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潜射弹道导弹分离动力学及逆问题研究

李慧通  
【摘要】:分离系统作为导弹武器的关键子系统,涉及到发射、主动段飞行、在轨飞行等各个过程,其性能直接影响到发射任务能否顺利完成。分离问题经过几十年的研究,在设计和验证方面仍存在不足,现阶段的分离系统研发过程主要采用“经验设计-试验-修改”的方法,局限性大,设计过程中科研人员对分离系统的深层次原理缺乏了解,对分离故障的产生、传递等缺乏系统的研究。在目前分离系统设计过程中,经常忽视参数的不确定性,将其设置为确定值或者设置安全系数来进行近似仿真,这样的处理得到的结果的准确性和可信性缺乏有效验证,初始参数对分离结果的影响不能定量反映到设计方案,这就需要以正向仿真和逆向辨识相结合的方式辅助科研人员对分离系统进行设计和测试。为此,本文围绕某潜射导弹武器分离问题,通过分离正问题研究来检测分离系统的不确定性和安全性,通过逆问题研究反推出分离问题的根源。本文建立了统一的分离模型和受力模型,合理地分析分离过程中多种不确定性因素,对分离中参数不确定性进行科学有效的量化,这对设计合理可靠的分离系统有重大意义;对于已知分离结果,本文设计多种类型的逆问题求解方案,反求分离的初始状态和模型参数,以上研究对分离系统的评价和改进有重要意义。针对分离系统类型复杂、仿真模型不统一的问题,建立了统一的分离动力学模型。本文首先对各种分离系统进行分类,找到建模的共同点和不同点,采用约束力方程(Constraint Force Equation,CFE)方法建立通用的分离约束模型,推导了相应的约束公式,并对弹性导向模型进行了建模。本文设计了分离过程内距离检测和外距离检测方法,对于分离体干涉进行了分析,建立了统一的检测模型和检测方法。通过以上方法,能够对级间分离、罩体分离等现阶段绝大部分分离过程进行仿真分析、干涉检测,为后续分离不确定性研究奠定基础。针对分离过程中,不同分离方案的分离体所处环境差异较大问题,建立了较完善的分离载荷和干扰库供仿真调用,有效避免了过去分离多类型、多偏差、多不确定性导致的仿真失真问题。首先是针对分离受力,包括推力、附加科氏力、燃气推力、分离弹簧以及推进器等;然后是分离过程中的约束摩擦力,包括铰链机构、导向机构和分插机构等;最后是环境干扰因素,包含晃动因素、气动力、风干扰等建立数学模型。通过对分离环境的精确建模,能够较贴合实际的模拟出不同分离方案的分离过程。针对分离过程中存在的多种偏差因素导致分离结果不确定性问题,本文采用概率方法和灵敏度分析法进行了研究。首先对分离不确定性因素进行分类,采用蒙特卡洛打靶抽样(Monte Carlo Method,MCM)、拉丁超立方抽样(Latin Hypercube Sampling,LHS)以及改进抽样方法对分离不确定性进行了研究;由于不同因素对分离结果的影响大小不同,本文采用了基于仿真试验的全局灵敏度分析法来进行分析,在初步灵敏度分析的基础上,提出了改进的正交试验灵敏度分析法、基于LHS方法的灵敏度分析法和基于均匀设计的Morris方法;本文对于在多种不确定因素影响下分离过程中是否会发生碰撞以及落点等分离安全性进行了研究。分离工程算例分析结果表明该方法可有效的对分离参数影响效果进行排序,得到分离结果的散布范围,进而能够对分离方案安全性进行评价和验证。针对已知结果反求初始状态的分离逆问题,提出了多种逆问题反求方法。本文针对简单分离反问题直接建立逆动力学方程,得到逆问题的解析解;针对输入输出确定,模型部分参数未知和输出及模型确定,部分输入未知这两种情况采用辨识解决方案;对于有多个不确定因素未知但已知分布范围的情况,采用优化解决方案,结合改进的带精英策略的快速非支配排序进化算法等方法,以实际结果为优化目标,求取分离最优解;针对多个参数未知但已知参数服从的分布规律的情况,采用基于概率的解决方案;针对多个未知量的复杂分离系统,同时参数取值范围未知的情况,采用复合逆问题求解方案,通过概率方法缩小求解范围,通过优化方法得到最优解。通过对多个工程算例进行分析,上述几种逆问题解决方案能够有效解决分离过程中遇到的各种逆问题。本文最后设计了两种有代表性的底罩分离方案,从方案设计,数学建模,参数设计,到不确定性分析进行了系统的研究。通过对分离仿真结果的对比得出了两种设计方案的优缺点,并对底罩分离过程遇到的逆问题进行了分析,对本文设计的分离系统研究方案给出了工程实例证明,对类似分离方案设计提供了参考案例和理论依据。


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