非对称翼自由飞行体大攻角非线性动力学特性研究及应用

Free-flying object with asymmetric fin(FFOWAF) is a new type pneumatic structure appeared in the process of developing new ammunition, which is already successfully applied in foreign country's non-parachute Terminal Sensitive Ammunition(TSA). But the kinetic mechanism how this type structure can engender stable scanning motion is not clear, which becomes an obstacle to our country's new type TSA development. Aiming at this particular problem, this project opens up new research field, establishs FFOWAF's nonlinear dynamic equation in fully consideration of its complex characteristics such as strongly asymmetric mass,strongly asymmetric pneumatic figure, and force's (moment's) nonlinearity. Breaking through the traditional quantitative analysis method of numerical integrating ballistic equation, applying differential equation theory and motion stability theory, the project qualitatively analyses the dynamic equation and its solution, studies the characters of the solution and its motion stability, so as to obtain the condition of engendering stable "spinning resonance" pattern.The project also explores the equation's analytical solution and programs to obtain its numerical solution, on this basis, analyses the laws how FFOWAF's structural, pneumatic and initial state parameters influence its dynamic characteristics,in order to guide the design of FFOWAF model to carry out the experiment of casting it from cannon or from the air. The project's results can not only help us to overcome the theoretical and technical puzzles ine the process of developing new ammuniton, but also can enrich and expand the contents of classical Exterior ballistics and Flight mechanics.

非对称翼自由飞行体是新型弹药研制过程中出现的一种新型气动结构，国外已成功应用于无伞末敏弹。但此类气动结构形成稳态扫描运动的动力学机理尚不明确，这成为制约我国新型末敏弹研制的一个瓶颈。本项目针对这一特定问题开辟新的研究方向。充分考虑质量和气动外形强非对称、力和力矩非线性等复杂特性，建立非对称翼自由飞行体的非线性动力学方程；突破传统数值积分弹道方程的定量分析方法，应用微分方程理论和运动稳定性理论对方程及其解进行定性分析，研究方程的解的性质及其运动稳定性，确定产生稳定"旋转共振状态"的条件；探索方程的近似解析解，编程求解方程的数值解，在此基础上，分析非对称翼自由飞行体的结构参数、气动参数及起始状态参数对其动力学特性的影响规律，指导设计非对称翼自由飞行体模型，进行抛射或高空投放试验验证。项目研究成果对解决我国新型弹药研制过程中的关键理论和技术难题、丰富发展经典外弹道学及飞行力学理论具有重要意义。

本项目以无伞末敏弹为背景，研究非对称翼自由飞行体的动力学特性，探索无伞末敏弹形成稳态扫描运动的机理，解决我国新型弹药研制过程中的理论和技术难题。共发表论文12篇，EI检索7篇。.（1）为避免以攻角为变量导致计算复杂，定义了适合描述非对称翼自由飞行体大攻角飞行的全新运动变量，构建了考虑大攻角非线性时的空气动力和力矩模型。.（2）构建了气动非对称弹丸的动力学模型，推导出了攻角方程，采用系数冻结法求出了其近似解析解。在此基础上，应用相空间和奇点理论，探讨了旋转共振状态的稳定性及稳定条件。.（3）运用振幅平面法分析了无伞末敏弹在不同形式赤道阻尼力矩作用下的运动稳定性，得到重要结论：须在考虑大攻角时赤道阻尼力矩与攻角变化率有关、且章动阻尼与进动阻尼特性不同时，无伞末敏弹才可能形成稳定圆运动。建立了此种赤道阻尼力矩作用下弹丸的强迫运动方程，应用改进的拟线性法求解了其近似解析解。应用线性变分理论及Hurwitz判别准则，求解出了弹丸做稳定强迫圆锥运动时自转角速度和气动偏心角应满足的条件。.（4）建立了考虑质量分布强非对称和气动外形强非对称时的弹丸动力学模型，进行数值积分计算，得到横/纵向转动惯量比、动不平衡角、气动偏心角对无伞末敏弹扫描参数的影响规律。.（5）采用平均法求解了弹丸变系数运动微分方程的近似解析解，得到阻尼方程。通过分析空气密度梯度对阻尼方程的影响，发现无伞末敏弹在扫描下降阶段静稳定性会变好，为解决矮圆柱形末敏弹静稳定度设计难的问题提供了思路。.（6）用四元数法建立了非对称翼自由飞行体的六自由度运动微分方程，解决了欧拉角参数法在大攻角时会使方程出现奇异性而无法数值求解的问题，编制了其数值积分软件。该软件可以完成任意参数组合下弹丸飞行轨迹和姿态的计算。.（7）研究确定了使用小型无人直升机的模型升空投放方案及用惯性器件和磁传感器的姿态测试方案。完成四次升空投放试验，获得很多有价值的实验数据。