电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法研究进展

电磁轨道发射作为电磁发射技术的重要分支,具有发射速度高、射速可调节等显著优势,被誉为改变未来战争样式的颠覆性技术之一。目前,电磁轨道发射技术仍然面临射击精度低及装置寿命短等关键瓶颈问题,这些都与电磁轨道发射装置所涉及的复杂电、磁、热和力等多领域耦合发射动力学行为密切相关,然而国内外对极端冲击条件下电磁轨道发射装置的系统动力学分析尚缺少成熟理论方法和技术手段。针对上述情况,从动力学建模、性能预测、优化设计等方面综合阐述近期电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法的国内外研究进展,总结相应的研究方向和需求。随着电磁轨道发射装置的工程化发展,电磁轨道发射系统的建模与仿真应考虑发射环境的全系统因素,建立电磁轨道发射装置和发射环境耦合的发射动力学性能快速预测和优化设计系统,详细阐明电磁轨道发射装置和发射环境多领域耦合振动机理等基础科学问题,为电磁轨道发射装置系统动力学的深入研究和相关装备研制提供支撑。

轴向冷气弹射系统建模及仿真分析

根据轴向冷发射需求,同时避免发射过程对发射平台内部空间的污染,设计了一种以高压氮气为弹射能源的轴向底推式冷弹发射装置。介绍了轴向冷弹发射系统的结构组成、工作原理以及设计要点,并运用理想气体状态方程、质量和能量守恒定律、气体动力学等设计理论与方法,建立了轴向底推式冷气弹射系统的高压室、低压室、阀口气体流动以及导弹运动的数学模型。为提高导弹发射时的分离速度,同时降低发射过载峰值,以建立的数学模型为基础,基于内弹道结构参数,采用VB语言编程,通过仿真计算和分析,研究了气瓶初始压强、气瓶容积、低压室初始容积、电磁阀通径、无阻尼自然频率、阻尼比及活塞(托盘)直径等弹射系统的主要结构参数对产品的分离速度和发射过载的影响,找出了各个结构参数变化对导弹分离参数的影响规律,并对影响规律的机理进行了分析。该研究为弹射系统结构参数的优化提供了理论依据,为同类型轴向冷弹发射装置内弹道设计提供了理论参考和依据。

基于数值模拟的蜂窝钢管约束混凝土靶抗侵彻机理

多孔蜂窝钢管约束混凝土靶具有良好的抗侵彻性能和拓展性能。基于ANSYS/LS-DYNA软件,采用FEM/CSCM-SPH/HJC耦合法,模拟了多孔蜂窝钢管约束混凝土靶抗硬芯枪弹侵彻过程,研究了蜂窝钢管约束混凝土靶的抗侵彻机理。结果表明:与单孔正六边形钢管约束混凝土靶和无约束混凝土靶相对比,蜂窝钢管约束混凝土优异的抗侵彻性能主要体现在隧道侵彻阶段,表现为限制弹丸头部附近混凝土的径向膨胀,增大侵彻阻力;对比单孔正六边形钢管约束混凝土靶,蜂窝钢管约束混凝土靶周边单元为钢管提供了支撑,限制了钢管壁的面外弯曲变形,强化了钢管的约束效应,即形成周边单元的附加约束作用;对比无约束混凝土靶,钢管的存在限制了蜂窝钢管约束混凝土靶被打击单元的径向膨胀,强化了被打击单元混凝土的围压效应,提高了混凝土的强度和变形性能,增大了弹丸的侵彻阻力,从而使其抗侵彻能力提高。因此,蜂窝钢管约束混凝土靶由于蜂窝钢管的侧向约束和周边单元的附加约束双重约束效应而体现出良好的抗侵彻性能。

基于极度梯度提升模型的火炮身管寿命预测

为提高火炮身管寿命预测的精度,将身管内径磨损量作为寿命预测指标,提出基于极度梯度提升(XGBoost)模型的火炮身管寿命预测算法。以火炮弹射数为输入,身管内径磨损量为输出,通过集成多个弱学习器反复训练来拟合前一个弱学习器预测值与实际值之间的残差,从而生成强学习器,并通过在损失函数后加入正则化项及采用剪枝技术降低模型过拟合的风险。基于某型火炮实测数据进行验证,结果表明:该模型不仅有效解决了火炮弹射量与身管内径磨损量之间的映射关系,且相比支持向量机、BP神经网络、灰色模型等现有算法显著提升了身管寿命预测精度。

变外形滑翔制导炮弹的气动外形多目标优化

为提高滑翔制导炮弹在爬升段和滑翔段的气动弹道性能,实现大幅度增程的目的,基于尾翼变后掠变展长的形式对常规固定外形的滑翔制导炮弹进行变外形设计。采用Missile Datcom作为气动计算工具,以尾翼展长和后掠角作为变形参数,并调整舵翼的外形参数,基于NSGA-Ⅱ多目标优化算法对滑翔制导炮弹的爬升段(优化目标为弹丸的零升阻力系数和静稳定储备量)和滑翔段(优化目标为弹丸的升阻比和操纵比)分别进行了变外形多目标优化设计,最终获得各飞行段的最优外形方案。数值仿真结果表明:优化后的变外形方案可明显改善该滑翔制导炮弹各飞行段的气动弹道性能。在本文设定的飞行条件下,爬升段阻力系数降低了13.3%,滑翔段升阻比增大了36.1%,弹丸在整个飞行过程中稳定性适当,且稳定性和操纵性、舵偏角与平衡攻角匹配较好;相较于基准固定外形方案,滑翔控制条件下采用变外形方案的滑翔制导炮弹射程增加了8.4%,增程效果显著。本文工作为滑翔制导炮弹的变外形方案设计提供了参考。

考虑身管柔性的坦克行进间发射动力学研究

针对弹丸起始扰动会影响坦克行进间射击密集度问题,建立身管柔性的坦克行进间发射动力学模型;考虑弹丸动不平衡及质量偏心、弹炮相互作用、弹炮间隙,建立坦克行进间射击弹丸膛内运动方程;编制行进间射击的坦克发射动力学仿真程序,获得某坦克行进间射击弹丸膛内运动规律及千米立靶密集度,并试验验证仿真结果。该结果可为提高坦克行进间射击精度提供理论基础与仿真手段。

基于有限元的某型坦克炮身管模态分析

现代坦克炮往往通过增大膛压和加长身管来提高弹丸的初速和火炮的威力,但这些措施也使得坦克炮身管动力学性态发生变化,使其射击密集度超出可控的范围。因此,掌握坦克炮身管的振动特性并使其固有振动频率合理分布是坦克炮发射动力学研究的重要内容之一。本文在分析坦克炮身管振动对射击密集度的影响的基础上,建立了某型坦克炮身管的有限元分析模型,通过仿真计算得到了振动模态参数,验证了身管设计的合理性,为坦克炮身管的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供理论参考依据。

制退器弯曲侧孔平滑导流与侧壁增压特性研究

针对目前炮口制退器中制退效率低的问题,提出在制退器中设计U型弯曲侧孔方案,从而实现平滑导入火药燃气流向侧后方喷出,达到通过增加弯曲孔侧壁压力和高压气体持续作用时间实现大幅度降低后坐冲量的目的。以某30 mm航炮制退器为应用案例,以弹丸到达膛口位置时的膛内气流状态作为初始条件,采用静止区域划分多面体网格、运动区域划分六面体结构网格的计算方法,将U型弯曲侧孔制退器与直斜侧孔制退器进行对比,分析弹丸经过弯曲侧孔时制退器内和侧孔内的气体流动特点和压力分布情况。结果表明:相比于直斜侧孔,U型弯曲侧孔能更平滑地导入膛内高压火药气体并使出口速度提高至2500 m/s。弯曲侧孔的最大制退力相比于斜侧孔最大制退力提高了11.8%,弯曲孔侧壁增压且压力分布更均匀合理,并增加高压气体作用时间,反后坐冲量提高10.8%。

行进间坦克炮控系统动力学建模与稳定控制

考虑行进间坦克炮控系统受路面颠簸引起的外界扰动和炮控系统工作时火炮俯仰运动不平衡力矩影响,基于第二类Lagrange方法建立行进间坦克炮控系统两轴耦合2自由度动力学模型。针对炮控系统的实际受力和运动状态,建立方位向和高低向驱动系统含有永磁同步电机以及传动机构分别含有齿轮减速箱与滚柱丝杠的行进间坦克炮控系统机电耦合动力学模型。为快速抑制行进间坦克炮控系统内外扰动对目标稳定跟踪的影响,基于非奇异快速终端滑模控制律和线性扩张状态观测器设计具有有限时间收敛特性的行进间坦克稳定跟踪控制器。根据行进间坦克炮控系统对目标的稳定跟踪过程计算炮控系统稳定精度和到位时间,并在不同工况下与传统控制方法进行对比。研究结果表明,新方法响应速度快、抗干扰能力强、稳定精度高,验证了控制器设计的有效性。

装甲目标毁伤评估的等效靶方法

目标毁伤评估的基本方法之一是实验的方法。而总是依靠大量的原型实验进行评估是不可能。提出了利用等效实验的方法进行目标毁伤评估,并结合动能弹毁伤装甲目标这一典型弹靶系统,讨论了等效靶的概念、建立及应用问题。

坦克炮控系统非线性建模与运动性能分析(Ⅰ)

炮控系统是坦克火力控制主线的末端,其性能直接影响到坦克火力的发挥。由于其内部存在齿圈间隙、弹性形变、摩擦力矩、参数摄动和外界扰动等不确定非线性因素,造成炮控系统出现稳态"牵移",驱动死区、延时与振荡、低速"爬行"和高速调炮"超回"等一系列问题,成为制约系统性能进一步提升的主要因素。通过分析炮控系统的结构和各种非线性因素及其规律特点,建立了炮控系统非线性数学模型;在此基础上,开展炮控系统运动性能的理论分析和试验研究,探讨了各种非线性因素对系统性能的影响,为炮控系统分析、设计与非线性补偿控制、进一步提高系统战技指标和充分发挥坦克火力性能提供理论依据和试验基础。

装甲底盘与火炮匹配性评价方法研究

提出了装甲底盘与火炮匹配性概念,运用专家综合评分法建立了匹配性评价体系,用装甲底盘与火炮匹配性分析软件对5种装甲底盘与火炮的组合系统进行了实例分析,以企引起同行专家进行讨论。

旋转式尾翼弹箭气动特性仿真计算

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(πrad/s,2πrad/s,4πrad/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。

125mm坦克炮炮闩抽筒装置故障仿真分析

针对125 mm坦克炮炮闩抽筒装置的常见故障和失效模式,建立了125mm坦克炮炮闩抽筒装置上抽筒子的三维数字模型,并进行了动力学仿真;利用多体动力学仿真方法对抽筒装置的典型故障机理和易损部位的损坏程度进行了分析,得到了其损坏的原因和改良方法;为研究抽筒装置的故障机理提供理论依据,为探索、改进炮闩抽筒装置结构、提高其可靠性开辟了一条新的道路。

基于虚拟样机技术的某型坦克炮炮身模态分析

加长身管是坦克炮提高弹丸的初速和火炮威力的常用手段,但该措施也使得坦克炮炮身动态特性发生变化,若设计不合理将使其射击密集度超出可控的范围。因此,掌握坦克炮炮身的振动特性并使其固有振动频率合理分布是坦克炮发射动力学和动态设计研究的重要内容之一。在分析了坦克炮身管振动对射击密集度的影响的基础上,建立了某型加长身管坦克炮的有限元模型,通过仿真计算发现其模态参数和设计的不合理之处,对改进后的坦克炮身管进行了仿真分析,证明其达到了设计的要求,为坦克炮身管的动力响应分析和进一步的结构优化设计提供了理论参考依据。

基于极值响应的某翻转输药机构运动精度非概率可靠性分析

翻转输药机构是弹药自动装填系统的重要组成部分,其运动精度可靠性对于确保发射药输送动作的顺利执行至关重要。现有的机构运动精度可靠性研究主要基于输入参数的概率模型,需要通过大量实验样本数据来确定参数的概率分布函数,这对于很多工程实际问题而言成本极高甚至无法实现。然而,将输入变量考虑成非概率区间模型在一定程度上可以规避上述难点,区间模型不要求输入变量,有详细的样本特征,只需要确定输入变量的不确定幅度或者界限,这相对于确定变量的概率分布较为容易。在此基础上,针对机构运动精度可靠性的评估提出了一种基于输入参数非概率区间模型的新型时变可靠性分析方法。该方法旨在机构完整运动时间区间内搜索输出响应区间域的局部极值时刻,并引入非概率可靠性指标来评估和分析局部极值时刻的瞬时运动精度可靠性,由此将时变可靠性问题转化为瞬时可靠性问题。将该方法应用于某翻转输药机构进行可靠性评估,结果表明所提出的非概率时变可靠性分析方法对机构运动精度可靠性分析具有一定指导意义。

高性能坦克炮控系统自适应控制研究

针对坦克炮控系统非线性扰动和系统参数非线性漂移等问题,在分析炮控系统性能并建立其数学模型的基础上,提出了转速环双环复合自适应控制策略,设计了负载扰动观测器和单神经元自适应PID控制器。仿真表明,该方法能够有效地抑制负载扰动和参数变化对系统的影响,提高系统的鲁棒性。

基于ADC模型的坦克炮射击效能评估

运用美国工业界武器系统效能咨询委员会(WSEIAC)评估武器系统效能的方法,综合坦克炮射击的特点,建立完善了适合坦克炮射击效能评价方法的数学模型,并对模型中各有关参数进行了初定,使效能分析的结果更接近实际。

固连接异型侵彻体垂直侵彻半无限靶简化模型

异型侵彻体的侵彻问题具有明显的研究价值。文中在一定的假设条件下,建立了固连接异型侵彻体垂直侵彻半无限靶的简化模型并进行了计算,同实验结果进行了比较,结果表明异型体的侵彻能力要优于同质量的长杆体。

改进的粒子群算法求解火力优化配置

针对现代化战场作战双方坦克分队进行火力对抗时,需要指挥员能够随时提供合理的火力打击策略这一问题,提出了一种改进的粒子群算法,用于快速求得可行的火力优化配置方案,为指挥员作出打击决策提供依据。与实例对比分析的结果表明,改进的粒子群算法具有很高的求解精度与求解效率,能够满足坦克分队作战需求。