基于陀螺力学的旋转导弹锥形运动分析

针对旋转导弹飞行中弹体的锥形运动,利用陀螺动力学中的双自由度陀螺线性扰动方程建立数学模型,分别分析了纵向静稳定力矩和侧向力矩对旋转导弹锥形运动的作用机理;利用布尔加可夫相空间方程组,分析线性气动阻尼对旋转导弹的锥形运动的影响。结果表明, 旋转导弹锥形运动的幅度随弹体气动静稳定性而增加,故气动参数m αz的选择应以导弹质心最靠后时仍能保持弹体纵向中立静稳定为标准, 而且线性气动阻尼对旋转导弹的锥形运动的稳定是不利的,并最后导致旋转导弹锥形运动的发散。     

喷气阻尼效应作用下旋转导弹锥形运动分析

研究了喷气阻尼和推力偏斜对旋转导弹锥形运动的影响。建立了考虑变质量特性和喷流影响的旋转导弹姿态动力学模型。将旋转弹姿态动力学方程分为自旋运动和锥形运动两组,用复攻角简化锥形运动的微分方程,分析了自旋转速和锥形运动,推导出准攻角和准侧滑角的解析解,讨论了陀螺力矩、气动力矩、喷气阻尼力矩和推力偏斜对锥形运动的影响,获得了锥形运动稳定的条件。仿真结果验证了理论分析的正确性。研究表明:喷气阻尼效应增大了锥形运动的阻尼,利于锥形运动的稳定,但对锥形运动的频率无影响;推力偏斜使锥形运动中增加了与自旋同频的受迫振动,为限制受迫振动的幅度应使自旋转速避开慢圆运动和快圆运动的频率,并增大锥形运动的阻尼。研究对旋转弹的喷气阻尼力矩影响分析和总体设计有较大的参考价值。     

具有脉冲姿控发动机的自旋导弹动态分析与控制设计

对脉冲姿控发动机阵列和自旋导弹进行建模,在导弹动力学模型中通过定义为矢量形式的力和力矩放大因子来描述喷流干扰效应,指出了这种定义的优点。在只考虑稳定气动力矩的情况下对低速自旋导弹进行了简单的动态分析,通过定义进动坐标系直观地表示了导弹的陀螺运动。动态分析的结论导致了导弹动力学方程的简化并应用到控制策略的设计中,最后设计了控制策略和点火逻辑。给出了采用不同喷流干扰效应数据情况下分别应用枚举算法和快速算法的点火逻辑的仿真结果,其验证了控制算法和快速点火逻辑的有效性,并显示出喷流干扰效应中的主向力矩因子的影响是主要的。     

自旋导弹飞行共振稳定性研究

弹体滚转时,结构不对称等因素会对导弹的角运动产生周期性的强迫干扰。针对自旋导弹飞行过程中的周期性干扰和非线性气动特性,建立了非线性弹体角运动模型。在此基础上,采用多尺度法对自旋导弹的受迫角运动方程进行了求解,得到了近似解析解并研究了其稳定性。研究表明,当弹体转动速率接近固有频率时,气动非线性项及干扰项都将影响弹体角运动的稳定性;分析结果显示,合理地设计气动外形可避免共振不稳定的发生,这对自旋类导弹的工程研制具有一定的指导性意义。     

鸭式布局旋转导弹气动特性研究

对鸭式布局旋转导弹气动特性研究进行了综述。介绍了旋转气动特性、鸭式布局气动特性,以及鸭式布局旋转气动特性的研究成果。鸭式布局旋转导弹的流场中包含丰富的涡系结构,其气动特性存在典型的非线性、非定常特点。数值计算和风洞试验表明,纵向气动特性随转速变化不大,用准定常理论可解决旋转弹纵向气动力计算问题;导弹的马格努斯效应随攻角变化呈现非线性变化趋势。定常和非定常数值计算研究表明,鸭式布局前升力面产生的非定常自由涡是影响导弹气动性能的关键。     

滚转偏转头导弹动态特性分析

基于复角模型,研究了弹头偏转对于偏转头导弹飞行稳定性和操纵性的影响。依据偏转头导弹的多体特点,建立了包含弹头和弹体动力学特征的滚转偏转头导弹多体动力学模型,通过模型简化,得出了其复角模型。以弹头偏角作为输入,攻角和侧滑角作为输出,得出了滚转偏转头导弹的传递函数。分析传递函数发现,弹头偏转主要影响了导弹传递函数的零点,文中给出了满足系统最小相位的条件公式;当弹体绕纵轴逆时针旋转时（由弹尾向前看）,导弹模型总为最小相位系统;定性分析了气动参数对于导弹运动稳定性的影响,得出弹头偏转运动对于飞行稳定性没有直接影响的结论;动力学仿真表明,弹头与弹体相互作用,导致两者产生相反的角运动。本研究表明,通过合理的选择气动和结构参数,并使导弹飞行过程中绕纵轴逆时针旋转,可以保证偏转头滚转导弹飞行过程中的运动稳定性,并有利于自动驾驶仪的设计。     

高超声速导弹多场耦合仿真

为准确预测高超声速导弹气动力与气动热环境，采用分区求解方法，实现气动力/热/结构多场耦合计算，并通过与试验值对比确立了耦合仿真方法的有效性。建立大长细比高超声速导弹仿真计算模型，对导弹弹体结构变形、温度场和压力场进行了数值模拟。仿真结果表明：弹体结构随着攻角增加发生轴向拉伸和横向弯曲；拉伸变形主要由气动热引起，弯曲变形主要由气动力引起；导弹头部气动热与气动力载荷大；耦合效应随着导弹攻角增加更加明显，造成导弹气动热力学环境更加严酷。     

单通道控制的旋转弹锥形运动稳定性研究

锥形运动是旋转弹角运动的基本形式,其稳定性问题一直是旋转弹领域的研究热点。以一对鸭舵作用下的单通道控制旋转弹为研究对象,给出了弹体坐标系下的线性化角运动模型,通过数值仿真,揭示了一对鸭舵带来的气动不对称对其角运动特性的影响规律。利用劳斯判据,给出了解析形式的锥形运动稳定条件,该条件可等效为锥形运动稳定条件下的转速范围,不同转速下的仿真结果证明了该稳定条件的正确性。在相同的转速条件下,正弦式鸭舵的控制频率在慢模态衰减频率附近时,可诱发强烈的共振不稳定。研究结果可为一对鸭舵作用下的旋转弹总体设计及制导控制系统设计提供参考。     

旋转导弹广义马格努斯动力学建模

针对传统基于理论计算、工程估算及大量飞行试验迭代辨识建立的动力学模型无法实现旋转导弹交叉耦合效应定量表征的问题,基于非定常CFD计算结果并结合傅里叶系数展开法,对广义Magnus效应建模进行了研究。基于参数辨识理论,用一周等效法建立旋转导弹的交叉耦合力和力矩的周期描述;基于频谱分析方法,将非定常计算的实时计算结果用傅里叶级数法叠加至Magnus力与力矩的周期描述中,形成沿时间轴展开的结果;将建立的力和力矩描述代入六自由度刚体运动学和动力学模型,构建完整的交叉耦合动力学模型。仿真计算发现:广义Magnus力会提高导弹的稳定性;广义Magnus力矩会降低导弹的稳定性甚至导致螺旋的锥形运动,当该力矩达到导弹主力矩7%时导弹处于临界稳定。该结论可用于驾驶仪设计以避免导弹出现锥形失稳,在工程中有重要指导意义。     

复杂运动下弹载雷达杂波建模方法

旋转是制导导弹为消除推力偏心、增强弹体飞行稳定性、提高打击精度所采用的一种重要手段。在导弹旋转飞行过程中，会产生马格努斯效应和陀螺效应，使旋转导弹具有特殊的动力学特性，这种特性表现为弹体除了绕自身的对称轴旋转外，还会产生进动与章动，弹体的复杂运动使杂波特性发生变化。本文提出一种对弹体的自旋、进动和章动进行精确建模的方法。仿真结果表明:与理想的正侧视模型相比，该方法能更加准确刻画导弹的运动特性，对弹载平台下的杂波进行更精确化的建模。     

直接力／气动力复合控制导弹自动驾驶仪解耦设计

针对采用脉冲发动机姿控方式的复合控制导弹由于弹体旋转引起的耦合效应,提出了 一种对惯性积耦合和运动学耦合的完全补偿的解耦设计方法。首先在完成气动力/直接力复 合控制弹体动力学建模的基础上,对复合控制导弹的耦合机理进行了分析;然后根据完全补 偿策略设计了复合控制导弹的解耦控制器。最后,通过仿真验证了该方法的有效性。     

发射扰动与初始弹道耦合模型研究

针对火箭、导弹发射扰动与初始弹道互相耦合引起的弹道散布问题,提出发射扰动与弹道解算相耦合的计算分析模型。该模型以多体系统动力学为基础,建立能够模拟弹架相互作用和弹体初始扰动的发射动力学模型,并将弹体受到的气动载荷转化到弹体坐标系下进行刚体动力学计算以获得弹道参数。通过滚转弹应用实例分析表明,采用此模型能够有效模拟发射扰动与初始弹道相互耦合状态;弹架间隙扰动与气动载荷作用都会对弹体在飞行时的姿态角及飞行位置产生较大影响。当存在1 mm的弹架间隙且有气动载荷作用的影响下,与无弹架间隙和气动载荷的作用影响的结果对比发现,存在弹架间隙扰动的影响会使得弹体在飞行过程中的俯仰角和弹道倾角的幅值范围减小4°左右,也使得弹体在飞行过程中的Y向位移量在1.5 s时刻减小6 m左右;存在气动载荷作用的影响,会使得弹体在0.5 s撤去推力后的姿态角成波动式变化,滚转弹稳定飞行,也会使得弹体Y向位移量在撤去推力后持续的平稳增加。     

扭曲尾翼弹箭的马格努斯数值研究

为提升掠飞攻顶弹箭较高转速下的飞行稳定性,运用数值计算方法研究了弹体-扭曲尾翼组合体在飞行过程中的马格努斯效应气动机理,并应用标准尾翼弹(BFM)模型的实验数据对数值方法进行了验证。分别研究了带有平板尾翼和扭曲尾翼弹体模型的马格努斯力和力矩随攻角的变化规律,并针对弹体弹翼组合体产生马格努斯效应的机理深入分析。结果表明,扭曲尾翼可有效改善翼面的压力分布,并降低弹体对翼面马格努斯效应的干扰,在大攻角时其表现更胜一筹;弹体所受马格努斯力较大,主要集中在受到涡对称畸变的尾锥部;尾翼主要由于弹体干扰以及几何外形的影响马格努斯力集中在尾部,两者产生的马格努斯力矩数值相差不大,但方向相反。     

高机动旋转导弹鸭式双通道控制研究

对高机动旋转导弹双通道鸭式控制进行了研究。介绍了双通道控制原理,分析了双通道控制的过载能力强,理论上对最低转速无要求,驾驶仪设计复杂度小,利于工程实现等相对单通道控制的优点。讨论了双通道控制考虑两对鸭舵滚转不对称、鸭舵下洗和气动非定常时的气动设计,以及转速设计中零转速、与弹体纵向响应频率和大机动转速变化对控制系统的影响的要点。研究认为高机动旋转导弹采用鸭式双通道控制可行。     

单通道控制旋转弹系统动力学建模与Hopf分岔

为准确预测旋转弹系统的锥形运动形态并判断其稳定性，提出一对鸭舵引起的气动不对称性以及可能引起复杂非线性动力学特性的非线性因素，建立能准确描述单通道控制旋转弹系统姿态运动的复数形式的动力学模型并分析讨论其动态稳定性条件。利用分岔理论对单通道控制旋转弹系统开展Hopf分岔研究，给出了Hopf分岔发生的判断准则；推导了用于判定极限环稳定的第一Lyapunov系数。数值仿真结果验证了条件的正确性与有效性并发现了拟周期运动及混沌运动。研究结果为旋转弹的控制参数设计及结构参数设计提供理论参考。     

旋转导弹Gurney襟翼尾翼气动特性研究

对某旋转导弹加装Gurney襟翼的尾翼气动特性进行了研究。基于该导弹气动外形,将产生滚转力矩的斜置尾翼改为加装Gurney襟翼的平置尾翼。建立了计算模型,不同外形、马赫数和攻角条件下的数值计算表明:增加Gurney襟翼的尾翼增加了导弹的滚转力矩,同时也增大了阻力,降低了升阻比。合理选择Gurney襟翼的偏折展弦长和偏折角度,可在保证升阻比和全弹压心变化不大的条件下,改善导弹亚跨段转速特性。风洞试验结果验证了数值计算结果的正确性。     

防空导弹控制系统分析

基于弹体动力学,讨论了防空导弹运动的可控性及其条件。采用以速率陀螺为敏感元件与伺服系统构成的速率反馈回路,以及为适应静不稳定弹体的气动特性引入的具复合反馈的稳定回路,以使弹体的跟踪过程有较佳的动态响应,并分析了两种回路的特性。讨论了导弹非中立稳定、中立稳定等状态的控制,以及控制系统的响应。研究表明：具复合稳定回路控制系统的弹体运动稳定和指令控制的鲁棒性较优。     

导弹大攻角中的一个气动问题

首先提出了导弹大攻角中一个值得重视和深入研究的气动问题，即导弹“X字型”状态下M数2．0附近俯仰力矩存在较严重的非线性问题；接着对此问题进行了初步的分析和讨论。通过对十字翼轴对称导弹气动外形“ X”矛盾固有性的阐述，揭示了“ ”、“X”状态下全弹气动特性差异的主要原因；通过对“X字型”状态下M数2．0与M数3．0气动特性差别的分析，表明了M数2．0附近气动力非线性严重的几个主要影响因素；论述了mz非线性与导弹极限攻角的关系以及影响α*的主要因素，并提出增大α*的综合改进措施。     

随动推力作用下柔性旋转飞行器稳定性分析

针对柔性旋转飞行器动力学问题,考虑了飞行器转速的作用,建立了计入陀螺力矩及随动推力影响的运动方程并分析了系统的动力稳定性问题。将柔性旋转飞行器简化为带有附加质量的非均匀转子结构,考虑陀螺力矩及随动推力的影响,采用剪切变形对轴向位移有影响的Timoshenko梁模型,基于有限元方法建立了运动方程,分析转速、剪切刚度及附加质量等因素对系统稳定性的影响,发现了转速作用下旋转飞行器刚体和弹性体模态耦合的新现象。结果表明：剪切刚度较小时,剪切变形对临界推力有较大影响;附加质量的大小及位置对临界推力和不稳定域有重要的影响;转速一般会诱发非均匀转子系统的弯曲模态与刚体模态合并为一个耦合模态,致使系统产生动态失稳。     

旋成体在无侧滑大攻角下的横向气动力特性

介绍具有尖锥头部细长旋成体（以下简称弹体）在无侧滑下横向气动力随攻角变化特性，其中包括尖锥头部顶角、旋成体长细比、初始滚转角、试验雷诺数诸参数对横向气动特性的影响。还介绍美国ＮＡＳＡ的一篇综合研究报告的部分结果。试验结果表明，在低亚音速下，弹体气动特性对上述诸参数反应极为敏感，有时呈现随机特性。头部加边条、减小长细比或在后体装尾翼，将有助于减弱横向气动力。采用弹体旋转飞行技术，虽然产生Ｍａｇｎｕｓ侧向力，但有效地克服了气动力的随机性。