小口径火炮内弹道规律及优化设计研究

论文摘要

鉴于高性能小口径火炮在未来防空、反导、反舰和空中格斗中具有的重要作用，本文根据小口径火炮的战术特点，针对控制膛压提高初速的技术措施、钝感装药小口径火炮内弹道规律、两相流体力学模拟仿真、内弹道优化设计和火药燃速规律最优控制等问题进行了研究。主要内容如下： （1） 从理论上论述了钝感装药是小口径火炮控制膛压、提高初速的适用装药。推导得到一种基于实验的钝感火药特征参数计算公式、钝感火药燃速系数指数表达式和线性表达式，并进行了钝感火药特征参数的实验测定及相应装药的内弹道实验和计算分析，计算结果和实验具有较好的一致性，详细地分析了装填条件的变化对钝感装药小口径火炮内弹道性能的影响。 （2） 建立某型钝感装药小口径火炮一维两相流数学模型，并进行了数值仿真。给出了膛底压力-时间曲线、弹丸速度-时间曲线、主要状态量的分布规律及弹丸启动后弹底压力-行程曲线。与常规装药内弹道性能的对比表明，钝感装药在控制膛压、提高初速方面具有明显的效果。不同因素对弹道性能的影响分析显示，火药钝感参数和火药尺寸对内弹道性能均有影响，底火药量对压力波影响显著，在钝感参数相同的情况下，钝感装药小口径火炮火药燃速系数采用指数公式和线性公式具有相似的内弹道性能。 （3） 提出了火炮内弹道多指标优化设计方法，分别建立了基于经典内弹道理论和两相流理论的火炮内弹道多指标优化模型（分别简称为经典优化模型和两相流优化模型），并采用逼近理想点的TOPSIS方法对优化问题进行了求解。经典优化模型中，优化设计变量包括装填密度、相对装药量、火药弧厚、火药特征参数等，优化指标为最大膛压、弹丸初速、炮口压力、火药相对燃烧结束位置、有效功率、炮膛工作容积利用效率和身管条件寿命等。与经典优化模型相比，两相流优化模型的优化设计变量不仅包括装填密度、相对装药量、火药弧厚、火药特征参数等，还可选定点火位置、点火药量及点火管尺寸等参数为设计变量，优化指标增加了弹丸启动时间和压力波，最大压力、炮口压力和炮膛工作容积利用效率的定义有所区别。将所提出的优化设计方法应用于我国现装备的几种小口径火炮内弹道优化设计，优化计算结果验证了方法的有效性。 （4） 以经典内弹道理论为基础，建立了火药燃速系数的积分型性能指标的最优控制模型。积分型性能指标为火药燃烧过程中压力-行程积分，即火药燃烧结束时的

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 选题背景和意义
• 1.2 小口径火炮在现代战争中的地位和作用
• 1.3 各国小口径火炮的应用与发展
• 1.4 小口径火炮内弹道研究现状及主要问题
• 1.5 本文研究的内容
• 2 小口径火炮装药内弹道设计与实验研究
• 2.1 小口径火炮内弹道及装药结构设计原则
• 2.2 钝感火药燃烧规律研究
• 2.3 钝感药的性能测定与计算
• 2.4 钝感装药小口径火炮弹道实验研究
• 2.5 钝感装药内弹道性能计算分析
• 2.6 装填条件的变化对内弹道性能的影响
• 2.7 本章小结
• 3 钝感装药内弹道两相流模型仿真分析
• 3.1 内弹道两相流体力学模型
• 3.2 数值计算方法
• 3.3 数值模拟结果及分析
• 3.4 与常规装药性能比较
• 3.5 不同因素对弹道性能的影响
• 3.6 本章小结
• 4 火炮内弹道多指标优化设计
• 4.1 内弹道多指标（属性、目标）优化的基本问题
• 4.2 基于经典理论的火炮内弹道多指标优化设计
• 4.3 基于两相流理论的火炮内弹道多指标优化设计
• 4.4 本章小结
• 5 火药燃速系数积分型最优控制模型
• 5.1 最优控制问题的提法
• 5.2 性能指标的类型
• 5.3 积分型性能指标末端状态固定时间自由极小值原理
• 5.4 积分型性能指标末端状态自由时间自由极小值原理
• 5.5 内弹道循环的状态方程描述
• 5.6 内弹道循环的性能指标和边界条件
• 5.7 火药燃速系数最优控制模型
• 5.8 本章小结
• 6 结束语
• 6.1 主要工作
• 6.2 创新点
• 6.3 研究展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录