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双翼末敏弹稳态扫描技术研究

作　者: 胡志鹏
导　师: 刘荣忠
学　校: 南京理工大学
专　业: 火炮、自动武器与弹药工程
关键词: 双翼末敏弹自由飞行试验气动特性稳态扫描稳定性
分类号: TJ410
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本文对现有稳态扫描技术进行改进,提出了采用两片小展弦比尾翼作为末敏弹气动机构实现稳态扫描运动的技术方案。该方案利用尾翼产生非对称的气动力形成旋转运动实现稳态扫描。本文采用理论分析、数值计算和试验研究相结合的方法,对双翼末敏弹稳态扫描运动特性、气动特性以及扫描运动稳定性进行了系统的研究,为无伞末敏弹结构设计和气动外形改进提供了理论依据和技术支持。本文的主要研究内容包括以下几个方面：1)双翼末敏弹稳态扫描运动特性研究全面考虑了弹丸质量、空气动力等非对称因素,建立了大攻角状态下双翼末敏弹运动模型。进一步就双翼末敏弹弹体、两片尾翼分别进行受力分析,采用多刚体运动理论,建立了符合实际运动过程的双翼末敏弹大攻角非线性多刚体运动模型。针对双翼末敏弹运动姿态变化大的特点,采用不会出现退化的四元数法描述末敏弹的转动运动。编制了适合计算机求解的程序,获得了双翼末敏弹的运动参数,理论上分析了双翼末敏弹运动特性,为双翼末敏弹物理模型的设计和运动稳定性研究奠定了理论基础。结果表明,多刚体系统模型可以很好地描述双翼末敏弹的稳态扫描运动。2)尾翼结构参数对双翼末敏弹运动特性影响的试验研究依据无伞末敏弹气动外形设计原则,设计了平板尾翼末敏弹、S-C形尾翼末敏弹和S-S形尾翼末敏弹物理模型。进行了高塔投放的自由飞行试验,分析了三种不同尾翼形状末敏弹的运动特性。试验结果表明,无尾翼安装角的平板尾翼末敏弹不具有形成扫描运动的条件,S-C型尾翼末敏弹和S-S型尾翼末敏弹因尾翼弯折角存在能够形成扫描运动。试验得到了尾翼面积对S-C形尾翼和S-S形尾翼末敏弹运动特性影响规律：尾翼面积增加显著提高双翼末敏弹阻力系数,降低了落速,但对转动力矩系数的提升有限。试验研究了尾翼弯折角对S-S形尾翼末敏弹运动特性影响,增加尾翼弯折角在提高末敏弹转动速度的同时也增加了末敏弹运动的不稳定性。自由飞行试验为选择适合稳态扫描运动的末敏弹翼形提供依据。3)尾翼结构对双翼末敏弹气动特性的影响研究基于计算流体力学方法,对自由飞行试验的双翼末敏弹气动外形进行流场计算。获得了平板尾翼、S-C形尾翼和S-S形尾翼末敏弹三种模型的表面压力分布规律和阻力系数、升力系数和转动力矩系数随攻角变化的规律。进一步分析了不同翼展、弦长时S-C形尾翼和S-S形尾翼末敏弹的气动特性。结果表明,增加尾翼面积对增加阻力系数作用明显,对升力系数及转动力矩系数影响较小。通过尾翼弯折角组合对S-S形尾翼末敏弹气动特性影响的研究发现,尾翼弯折角是S-S形尾翼末敏弹转动力矩的主要影响因素。4)无伞末敏弹运动稳定性研究以带有安装角的平板尾翼末敏弹为模型,理论、系统地进行了双翼末敏弹运动稳定性的研究。考虑大攻角运动特征,对双翼末敏弹受力分析并推导了转动运动状态方程,根据奇点理论,分析了末敏弹运动稳定性判据。明确以参数化方式表示的运动稳定区间,阐明各结构参量对双翼末敏弹运动稳定性的影响规律。为末敏弹稳态扫描设计及参数提供了重要的理论支持。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-9
目录  9-12
图表目录  12-15
1 绪论  15-27
  1.1 研究背景  15-17
  1.2 末敏弹及稳态扫描技术发展综述  17-22
    1.2.1 末敏弹发展现状  17-19
    1.2.2 稳态扫描技术研究现状  19-22
  1.3 研究目的与意义  22-23
  1.4 研究方法  23-25
    1.4.1 运动特性研究方法  24
    1.4.2 气动特性研究方法  24-25
    1.4.3 运动稳定性研究方法  25
  1.5 论文主要研究内容及结构  25-27
2 双翼末敏弹稳态扫描运动特性  27-63
  2.1 双翼末敏弹单刚体运动模型  27-37
    2.1.1 坐标系建立及坐标变换  28-33
    2.1.2 双翼末敏弹运动模型  33-37
  2.2 四元数表示的转动运动方程  37-43
    2.2.1 四元数法的引出  38-39
    2.2.2 四元数坐标变换  39-40
    2.2.3 四元数表示的刚体运动方程  40-41
    2.2.4 用四元数表示的弹体运动方程  41-42
    2.2.5 四元数与欧拉角的转换  42-43
  2.3 双翼末敏弹扫描参数与运动参数间的关系  43-46
    2.3.1 扫描角  43-44
    2.3.2 扫描频率  44
    2.3.3 扫描轨迹  44-45
    2.3.4 末敏弹的扫描覆盖区和扫描间隔  45-46
  2.4 双翼末敏弹多刚体运动模型  46-60
    2.4.1 坐标系的建立和坐标变换  47-48
    2.4.2 参数符号约定及参数间关系  48-49
    2.4.3 末敏弹系统受力分析  49-57
    2.4.4 末敏弹系统微分方程的建立  57-60
  2.5 双翼末敏弹扫描运动仿真  60-62
    2.5.1 双翼末敏弹稳态扫描参数  60-61
    2.5.2 双翼末敏弹稳态扫描轨迹  61-62
  2.6 本章小结  62-63
3 双翼末敏弹飞行试验  63-86
  3.1 自由飞行试验设计  63-66
    3.1.1 双翼末敏弹模型的提出  63-65
    3.1.2 试验环境及测试条件  65-66
  3.2 末敏弹自由飞行试验弹道参数辨识  66-70
    3.2.1 阻力系数辨识基本原理  66-67
    3.2.2 基于图像提取的试验数据处理  67-70
    3.2.3 误差分析  70
  3.3 姿态测量原理与姿态参数解算方法  70-73
    3.3.1 姿态解算模型  71-73
    3.3.2 姿态测量处理系统的误差分析与补偿  73
  3.4 不同尾翼结构末敏弹模型自由飞行试验  73-77
    3.4.1 试验末敏弹模型及结构  73-74
    3.4.2 试验末敏弹运动特性  74-76
    3.4.3 试验末敏弹运动姿态  76-77
  3.5 不同尾翼面积末敏弹试验  77-82
    3.5.1 尾翼面积对S-S形尾翼末敏弹运动特性影响  78-80
    3.5.2 尾翼面积对S-C形尾翼末敏弹运动特性影响  80-82
  3.6 不同尾翼弯折角末敏弹模型试验  82-85
    3.6.1 不同尾翼弯折角组合模型  82
    3.6.2 不同弯折角组合末敏弹运动特性  82-84
    3.6.3 弯折角组合对试验末敏弹运动姿态影响  84-85
  3.7 本章小结  85-86
4 双翼末敏弹气动特性数值计算  86-110
  4.1 计算流体力学简介  86-87
  4.2 基于FLUENT的末敏弹流场计算  87-92
    4.2.1 气动外形  87
    4.2.2 网格划分  87-88
    4.2.3 计算方法  88-92
  4.3 典型双翼末敏弹外形气动特性  92-100
    4.3.1 平板尾翼末敏弹气动特性  92-95
    4.3.2 S-C形尾翼末敏弹气动特性  95-98
    4.3.3 S-S尾翼末敏弹气动特性  98-100
  4.4 尾翼结构参数对气动特性影响  100-109
    4.4.1 尾翼弯折角对气动特性影响  100-103
    4.4.2 尾翼尺寸对气动特性影响  103-109
  4.5 本章小结  109-110
5 双翼末敏弹运动稳定性研究  110-134
  5.1 末敏弹扰动运动方程  110-123
    5.1.1 作用于尾翼上的力  111-119
    5.1.2 末敏弹转动运动方程  119-123
  5.2 奇点理论  123-125
    5.2.1 奇点的定义  123-124
    5.2.2 奇点的分类与稳定性判别准则  124-125
  5.3 稳定性判据  125-130
  5.4 稳定区间  130-132
  5.5 稳定性影响因素  132-133
  5.6 本章小结  133-134
6 结束语  134-138
  6.1 全文总结  134-136
  6.2 论文创新点  136
  6.3 有待进一步研究的问题  136-138
致谢  138-139
参考文献  139-147
附录  147

双翼末敏弹稳态扫描技术研究

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