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电磁轨道发射系统动力学理论与设计方法研究进展

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弹道学报 2024年第2期36卷 1-9页

作者：王国平伍根洋何斌杨富锋南京理工大学复杂多体系统动力学全国重点实验室江苏南京210094 南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

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... 详细信息

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。

关键词：电磁轨道发射发射动力学性能预测优化设计

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大质量弹丸高速侵彻混凝土质量侵蚀试验研究

振动与冲击 2024年第12期43卷 148-155页

作者：董凯江坤王浩王健姜春雷史律南京理工大学能源与动力工程学院南京210094

动能弹在高速侵彻混凝土目标时产生的质量侵蚀是引起侵彻效率降低的重要原因,该文开展了质量约为20 kg、直径为100 mm的高硬度弹丸以近1.0 km/s的速度侵彻C40混凝土的试验研究,对弹丸侵蚀参数和头部卵型段的变化进行了详细的描述,并对... 详细信息

动能弹在高速侵彻混凝土目标时产生的质量侵蚀是引起侵彻效率降低的重要原因,该文开展了质量约为20 kg、直径为100 mm的高硬度弹丸以近1.0 km/s的速度侵彻C40混凝土的试验研究,对弹丸侵蚀参数和头部卵型段的变化进行了详细的描述,并对大质量弹丸的侵蚀机理进行了分析,通过计算得到了热熔侵蚀和切削侵蚀的占比。结果表明:在侵彻过程中,当不同质量弹丸以相同的初速撞击同等强度混凝土时,弹丸表面压力受弹丸质量影响,当高于某临界速度时,随着弹丸质量的增加而增大;弹丸侵彻混凝土时的质量侵蚀与弹丸质量有关,弹丸质量较小时侵蚀现象更明显。切削侵蚀占比随弹丸硬度提高而降低,提高弹丸材料硬度对降低大质量弹丸的质量侵蚀效果更加明显。

关键词：高速侵彻质量侵蚀热熔侵蚀切削侵蚀硬度

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鸭舵式双旋弹舵翼非线性控制力建模与分析

兵工学报 2024年第8期45卷 2607-2616页

作者：赵新新史金光王中原张宁南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

鸭舵式双旋弹通过调节前体滚转角方位进行弹道修正,建立准确的舵翼控制力模型是深入研究其弹道特性和进行弹道设计的关键。综合考虑弹体和各片舵翼之间的干扰作用,在非滚转系中利用傅里叶级数对前体纵向对称面相对复攻角平面方位改变产... 详细信息

鸭舵式双旋弹通过调节前体滚转角方位进行弹道修正,建立准确的舵翼控制力模型是深入研究其弹道特性和进行弹道设计的关键。综合考虑弹体和各片舵翼之间的干扰作用,在非滚转系中利用傅里叶级数对前体纵向对称面相对复攻角平面方位改变产生的周期性效应进行变换,建立适用于该类炮弹大攻角飞行的精确舵翼控制力工程计算模型,从原理上显示其与四片舵翼结构参数、复攻角幅值和相位以及前体滚转角方位间的关系。通过计算流体力学数值方法对不同前体滚转角和复攻角下的舵翼控制力进行仿真分析。研究结果表明:受一对减旋舵和操纵舵的法向力共同影响,舵翼控制力的大小和方向变化均呈现出强非线性特征,在大攻角条件下尤其突出;在任意复攻角和前体滚转角情况下,所建模型能够准确描述鸭舵式双旋弹的舵翼控制力及各因素对它的影响,为该类炮弹的前体结构设计、弹道特性分析和弹道设计等提供了理论依据与参考。

关键词：鸭舵式双旋弹舵翼控制力非线性数值计算

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制导炮弹协同方案弹道快速规划

哈尔滨工业大学学报 2024年第8期56卷 42-55页

作者：王庆海陈琦王中原尹秋霖南京理工大学能源与动力工程学院南京210094

为求解复杂的多弹多阶段协同弹道规划问题,提出一种增广集中式-协同弹道规划算法(AC-CTPM)。首先根据制导炮弹飞行过程中各阶段特性建立5阶段弹道规划模型,之后将n_p发制导炮弹的5阶段弹道规划问题组合扩展为较为复杂的5n_p阶段最优控... 详细信息

为求解复杂的多弹多阶段协同弹道规划问题,提出一种增广集中式-协同弹道规划算法(AC-CTPM)。首先根据制导炮弹飞行过程中各阶段特性建立5阶段弹道规划模型,之后将n_p发制导炮弹的5阶段弹道规划问题组合扩展为较为复杂的5n_p阶段最优控制问题,然后采用多阶段Radau伪谱法将无限维最优控制问题(OCP)离散为有限维非线性规划问题(NLP),最后调用成熟的NLP求解器SNOPT求解。为提高对复杂的5n_p阶段最优控制问题的求解效率,在AC-CTPM中提出一种将2D标称弹道转换为3D预测方案弹道的协同弹道规划问题初始值获取方法(IGVAM),每一发制导炮弹分别以各自发射点为原点建立新地面坐标系,在新地面坐标系内快速规划出2D方案弹道,之后通过扩展和坐标转换将新坐标系中规划的2D方案弹道转换成原地面坐标系中的3D方案弹道,这些3D方案弹道组合构成协同弹道规划问题的初始预测。采用AC-CTPM算法对单炮多发、多炮齐射同时弹着任务场景进行仿真求解,获得了满足炮弹自身约束以及协同约束的协同方案弹道,验证了AC-CTPM算法的有效性。与分布式协同弹道规划算法(D-CTPM)以及传统集中式协同弹道规划算法(TC-CTPM)进行仿真对比,结果表明:AC-CTPM算法规划的协同方案弹道的目标函数平均比TC-CTPM算法优5.07%,比D-CTPM算法优32.98%,而AC-CTPM算法的求解耗时却比TC-CTPM算法减少86.48%,比D-CTPM减少82.36%,验证了AC-CTPM算法的优越性。

关键词：制导炮弹多弹协同初始预测获取快速弹道规划 Radau伪谱法

超空泡航行体锥段结构对其尾拍运动影响的数值研究

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兵工学报 2024年第3期45卷 828-836页

作者：张亮胡常莉吴小安南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模... 详细信息

超空泡航行体的外形设计关乎其尾拍运动特性。为获得航行体的锥段结构对其尾拍运动特性的影响规律,采用动网格技术结合流体体积多相流模型、SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,对4种不同锥段结构的航行体尾拍运动特性开展数值模拟研究,分析超空泡航行体的尾拍运动过程及弹道特性。研究结果表明:在一定俯仰角速度扰动下,航行体锥段结构变化对其尾拍稳定性的影响体现出非线性特点,锥段部分过长或过短均会导致航行体的肩部沾湿而形成二次空泡,二次空泡的发展会抑制航行体尾部沾湿,从而回转力矩无法促使俯仰角减小,导致尾拍运动失稳,弹道稳定性较差。该研究成果可为超空泡航行体外形设计提供一定的理论指导。

关键词：超空泡航行体锥段结构尾拍运动 6自由度

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埋头弹药二次点火过程复杂流场特性

兵工学报 2024年第7期45卷 2282-2293页

作者：郭俊廷余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为研究大口径埋头弹二次点火过程中燃烧室内部的流场特性,采用基于欧拉-欧拉方法的二维轴对称两相反应流模型,结合动态网格划分理论和用户自定义函数技术,对105 mm埋头式穿甲弹的二次点火内弹道过程进行数值模拟。研究结果表明:可燃导... 详细信息

为研究大口径埋头弹二次点火过程中燃烧室内部的流场特性,采用基于欧拉-欧拉方法的二维轴对称两相反应流模型,结合动态网格划分理论和用户自定义函数技术,对105 mm埋头式穿甲弹的二次点火内弹道过程进行数值模拟。研究结果表明:可燃导向筒破裂后主装药床被点燃,燃气在弹底区域汇聚,形成局部涡流,涡流强度逐渐增大,涡流中心温度逐渐升高;在气相力的作用下,主装药床沿轴向和径向挤压至弹底区域,然后被大量燃气冲散至整个燃烧室;二次点火过程中最大膛底压力为560 MPa,炮口初速达到1650 m/s。

关键词：埋头弹药两相反应流内弹道流场特性数值模拟

低温破碎及装药结构对内弹道性能影响的数值分析

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火炸药学报 2024年第4期47卷 381-392页

作者：林杨淦刘东尧南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

以大口径火炮密实装药发射安全性为背景,对火药颗粒低温破碎及装药结构对内弹道特性的影响进行了数学建模和仿真分析。针对中心点传火管结构的大口径火炮密实装药,建立传火管及装药床的双一维两相流数学模型,结合膛内火药颗粒应力及破... 详细信息

以大口径火炮密实装药发射安全性为背景,对火药颗粒低温破碎及装药结构对内弹道特性的影响进行了数学建模和仿真分析。针对中心点传火管结构的大口径火炮密实装药,建立传火管及装药床的双一维两相流数学模型,结合膛内火药颗粒应力及破碎度函数,采用数值差分方法对内弹道过程进行数值仿真,研究火药温度及混合装药方案对火药颗粒破碎度及火炮内弹道性能的影响。结果表明,在低温条件下,单一装药结构火药颗粒将发生破碎,且破碎度随温度降低而增大,在-20℃和-40℃条件下,最大破碎度分别达到1.896和2.487,膛内压力分别为690.32MPa和803.64MPa,增幅达到16.4%;在总装药质量6.25kg不变的条件下,小颗粒药装药质量从0增至0.4kg,最大破碎度从2.487减至1.803,膛内压力从803.64MPa减至740.81MPa,由此可见混合装药结构可以有效避免火药颗粒的破碎。

关键词：物理化学火药破碎低温破碎内弹道发射安全性大口径火炮

等离子射流在模拟液体发射药中扩展特性的数值模拟

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含能材料 2024年第5期32卷 510-517页

作者：薛皓琦余永刚南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为了深入认识液体工质电热化学炮中等离子射流的点火过程,开展了等离子射流在液体发射药LP1846模拟工质中扩展特性的研究,建立了等离子射流在液体中扩展的二维轴对称非稳态数学模型,并基于液体工质为水的文献实验进行模型验证。在此基... 详细信息

为了深入认识液体工质电热化学炮中等离子射流的点火过程,开展了等离子射流在液体发射药LP1846模拟工质中扩展特性的研究,建立了等离子射流在液体中扩展的二维轴对称非稳态数学模型,并基于液体工质为水的文献实验进行模型验证。在此基础上对等离子射流在LP1846液体发射药模拟工质中的扩展过程进行数值模拟,分析等离子射流在扩展过程中形态的变化以及射流场压力、速度和温度的分布特性。结果表明,扩展过程中由于Taylor-Helmholtz不稳定性,等离子射流和液体发射药模拟工质两相间存在湍流掺混现象,并随着扩展逐渐加剧,表现为射流头部凸出并逐渐轴向拉长形成尖头,同时射流卷吸液体发射药模拟工质在Taylor空腔中产生液滴,且数量逐渐增多。此外,等离子射流扩展过程中近喷孔处由于液体发射药模拟工质回流而出现颈缩现象。射流场由于膨胀波-压缩波交替作用而存在波动现象,且在近喷孔处尤为剧烈,表现为压力场呈现高低压相间分布,速度场也呈类似分布。

关键词：等离子射流液体工质扩展特性湍流掺混数值模拟发射药

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一种新型后舵尾控修正弹的弹道控制仿真

兵工学报 2024年第7期45卷 2209-2217页

作者：郭首邑王良明傅健雷鑫南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

为增强修正弹控制舵的快速响应能力和弹道修正效果,且理论上减弱舵片在高旋状态下对弹体的气动扰流影响,设计一种控制舵置于质心后部、与弹尾部高度配合的新型二维修正弹。建立弹体模型,设计以优化后的新式制导方案和比例微积分控制法... 详细信息

为增强修正弹控制舵的快速响应能力和弹道修正效果,且理论上减弱舵片在高旋状态下对弹体的气动扰流影响,设计一种控制舵置于质心后部、与弹尾部高度配合的新型二维修正弹。建立弹体模型,设计以优化后的新式制导方案和比例微积分控制法为主体的组合控制策略,分析无控和有控状态下关键变量参数的变化规律,对基于参数最优值下的弹道修正过程进行仿真计算;采用蒙特卡洛打靶法分析扰动状态下的落点散布情况。仿真结果表明:此控制策略下后舵尾控弹的实际滚转角吻合于输入指令,整个过程速度高低角和方向角的变化范围仅为2°和7°,基于最优值的控制修正过程和扰动状态下的最终落点情况也保证了弹体进行平稳运动的同时具备更优的偏差修正能力,进一步证实了设计的新型弹体模型具有较高的可行性和参考价值。

关键词：精确制导弹药弹道修正弹尾控舵控制策略弹道修正