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《南京理工大学》 2011年
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某鸭式布局防空制导炮弹的飞行弹道特性与控制方案研究

常思江  
【摘要】:发展制导化高炮弹药是从根本上提高高炮命中精度的重要途径之一。本文以一对鸭舵控制的某低旋尾翼式防空制导炮弹为研究对象,围绕该类炮弹研制过程中遇到的一些理论和技术问题,对其飞行弹道特性与控制方案进行了较为系统的研究,主要内容包括: 1.在普通尾翼弹外弹道模型的基础上,建立了一对鸭舵控制下的瞬态6自由度刚体弹道模型和均态6自由度刚体弹道模型,并针对不同应用场合的需要,对弹道模型进行不同程度的简化,得到了降阶线性化刚体弹道模型、扩展质点弹道模型以及考虑侧向过载的有控质点弹道模型。 2.以“舵面-弹身-尾翼”组合体为气动模型,选定了一套通用性好、计算速度快且精度较高的气动力工程算法;计算并分析了舵面展弦比、舵面安装位置、尾翼展弦比、尾翼安装位置等气动外形参数对弹体静稳定度的影响,其中,尾翼展弦比及其安装位置对弹体静稳定度的影响较为显著;计算并分析了不同高度来流条件对各主要气动力系数的影响,结果发现,零升阻力系数随高度的变化相对较明显,在0-20km高度范围内,其在不同马赫数下的变化量约为15%-30%。 3.在有控条件下,仿真验证了瞬态模型和均态模型在一定条件下的计算等价性,并讨论了初速、射角、控制信号相位角、控制信号调宽角等参数变化对有控飞行弹道的影响,分析了控制信号随机误差引起的弹道散布;采用无控炮弹角运动模型,将控制力作为瞬时扰动,推导出计及控制力影响的初始条件,分析了舵面外形参数、弹体转速、飞行斜距、控制信号相位角等对弹体攻角过渡过程的影响;将控制力作为长时间扰动,建立了包含控制项的有控弹道角运动模型,采用李雅普诺夫直接法分析了炮弹的自由运动稳定性,得到了相应的动稳定条件,并通过求解由控制项引起的角运动方程特解,分析了舵偏角度、舵偏角速度、控制力臂及弹体转动惯量对攻角特性的影响。 4.通过对攻角运动特性的分析,提出一种基于攻角运动特性的转速设计方法,并根据质心偏移运动理论,在二位置舵机全指令信号条件下,推导出一个具有较高精度的弹道法向修正速度估算公式,该公式可用于炮弹弹道修正能力的优化;基于外弹道优化理论,提出对有控炮弹进行气动外形-修正弹道综合优化设计,建立了较为完整的综合优化数学模型,并通过算例仿真验证了该方法的可行性和有效性。 5.采用扩展质点弹道模型,将随机横风作为过程噪声,并基于实测的炮弹位置、速度参数,建立了弹箭飞行状态方程及量测方程;分别采用扩展卡尔曼滤波(EKF)和线性化卡尔曼滤波(LKF)对测量数据进行最优估计,在此基础上提出一个弹道滤波混杂算法。理论分析及仿真结果表明,该混杂算法减少了系统的在线计算量,提高了弹箭飞行状态估计的精度;为了消除或减小系统理论模型偏差对飞行状态估计精度的不利影响,提出一个基于过程噪声控制的弹道滤波方案,取得了较为明显的效果。 6.在一定的假设条件下,提出了基于启控位置确定和最佳停控位置确定的两种简易弹道控制模式,仿真分析了修正量指标及射角对控制模式应用效果的影响,结果表明,两种模式下的侧向弹道修正均取得了较好的效果;为进一步提高炮弹的命中精度,提出采用弹道预测导引法和修正化比例导引法,分析及计算结果表明,采用两种方法均取得了较好的效果,从一定程度上验证了两种导引方法应用于该类防空制导炮弹的可行性和有效性,在不同射程及不同弹道修正量条件下,采用两种方法所得控制误差的变化规律基本类似,与弹道预测导引法相比,修正化比例导引法的控制精度相对更高。 7.为了寻求最优控制量,对防空制导炮弹的侧向过载进行了过程优化。基于一定的有控弹道模型,以控制过程中能量消耗最小为性能指标,考虑了过载约束,建立了一个防空炮弹有效弹道段的最优控制模型。根据庞特里亚金极小值原理,将该最优控制模型模型转化为一个两点边值问题,并采用边值打靶法对其进行了数值求解。选取一个算例进行了仿真计算,取得了良好的效果,这表明应用最优控制理论可有效完成有控炮弹的过载指令优化。
【学位授予单位】:南京理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TJ413.6

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【参考文献】
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