暴雨环境下滑翔制导炮弹气动特性研究

为研究暴雨条件对滑翔制导炮弹气动特性的影响,基于双向动量耦合的欧拉-拉格朗日方法,采用考虑转捩的剪切应力输运湍流模型(Transition SST)和三阶精度的MUSCL格式,建立了暴雨环境下的滑翔制导炮弹气动特性计算模型并进行数值模拟。结果表明:与无雨条件相比,降雨在弹丸表面形成了贴体水膜层,后续雨滴粒子下落时,会冲击弹丸表面水膜形成凹坑,增加了弹丸表面的粗糙度;随着飞行速度的增加,弹体表明温度逐渐升高,水膜层的厚度随着蒸发不断减小;当炮弹以亚跨音速飞行时,暴雨环境对炮弹气动系数有较大的影响,当炮弹以Ma=0.8的速度在降雨强度为2 200 mm/h的工况下飞行时,阻力系数提高了27.39%,升力系数减小了18.09%。同时,随着降雨强度的提高,炮弹阻力会呈现先增加后减小再增加的趋势,但此差异会随着炮弹飞行速度的增大而逐步消失,而升力系数会不断下降;在降雨强度不变,炮弹飞行速度达到Ma=0.95时,阻力系数提高了32.29%,升力系数减小了18.38%;当炮弹飞行速度达到Ma=1.2时阻力系数提高了21.76%,升力系数减小了18.87%。

考虑时空协同的滑翔制导炮弹单炮多发快速弹道规划

针对单炮多发应用场景,研究在时间、空间协同等多约束条件下的滑翔制导炮弹快速协同弹道规划问题。为平衡序列凸优化(Sequential Convex Programming,SCP)算法在快速性与最优性之间的冲突,提出一种改进的SCP算法;考虑到多约束条件下可行域较小、初值敏感性较高的特点,设计两种迅速且有效的迭代初值生成方案;为充分发挥弹群整体控制能力,采取集中式的协同规划策略,同步求解所有方程组,以达成全局规划目标。仿真实验结果表明,新算法能够较好地解决多约束条件下的协同规划问题,与现有文献中的常见算法进行对比,具备良好的收敛性能和较高的计算效率。

一种基于轨迹预测的滑翔制导炮弹时间约束末制导律扩展方法

针对滑翔制导炮弹末制导过程中的攻击角度与攻击时间控制问题,为简化制导律设计、方便工程应用,提出了一种将现有高性能非时间约束制导律扩展为可处理时间约束形式的方案。该方案以非线性导引模型为基础、现有制导律作用下的弹丸飞行轨迹为参考轨迹,通过为弹丸预设合理的飞行时间并结合轨迹预测的方法,将滑翔制导炮弹的末制导过程分为2个阶段。第一阶段制导炮弹在扩展后的制导律作用下飞行,通过增加参考轨迹曲率、延长弹丸飞行时间的方式使攻击时间误差在有限时间内收敛至零;第二阶段制导炮弹在原始制导律作用下飞行,直至命中目标以满足脱靶量与攻击角约束。同时,通过不同工况下的大量仿真,研究了设计参数的取值范围对第一阶段中弹丸攻击时间误差收敛性能的影响。该扩展方案的推导过程无需现有制导律的显式表达,具有一定的通用性。研究结果表明:通过合理的参数设置,扩展方案可以在现有制导律的基础上实现攻击时间控制,且制导指令光滑,需用过载较小,符合作战任务要求。

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。

基于改进DQN方法的滑翔制导炮弹弹道规划

深度强化学习的快速发展为弹道规划提供了一种新的选择,它采用与环境交互的形式寻求最优弹道规划深的度神经网络,但在与环境交互的过程中存在着强随机性,这会导致强化学习训练过程中出现训练效果差、学习效率低下等问题。针对这一问题,本文提出了基于改进深度Q网络(Improved Deep Q-Network,IM-DQN)的深度强化学习弹道规划方法。该方法在传统深度Q网络(Deep Q-Network,DQN)算法的基础上添加了优秀经验保存和探索限制率的组合策略去引导训练方向,阻止训练网络大规模崩塌现象发生。对滑翔制导炮弹模型进行三自由度建模并将弹道规划问题转化为马尔可夫决策过程,确定状态空间、状态转移方式、奖励函数以及相关算法参数进行训练。分别在无约束和有约束条件下,将此方法训练得到的航程结果分别与最大升阻比方法以及基于最优控制理论的高斯伪谱法(Gaussian Pseudospectral Method,GPM)进行横向性能对比。仿真结果表明:IM-DQN方法训练过程相较于DQN方法更加稳定,在寻求航程最优性问题上,IM-DQN方法得到的最大航程值优于上述两种参照方法,研究结果可以为今后的强化学习弹道规划提供参考。

滑翔增程弹滑翔弹道设计

在滑翔段上采用法向加速度等于零和升阻比最大两种方式进行滑翔弹道设计,导出俯仰舵偏角和平衡攻角的表达式,得到滑翔射程的一般关系式,分析了决定制导炮弹射程的主要因素。仿真结果表明,采用这两种方式设计的滑翔弹道各有特点,在工程实现中可以根据不同的使用要求和实际情况进行选择。

滑翔增程弹弹道特性分析

滑翔增程是目前采用的较为有效的一种弹箭增程技术。阐述了滑翔增程弹的飞行过程,按其飞行过程将整个飞行弹道分为三段,并分别建立了各段的弹道模型;研究了整个飞行弹道的特性,得到滑翔弹弹道与常规弹道在升弧段是一致的,在降弧段上则出现了较大的差别;在滚控段采用“小步走”的控制策略,在滑控段采用开环控制。仿真计算表明:控制方法可行,计算结果与设计思想一致,对滑翔增程弹的研制有一定的参考意义。

滑翔增程弹鸭式舵的气动设计与分析

为了保证滑翔增程弹箭在滑翔飞行过程中有效地增程,必须对滑翔弹箭的舵面进行气动设计与分析.阐述了制导炮弹舵面参数确定的原则,研究了滑翔增程弹舵面几何参数的选择、舵面尺寸确定的方法.仿真结果表明,采用该方法确定的舵面气动性能能够保证滑翔增程弹在滑控段飞行过程中稳定性适当,静稳定性储备量约在4%左右;操纵性较好,舵面偏转10°,能够产生约6°的平衡攻角;稳定性与操纵性、舵偏角和平衡攻角匹配较好,为滑翔增程弹舵面的气动设计提供了参考.

滑翔增程弹方案弹道特性的研究

阐述了滑翔增程弹的飞行原理 ,建立了滑翔增程弹的方案弹道模型 ,通过数值计算得到了滑翔增程弹方案弹道的形状特征、弹丸飞行速度沿全弹道的变化规律和最大射程角的特点 。

滑翔增程弹箭滑控段弹体运动模式对增程效率的影响

增程技术是弹箭技术重点发展方向之一,而滑翔增程是目前采用的较为有效的一种弹箭增程技术。阐述了滑翔增程弹箭的飞行过程,建立了滑翔增程弹箭的滑翔段弹道模型,在滑翔控制段弹体分别采用俯仰滑翔飞行和旋转滑翔飞行,分析了在滑翔控制段弹体的两种运动模式对弹箭增程效率的影响。仿真结果表明:在滑翔控制段弹体采用俯仰滑翔飞行,增程效率高,但在滚转控制过程中控制系统复杂,对舵机的要求高;在滑翔控制段弹体采用旋转滑翔飞行,增程效率较低,但整个控制过程中控制系统简单,对舵机的要求低。

滑翔增程弹滑翔弹道优化设计分析

针对鸭式布局的滑翔增程弹,建立了滑翔增程弹滑翔弹道的模型,采用使滑翔弹道上每一点的升阻比最大的设计思想进行弹道优化设计,导出了俯仰舵偏角与平衡攻角的表达式,并对滑翔飞行弹道特性进行了仿真计算分析。仿真计算表明,滑翔弹道与常规弹道降弧段相比下降趋缓,增程效果显著。

带鸭舵滑翔增程炮弹方案弹道研究

为了获得鸭式气动布局滑翔增程炮弹的最佳滑翔效果,研究了相应的滑翔策略及其方案弹道特性问题。通过动力学分析建立了滑翔增程炮弹的各飞行段的弹道模型。由数值分析得到采用最大升阻比的滑翔策略可获得最佳滑翔增程效果。采用该弹道模型和最大升阻比滑翔方案,分析了滑翔起控点、火炮射角参数等对滑翔方案弹道特性的影响,通过计算给出了滑翔增程弹方案弹道的轨迹曲线、飞行速度变化规律曲线、方案攻角曲线和方案舵偏角输出曲线。研究结果可为滑翔增程炮弹的弹道设计提供理论依据。

制导炮弹滑翔弹道优化设计方法研究

为了获得滑翔增程制导炮弹的最优滑翔方案弹道,利用庞特里亚金极小值原理建立了制导炮弹在纵向平面内的最优滑翔飞行运动方程。研究了最优滑翔弹道的解法,并对制导炮弹滑翔飞行的最优控制参数进行了设计。结果表明,优化得到的升力控制系数能够保证该弹的飞行水平距离最远,且最优升力控制系数在1附近变化,并最终趋近1。

滑翔增程弹制导与控制系统设计

为控制滑翔增程弹精确跟踪方案弹道及提高落点精度,设计了制导控制系统。基于高度控制原理,设计了鲁棒变结构控制器,实现弹体对方案弹道的精确跟踪;为提高落点精度,在炮弹跟踪方案弹道靠近目标点的时候,采用比例寻的导引律来引导炮弹向落点逼近。根据力矩平衡假设和重力作用,将过载指令转换为舵面偏角指令,设计了开环自动驾驶仪,并采用相位超前角来降低舵系统跟踪误差。六自由度仿真表明,所设计的制导控制方案能够引导制导炮弹跟踪方案弹道,且终端落点误差小于1 m,满足制导控制系统要求。

滑翔增程弹飞行弹道

增程技术是弹箭技术重点发展方向之一,而滑翔增程是目前采用的较为有效的一种弹箭增程技术。阐述了滑翔增程弹的飞行过程,建立了滑翔弹的方案弹道模型和控制方程,对其飞行弹道特性进行了分析。仿真计算表明,滑翔弹道与常规弹道在升弧段上是一致的,而在降弧段上则出现了较大的差别;弹丸飞行速度沿全弹道的变化规律和最大射程角出现新变化;控制弹道很好地逼近了方案弹道,说明其控制方法是可行的,对滑翔增程弹的研制有一定的参考意义。

带鸭舵滑翔增程炮弹飞行弹道研究

文中针对鸭式布局的滑翔增程炮弹的飞行弹道特性,通过动力学分析,建立了滑翔增程炮弹的各飞行弹道段的弹道模型和控制模型,数值分析给出了滑翔增程弹飞行速度变化规律、最大射程角以及滑翔增程炮弹的滚转控制段与滑翔控制段的弹道特性,研究结果为鸭式布局滑翔增程炮弹的弹道设计提供了理论基础。

尾翼滑翔增程炮弹最大滑翔距离研究

根据尾翼滑翔增程炮弹的空气动力特性和飞行弹道特性 ,对其滑翔距离进行了分析研究 ,在一定的假设条件下 ,得出水平滑翔距离计算公式 ,在不考虑滑翔时高度对下降段射程的影响的情况下 ,推导了最大滑翔距离的计算公式 。

滑翔增程炮弹的气动布局与外形参数优化设计分析

为提高滑翔增程炮弹的滑翔距离,要对滑翔增程炮弹的气动布局和外形参数进行优化设计。研究了滑翔增程炮弹的总体气动布局方案,以全弹的升阻比为优化目标函数,建立了滑翔增程炮弹的气动外形参数优化设计方法。仿真结果表明,采用该方法确定的气动外形参数,有利于滑翔增程炮弹稳定性适当,操纵性良好,稳定性与操纵性、舵偏角与平衡攻角匹配较好。研究结果为滑翔增程炮弹的气动布局和外形参数设计提供了理论依据。

滑翔增程弹弹道仿真研究

文中阐述了方案弹道设计的原理和思路,建立了滑翔弹方案弹道的数学模型,在不同的攻角和射角下对方案弹道进行仿真,从最优结果中得出滑翔弹的理想方案弹道和实际方案弹道。

弹丸滑翔弹道的能量法研究

本文针对弹丸滑翔飞行的运动特性 ,根据能量守恒原理 ,采用能量分析法对弹丸在滑翔段的弹道特性进行了研究。分析了弹丸理想滑翔飞行弹道的特点 ,推导出弹丸实现滑翔飞行的必备条件 ,以及弹丸滑翔飞行距离的计算公式、计算方法以及近似估算公式 ,对滑翔飞行初始时刻的选择进行了初步讨论。