炮射巡飞弹的弹道设计和飞行控制分析

摘要

现代战争是科技的战争，随着新时代军事科技的日新月异，实现精确打击已经成为新型常规武器的首要任务。快速侦查并且摧毁敌方目标必然是现代战争所需要的，这时便出现了巡飞弹，它既能承担侦查工作又能实现打击目标的任务。本文以一种利用火炮平台发射的巡飞弹为研究对象，对巡飞弹的气动特性、飞行弹道设计和飞行控制等方面内容进行分析和研究。
　　首先，建立了炮射巡飞弹的结构模型，对其结构模型进行网格划分，通过气动流场专用计算软件来模拟巡飞弹在不同工况下的气动特性，得出巡飞弹升力系数、阻力系数、升阻比、压心系数、静力矩系数、静稳定度等随马赫数、攻角和舵偏角的变化规律，完成了巡飞弹的气动模拟计算，为后面的弹道设计打好基础。
　　其次，对巡飞弹进行了弹道设计，在巡飞弹的制导段采用基于最大升阻比的方法进行设计，利用GPS/INS组合导航使巡飞弹按着基于最大升阻比的滑翔方案弹道飞行;当滑翔到预定高度时，巡飞弹尾部发动机开始工作，推动巡飞弹定高直线飞行，进入直线平飞段;当飞行到敌方目标上空区域，进入侦察巡飞段;开始执行侦察作战任务。
　　然后，为了使巡飞弹能按照所需要的方案弹道飞行，对巡飞弹进行了控制系统设计:分别建立了巡飞弹的舵回路、阻尼回路、俯仰角稳定回路、高度稳定回路和倾斜稳定回路，对各个稳定回路进行了PID控制器设计，并且对PID控制器参数进行了整定，使得整定的参数在频域和时域内具有良好的控制性能，所设计的控制系统具有良好的动态特性和稳定性。
　　最后，在所建立控制回路的基础上对巡飞弹进行了弹道数字仿真，仿真结果表明，控制弹道能够达到预设的要求，控制系统能够满足飞行控制设计的总体要求。
　　文中提出的弹道设计方法、飞行控制方案和数值仿真结果等为巡飞弹的研制提供了理论与技术支持。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 课题研究的背景与意义

1．1．1 巡飞弹的需求背景

1．1．2 炮射巡飞弹的研究意义

1．2 国内外研究发展现状和趋势

1．2．1 国内外典型的炮射巡飞弹简介

1．2．2 炮射巡飞弹气动外形设计研究现状

1．2．3 炮射巡飞弹稳定设计研究现状

1．2．4 炮射巡飞弹弹道理论研究现状

1．2．5 飞行过程中弹体的动态特性分析研究现状

1．2．6 炮射巡飞弹控制系统的设计理论和方法研究现l状

1．2．7 炮射巡飞弹探测技术以及数据处理方法研究现状

1．2．8 炮射巡飞弹的发展趋势

1．3 炮射巡飞弹研究中需解决的相关弹道理论和飞行控制设计方法

1．4 论文的主要研究内容

1．4．1 炮射巡飞弹的弹道数等吲笔型

1．4．2 炮射巡飞弹的气动特性分析

1．4．3 炮射巡飞弹的飞行弹道设计研究

1．4．4 炮射巡飞弹弹体动态特性分析方法研究

1．4．5 炮射巡飞弹的控制系统设计和弹道数值仿真

2 炮射巡飞弹的数学模型

2．1 几个常用坐标系定义及转换

2．1．1 常用坐标系的定义

2．1．2 常用坐标系的转换

2．2 巡飞弹舵面布局和舵偏角转换

2．2．1 巡飞弹舵面布局

2．2．2 巡飞弹等效舵面偏角转换

2．3 作用在巡飞弹上的力和力矩

2．3．1 作用在巡飞弹上的力

2．3．2 作用在巡飞弹上的力矩

2．4 巡飞弹空间运动方程组

2．4．1 动力学方程组

2．4．2 运动学方程

2．4．3 几何关系方程

2．4．4 控制关系方程

2．5 本章小结

3 炮射巡飞弹的气动力数值计算与气动特性分析

3．1 气动力计算坐标系的建立

3．2 控制方程

3．2．1 控制方程离散化

3．3 时间推进

3．4 边界条件及初始条件

3．4．1 边界条件

3．4．2 初始条件

3．5 湍流模型的选择

3．6 气动模型的计算条件和网格的生成

3．6．1 气动模型的计算条件

3．6．2 气动模型计算网格的生成

3．7 数值模拟和结果分析

3．7．1 翼体组合体升力特性分析

3．7．2 翼体组合体阻力特性分析

3．7．3 翼体组合体升阻比分析

3．7．4 翼体组合体压心系数分析

3．7．5 弹翼组合体静力矩系数分析

3．7．6 尾翼舵气动特性分析

3．7．7 不同条件对巡飞弹气动特性参数的影响

3．8 本章小结

4 炮射巡飞弹的方案弹道设计

4．1 炮射巡飞弹的弹道特性

4．1．1 无控上升段

4．1．2 稳定段

4．1．3 制导段

4．2 方案弹道设计

4．2．1 弹道模型

4．3 方案弹道的设计和分析

4．3．1 无控上升段的数值计算和结果分析

4．3．2 基于最大升阻比的滑翔段数值计算和结果分析

4．3．3 整个制导段的数值计算和结果分析

4．4 本章小结

5 炮射巡飞弹的扰动运动方程与动态特性分析

5．1 炮射巡飞弹的扰动运动方法研究

5．1．1 小扰动法

5．1．2 运动方程的线性化

5．1．3 扰动运动方程组

5．2 炮射巡飞弹的动态特性分析

5．2．1 巡飞弹特征点选取

5．2．2 巡飞弹扰动运动传递函数

5．2．3 巡飞弹弹体的稳定性

5．2．4 巡飞弹弹体的操作性

5．2．5 巡飞弹舵回路的设计

5．2．6 舵机作阶跃偏转时巡飞弹弹体特性分析

5．2．7 舵机作谐波振荡时弹体的频率特性分析

5．3 本章小结

6．炮射巡飞弹的控制系统设计和弹道仿真

6．1 炮射巡飞弹的控制系统设计

6．1．1 基于PID的控制方法和控制参数设计原则

6．1．2 炮射巡飞弹控制系统

6．1．3 俯仰通道稳定回路设计与分析

6．1．4 阻尼回路设计

6．1．5 俯仰角稳定回路设计

6．1．6 高度稳定回略设计

6．1．7 滚转通道稳定回路设计与分析

6．2 炮射巡飞弹控制弹道仿真

6．2．1 弹道数字仿真目的及其流程

6．2．2 炮射巡飞弹弹道数据解算流程

6．2．3 炮射巡飞弹非线性模型

6．2．4 阻尼回路仿真效果

6．2．5 高度回路仿真效果

6．2．6 弹道仿真效果

6．2．7 控制弹道仿真效果

6．3 本章小结

7．结束语

7．1 论文研究内容总结

7．2 本文创新点

7．3 展望

致谢

参考文献