基于某推力机构弹道修正弹角运动稳定性分析

为了研究基于"预置质量块"式弹道修正力系下的某低旋尾翼修正弹的飞行稳定性,对弹丸进行修正力系作用下的受力过程进行分析。通过建立其6D弹道模型以及复攻角运动方程,对推力作用下的弹箭追随稳定性以及动态稳定性进行了理论及仿真分析。分析结果表明,在δ_(2P)δ_(pm)条件下,弹箭追随稳定性满足要求;考虑缓变系数影响,二圆运动阻尼系数均小于0条件下,弹箭动态稳定性得到保证。证明基于"预制质量块"的弹道修正弹满足飞行稳定性要求。     

锥形运动控制的导弹姿态稳定性分析

针对锥形运动对弹体稳定性的影响,建立了导弹锥形运动控制的非线性数学模型,通过引入复攻角的概念,使难以用解析手段处理的非线性模型转换成可解析的一般模型。根据线性化模型分析了导弹复攻角运动方程,推导了制导控制系统参数的稳定控制域范围,分析了控制系统阻尼回路和控制回路对导弹锥形运动稳定性的影响规律,提出了锥形运动控制的稳定性判定方法。仿真结果进一步验证了该判定方法的可行性和正确性,为导弹锥形运动的制导控制系统设计提供了依据。     

掠飞末敏弹耦合运动动导数计算

以新型掠飞末敏弹为研究对象,提出了基于欧拉转动定理和滑移网格技术的复杂角运动模拟方法,利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区。通过对非定常气动参数进行求解辨识,分析了不同马赫数下掠飞末敏弹滚转运动对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:所提角运动模拟方法可有效消除姿态角计算的累积误差,实现对弹箭任意给定角运动的准确模拟;弹箭滚转运动对俯仰组合导数和升力系数动导数的辨识结果均存在显著影响,在进行弹箭动导数计算和稳定性分析时需充分考虑俯仰耦合效应的影响。     

超远程弹箭降弧段动力平衡角的快速计算方法

针对超远程弹道的快速计算问题,研究了降弧段动力平衡角的快速计算方法。首先根据动量定理和动量矩定理,建立了适用于高空且考虑气动力非线性和几何非线性的弹箭角运动方程。使用摄动法推导了考虑非齐次项影响的角动量矩方程和角动能方程。分别在线性和非线性静力矩条件下分析了攻角平均幅值的角动量矩和角动能表示,从而建立了缓变变量的攻角幅值计算模型。算例计算结果表明,该方法和与六自由度刚体弹道模型的计算结果符合较好,并且因计算过程中各变量变化缓慢,可使用较大的计算步长,由此可使用该方法建立超远程弹道的快速计算模型。     

高速旋转弹位置与姿态测量数据分析方法

精确的弹箭位置与姿态测量数据是提高制导弹箭射击精度的基础。通过分析高速旋转弹位置与姿态传感器的量测噪声,采用卡尔曼滤波方法进行误差估计,以提高测量精度。基于高速旋转弹质心运动和角运动方程,建立了系统状态方程;根据全球定位系统和地磁传感器的测量原理,建立了量测方程;以某弹飞行数据为例,采用扩展卡尔曼滤波(EKF)和无味卡尔曼滤波(UKF)分别对弹箭的位置和姿态进行最优估计。仿真结果表明,采用上述方法可有效减少系统误差,并使综合误差进一步降低,射程与高度误差均控制在±1 m,攻角和侧滑角误差分别为±0.02 rad和±0.01 rad,可满足工程应用的要求。     

考虑几何及力和力矩非线性时弹丸运动方程的研究

从矢量形式的六自由度弹丸运动方程组出发,推导出了在全部力和全部力矩作用下考虑几何非线性及力和力矩非线性时的弹丸运动方程组,并导出了其用于数值计算的柯西标准形式,得到了攻角和进动角的计算表达式.此动力学模型可用于弹丸大攻角飞行时的弹道计算及某些灵巧弹药(如末敏弹)的设计.     

横向运动板对长杆弹侵彻的偏转作用

弹体的攻角直接影响其侵彻能力,而横向运动板能使弹体发生偏转改变攻角,间接影响弹体的侵彻能力。在一定条件下,推导长杆弹在单层横向运动板作用下的偏转模型,并利用有限元仿真软件ANSYS／LS-rDYNA对长杆弹侵彻横向运动板的过程进行数值模拟。通过对偏转模型及仿真结果的分析,发现两者较为相符。研究结果显示：长杆弹侵彻横向运动板时,弹体会发生偏转,偏转的角速度先增后减,最后为0rad／s,此时偏转角最大;弹体速度方向也会发生偏转,其最终偏转角与弹体轴线的偏转角接近。     

基于脉冲控制的末修弹飞行稳定性研究

脉冲力的瞬间作用会引起攻角和侧滑角的急剧变化,对末修弹飞行稳定性产生较大的影响.以线性化运动微分方程组为数学解析手段,对末修弹脉冲作用稳定性进行深入分析研究.数值仿真表明,采用小扰动法分析弹丸脉冲控制弹丸飞行稳定性是可行的.     

无伞末敏子弹大攻角非线性空气动力和力矩模型

以无伞末敏子弹为背景,分析了描述大攻角飞行弹丸横向运动和角运动的运动变量,建立了大攻角情况下弹丸所受非线性空气动力和空气动力矩的模型,推导出了复数形式的弹丸横向运动与角运动方程。数值积分计算表明,弹丸在特定非线性空气动力和力矩作用下,能够形成所需形式的扫描运动,证明所建力学模型正确合理,可以用于无伞末敏子弹动力学特性的分析与计算。     

面对称弹丸弹道运动方程组的建立

依据外弹道学基本理论 ,针对巡航导弹模拟弹关键技术研究的理论需要 ,提出了面对称弹丸运动方程的应用需求。由于面对称弹丸有滚转 ,使其对称面与攻角平面不重合 ,其运动方程更为复杂 ,推导了面对称弹丸的弹道运动方程 ,解决了巡航导弹模拟弹的弹道精确计算问题。     

Analysis on Stability of Coning Motion of Rockets Based on Nutation Theory

A nonlinear mathematic model taking the nutation and precession angles as variables for the coning motion of projectile was established according to a short period moment projection of the spining projectile. By introducing the generalized nutation angle and precession angular speed, the model that is difficult to be resolved can be transformed to a resolvable one. The interrelationship between nutation and precession was analyzed based on the linear model, and the stability condition was obtained for the spinning projectile. For the nonlinear model, the effects of the nutation and precession on the limit circle of the projectile's coning motion were investigated, and the analytical relations between the nutation angle and the precession angular speed in the steady coning motion of the spinning projectile were given.     

旋成体射弹倾斜入水运动仿真

为了研究运动参数和弹头外形对弹体斜入水过程的影响规律,采用气液两相流体积分数和水汽空化模型,通过嵌套网格实现刚体三自由度运动学和动力学耦合,模拟了弹体以80～100 m/s速度倾斜入水开空泡阶段的运动过程。经文献实验验证,入水弹体速度与位移的误差为0～6%和-8%～0,转动角度误差为-6%～0。通过对入水速度和入水角度的多工况模拟研究,发现入水速度增大,弹体轴向冲击载荷增大,最大载荷与速度的平方呈线性关系,弹体速度非线性衰减率大;入水角增大,弹体转动角速率减小,运动稳定性强,速度衰减率不受入水角影响。与圆锥头部弹体相比,采用头部阶梯状修型后的弹体的平均速度衰减率、转动角速率和最大轴向冲击载荷分别降低到66.7%、40%和77.2%,显著提高了运动稳定性。     

Aerodynamics analysis of a hypersonic electromagnetic gun launched projectile

A hypersonic aerodynamics analysis of an electromagnetic gun (EM gun) launched projectile configuration is undertaken in order to ameliorate the basic aerodynamic characteristics in comparison with the regular projectile layout. Static margin and pendulum motion analysis models have been applied to evaluate the flight stability of a new airframe configuration. With a steady state computational fluid dynamics (CFD) simulation, the basic density, pressure and velocity contours of the EM gun projectile flow field at Mach number 5.0, 6.0 and 7.0 (angle of attack = 0°) have been analyzed. Furthermore, the static margin values are enhanced dramatically for the EM gun projectile with configuration optimization. Drag, lift and pitch property variations are all illustrated with the changes of Mach number and angle of attack. A particle ballistic calculation was completed for the pendulum analysis. The results show that the configuration optimized projectile, launched from the EM gun at Mach number 5.0 to 7.0, acts in a much more stable way than the projectiles with regular aerodynamic layout.     

高原环境对弹丸动态稳定性的影响

分析了高原环境低空气密度对弹丸动态稳定性的影响。给出了弹道坐标系中的力方程组和非滚转弹体坐标系中的力矩方程组,并通过线性化方法得到弹丸角运动的状态空间模型。列出了角运动状态矩阵的四个特征根,并利用复数平方根计算方法得到特征根实部的表达式。提出弹丸动态稳定性稳定因子的新定义,并证明新的动态稳定条件与传统的动态稳定条件是一致的。讨论了低空气密度对尾翼稳定弹和旋转稳定弹动态稳定性的影响,并通过仿真说明弹丸在高原条件和平原条件下的动态稳定性存在差异。     

考虑落角约束与驾驶仪特性的自适应RBF空间末制导律

为使大口径舰炮制导炮弹在打击近岸机动目标的末制导段满足落角约束,现考虑自动驾驶仪动态特性,基于自适应RBF逼近网络与动态面滑模提出一种空间末制导律。构建空间弹目相对运动模型,通过带改进微分跟踪器的扩张状态观测器估计目标加速度。为零化视线角跟踪误差与视线角速率,采用自适应指数趋近律设计非奇异终端滑模动态面,并运用自适应RBF逼近网络削弱控制指令抖振。通过Lyapunov第二法证明了全系统中视线角跟踪误差与视线角速率均最终一致有界。仿真实验表明：该末制导律使制导炮弹在空间中打击具有不同机动形式的近岸目标时,均具备良好的末制导性能。     

考虑落角约束与驾驶仪特性的自适应径向基空间末制导律

为使舰炮制导炮弹在打击近岸机动目标的末制导段满足落角约束,考虑驾驶仪动态特性,基于自适应径向基逼近网络与动态面提出一种空间末制导律。构建弹目相对运动模型,通过带改进微分跟踪器的扩张状态观测器估计目标加速度。为零化视线角跟踪误差与角速率,采用自适应指数趋近律设计非奇异终端滑模,运用自适应径向基逼近网络削弱控制指令抖振。通过Lyapunov第二法证明了系统的视线角跟踪误差与视线角速率均最终一致有界。仿真实验表明:该末制导律使制导炮弹在空间中打击不同机动形式的近岸目标时,具备良好的末制导性能。     

An experiment evaluating how the tiny mass eccentricities in spin-stabilized projectiles affect the position of impact points

This study investigates and quantifies some possible sources affecting the position of impact points of small caliber spin-stabilized projectiles (such as 12.7 mm bullets). A comparative experiment utilizing the control variable method was designed to figure out the influence of tiny eccentric centroids on the projectiles. The study critically analyzes data obtained from characteristic parameter measurements and precision trials. It also combines Sobol's algorithm with an artificial intelligence algorithm—Adaptive Neuro-Fuzzy Inference Systems (ANFIS)—in order to conduct global sensitivity analysis and determine which parameters were most influential. The results indicate that the impact points of projectiles with an entry angle of 0° deflected to the left to that of projectiles with an entry angle of 90°. The difference of the mean coordinates of impact points was about 12.61 cm at a target range of 200 m. Variance analysis indicated that the entry angle — i.e. the initial position of mass eccentricity — had a notable influence. After global sensitivity analysis, the significance of the effect of mass eccentricity was confirmed again and the most influential factors were determined to be the axial moment and transverse moment of inertia (Izz Iyy), the mass of a projectile (m), the distance between nose and center of mass along the symmetry axis for a projectile (Lm), and the eccentric distance of the centroid (Lr). The results imply that the control scheme by means of modifying mass center (moving mass or mass eccentricity) is promising for designing small-caliber spin-stabilized projectiles.