兵工学报

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2025, 46(8): 0-0.

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火炮火力打击体系多目标优化

张龙, 钱林方, 马欣宇

2025, 46(8): 240939. doi:10.12382/bgxb.2024.0939

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针对火炮火力打击体系的构成复杂,各要素相互耦合,传统各分系统相对分离的设计方法难以满足体系融合发展需求的突出问题,构建了基于多目标优化的火力打击体系设计模型。根据火炮火力打击体系的组成,构建多个分系统的参数模型,确定了主要的约束参数和设计参数。建立以任务时间、耗弹量、任务成本为目标的优化设计模型,采用第二代非支配排序遗传算法的多目标遗传算法完成了典型火力体系的优化设计,确定了火力体系构成中无人机、指控设备、火炮、弹药、底盘等分系统的主要设计参数。研究结果表明,多目标优化方法能够解决多个分系统设计中多参数相互耦合的问题,获得体系效能最优的设计结果,并且可根据作战任务需求为火力体系的配置提供支撑。

基于高斯过程回归的无人车辆轨迹跟踪MPC

李秦, 何洪文, 胡满江

2025, 46(8): 240904. doi:10.12382/bgxb.2024.0904

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轨迹跟踪是无人驾驶控制系统中至关重要的功能之一。车辆动力学模型对轨迹跟踪性能有显著影响,但是存在模型复杂度和求解效率之间的矛盾,在非线性工况下无法满足轨迹跟踪精度要求,为此提出基于高斯过程回归(Gaussian Process Regression,GPR)的模型预测控制(Model Predictive Control,MPC) 方法。使用简单模型从而确保求解效率,通过GPR对车辆模型补偿从而提高轨迹跟踪性能。提出基于单轨动力学模型的车辆状态融合估计方法,获得GPR误差补偿模型;构建轨迹跟踪问题模型,推导GPR误差补偿模型在预测时域的迭代方程,对预测时域内的车辆状态进行动态补偿,实现轨迹跟踪控制;通过搭建实车验证平台开展典型工况试验验证,与无补偿MPC方法进行对比。研究结果表明,新方法轨迹跟踪精度得到明显提升,轨迹跟踪横向误差和航向误差分别降低了33.3%和27.9%,同时还兼顾了车辆舒适性的提升,侧向加速度和横摆角速度均值分别下降了17.1%和21.7%。

基于预设时间一致性理论的无人机编队控制

李俊辉, 王伟, 王雨辰, 纪毅

2025, 46(8): 240863. doi:10.12382/bgxb.2024.0863

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无人机编队可以实现复杂的集体任务,降低单个无人机的风险和操作难度。针对三维场景下的无人机集群编队控制问题,基于预设时间稳定理论和多智能体一致性理论,设计领-从结构下的分布式编队复合控制方法。通过分析无人机实际输入与等效控制之间的关系,建立多机运动学模型。为提高无人机对外部扰动的鲁棒性,结合自抗扰控制理论设计一种预设时间收敛扩张状态观测器,实现对扰动的在线估计。进一步,考虑到只有与领航者连通的跟随者能获取领航者的状态信息,提出一种预设时间收敛的分布式估计器,以快速估计领航者的状态。结合观测器及估计器的输出,提出一种预设时间收敛的一致性编队控制协议,并通过Lyapunov理论证明闭环系统的预设时间稳定性。通过构建数值仿真实验,验证了新方法的有效性。研究结果表明,新设计的控制方法在存在外部扰动的情况下可以实现预设时间内稳定的无人机编队协同控制。

欠驱动多AUV双环指定时间三维编队控制

王则青, 徐海祥, 余文曌, 杜哲, 王红梅

2025, 46(8): 250046. doi:10.12382/bgxb.2025.0046

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多自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicles,AUV)协同作业在水下作战领域展现出广阔的应用前景。针对具有模型不确定性和未知环境扰动的欠驱动多AUV三维编队控制问题,提出一种双环指定时间编队控制方法。为解决AUV欠驱动问题,建立AUV运动数学模型并引入欠驱动坐标变换。为降低模型不确定性和未知环境扰动对系统的不利影响,设计固定时间扩张状态观测器对其进行估计与补偿。为实现多AUV编队的指定时间收敛,设计由外环控制律与内环控制律组成的双环指定时间控制器。其中,外环控制律调节AUV的期望速度以实现编队目标,而内环控制律则负责跟踪AUV的期望速度。理论分析表明,新方法能够确保系统在指定时间内收敛;仿真结果显示,与有限时间和固定时间控制相比,新方法能够实现系统的指定时间收敛,进一步提高系统的收敛速度,为协同性要求较高任务下的多AUV编队控制提供新思路。

基于GOTDBO算法的复杂约束条件下无人机航迹规划

张越, 张宁, 徐熙平, 潘越

2025, 46(8): 240997. doi:10.12382/bgxb.2024.0997

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针对传统蜣螂优化(Dung Beetle Optimization,DBO)算法在复杂环境下无人机航迹规划中表现出的稳定性差、寻优能力不足问题,提出一种融合复合种群策略与自适应t分布扰动的DBO算法(Group-based Optimization and adaptive t-Distribution DBO optimization algorithm,GOTDBO)。GOTDBO在DBO算法的基础上,结合复合种群初始化策略、自适应扰动全局勘探策略和自适应t分布扰动策略,可有效提升算法的全局探索和局部开发能力,提高算法的收敛速度。通过构建综合考虑总飞行长度、转角弯度和最大飞行方向变化的目标函数,并引入惩罚函数法处理路径中的禁飞区和其他约束,进一步优化航迹的平滑性与安全性。实验结果表明,在航程上,在不同复杂环境的场景中应用GOTDBO算法规划航程时,该算法能规划出紧凑高效的航迹,在最大航程指标上表现出色,可有效提升续航经济性;在威胁规避方面,采用GOTDBO算法规划的航迹接近威胁区域的次数最少,飞行安全性更高;在高度控制上,高度偏离程度低,能稳定精准控高。虽在航迹平滑度上与其他算法相当,但GOTDBO算法在多核心指标上优势显著,在无人机航迹规划中节能高效、安全可靠,具有高应用价值与广阔前景。

基于DDQN-D³PG的无人机空战分层决策

王昱, 李远鹏, 郭中宇, 李硕, 任田君

2025, 46(8): 240978. doi:10.12382/bgxb.2024.0978

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强化学习在无人机空战应用中面临僵化的奖励函数与单一模型难以处理高维连续状态空间中复杂任务的挑战,严重限制了算法在动态多变态势下的决策泛化能力。针对上述问题,融合分层式与分布式架构的精髓,提出一种集成深度双Q网络(Double Deep Q-Network,DDQN)与深度确定性策略梯度(Deep Deterministic Policy Gradient,DDPG)算法的自主决策框架。根据敌我双方在不同态势下的优势差异,设计一系列基于不同奖励函数权重组合的DDPG算法模型,并以此构建底层分布式深度确定性策略梯度(Distributed DDPG,D³PG)决策网络。引入擅长处理离散动作空间的DDQN算法构建上层决策网络,根据实时态势变化自主地选择并切换至最合适的底层策略模型,实现决策的即时调整与优化。为进一步提升红蓝双方无人机近距离空战环境的真实性与挑战性,在DDPG算法的训练中引入自我博弈机制,构建具备高度智能化的敌方决策模型。实验结果表明,新算法在无人机与智能化对手的博弈对抗中胜率最高达96%,相较D³PG等算法提升20%以上,且在多种初始态势下均能稳定战胜对手,充分验证了该方法的有效性和先进性。

基于数据融合的无人机自主择址技术

周乐, 尹乔之, 钟沛霖, 魏小辉, 聂宏

2025, 46(8): 240751. doi:10.12382/bgxb.2024.0751

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无人机作为一种新型飞行器,正在逐步融入现代武器装备体系,成为军事领域中不可或缺的重要组成部分。为了使无人机具备安全的着陆决策系统,能够在没有地面标识的情况下自主地执行降落任务,提出一种基于多传感器数据融合从粗到精的分阶段自主择址技术。基于图像信息进行语义分割、实现粗糙落点搜索,在引导无人机降低飞行高度之后,基于点云信息的高程值计算地形参数、构建地形成本图,并考虑地形的类别融合图像语义信息,完成精细落点搜索。试验结果表明:该技术能够很好地划分出安全区域和危险区域,能够使无人机自主获取安全的着陆位置;在精细落点搜索阶段中通过与拟合点云平面实现决策的方式进行对比分析,验证了该技术能够较大程度地节省决策时间,提高择址效率。

无动力滑翔飞行器集群实时协同航迹规划方法

王卓峣, 李传军, 马景权, 于加其

2025, 46(8): 240827. doi:10.12382/bgxb.2024.0827

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为了解决无动力滑翔飞行器集群飞行过程中的编队变换、末端时间约束以及末端进入角度约束的在线航迹规划应用问题,提出一种基于主弹-从弹架构的无动力滑翔飞行器集群实时协同航迹规划方法。通过解耦飞行器航迹的纵向和横向剖面,设计基于分段函数的攻角速度曲线方法,以应对无动力滑翔飞行器再入段的非线性约束。提出基于航向角随时间变化的协同控制方法,通过求解协同控制微分方程,得到无动力滑翔飞行器集群在再入段准平衡滑翔状态下满足编队变换,以及末端时间约束和目标区域进入角约束的航迹规划方案。进一步基于协同控制解析方法提出在线调整策略,以应对目标区域的实时变化,并证明该在线调整策略在线应用的可行性。仿真结果表明,该协同航迹规划方法可以在不同的飞行场景下实现在线协同航迹规划,且适用于多种协同控制方案,具有鲁棒性和实用性,能够为无动力滑翔飞行器集群的实际应用提供支持。

执行器故障下变体飞行器线性变参数容错控制

范绪恩, 蔡光斌, 吴彤, 肖永强, 尚逸鸣

2025, 46(8): 250045. doi:10.12382/bgxb.2025.0045

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针对变体飞行器在飞行过程中匹配干扰和执行器乘性故障问题,提出一种基于多胞线性变参数(Linear Parameter-Varying,LPV)模型的滑模容错控制方法。基于一类翼展变形变体飞行器的纵向非线性动力学模型,建立变体飞行器的LPV模型。将LPV模型转化为多胞体形式,使无限维数的线性矩阵不等式求解问题转化为有限维数LMI问题。为保证执行器在发生故障时变体飞行器的稳定性和鲁棒性,选取合适的滑模面并设计滑模容错控制律,给出一种增益调度容错控制算法,并应用于变体飞行器进行数值仿真验证。仿真结果表明:所设计的控制器能够保证闭环系统在执行器发生故障时的稳定性和抗干扰能力。

多轴轮式铰接特种车辆双策略轨迹跟踪控制

张发旺, 陈良发, 段京良, 刘辉, 聂士达, 张晨

2025, 46(8): 240954. doi:10.12382/bgxb.2024.0954

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多轴轮式铰接特种车辆在轨迹跟踪时易产生尾部放大效应和侧倾等不稳定性问题,研究多轴轮式铰接车辆的稳定性轨迹跟踪具有重要意义。以只有拖车具备转向能力的多轴轮式铰接车辆为研究对象,建立7自由度车辆动力学模型,提出双策略轨迹跟踪控制方法,上层策略求解拖车轨迹跟踪问题,下层策略优化挂车轨迹跟踪问题,兼顾了拖车和挂车的轨迹跟踪精度。为保证控制策略的计算实时性,利用有限时域近似动态规划近似求解上层轨迹跟踪策略,将在线优化问题转化为神经网络参数的离线预求解,降低在线求解耗时。与高保真度仿真软件的联合仿真实验表明:新方法使多轴铰接车辆轨迹跟踪精度提升了12.82%,策略单步求解耗时低于10ms,计算效率相比模型预测控制算法提升了约3个数量级。

履带车辆行星式综合传动系统换挡冲击特性及影响规律

王成, 漆一帆, 孙雪岩, 杜明刚, 边骥轩, 张鹏

2025, 46(8): 240429. doi:10.12382/bgxb.2024.0429

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履带车辆行星式综合传动系统换挡过程产生的动态冲击,严重影响传动系统的服役性能和可靠性。针对某行星式综合传动系统,建立齿轮传动部件、离合器和制动器等扭转动力学模型,构建传动系统换挡过程动力学模型。开展综合传动系统换挡过程仿真与台架试验,仿真与试验结果的变化趋势基本一致,验证了动力学模型的正确性。研究换挡过程典型构件的冲击载荷,揭示油门开度和冲放油特性曲线等对操纵件动态转矩的影响规律。研究结果表明:随着放油延时的增加,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩逐渐增大;随着放油时间的延长,分离操纵件的反向动态转矩逐渐增大,结合操纵件的最大冲击转矩先减小后增加;第4个升压阶段冲油越快,结合操纵件的最大冲击转矩越大,最大值较最小值增加了11%;随着油门开度的增大,操纵件最大动态转矩逐渐增加,最大值较最小值增加了73.8%。

耦合上装载荷的多轴车辆动力学建模与仿真

李文浩, 于会龙, 卢玉传, 任延飞, 席军强

2025, 46(8): 240647. doi:10.12382/bgxb.2024.0647

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多轴轮式车辆动力学模型是新型车辆快速开发及车辆设计参数优化、控制算法搭建的基础。目前普遍采用商用软件搭建,其动力学方程及模型梯度信息难以获取,无法将其应用于整车全局设计与控制参数的动态优化,且现有商业软件及理论建模研究对上装载荷动力学影响考虑较少。针对上述问题,基于拉格朗日动力学,考虑簧下质量纵横向运动及上装载荷反作用力对整车动力学的影响,应用矢量化建模方法搭建8×8轮式车辆24自由度动力学模型,分别基于C++和M语言进行软件开发。在变加速、阶跃转向、双移线、正弦扫频等多种工况下与商业软件TruckSim进行全面对比。研究结果表明,自主开发的仿真模型其轮胎力、悬架力及空气阻力、纵横垂向运动等与商业软件高度一致,最大误差小于5%,验证了新方法的准确性。

活性内芯侵爆结构侵彻多层间隔靶自分布释能机理与模型研究

向镜安, 王海福, 闫月光, 曲利峰, 葛超

2025, 46(8): 240876. doi:10.12382/bgxb.2024.0876

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活性内芯侵爆结构作用多层目标展现独特的自分布爆燃释能、力化耦合时空穿爆特性,在靶后空间形成多峰值、长持续爆燃反应超压,爆燃反应演化行为与靶后超压形成机理复杂。针对这种独特的释能行为,开展不同速度侵爆结构侵彻间隔结构靶试验,建立描述活性内芯靶后空间爆燃行为的等效爆燃点模型与活性材料爆燃超压模型,揭示侵爆结构侵彻多层间隔靶后自由场超压特性形成机理。研究结果表明:侵爆结构以594~819m/s碰撞结构靶,产生对应范围为2.54~3.92GPa的碰撞应力,均在第3层靶板出现最大超压峰值,超压峰值随着碰撞速度的增加从0.0607MPa增加至0.246MPa;依据等效爆燃点模型,侵爆结构在靶后20.73mm距离内发生剧烈爆燃反应;侵爆结构头部厚度、碰撞速度、靶板厚度等参数通过影响有效激活芯体质量耦合影响爆燃超压峰值。通过对比试验数据与拟合模型,验证了活性材料爆燃超压模型的准确性,可为侵爆结构后效毁伤研究提供支撑。

椭圆截面柱形炸药爆炸冲击波威力特性

安骋远, 刘海鹏, 刘彦, 任炜

2025, 46(8): 240969. doi:10.12382/bgxb.2024.0969

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为探究典型椭圆截面柱形炸药在空间中爆炸冲击波特性,开展变截面柱形炸药自由场静止爆炸实验,并建立相应的数值模拟模型,通过与实验结果进行对比验证数值模拟的可靠性;开展不同截面形状的柱形炸药在自由场爆炸的数值模拟计算,以探究截面形状对爆炸冲击波威力特性的影响。研究结果表明:椭圆截面柱形炸药产生的爆炸冲击波产生与圆截面柱形相似的波系结构,但不同方位角的冲击波传播特性存在差异,短轴方向的超压峰值、最大冲量与冲击波速度均大于长轴方向;不同长短轴比的椭圆截面炸药,长短轴比越大,这种差异性越明显。通过引入等效半径拟合得到含有长短轴比作为变量的超压峰值及超压峰值形状因子计算公式,且公式计算结果与数值模拟的结果偏差小于10%。

带切缝PELE的侵彻破碎特性及毁伤后效

顾敏辉, 唐奎, 王金相, 夏靖雯, 李渊博, 王鸿飞

2025, 46(8): 240898. doi:10.12382/bgxb.2024.0898

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为进一步提升横向效应增强型侵彻体(Penetrator with Enhanced Lateral Effect,PELE)的靶后毁伤效能,提出一种带螺旋切缝的新型结构PELE。在基于试验验证数值仿真模型有效性的基础上,借助有限元方法结合断裂软化和随机失效算法,对不同结构PELE的侵彻、破碎及后效进行研究,并分析旋转速度和方向对螺旋切缝PELE破碎及毁伤效能的影响。通过试验对比常规PELE和螺旋切缝PELE的靶后破片散布及毁伤效能。研究结果表明:PELE侵彻12mm厚4340钢靶分为开孔和扩孔两个阶段;侵彻过程中,常规PELE壳体破碎较为随机,切缝PELE裂纹沿切缝方向进行扩展;轴向切缝PELE裂纹初始扩展始于靠近弹/靶接触界面位置;螺旋切缝PELE裂纹始于弹/靶接触界面处,沿切缝向弹尾扩展,同时破片周向受到拉应力作用发生拉伸断裂;螺旋切缝PELE破碎程度在3种PELE中最高,且破片的尺寸大小及散布最均匀,其破片散布范围与常规PELE和轴向切缝PELE相比分别增大了38%和42%;常规和轴向切缝PELE的靶后破片呈锥形分布,而螺旋切缝PELE的破片近似呈平面分布;弹丸旋转方向与螺旋切缝转向相反时,射弹破碎更均匀,破片散布更均匀,且破片穿透后效靶的穿孔直径普遍更大。

基于可编程门阵列的集群弹药协同决策与同步起爆方法

张传昊, 李豪杰, 李长生, 张凌云, 乔诗翔, 于航

2025, 46(8): 240928. doi:10.12382/bgxb.2024.0928

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针对巡飞弹集群智能决策与同步打击的需求,为实现理论算法在弹药弱硬件平台中的应用,提高集群弹药协同作战的智能化水平,提出适用于可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)的威胁评估数学模型与分配方法。基于层次分析法、熵值法与逼近理想解的排序方法,通过基数排序、等效替代等方法建立基于FPGA的威胁评估模型。基于分布式的通信结构与数据多跳传输策略,提出多节点低时延自适应延时起爆方法。基于软件平台与硬件平台的数值对比仿真,验证了FPGA实现威胁评估的快速性与准确性,每次求解仅需要50μs;通过全流程仿真,验证了多节点任务分配、节点安全与收发状态转换以及自适应延时起爆的可行性。最终进行了多节点协同决策动态试验,验证四节点协同决策的可行性与结果的准确性;通过静态全流程试验验证了节点同步起爆的精确性,采集到四节点起爆信号输出总时延不超过200μs。

融合毁伤特征的火力资源优化分配算法

王露, 晏江, 尹鹏, 刘彦, 黄风雷

2025, 46(8): 240971. doi:10.12382/bgxb.2024.0971

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针对火力资源分配维度高、多约束、不连续的求解难题,综合考虑毁伤效能、拦截概率、突防概率、弹药数量、毁伤等级等约束条件,基于最小化导弹使用数量、弹道交叉、被拦截概率和最大化打击时效性4个火力资源分配指标,构建火力资源分配目标函数。从毁伤评估的角度设计毁伤特征,包含打击时效性、综合发射能力、火力覆盖能力、火力突防能力4个作战区特征,以及总数量需求、总成本需求、毁伤等级满足能力、毁伤方案效费比、火力可达性5个毁伤方案特征,基于此搭建融合毁伤特征的适应度评估模型,该模型可用于获取高质量的初始解,大大提升了算法优化效率。进一步使用高效邻域搜索的启发式算法求得火力资源分配问题最优解。实验结果表明,在小、中、大3种规模下,相较于经典遗传算法、粒子群优化算法、鲸鱼优化算法、头脑风暴优化算法、动态高斯突变头脑风暴优化算法和基于规则混沌初始化-动态高斯突变头脑风暴优化算法6种算法,新的融合毁伤特征的火力资源优化分配算法均能够更迅速地获得优化结果,体现了该算法较强的适应性和高效性。

面向钝性弹道冲击损伤评估的头部有限元模型

陈斌, 汪送, 刘星雨, 张昭晖, 李武阳

2025, 46(8): 241022. doi:10.12382/bgxb.2024.1022

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为清晰阐明钝性弹道冲击下人体头部的受损机理,基于THUMS(Total Human Model for Safety)模型,通过材料参数优化、比例缩放及流固耦合方法,构建符合中国50百分位成年男性头部特征的有限元模型。以LS-DYNA(Livermore Software Technology Corporation's Dynamic Analyzer)软件为仿真平台,采用任意拉格朗日-欧拉算法定义脑脊液流体特性,优化颅骨与脑组织的弹塑性材料参数,并通过网格变形技术实现头部尺寸与解剖结构的本土化适配。选取前额、顶壁、枕部及后窝等典型易损区,对比Nahum尸体实验及THUMS模型数据,验证模型的生物力学响应。研究结果表明:改进模型在易损区域的颅内压峰值分别为150kPa、75kPa、53kPa及69kPa,与实验数据误差为4%~10%,且动态响应曲线形态一致;脑组织最大von Mises应力(29.5kPa)与颅骨主应力(18.7kPa)均接近Marjoux和Yoganandan仿真实验阈值,证实模型可有效预测颅脑损伤风险。结合北约AEP-103标准评估表明,典型冲击下前额颅内压峰值达511.1kPa,远超颅骨骨折阈值(150kPa),凸显现有防护装备的优化需求。该模型应用性强,可为钝性弹道冲击下的头部损伤评估与安全防护提供方法参照和理论支撑。

变壁厚壳体近海底爆炸冲击波增强效应

刘刚伟, 张竞元, 石章松, 谭波, 宋浦, 胡宏伟, 芦永进

2025, 46(8): 240643. doi:10.12382/bgxb.2024.0643

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沉底雷是一种布设在水底、常采用原地爆炸方式毁伤水面舰船和潜艇等水中目标的水雷。壳体是影响装药水下爆炸冲击波载荷的关键因素。采用耦合欧拉-拉格朗日方法建立近海底带壳装药数值模型,开展带壳装药水下爆炸冲击波载荷特性研究,揭示装药形状、起爆方式、壳体设置、外壳厚度比、壳药质量比等因素对沉底装药水下爆炸冲击波载荷特性的影响规律,提出一种适用于近海底条件下的新型变壁厚装药壳体,该设计在近海底条件下对冲击波载荷具有显著的增强效应。研究结果表明:壳体的约束特性会导致沉底装药水下爆炸冲击波随距离衰减放缓;变壁厚壳体对装药水下爆炸冲击波载荷具有增强效应,800mm处冲击波峰值压力随δ的增大增长最多,增长率可达9.74%;所得研究成果可为水下兵器设计提供参考。

含镍铬合金丝电热层复合材料低速冲击性能试验研究

王守涛, 居傲, 郭静娴, 赵长青, 赵晨, 崔艳超, 孙颖, 陈利

2025, 46(8): 240962. doi:10.12382/bgxb.2024.0962

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为开发既具有防/除冰功能又可以满足承载性能要求的电热复合材料,基于定制纤维铺放工艺设计制备3种镍铬合金丝并联间距(6.67mm、4.00mm和2.86mm)的电加热织物及其增强复合材料,在25W功率下,3min内复合材料表面温度最低可达87.2℃。采用落锤冲击试验机、红外热像仪和万能强力试验机测试,并分析复合材料试样在7J下的低速冲击性能、冲击后电热性能和冲击后压缩性能。研究结果表明:引入镍铬合金丝电热层后复合材料冲击吸能至少增加23.6%;电热复合材料在未发生穿孔的情况下,冲击后损伤区域的表面温度仍然可以达到72.4℃以上,冲击后压缩模量和压缩强度保留率分别可达到88.73%和94.97%以上;与玻纤/环氧复合材料相比,随着镍铬合金丝并联间距减小,电热复合材料在冲击后压缩载荷下电热层处分层现象更为显著,这一结果为飞行器防/除冰用电热复合材料兼顾力学性能的设计提供实践意义的指导。

典型防爆装备对爆炸地震波的防护性能

刘瀚, 翟馨怡, 杨磊, 王志远, 黄广炎

2025, 46(8): 240834. doi:10.12382/bgxb.2024.0834

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爆炸地震波以其波长长、振幅强、传播速度快等特征,成为诱发建筑物坍塌和基础设施损毁等爆炸次生灾害的主要因素。基于2种典型防爆装备开展不同TNT药量的静爆试验,研究空爆(Free-Air Blast,FAB)、钢质防爆(Steel Explosion-Proof,SEP)和柔性防爆(Flexible Explosion-Proof,FEP)3种不同防护条件下爆炸地震波的传播衰减规律,分析SEP和FEP 2种典型防爆装备的振速时域响应与主振频率特性。构建SEP和FEP防护下的三轴峰值振速矢量和衰减模型,并据此划分建筑物破坏等级,细分为安全、轻微破坏、严重破坏三级判据准则。研究发现:三轴峰值振速矢量和随着TNT药量的增加而增大,随着爆距的增大而减小;三轴主频对于爆距或TNT药量的增大并无明显变化规律,相较于FAB,SEP和FEP均展现出对爆炸地震波三轴峰值振速的大幅度防护性能。所得研究结果可为相关防爆装备结构设计和爆炸地震波防护效能评价提供参考。

基于神经网络的密集城市建筑群爆炸载荷快速预测

黄沛吉, 彭卫文, 冷春江, 张情, 钟巍

2025, 46(8): 240987. doi:10.12382/bgxb.2024.0987

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城市建筑的交错布局提高了爆炸冲击波传播路径的复杂性,从而增加了对毁伤效应进行全面准确评估的难度。基于计算流体动力学的数值模拟方法虽然能够精确模拟爆炸产生的冲击载荷,但所需的计算量大且计算时间长。为实现在密集城市建筑群场景下爆炸冲击波载荷的快速预测,提出基于神经网络的快速预测方法。分析训练样本数量对模型预测精度的影响,研究区域划分对模型预测性能的作用。为满足神经网络模型训练的数据需求,使用爆炸模拟软件在一个典型密集城市建筑群场景下进行网格敏感性分析,在兼顾模拟速度和精度情况下产生了80组爆炸情况的数据;为确定合适的模型结构,构建不同层数的全连接神经网络进行对比实验与分析;通过对比实验,分析训练样本数量、区域划分以及构建双模型对模型预测精度的影响。实验结果表明:新方法在训练数据以外未见过的16组测试数据上预测误差达到10%以内,推理时间只需2s,为实现城市建筑群爆炸载荷快速预测提供了一种新的途径和视角。

火星上升器倾斜冷发射技术

刘根同, 姜毅, 蔡云龙

2025, 46(8): 240957. doi:10.12382/bgxb.2024.0957

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火星上升器发射技术是实现我国2030年火星采样返回任务的关键技术。为研究火星上升器倾斜冷发射技术,基于弹射内弹道学理论,设计一种满足火星发射条件的并联无后坐式弹射内弹道方案;基于离散元法建立火星土壤的离散元模型;建立发射系统的刚柔耦合动力学模型,基于发射动力学理论对不同工况下火星上升器发射的全过程进行仿真分析。研究结果表明:设计得到的内弹道方案能够满足发射要求;无后坐设计对于保证发射装置的稳定性有重要作用;土壤离散化有助于表征火星土壤的动力学行为;地面倾角越大,发射装置的稳定性和发射精度越差,同一倾角的4种朝向中,上坡朝向的发射稳定性最差;“虚腿”现象会显著降低发射稳定性,并在某些情况下导致发射装置倾覆,从而使发射失败。

基于弱耦合跨尺度方法的氟聚物基活性材料冲击力-化学响应行为

闫月光, 葛超, 张勇, 王晋, 吕博宇, 余庆波, 王海福

2025, 46(8): 240948. doi:10.12382/bgxb.2024.0948

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为了研究PTFE/Al/W氟聚物基活性材料冲击加载下的力-化学响应行为,开展氟聚物基活性材料落重冲击试验,提出弱耦合跨尺度数值计算方法,基于此方法建立宏观-细观氟聚物基活性材料落重冲击加载反应过程的跨尺度数值仿真模型。结合跨尺度数值仿真对落重冲击试验的宏观、细观结构力化响应行为及冲击激活机理进行讨论分析。分析结果表明:W含量对氟聚物基活性材料冲击激活反应影响显著,随着W含量增加,材料体系冲击激活阈值降低;弱耦合跨尺度数值仿真分析模型有效模拟了氟聚物基活性材料的力-化学响应过程;X型剪切带是氟聚物基活性材料破碎、激活引发反应的主要机制,其形成、演化和分布受W含量影响较大。

前体压缩对斜爆轰发动机推力性能影响研究

郗雪辰, 王安琪, 牛淑贞, 杨鹏飞

2025, 46(8): 240171. doi:10.12382/bgxb.2024.0171

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为了探明前体压缩方式及压缩程度对斜爆轰发动机推力性能的影响规律,针对马赫数10、海拔35km的飞行工况,采用理论分析的手段,研究1道、2道和3道斜激波以及压缩角度对氢气-空气斜爆轰发动机推力性能的影响。研究结果显示,压缩级数的增加能够显著提升斜爆轰发动机的推力性能;在压缩角度2°~24°范围内,燃料比冲随着1级压缩角度的增加呈现出先增大后减小的变化趋势,2级和3级压缩角度的增加能够持续地提升燃料比冲,并延迟推力性能极值点的出现。通过分析进气压缩级数对进气道出口、掺混段出口和燃烧室出口气流参数的影响,发现这一现象主要在于1级楔面压缩角度的增加导致进气道出口气流温度快速上升,限制了爆轰燃烧的增压能力,而多级压缩能够获得更高的燃烧产物压力和速度,从而提升推力性能并降低总压损失。

基于改进DeepLabV3+的海上船舶目标分割方法

陶维昊, 罗亚松, 林法君, 曲建静, 刘一平

2025, 46(8): 240912. doi:10.12382/bgxb.2024.0912

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船舶目标分割对于提高海洋监测系统的自动化程度具有重要意义。现有的分割方法往往存在误分割、易受噪声干扰、处理效率低等问题,难以灵活高效地适应实际场景的需求。针对海上船舶目标分割任务,提出一种基于改进DeepLabV3+网络的分割算法MET-DeepLabV3+。在图像预处理阶段采用线性变换、双边滤波和多尺度Retinex级联式算法,以减弱噪声、天气等不利因素的影响;模型设计中采用轻量化的MobileNetV2作为主干网络,以降低模型复杂度;引入ECA-Net注意力机制,以增强模型对多尺度特征的捕捉能力。采用迁移学习方法,将在SeaShips数据集上预训练得到的特征权重应用于模型训练中,进一步优化分割效果。实验结果表明,改进算法的平均交互比为91.62%,平均像素准确率为92.87%,相比于基础DeepLabV3+模型分别提高2.13%和1.11%,且高于HRNet、PSPNet和UNet等分割模型,较好地满足了船舶目标分割任务的实际需求,具有较高的应用价值。

不确定场景下基于直觉模糊集和灰色关联度的舰船目标威胁评估方法

朱奕超, 方峰, 王振亚, 彭冬亮

2025, 46(8): 240686. doi:10.12382/bgxb.2024.0686

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为了解决不确定场景下目标威胁评估指标权值难以优化、评估结果抗干扰性差等问题,采用直觉模糊理论、灰色关联度、二次规划求解等方法,提出兼顾主客观评价的海上舰船目标威胁评估方法。围绕舰船编队多维度能力构建两级三层评估指标体系,针对噪声、传感器偏差和认知模糊引起的不确定性,采用直觉模糊集进行评估指标定量化描述和运算操作,定义主客观理想解母序列,分别设计基于客观数据特征和主观专家偏好的灰色关联度;构建综合主客观灰色关联度的属性指标权重优化模型,应用Lagrange方法求解最优权值;考虑外界非预期干扰因素对于评估可信度的影响,采用群广义直觉模糊软集描述专家对干扰程度的判断,以修正评估结果。仿真结果验证了方法的有效性。

基于MXene的复合织物多功能设计与实验表征

陈婧, 于馨茗, 刘宇航, 周宏元, 黄广炎, 张宏

2025, 46(8): 240855. doi:10.12382/bgxb.2024.0855

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现代战场环境复杂多变,人员与装备面临高寒、电磁辐射、子弹冲击等威胁,亟需研发轻质便携的多功能防护材料。目前虽有织物多功能研究,但单功能材料物理叠加会增加质量成本。因此,采用MXene材料作为功能层,芳纶织物(Twaron)作为基础材料,有机硅胶作为表面防水层,制作多功能一体化材料MS-Twaron,进行接触角测试、电磁屏蔽测试、阻燃测试、弹道实验和光热实验。实验结果表明:1)相比于亲水材料Twaron(接触角为29.7°),MS-Twaron具有良好的疏水性能(接触角为112.3°);2)相比于完全不具有电磁屏蔽性能的Twaron,MXene质量分数为8.61%的MS-Twaron在X波段总电磁屏蔽效能提升至13.490~14.969dB;3)对比Twaron,MS-Twaron的余焰时间增加5.0s,但阴燃时间缩短3.5 s,平均损坏长度减小5.3 mm;4)MS-Twaron具有抗钝伤的性能(弹道冲击的凹陷深度比Twaron小6.12 mm);5)对比没有光热性能的Twaron,自然光(光强100.3×10³LUX)照射后,MS-Twaron表面温度高达50.22℃;白炽灯(100W,30cm)照射后,MS-Twaron温度上升至39.58℃;红外灯(375W,40cm)照射后,MS-Twaron能达到97.18℃的高温。MS-Twaron凭借轻质、光发热、电磁屏蔽等多功能一体化,可为新一代多功能防护装备的发展提供设计思路。

环形螺旋桨的空化机理与性能分析

向粤, 王文杰

2025, 46(8): 240623. doi:10.12382/bgxb.2024.0623

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空化现象是螺旋桨研究关注的重点,而关于环形螺旋桨的空化机理与特性分析尚有不足。通过构建环形螺旋桨三维数值模型,探索其空泡分布与空化机理,基于多重参考系法、应用Schnerr-Sauer空化模型对环形螺旋桨开展空化数值仿真,分析不同转速及进速系数下环形螺旋桨的空化特性。对气相体积分数云图的处理结果表明:环形螺旋桨的前后缘空化规律差异巨大,其过渡段吸力面是最容易发生空化的区域;前缘压力面的空化总先于后缘压力面,前后缘吸力面几乎同时发生空化。研究结果可支撑环形螺旋桨噪声性能与水动力性能进一步工作,为我国水下重点型号装备与下一代水面高速航行器研究提供一定的技术支持。

暗环境下红外目标检测跟踪方法研究

刘辉, 李明益, 韩立金, 刘宝帅

2025, 46(8): 240081. doi:10.12382/bgxb.2024.0081

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针对暗环境动态特征轮廓模糊、盲区遮挡情况,高效准确地检测跟踪动态目标特征,对灾害救援、搜寻跟踪具有实际意义。为实现暗环境下模糊轮廓特征的有效检测跟踪,提出一种时空关联机制的红外目标实时检测深度学习网络(Spatial Local Dynamic You Only Look Once Version 8,SLD-YOLOv8),设计非局部自适应Non-local模块和空间通道卷积关联模块,对原YOLOv8网络的瓶颈层Bottleneck CSP进行优化。为有效提取深层空间多尺度表征信息,增加用于小目标检测的160×160检测层和动态检测头,较好地提升暗环境中目标跟踪的边界回归性能,并实时有效地推理出目标特征的相对深度位置信息。实验结果表明,改进后的红外目标检测算法对暗环境下的动态特征检测具有较好的鲁棒性和准确性,其平均精度评估指标mAP_0.5和mAP_0.5:0.95比原模型提高了5.6%和4.5%,证明了新算法对暗环境目标跟踪的有效性。

基于全变分Retinex框架的合成孔径声纳图像均衡方法

钟何平, 雷亮, 李涵, 唐劲松

2025, 46(8): 240615. doi:10.12382/bgxb.2024.0615

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针对合成孔径声纳图像灰度不均衡所带来的视觉分辨率低的问题,在结合声纳回波模型、斑点噪声统计特性、分解模型先验假设的基础上,提出一种基于全变分Retinex框架的合成孔径声纳图像均衡方法。根据图像中噪声瑞利乘性分布的特点和极大似然估计推导出考虑背景噪声的合成孔径声纳图像分解模型;针对地形、波束模式、沉积物角度响应和噪声影响,通过对照度分量的分段平滑约束,反射分量的沉积物回波强度信息约束和各向异性全变分约束,建立合成孔径声纳图像分解的目标函数。对照度分量增强后,与反射分量相乘得到均衡图像。实验结果表明,该模型解决了合成孔径声纳图像亮度不均衡的问题,极大地提升了亮度和对比度,在噪声抑制和图像均衡方面优于现有方法。

浅海中Scholte波的Airy相研究

罗夏云, 陈新宁, 刘宝

2025, 46(8): 240605. doi:10.12382/bgxb.2024.0605

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为研究Scholte波Airy相的形成机理,理清其特征及变化规律,基于浅海半无限弹性海底声场模型,推导求解脉冲声源激发Scholte波的波场表达式。利用高阶交错网格有限差分算法对脉冲声源激发Scholte波进行数值仿真,得到Airy波幅值与传播距离之间的关系。理论研究结果表明:Scholte波因频散会使其群速度出现一个极小值,导致脉冲信号在传播过程中出现Airy波,其振幅与r^-5^/⁶(r为传播距离)呈正比。开展湖上气枪声源激发Scholte波试验,利用滑动窗分析法对试验数据展开分析。试验结果表明:12Hz以下频段明显存在频散现象,频率高于12Hz后,随着频率的增加群速度基本保持不变,同时群速度随频率的增加呈先减小后增大的变化规律,再现并印证了理论研究中Scholte波群速度的频散关系。

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