水中常规弹药引信环境敏感及安全控制技术研究

论文摘要

复杂多样的现代战争需要与之相适应的武器装备。我国领海广阔,与邻国海上争端不断,发生海上武力冲突的风险很大,大力发展海军及海军武器装备意义重大且十分迫切。水中发射和使用的中小口径弹药与武器系统是目前海军特战队装备发展的方向之一。相对陆上弹药引信而言,水中弹药引信的研究比较薄弱,已有的研究也一直侧重于水中目标探测与识别技术。水下火箭弹这种水中常规弹药具有发射过载低、无旋转的特点,其引信设计尤其是环境敏感与安全控制方面存在诸多技术难题。解决水中常规弹药引信环境敏感及安全控制方面的诸多关键技术,对于改善目前国内在水中常规弹药引信安全控制方面的薄弱现状,拓展引信技术的应用空间,推动水中常规弹药引信的发展以及提高我国水下兵器的装备水平具有重要的现实意义。本文以某水下火箭弹引信为研究对象,根据弹药的工作过程及引信系统设计的总体要求,对可用的环境信息进行了分析,采用弹道压力和流体动力作为环境激励,通过压力传感器和涡轮机构实现引信的环境敏感与安全控制。并提出了引信系统设计中的难点问题和关键技术。为获得引信涡轮转速与弹丸速度的函数关系,同时为引信涡轮参数的优化设计奠定基础,建立了水中弹药引信涡轮的转动数学模型。与现有空气中引信涡轮数学模型相比,该模型考虑了流体粘性,构建了涡轮结构参数与动力性能之间的定量关系,且不依赖于试验获得的经验系数。为尽量保持弹丸的原有外形,保证其外弹道性能,引信头部涡轮轮毂端面无导流装置。分析了涡轮轮毂端面无导流装置时造成的流动损失,在此基础上,提出了该情况下考虑边界层及边界层分离的叶片入口速度修正方法。此外,通过分析小攻角情况下涡轮叶片一周范围内流体入射角、边界层厚度及入口速度分布的对应关系,提出了小攻角情况下涡轮转速近似计算的理论方法。对压力传感器的类型、参数和供电方式等进行了比较分析。采用数值方法计算了不同攻角、不同水深和不同速度共42种情况下的弹体压力数据,提出传感器安装位置的优化选择策略,对压力传感器安装位置进行了优化选择。对涡轮转速测量系统的关键参数进行了设计,并分析了不同转速测量方法的误差。基于最优化理论,提出了引信涡轮参数非线性优化设计的流程与方法,以解决目前引信涡轮结构参数经验设计与试验设计的缺陷,提高设计效率与质量。以弹速-涡轮转速具有最好的线性度为目标,对引信涡轮参数进行了优化设计。根据水中弹药两相流动的CFD技术的相关基础理论与模型,在考虑高速流动、旋转流场与空化现象的基础上,提出了引信涡轮三维流场数值仿真方法。并比较了Schnerr-sauer空化模型和Zwart-gerber-belamri空化模型对水中弹药引信涡轮流场进行数值仿真计算的适用情况。采用粘性流体的CFD技术,对引信涡轮零攻角与小攻角情况下的转速进行了计算,分析了引信头部的压力分布、涡轮的轴向受力及涡轮叶片的变形,为涡轮机构的设计提供一定的数据支撑。讨论了空化初生及其影响因素。研究了空化对流体动力特性的影响,以及空化试验的一般准则。从理论上分析了涡轮机构对水中常规弹药射程与弹丸稳定性的影响,根据数值方法计算的结果,研究了涡轮机构对弹丸头部阻力系数、压力中心、俯仰力矩及俯仰力矩系数等的影响,定量分析了有涡轮和无涡轮弹丸射程及稳定性的差异。根据系统要求,设计了涡轮机构及引信控制电路,研制了引信系统原理样机,并开展了静态实验与水洞模拟实验。实验结果表明,采用的引信设计方案是可行的。同时验证了水中弹药引信涡轮转动数学模型及参数优化设计方法的正确性。文中引信系统设计方法、所涉及的理论模型、数值仿真技术及实验方法,对水中常规弹药引信系统设计及安全控制具有较高的参考价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 引信环境敏感与安全控制技术的研究进展
• 1.2.1 引信技术发展概述
• 1.2.2 引信环境敏感与安全控制技术的研究进展
• 1.3 水中常规弹药引信及相关技术的发展概况
• 1.3.1 水中常规弹药及其引信的发展
• 1.3.2 低后坐无旋弹药引信安全控制技术研究概况
• 1.3.3 引信涡轮远距离解除保险机构的研究进展
• 1.4 本文的研究内容及行文安排
• 2 水中常规弹药引信系统总体方案设计及关键技术分析
• 2.1 某水中常规弹药工作过程及引信系统总体要求
• 2.2 水中常规弹药引信可用环境信息分析
• 2.3 某水中常规弹药引信系统总体方案设计
• 2.4 引信安全系统工作原理
• 2.4.1 测量弹体压力解除保险的原理
• 2.4.2 涡轮远距离解除保险机构工作原理
• 2.5 水中常规弹药引信系统设计关键技术分析
• 2.6 本章小结
• 3 基于动量定理及机翼理论的引信涡轮数学模型
• 3.1 涡轮叶片驱动力矩的理论计算模型
• 3.1.1 基于动量定理的涡轮叶片驱动力矩计算
• 3.1.2 基于机翼理论的涡轮涡轮叶片驱动力矩计算
• 3.2 涡轮测量系统各阻力矩的计算
• 3.2.1 机械摩擦阻力矩
• 3.2.2 粘性阻力矩
• 3.2.3 其他阻力矩
• 3.3 涡轮叶片入口速度的修正
• 3.3.1 钝头体绕流二元流场理论模型
• 3.3.2 轮毂表面边界层的影响
• 3.3.3 边界层分离时的流速分布
• 3.3.4 入口速度分布的模型验证
• 3.4 弹丸小攻角情况下的计算模型
• 3.5 本章小结
• 4 水中常规弹药引信环境敏感系统参数设计及优化方法
• 4.1 压差测量系统的优化设计
• 4.1.1 压力传感器的确定与供电设计
• 4.1.2 传感器安装位置的选择优化
• 4.2 远距离解除保险系统的参数优化设计
• 4.2.1 转速测量方法及误差分析
• 4.2.2 转速测量系统参数设计
• 4.3 涡轮参数多目标非线性优化方法
• 4.3.1 最优化问题的数学模型
• 4.3.2 优化参数的无量纲化及约束条件
• 4.3.3 目标函数与多目标优化方法
• 4.3.4 优化算法
• 4.3.5 涡轮参数的优化算例
• 4.4 本章小结
• 5 基于粘流理论的水中弹药两相流CFD技术
• 5.1 粘性流体的CFD理论及模型
• 5.1.1 流动控制方程
• 5.1.2 数值离散方法
• 5.1.3 网格生成技术
• 5.1.4 多相流数值模拟方法
• 5.2 涡轮三维流场数值仿真方法
• 5.2.1 湍流、空化模型与旋转坐标系
• 5.2.2 几何模型与网格划分
• 5.2.3 边界条件与求解算法
• 5.3 空化模型的比较
• 5.3.1 Schnerr-sauer空化模型
• 5.3.2 Zwart-gerber-belamri空化模型
• 5.3.3 涡轮表面空化情况仿真结果比较
• 5.3.4 数值仿真结果的实验验证
• 5.4 基于CFD技术的涡轮性能预测
• 5.4.1 零攻角不同水深条件下的涡轮转速
• 5.4.2 小攻角情况下的涡轮转速计算
• 5.4.3 引信头部压力分布与涡轮轴向力
• 5.4.4 涡轮叶片的形变分析与强度校核
• 5.5 本章小结
• 6 空化分析及引信涡轮对外弹道性能的影响研究
• 6.1 空化对引信涡轮的影响分析
• 6.1.1 空化初生及影响因素
• 6.1.2 空化试验的研究方法
• 6.1.3 空化对流体动力学特性的影响分析
• 6.2 涡轮机构对弹丸外弹道性能的影响研究
• 6.2.1 理论分析
• 6.2.2 涡轮机构对头部阻力系数的影响
• 6.2.3 涡轮机构对头部压力中心的影响
• 6.2.4 涡轮机构对俯仰力矩及俯仰力矩系数的影响
• 6.2.5 涡轮机构对弹丸稳定性与射程的影响
• 6.3 本章小结
• 7 原理样机及实验
• 7.1 原理样机的制作
• 7.1.1 控制电路总体方案设计
• 7.1.2 主控芯片设置
• 7.1.3 电源模块设计
• 7.1.4 放大电路设计
• 7.1.5 执行电路设计
• 7.1.6 加速度测量与弹载存储电路设计
• 7.1.7 原理样机
• 7.2 静态实验
• 7.2.1 压力测量电路模块的测试实验
• 7.2.2 供电方式对压力传感器温度特性的影响实验
• 7.2.3 涡轮转速测量方法的精度验证实验
• 7.3 高速空化水洞模拟实验
• 7.3.1 涡轮转动理论数学模型的验证实验
• 7.3.2 涡轮参数优化前后的性能对比实验
• 7.3.3 空化性能及空化对涡轮转动的影响实验
• 7.3.4 解除保险距离散布的模拟实验
• 7.3.5 小攻角情况下的涡轮转速测量实验
• 7.4 本章小结
• 8 总结及展望
• 8.1 全文的工作总结
• 8.2 本文的创新点
• 8.3 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录