义,由此提出了一种确定弹丸启动压力的计算方法。以某大口径线膛火炮发射某榴弹为例,建立了弹丸挤进过程仿真模型,使用光滑粒子流体动力学法对某装药条件下弹带挤进过程进行了模拟,得到了挤进阻力和弹丸运动位移、速度等参数,采用本文提出的数值方法计算了等齐膛线和渐速膛线时弹丸启动压力。在以最大挤进阻力为特征点时,不同膛线形式对启动压力的数值有一定的影响,等齐膛线工况时的启动压力较渐速膛线时的启动压力略大。     

弾道修正弹六自由度弹道仿真研究

对弹道修正弹武器系统组成和工作原理进行了研究，建立了脉冲作用力及力矩模型、分析了弹道修正使用的追踪制导律，提出了建立其六自由度弹道模型的方法，利用弹道修正弹六自由度弹道仿真程序对末段修正典型弹道、探测器光轴运动轨迹以及脉冲作用点对脱靶量的影响等进行了仿真，计算结果表明在弹体质心附近使用直接脉冲控制力对末段弹道进行修正可以达到较好效果，采用速度追踪方式能够得到较小的脱靶量。