兵工学报 ›› 2025, Vol. 46 ›› Issue (2): 240014-.doi: 10.12382/bgxb.2024.0014
张奉林1, 董轶昊2,*(), 辛建社3, 郭丽萍3, 谷雪晨1, 曲家琦1
收稿日期:
2024-01-05
上线日期:
2024-02-27
通讯作者:
基金资助:
ZHANG Fenglin1, DONG Yihao2,*(), XIN Jianshe3, GUO Liping3, GU Xuechen1, QU Jiaqi1
Received:
2024-01-05
Online:
2024-02-27
摘要:
为进一步完善无人机压缩空气发射过程中的内弹道特性研究,基于压缩空气发射系统的结构和工作机理,利用热力学、气体动力学理论建立发射过程内弹道模型,通过仿真计算和发射试验验证模型的有效性。探究脉冲阀面积、脉冲阀全开启时间、高/低压室初始容积对发射过程内弹道性能参量的变化规律,运用基于子母弹原理的改进粒子群优化算法对发射参数进行优化设计,分析并验证优化结果的有效性。研究结果表明:脉冲阀面积对无人机峰值过载呈正相关影响,并对气体的质量流量影响显著;增大脉冲阀全开启时间可以有效降低无人机的峰值过载;高压室容积主要通过改变气体质量流量从而对内弹道性能进行影响,并且高压室容积越大对高/低压室的压差变化越明显;合理增大低压室容积可以有效降低峰值加速度的大小,并对无人机出筒速度影响较弱,有利于提高无人机在发射过程中的稳定性;改进粒子群优化算法可以有效优化小型无人机低过载压缩空气发射参数选择。所得研究结果对无人机压缩空气发射参数选择、设计试验和工程化应用具有一定的理论指导意义。
中图分类号:
张奉林, 董轶昊, 辛建社, 郭丽萍, 谷雪晨, 曲家琦. 基于粒子群的小型无人机低过载压缩空气发射参数选择和优化算法[J]. 兵工学报, 2025, 46(2): 240014-.
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参数 | 数值 |
---|---|
绝热指数r | 1.4 |
气体常数R/(J·kg-1·K-1) | 287.05 |
空气定容比热cv/(J·kg-1·K-1) | 717.6 |
发射筒长L/m | 1.03 |
发射角度L/(°) | 30 |
低压室横截面积Sl/m2 | 0.020 1 |
弹托面积AT/m2 | 0.016 7 |
脉冲阀流通面积SP/m2 | 0.001 3 |
脉冲阀全开时间tP/ms | 30 |
高压室初始温度Th0/K | 298 |
低压室初始容积V0/m2 | 0.003 3 |
低压室初始温度T0/K | 298 |
低压室初始压强p0/Pa | 101 325 |
表1 仿真参数
Table1 Simulation parameter
参数 | 数值 |
---|---|
绝热指数r | 1.4 |
气体常数R/(J·kg-1·K-1) | 287.05 |
空气定容比热cv/(J·kg-1·K-1) | 717.6 |
发射筒长L/m | 1.03 |
发射角度L/(°) | 30 |
低压室横截面积Sl/m2 | 0.020 1 |
弹托面积AT/m2 | 0.016 7 |
脉冲阀流通面积SP/m2 | 0.001 3 |
脉冲阀全开时间tP/ms | 30 |
高压室初始温度Th0/K | 298 |
低压室初始容积V0/m2 | 0.003 3 |
低压室初始温度T0/K | 298 |
低压室初始压强p0/Pa | 101 325 |
参数 | 数值 |
---|---|
模拟无人机质量/kg | 7 |
弹托质量/kg | 1 |
储气罐容积/L | 25 |
发射筒直径/mm | 160 |
发射筒长/mm | 1030 |
表2 发射试验参数
Table 2 Parameters of compressed air launch test
参数 | 数值 |
---|---|
模拟无人机质量/kg | 7 |
弹托质量/kg | 1 |
储气罐容积/L | 25 |
发射筒直径/mm | 160 |
发射筒长/mm | 1030 |
参数 | 高压室压强/MPa | ||
---|---|---|---|
0.6 | 0.7 | 0.8 | |
高速摄像机拍摄速度/(m·s-1) | 30.89 | 32.07 | 33.99 |
仿真出筒速度/(m·s-1) | 32.16 | 33.42 | 35.68 |
误差/% | 4.11 | 4.04 | 4.97 |
表3 试验出筒速度
Table 3 Comparson of experimental and simulated ejecting velocities
参数 | 高压室压强/MPa | ||
---|---|---|---|
0.6 | 0.7 | 0.8 | |
高速摄像机拍摄速度/(m·s-1) | 30.89 | 32.07 | 33.99 |
仿真出筒速度/(m·s-1) | 32.16 | 33.42 | 35.68 |
误差/% | 4.11 | 4.04 | 4.97 |
参数 | 高压室压强/MPa | ||
---|---|---|---|
0.6 | 0.7 | 0.8 | |
试验峰值加速度/(m·s-2) | 756.34 | 820.49 | 931.08 |
仿真峰值加速度/(m·s-2) | 745.49 | 809.30 | 920.56 |
误差/% | 1.43 | 1.36 | 1.13 |
表4 试验峰值过载
Table 4 Comparson of experimental and simulated peak accelerations
参数 | 高压室压强/MPa | ||
---|---|---|---|
0.6 | 0.7 | 0.8 | |
试验峰值加速度/(m·s-2) | 756.34 | 820.49 | 931.08 |
仿真峰值加速度/(m·s-2) | 745.49 | 809.30 | 920.56 |
误差/% | 1.43 | 1.36 | 1.13 |
图27 不同高压室容积下高低压室温差随时间变化曲线
Fig.27 Changing curves of temperature differences of high and low pressure chamber over time under different high pressure chamber volumes
图31 不同低压室容积下高/低压室温差随时间变化曲线
Fig.31 Changing curves of temperature difference of high/low pressure chambers over time under different low pressure chamber volumes
发射参数 | PSO算法 | CBPSO算法 |
---|---|---|
高压室压强/MPa | 0.673 | 0.792 |
高压室容积/L | 21 | 35 |
低压室容积/L | 8.5 | 13.0 |
脉冲阀全开时间/ms | 80.3 | 86.9 |
阀门直径/mm | 64.8 | 35.2 |
速度/(m·s-1) | 31.05 | 30.02 |
加速度/(m·s-2) | 605.78 | 495.47 |
表5 发射参数优化对比结果
Table 5 Comparison of launch parameter optimization results
发射参数 | PSO算法 | CBPSO算法 |
---|---|---|
高压室压强/MPa | 0.673 | 0.792 |
高压室容积/L | 21 | 35 |
低压室容积/L | 8.5 | 13.0 |
脉冲阀全开时间/ms | 80.3 | 86.9 |
阀门直径/mm | 64.8 | 35.2 |
速度/(m·s-1) | 31.05 | 30.02 |
加速度/(m·s-2) | 605.78 | 495.47 |
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