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2024年 第45卷 第1期    刊出日期：2024-01-30

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烤燃条件下JEO聚能装药战斗部泄压结构研究

王新宇, 姜春兰, 王在成, 方远德

2024, 45(1):  1-14.  doi:10.12382/bgxb.2022.0435

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为提高JEO聚能装药战斗部的热安全性,对烤燃条件下JEO聚能装药战斗部的泄压结构进行研究。建立考虑热分解压力对烤燃过程影响的炸药烤燃多相流组分输送模型。设计多点测温-测压实验,对JEO炸药烤燃过程中的温度-压力变化特性进行研究并对模型相关参数进行校核,对聚能装药结构下JEO炸药的热分解过程进行数值模拟,获得不同升温速率下炸药温度、固相体积分数的变化规律,并确定了该结构下炸药的点火位置、点火压力。针对JEO炸药点火后的燃烧过程,引入泄压延迟时间,建立考虑泄压结构的炸药压力增长模型,确定该结构下JEO炸药的临界泄压面积,以热分解数值模拟中获得的点火位置和点火压力为初始条件,计算获得不同装药点火位置对炸药内部压力变化的影响规律。根据临界泄压面积、点火位置、炸药中的压力增长规律,确定侧壁泄压孔面积大小和端面药型罩压螺尺寸,设计适合该结构下JEO炸药的泄压孔-药型罩推出组合泄压结构。针对采用该泄压结构的JEO聚能装药战斗部进行快速烤燃和慢速烤燃实验,验证泄压结构的有效性。研究结果表明:随着升温速率的降低,JEO装药聚能战斗部的点火时间随之延长,点火位置由装药表面移动至装药中心;随着点火位置和泄压结构之间距离的增加,点火延迟时间增大,聚能装药战斗部内部压力峰值随之增加,战斗部的反应烈度随之增加。

含能燃速抑制剂的制备及其对AP分解的负催化效应

张雪雪, 薛智华, 聂洪奇, 严启龙

2024, 45(1):  15-25.  doi:10.12382/bgxb.2022.0518

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燃速抑制剂作为固体推进剂的核心功能组分,在降低固体推进剂高压燃速方面起关键作用。精准设计具有降速效应的季铵与醛基结构,获得高氮三氨基胍乙二醛二维共聚物(Triaminoguaniding Glyoxal two dimensional Copolymer,TAGP)含能配体,并与碱土金属离子K⁺、Ba²⁺和Ca²⁺发生络合反应,制备系列新型含能燃速抑制剂(TAGP-M)。采用粉末衍射、X射线光电子能谱、扫描电镜/能谱和差示扫描量热/热重联用等技术分析其形貌、结构和热稳定性,并研究这些含能燃速抑制剂对高氯酸铵(Ammonium Perchlorate,AP)热分解的负催化作用。研究结果表明:TAGP-K对AP转晶抑制最为显著,使AP的转晶吸热峰温提高5.9℃、低温分解峰峰温升高28.7℃;添加10 wt%的TAGP-K,可使AP的最大热分解速率降低58%;TAGP-Ca燃速抑制剂可使AP的释能效应集中在高温分解过程,AP/TAGP-Ca混合体系的放热量比纯AP提高50%以上;TAGP-Ca和TAGP-Ba燃速抑制剂在抑制含AP分解的同时提高了其释能效率;TAGP-M燃速抑制剂在分解过程中释放NH₃并与AP分解产物HClO₄结合,形成更难分解的$\mathrm{M}\left(\mathrm{ClO}_{4}^{-}\right)_{n}$;通过碱土离子与$\mathrm{ClO}_{4}^{-}$离子强静电作用,抑制后者分解产生氧化性气氛,进而抑制AP高温放热反应过程。

TiB₂/B₄C复相陶瓷自蔓延热爆炸烧结与性能表征

李云飞, 高鑫, 陈鹏万, 刘开源

2024, 45(1):  26-34.  doi:10.12382/bgxb.2023.0078

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为了探究高硬度复相陶瓷高效且低成本的制备方法,利用自蔓延高温合成结合爆炸烧结技术,开展制备二硼化钛/碳化硼(TiB₂/B₄C)复相陶瓷的研究,成功制备厚度约为1cm、直径约为5cm的TiB₂/B₄C复相陶瓷块体。烧结样品物相和微观结构分析表征结果表明:烧结样品中TiB₂相和B₄C相分布均匀,截面观察到致密的微米级颗粒。该方法制备的样品致密度和硬度较高,随冲击压力不同,致密度范围在90%~93%之间,相应平均维氏硬度为16.64~17.35GPa;根据不同条件下回收样品的微结构、致密度等分析,冲击压力和起爆时刻生坯温度对TiB₂/B₄C复相陶瓷烧结质量有重要影响;冲击压力为40GPa,生坯温度为1800K时,烧结致密度为93%;为进一步提高烧结质量,应提高冲击压力或冲击波作用时间。研究表明自蔓延热爆炸烧结技术是一种高效且低成本的高硬度复相陶瓷的制备方法。

弹道冲击下石墨烯和聚乙烯改性芳纶织物的钝伤防护性能

王哲, 刘鹏, 陈婧, 黄广炎, 张宏

2024, 45(1):  35-43.  doi:10.12382/bgxb.2022.0578

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芳纶凭借其轻质高强的特点广泛应用于防弹领域。为提高单层芳纶织物的抗钝伤能力,采用热塑性树脂聚乙烯(Polythene,PE)与石墨烯纳米粒子表面改性方法提升芳纶织物的抗钝伤性能。以背衬凹陷为标准,对不同质量配比改性芳纶织物的抗钝伤能力和能量吸收特性进行测试对比。对比结果表明:石墨烯和PE两种改性方法均可提升芳纶织物的抗钝伤能力,其中PE改性方法使得改性织物面密度增加较小但抗钝伤能力显著提升,10%PE的防弹能力和比吸能值较纯芳纶分别提升了18.0%和30.8%;石墨烯改性织物刚性的增加使其低速抗钝伤能力增强,但是过大的纱线间摩擦使其高速防护能力减弱,2%石墨烯粉体为石墨烯改性织物的最佳配比。此外,优化验证得到了2层10%PE和13层的6层正交超高分子量PE无纬布防弹衣组合设计。

三层组合陶瓷复合装甲的抗侵彻性能及其损伤机制

余毅磊, 王晓东, 任文科, 高光发

2024, 45(1):  44-57.  doi:10.12382/bgxb.2022.0319

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为了研究相同面密度下Kevlar/SiC-TC4-超高分子量聚乙烯(UHMWPE)复合靶板的复合结构参数对其抗弹性能的影响和失效机理,选用4组不同厚度组合的靶板试样,并使用12.7mm穿燃弹以相同着靶速度(488m/s)进行弹道冲击实验。使用扫描电子显微镜(SEM)研究复合装甲板在弹道侵彻下的损伤模式。实验结果表明:在所述实验条件下8mm+2mm+10mm厚度组合的Kevlar/SiC-TC4-UHMWPE复合靶板是最佳的抗侵彻工程应用结构;在同等面密度条件下,将 1mm 厚陶瓷替换成同等面密度的TC4钛合金背板(约0.5mm厚)时,复合装甲板的抗弹道侵彻性能提升了约29.69%,可见钛合金的结构参数对复合装甲板抗弹性能的影响权重大于SiC;钛合金背板面密度的增加不仅增强了对陶瓷的支撑作用,而且增加了弹-靶作用时间,提升了复合靶板的整体防护性能;12.7mm穿燃弹侵彻后复合装甲板的损伤模式包括SiC碎裂、钛合金背板少量隆起变形及十字形拉伸撕裂损伤、UHMWPE层合纤维背板剪切断裂、层间分离和纤维拉伸;在整体复合装甲的设计中,应将高抗剪材料放置在背板的前几层,将高抗拉材料放置在背板后几层,以充分利用每种材料。

爆炸成型弹丸侵彻不同材料靶板后效破片特性试验研究

黄炫宁, 李伟兵, 李文彬, 尹贵祥, 郭腾飞

2024, 45(1):  58-68.  doi:10.12382/bgxb.2022.0696

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为研究靶板材料性能对爆炸成型弹丸(Explosively Formed Projectile,EFP)侵彻靶后破片特性的影响,开展EFP侵彻不同材料靶板(Q235钢、45号钢、装甲钢、2A12铝)后效破片特性试验,采用X光摄影方法观测靶后破片云形态及膨胀尺寸,通过布置多层纤维板获得破片散布特性,并对靶后破片进行回收。研究结果表明:在靶板密度一定的情况下,靶板强度主要影响破片云轴向膨胀能力,对径向膨胀能力影响很小;靶后破片环形毁伤区的飞散角位于20°~25°范围内差别不大,但是靶板背面出口崩落会造成靶后破片飞散角出现极大值,随着钢靶强度的增大,靶后破片径向散布增强,破片总数减小,但是大质量段钢破片数量增多;不同强度钢靶产生的钢破片平均尺寸满足Kipp等提出的基于材料流动应力的碎片尺寸模型。

破片杀伤战斗部空爆状态下车顶夹芯板防护性能分析与优化设计

傅耀宇, 贵新成, 周云波, 刘家志, 石昊, 王铮

2024, 45(1):  69-84.  doi:10.12382/bgxb.2023.0487

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在现代战争中,为实现远程精确打击,众多破片杀伤战斗部选择车辆顶部作为首选攻击位置,而目前国内外关于冲击波和破片联合作用下车辆顶部防护的研究基本没有。为提高特种车辆顶部防护性能并实现结构轻量化设计,通过北约一级替代装药爆炸试验和破片飞散理论计算,验证了数值模拟的有效性和准确性。根据LS-DYNA软件分析结果数据和破片外弹道方程,采用Python软件等编写用于分析不同起爆高度下破片落点分布的解算处理程序。设计一种I-Y型夹芯板,并与另外5种不同结构夹芯板的防护性能进行综合比较,证明了该型板的优越性。进而以质量损失、能量吸收、背板峰值位移及破片速度分布为评价标准,研究炸药起爆方式、炸药相对位置、面板和背板厚度、夹芯层结构参数对I-Y型板防护性能的影响。选择面板厚度、背板厚度、夹芯层高度和胞元宽度为设计变量,以背板峰值位移和夹芯板质量为优化目标,用最优拉丁超立方试验方法进行采样,采用Kriging法构建代理模型,用非支配排序遗传算法进行多目标优化求解,并对最优解进行仿真验证,为冲击波和破片联合作用下车顶防护结构优化设计提供了支持。

基于大涡模拟方法的三维旋转爆轰流场结构研究

雷特, 武郁文, 徐高, 邱彦铭, 康朝辉, 翁春生

2024, 45(1):  85-96.  doi:10.12382/bgxb.2022.0470

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为研究环形燃烧室中边界层、黏性、湍流模拟方法对旋转爆轰流场结构的影响,采用开源计算流体动力学软件OpenFOAM,以氢气为燃料、空气为氧化剂,基于大涡模拟(Large Eddy Simulation,LES)方法、RANS方法、Euler方法,分别结合滑移和无滑移边界,对三维旋转爆轰发动机模型进行数值模拟,分析对比不同计算方法下旋转爆轰流场结构。着重讨论以LES方法得到的流场结构。研究结果表明:当采用滑移边界时内、中、外截面的流场温度无太大差异,当采用无滑移边界时内外壁面温度高于中间截面,边界层会影响近壁区域气体的流动速度,导致内外壁面爆轰波高度低于中间截面,还会影响燃烧产物的流动状态轴向截面上爆轰波波头产生变形;不同湍流计算方法得到的旋转爆轰流场结构存在相似性,黏性是影响旋转爆轰流场结构的主要原因。研究结果对于揭示边界层和黏性对旋转爆轰的影响机制具有一定的科学意义。

基于合成虚拟阵列的脉冲多普勒引信高分辨DOA估计方法

王新伟, 闫晓鹏, 郝新红, 陈齐乐, 黄鼎琨

2024, 45(1):  97-104.  doi:10.12382/bgxb.2022.0433

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为提高脉冲多普勒(Pulse Doppler,PD)引信的波达方向(Direction of Arrival,DOA)分辨率,利用引信的运动特性,将不同时刻下的回波数据进行组合,合成一个大孔径的虚拟阵列,达到扩展孔径的目的,并利用数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)实现对目标的高分辨角度估计。针对合成虚拟阵列非均匀性导致DBF计算复杂度高的问题,将合成虚拟阵列分解为固有子阵与运动子阵,分别进行DBF处理后并用两波束的乘积代替合成虚拟阵列的波束,在保证高角度分辨率的同时,降低对合成虚拟阵列直接进行DBF运算的复杂度。仿真与实验结果表明,在较少阵元的情况下该方法有效地提高了PD引信的DOA分辨率。

旋转导弹横向喷流干扰特性数值模拟

雷娟棉, 高毅, 勇政

2024, 45(1):  105-121.  doi:10.12382/bgxb.2022.0379

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为研究超声速来流条件下旋转导弹横向喷流干扰流场结构及喷流干扰对导弹气动特性的影响和机理,使用基于雷诺平均非定常N-S方程和滑移网格技术的非定常数值方法对旋转导弹横向喷流干扰流场进行模拟。研究旋转对导弹横向喷流控制效果的影响,给出不同条件下导弹的气动特性变化规律,分析了横向喷流对旋转导弹气动特性的影响。研究结果表明:旋转会导致导弹横向喷流控制力发生偏转,偏转方向与旋转方向相反,偏转角度随着转速增加而增加;在小攻角下,喷流干扰效应产生的附加侧向力和偏航力矩系数的瞬时值比旋转马格努斯效应产生的侧向力和偏航力矩系数的瞬时值大一个数量级,随着攻角增大,旋转马格努斯效应引起的侧向力和偏航力矩系数占全弹的比例增大,喷流引起的附加侧向力和偏航力矩量值减小;旋转导弹横向喷流控制扇面内气动系数随滚转角变化具有很强的非定常性,当喷流控制扇面角度不大时,时均侧向气动特性与对称面处滚转角下的瞬时值侧向气动特性比较接近,不同扇面角度内有喷流的时均侧向力系数和偏航力矩系数远大于无喷流时。

开孔泡沫金属传热和流动特性

李婧, 孙晓霞, 马兴龙, 朱文祥

2024, 45(1):  122-130.  doi:10.12382/bgxb.2022.0482

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近年来开孔泡沫金属运用于散热设备逐渐成为研究的热点。由于开孔泡沫金属结构复杂无序,数值模拟时大都将其结构进行化简,目前已有种类繁多的简化模型,然而适用于其传热与流动特性模拟研究的简化模型尚不明确;另外,适用于散热领域的泡沫金属结构参数有待详细研究。为此,建立开孔泡沫金属的5种简化三维模型,并进行传热和流动特性的对比研究,认为Gibson-Ashby模型更能准确描述实际开孔泡沫金属的传热和流动性能。在此基础上,采用Gibson-Ashby模型对开孔泡沫金属的关键结构参数进行传热和流动综合性能分析,发现孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片的综合性能j/f^1/3(j为换热因子,f为阻力因子)最优;将孔隙率90%、孔密度30PPI开孔泡沫金属翅片与平直翅片进行对比,发现开孔泡沫金属翅片换热效果是平直翅片的2倍以上,综合性能也优于平直翅片。所得研究成果可为开孔泡沫金属在换热领域的应用和设计提供参考。

径向不耦合装药爆压消峰作用及其对岩石破裂范围影响

范勇, 吴凡, 冷振东, 杨广栋, 赵小华

2024, 45(1):  131-143.  doi:10.12382/bgxb.2022.0431

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弄清单孔爆破岩石破裂规律是揭示群孔爆破岩石破碎机理的基础。从理论上阐明了单孔爆破岩石破裂机理,采用高能爆轰炸药模型和混凝土损伤模型,分别模拟了空气与水不耦合装药下单孔爆破的应力变化过程、裂纹扩展过程以及不耦合系数为1.0~3.5时岩石粉碎区与裂隙区大小;分析了炮孔壁上爆破压力峰值、粉碎区与裂隙区的大小随不耦合系数的变化规律。研究结果表明:由于不同介质的影响,空气不耦合装药结构对于爆压的削峰作用约是水不耦合装药结构的 2倍;当不耦合系数介于1.0~3.5时(药卷直径不变),空气不耦合装药下粉碎区直径介于4.44~1.59倍炮孔直径,裂隙区直径介于22.5~7.62倍炮孔直径;水不耦合装药下粉碎区直径介于4.44~2.74倍炮孔直径,裂隙区直径介于22.5~10.67倍炮孔直径。

接触爆炸下混凝土墩破坏效应试验与数值模拟

康耕新, 颜海春, 张亚栋, 刘明君, 郝礼楷

2024, 45(1):  144-155.  doi:10.12382/bgxb.2022.0397

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为研究混凝土墩在炸药接触爆炸作用下的破坏效应,分别采用K & C模型、HJC模型、RHT模型和Kong-Fang模型对混凝土墩体的破坏效果进行数值模拟,讨论破坏形态、裂缝数量、块体数量、芯部残高和侧面残高的变化并与试验对比。研究结果表明,4种模型都能有效地预测混凝土墩体的破坏形态:在顶部集团装药爆炸作用下,混凝土墩体上半部分和下半部分表现为不同的破坏形式,上半部分为破碎性破坏,形成大量1~10cm为主的碎块;下半部分为破裂性破坏,开裂为有限数量的块体;其中Kong-Fang模型能够更加可靠地预测破裂区块体的数量和残高。残留块体破坏特征参数随装药量的变化的研究结果表明,随着装药量从1.0kg增加到4.5kg,块体的数量增加到25,块体底面尺寸由40cm减小为15cm,约为混凝土底边尺寸的1/5~1/25;装药量从1.0kg增加到3.5kg时芯部残高及侧面残高减小较快,在装药量增加到4.0kg后,分别稳定在40cm及28cm左右处,不再明显变化。基于以上研究结果,拟合了块体数量、芯部残高及侧面残高随装药量的变化公式,为有效实施混凝土墩体爆破作业提供了参考。

基于实例分割与光流的动态环境SLAM

岳胜哲, 王正杰

2024, 45(1):  156-165.  doi:10.12382/bgxb.2023.0568

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针对传统语义实时定位与建图(Semantic real-time Localization and Mappling,SLAM)算法在动态环境下剔除特征点过多、造成定位精度降低的问题,提出一种基于实例分割与光流的视觉语义SLAM算法。算法使用Mask R-CNN网络对图像中的潜在动态物体进行实例级别的分割,同时在光流线程中对动态物体进行识别并剔除,随后使用剩余的静态光流点与静态特征点联合优化定位,实现语义信息与光流信息的充分融合利用。使用公开数据集测试和地面无人平台实验对所提方法进行验证。实验结果表明,在TUM数据集下,新方法的定位均值误差相比ORB-SLAM2平均提高75%,相比Dyna-SLAM平均提高8.5%。

复杂地形六轮独立驱动与转向机器人轨迹跟踪与避障控制

刘江涛, 周乐来, 李贻斌

2024, 45(1):  166-183.  doi:10.12382/bgxb.2023.0533

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为研究六轮移动机器人在复杂地形的运动控制方法,针对六轮独立驱动与转向机器人复杂地形轨迹跟踪问题,提出一种预测控制和动态补偿的控制方法。基于非完整约束的线性六轮移动机器人运动学模型,以模型预测控制算法为基础,引入比例-积分-微分补偿控制器,抑制动态滞后引起的跟踪误差,设计速度与转向角动态反馈补偿,以应对地形扰动对轨迹跟踪的影响。分析机器人运动过程中障碍物的避碰问题,设计可求解避障轨迹的避障规划器,通过轨迹跟踪系统对局部避障轨迹进行跟踪控制,实现机器人的轨迹跟踪和自动避碰。对轨迹跟踪算法和避障算法进行仿真实验。实验结果表明:在典型工况下,机器人可完成凹形斜坡、凸形斜坡和凹凸地形正弦型轨迹跟踪控制和静态与动态障碍物避碰,验证了新方法的有效性。

面向海流扰动和通信时延的欠驱动AUV编队跟踪控制

丁文俊, 张国宗, 刘海旻, 柴亚军, 王驰宇, 毛昭勇

2024, 45(1):  184-196.  doi:10.12382/bgxb.2023.0417

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由欠驱动自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)编队组成的水下探测阵列具有响应快、机动性好、智能化程度高的特点。针对无速度信息传输的多AUV在海流和时延复合扰动下的编队控制问题,提出一种虚拟轨迹、轨迹预测、自适应反演滑模控制技术相结合的编队控制方法。使用领航者的位置信息和期望队形得到跟随者的参考轨迹,并引入虚拟轨迹使其与跟随者参考轨迹有限时间重合,从而得到跟随者的期望位置和速度。在此基础上,使用最小二乘法拟合轨迹曲线进行时延补偿,并通过自适应反演滑模控制技术完成海流干扰下的编队轨迹跟踪。理论分析和仿真结果表明,新方法具有可行性和有效性。

水下连续发射弹体干扰特性及发射时序优化

刘方, 肖金石, 韦建明, 张志洋, 王聪

2024, 45(1):  197-205.  doi:10.12382/bgxb.2022.0576

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随着对饱和攻击需求的提高,潜艇连续发射过程的发射时序协调控制研究变得迫切而紧要。考虑到弹体间的流体动力干扰是影响安全发射的主要因素,基于重叠网格多自由度仿真技术,针对连续发射的水下弹体开展姿态弹道干扰特性研究。通过分析流场结构发现,以一定攻角发射的弹体形成的发卡形尾涡是造成后续弹体姿态弹道差异的主要原因。根据不同艇速、时间间隔和空间间隔下弹体间的干扰特性建立干扰评价模型。在保证干扰不影响后续弹体的前提下,以最短发射时长为目标,以综合评价函数为约束,基于改进的贪心算法对大筒多弹式布局的水下弹体开展发射时序优化研究,并采用均匀抽样方法验证优化结果准确性。研究结果表明:相对于均匀抽样方法,改进的贪心算法具有相当的计算准确度和更高的计算效率。

带椭球形气囊航行体落水-上浮过程仿真

包健, 马贵辉, 孙龙泉, 陈惟楚, 李明

2024, 45(1):  206-218.  doi:10.12382/bgxb.2022.0503

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针对水下发射模型试验中的模型低速落水问题,提出一种带椭球形气囊的航行体落水回收方案,两个气囊等距分布在航行体两侧,航行体与气囊之间用连接带相连。数值仿真基于Abaqus的耦合欧拉-拉格朗日方法,通过对比AUV头段入水的试验结果和仿真结果,验证数值方法的有效性。分析在不同姿态角和不同初始囊压的条件下,带气囊航行体低速落水后的运动过程、囊压变化以及连接带的受力情况。研究结果表明,航行体姿态角是影响落水-上浮过程的最重要因素,初始囊压次之;对于最大落水深度、囊压峰值、拉力峰值而言,趋于垂直落水的工况更加危险,最大落水深度为1.33倍航行体长度,最大囊压为3.7倍基准囊压,连接带最大拉力为2.2倍航行体重力。这些结论可为航行体落水回收的方案设计与结构参数设计提供参考依据。

无人机火箭助推机构分离安全性研究

周悦, 李壮壮, 郑然舜, 李军

2024, 45(1):  219-230.  doi:10.12382/bgxb.2023.0362

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为提高火箭助推式无人机起飞时助推机构的分离安全性,提出一种可自动安全分离的无人机火箭助推机构。以某型号无人机为例,运用理论力学与刚体运动学知识建立以分离安全性最优为目标的助推机构理论模型,得出助推机构中关键参数的设计依据并建立助推机构的三维模型。运用刚体动力学分析方法得到助推机构的分离运动轨迹,搭建包含助推机构和模拟无人机部分的实验系统,验证助推机构分离轨迹和分离姿态与仿真结构有一致的变化趋势。研究结果表明,该助推机构在分离过程中可有效规避安全隐患,提高分离安全性。

具有飞行包线限制的飞翼无人机鲁棒自适应容错姿态控制

禹志龙, 李颖晖, 裴彬彬, 徐文丰, 段效聪, 宋可鑫

2024, 45(1):  231-240.  doi:10.12382/bgxb.2023.0351

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为实现复杂环境下飞翼无人机姿态的精确跟踪控制,考虑参数不确定性、外部扰动、执行器故障及飞行包线限制的影响,提出一种基于Nussbaum增益的鲁棒自适应容错控制方法。在受扰动的飞翼无人机姿态运动学与动力学模型基础上考虑执行器故障与系统不确定的影响,建立面向控制的姿态控制模型。通过引入时变障碍Lyapunov函数,在保证飞行包线限制的同时确保姿态跟踪误差的瞬态与稳态性能。通过自适应的有界估计与Nussbaum增益,补偿总的不确定项与执行器故障的影响。通过稳定性分析严格证明新提出的控制方法的可行性。仿真结果表明,新的控制方法能够确保飞行包线限制,同时保证预设的瞬态与稳态性能,实现飞翼无人机高精度的姿态跟踪控制。

舰载直升机电驱动助降装置及其关键特性分析

刘谦, 张祝新, 赵丁选, 王辉, 秦占永

2024, 45(1):  241-252.  doi:10.12382/bgxb.2022.0523

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针对现役综合系留和转运系统(Aircraft Ship Integrated Secure and Traverse,ASIST)存在的捕获冲击力大、转运时系统能耗高的问题,设计舰载直升机电驱动助降装置。通过分析助降装置的工况得出助降装置在执行捕获与转运任务时的性能要求,据此给出电驱动助降装置传动系统的设计方案。基于功率键合图理论建立传动系统的动力学模型,并与液压驱动助降装置进行对比仿真实验。仿真结果表明:电驱动助降装置的捕获速度降低约92%,捕获时最大冲击力降低约94%,能够在21kN的外负载作用下执行直升机转运任务,在执行转运任务时能耗降低约29%,该成果对于拓宽ASIST的使用范围、降低系统能耗具有重要意义;所引入的兼顾系统动态特性与能耗特性的建模方法,为其余复杂机械系统的动力学建模提供了参考。

一种基于TCN-LGBM的航空发动机气路故障诊断方法

吕卫民, 孙晨峰, 任立坤, 赵杰, 李永强

2024, 45(1):  253-263.  doi:10.12382/bgxb.2022.0615

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长时间工作在高温高压、强振动等恶劣气路环境下的航空发动机经常面临部件疲劳、腐蚀和性能退化的问题,且其故障诊断时序逻辑性不强、故障参数耦合较深等特点十分明显,为此提出一种基于时间卷积神经网络(Temporal Convolutional Network,TCN)和轻量级梯度提升机(Light Gradient Boosting Machine,LGBM)的航空发动机气路故障诊断方法。故障诊断分为故障特征提取和分类诊断两个过程:引入TCN框架,在保证故障数据训练时序逻辑的基础上,实现对远层历史信息和当前层信息的特征融合构建,融合通道注意力机制增强了高质量特征的权重;基于LGBM模型实现对特征的快速分类,利用贝叶斯方法实现对模型超参数的快速优化。以基于PROOSIS软件建模的某军用小涵道比涡扇发动机故障仿真数据为例,对6种故障模式进行诊断识别。仿真结果表明了所提方法的有效性;通过与其他模型对比体现了该方法的优越性。

提升重型车辆起步性能协调控制策略

商显赫, 张付军, 吕航, 刘涛, 韩雪峰, 王密琪

2024, 45(1):  264-275.  doi:10.12382/bgxb.2023.0340

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针对重型车辆起步响应性差的问题,根据车辆动力传动系统结构,基于GT-SUITE软件建立废气涡轮增压柴油发动机以及控制系统的仿真模型,并基于台架试验对仿真模型进行了校核,保证动力传动系统模型具有较高的仿真精度。通过仿真探究冒烟极限限制、液力变矩器耦合工作点对起步加速性能的影响规律,明确发动机和液力变矩器耦合特性对提升车辆起步性能的作用机理,以提升车辆0~32km/h加速性能为目标,制定车辆起步协调控制策略,并基于搭建的动力传动系统仿真模型对提出的协调控制策略进行仿真验证。研究结果表明:采用提出的协调控制策略车辆从0km/h加速到32km/h的弹射起步时间为9.8s,而常规起步车辆从 0km/h 加速到32km/h的时间为14s,新提出的协调控制策略对提升重型车辆的起步加速性能具有显著的效果。

基于特征模型的5阶关节伺服系统扰动补偿策略

张天艺, 郑颖, 裘信国, 季行健, 金晓航

2024, 45(1):  276-287.  doi:10.12382/bgxb.2022.0941

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针对工业机器人关节伺服系统负载时变和模型不确定性问题,提出将线性扩张状态观测器和基于特征模型的全系数自适应控制相结合的控制策略。建立双惯量柔性关节动力学模型并得到关节伺服系统5阶扩张状态方程。基于该模型设计5阶线性扩张状态观测器,通过该观测器估计系统总扰动并进行扰动补偿,并证明观测器收敛性。基于特征建模的方法,通过实验数据和梯度下降法对特征参数进行辨识,并基于参数值设计全系数自适应控制律,将该控制律结合线性扩张状态观测器设计一种控制策略,对系统进行精确控制。实验结果表明,新的控制策略使系统在变负载扰动工况下的定位精度达到0.003°,正弦信号跟踪误差保持在0.92°以内,系统具有较强的鲁棒性和控制精度。

土壤对军用越野车辆机动性能影响分析

肖万港, 周云波, 傅耀宇, 张明, 周军, 葛纪桃

2024, 45(1):  288-298.  doi:10.12382/bgxb.2022.0528

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在软地面上的机动性能是军用高机动性越野车辆的主要性能之一,对于其野外作业有重要的战略意义。为了探究不同类型松软土壤地面路况对越野车辆机动性能的影响,基于离散元法对土壤进行建模,通过土壤堆积角测试试验以及土壤圆锥指数试验进行土壤刚度对标测试。通过DEM-MBD联合仿真方法,利用精确的土壤模型,对不可压缩干燥土壤、不可压缩湿润土壤、可压缩干燥土壤、可压缩湿润土壤4种不同类型土壤进行仿真分析,通过对比越野车辆平均速度、牵引力、驱动扭矩、轮胎沉陷量,探究土壤类型对越野车辆机动性能的影响。越野车在湿润土壤上比在干燥土壤上牵引力减少了6.98%,在不可压缩土壤上的稳定行驶速度比在可压缩土壤上稳定行驶速度高34.2%,在湿润的土壤路面上速度更加稳定。研究成果弥补了国内车辆地面力学领域土壤对整车机动性影响的空白,可为军车野外复杂地形(如沙地、雪地、泥泞等)作战时选择最优的行驶路面,提高作战效率。

不同冲击载荷下典型路面结构的动态弯沉响应

吉新博, 卢卫建, 吕琛, 王玺, 廉政, 何丽

2024, 45(1):  299-311.  doi:10.12382/bgxb.2022.0413

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为研究不同冲击载荷下典型路面结构的动态弯沉响应数值规律,开展试验勘测等级公路信息,分析实测数据并归纳出等级公路承载能力与路面结构的相关关系,基于统计规律构建了承载力维度下的典型路面结构。建立包含塑性损伤的多层连续道路结构模型,通过比对仿真结果与试验数据验证模型的有效性,研究模型大小对不同冲击载荷作用下路面弯沉仿真结果的影响。开展不同冲击载荷下典型路面结构的弯沉响应规律研究,计算出冲击载荷作用下路面峰值沉降与残余沉降数值,揭示不同冲击载荷下典型路面结构弯沉响应内在规律。研究结果表明:包含塑性损伤的多层连续道路结构模型能够准确反映冲击载荷下路面真实动态弯沉响应;不同冲击载荷下,路面沉降中塑性沉降量占比与冲击载荷幅值满足双指数方程;百吨级范围内,路面沉降中弹性回弹部分随冲击载荷幅值增大而增大,塑性沉降部分与载荷幅值呈指数正相关关系;百吨级以上,路面沉降中弹性回弹量达到上限1.2~1.3mm,路面塑性沉降量与载荷幅值呈线性关系。开展的不同冲击载荷下模型大小对仿真结果的影响规律研究可为有限元仿真中确定合适的仿真模型尺度提供参考。

基于判决反馈的VDES解调系统设计与FPGA实现

孙定柱, 冯熳, 狄芳, 陈鹏

2024, 45(1):  312-318.  doi:10.12382/bgxb.2022.0471

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甚高频数据交换系统(Very high frequency Data Exchange System,VDES)作为新一代船舶通信系统,具有广阔的应用前景。由于卫星相对船舶的高速运动,VDES中上行应用特定消息(Application-specific Message,ASM)链路会产生较大的多普勒频移,在接收端仅依靠已知训练序列估计的频偏等信道参数无法满足正确解调的性能要求。为此提出一种基于判决反馈的解调方法,通过分段解调,缩短每次解调的数据长度,提高解调时对频偏的容忍度,并利用每段解调的结果作为下一段未解调数据的导频,估计出当前数据中的信道参数。仿真结果表明,所提算法相较于无反馈相干解调算法性能大大提升。在上述研究的基础上,在可编程逻辑器件上实现了对ASM无导频上行链路的正确解调。

分布电容对引信共线装定系统信息传输特性的影响及其优化

李昊, 李豪杰, 原红伟, 岳中豪, 马海涛

2024, 45(1):  319-327.  doi:10.12382/bgxb.2022.0406

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针对引信共线装定过程中分布电容影响装定可靠性的问题,建立基于装定器模块、能量与信息传输模块、引信电路模块的等效电路模型。分别研究在装定输出信号为高电平时和低电平时两种情况下,分布电容对共线装定系统信息传输特性的影响。得出高电平时分布电容对共线装定系统影响较小的结论,并推导低电平时引信识别到的接收信号的低电平脉宽与分布电容的关系式。提出两种优化方法,一种利用二极管屏蔽外部因素如并入电缆引入的电容;另一种利用并联一个阻值较小电阻的方法来降低系统的时间常数,从而提高引信识别到的低电平脉宽,提高装定可靠性。经仿真和实验验证,两种方法均提高了引信识别接收信号的可靠性。

基于节点重要性和改进效能环的防空反导预警体系能力评估

俞锦涛, 肖兵, 崔玉竹

2024, 45(1):  328-338.  doi:10.12382/bgxb.2022.0488

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针对防空反导预警体系能力评估中存在的现实性较弱、考虑异质特性较少和能力计算不够全面等问题,提出基于节点重要性和改进效能环的体系能力评估方法。依托超网络模型对体系结构进行抽象建模,给出具有现实意义的效能环模型。从网络全局和局部节点的重要性出发,根据节点之间相互影响关系对效能边进行分析,并结合节点的重要性和可靠性提出体系的能力期望,从而改进基于效能环的体系能力评估方法。反导预警作战的案例仿真分析结果表明:新方法具有可行性与合理性,充分考虑了防空反导预警体系的现实特性和装备的异质特征,能够较全面地评估体系作战能力,为体系的能力评估和结构优化提供理论支撑。

基于正态-逆威沙特分布的地空导弹命中概率贝叶斯估计

刘昊邦, 史宪铭, 赵美, 张建军

2024, 45(1):  339-348.  doi:10.12382/bgxb.2022.0547

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针对现有导弹命中概率贝叶斯估计中主要采用二维正态射弹散布但未考虑X轴、Y轴两向相关导致估计精度不高的问题,采用正态-逆威沙特分布作为射弹散布参数先验分布,对地空导弹命中概率估计方法展开研究。在描述地空导弹脱靶量定义的基础上,以两向相关特点确定相关系数。针对地空导弹外场试验成本高、数据少,经典统计学方法估计命中概率困难问题,采用贝叶斯方法融合先验信息进行研究。基于正态-逆威沙特分布,利用先验信息对先验分布超参数进行求解,并利用贝叶斯公式融合外场实测试验数据,求出射弹散布参数后验分布,最终完成地空导弹命中概率估计。试验结果表明,该方法相比现有正态-逆伽马分布方法,能够考虑地空导弹射弹散布两向相关的实际情况,并充分利用命中概率信息,有利于提升估计准确性,为地空导弹命中概率估计提供理论方法。

基于战场环境孪生的迷彩伪装动态效果评估方法

杨迪, 周颖, 谢振平

2024, 45(1):  349-362.  doi:10.12382/bgxb.2022.0378

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现有的迷彩伪装效果评估方法主要针对静态的单幅目标图像,不能真实地响应军事侦察中的动态多视角特性,相应的评估结果也缺乏全面性。为此提出一种基于战场环境孪生的迷彩伪装动态效果评估新方法。新方法以构建三维战场环境数字孪生模型为基础,借助三维仿真计算技术获取战场环境中迷彩伪装目标的动态多视角效果图,采用语义分割模型和目标跟踪模型识别分析场景中的迷彩运动目标;构建新的迷彩伪装评价指标体系及多侦察视角的多属性综合评估模型,实现不同迷彩方案在给定孪生战场环境中的伪装动态效果评价。以仿真军用卡车模型为实验对象,使用Unity 3D建模真实战场环境,以两种对比性迷彩伪装设计方案为例进行评估分析,实验结果表明新方法的合理性和实用性。