电磁轨道炮是一种利用电磁力加速载荷,并以载荷动能直接摧毁目标的新概念武器。它不仅突破了传统火炮的发射速度极限,还具备打击精度高、可控性强、破坏效能大的优点,在实战应用中具有极高的价值。在未来战场上,攻击目标将具有更强的机动性与防御能力,这对电磁轨道炮的发射性能提出了更高的要求,例如:超高精准打击能力,超高效能杀伤力等。因此,研究提高轨道炮发射精度和效率的方法是电磁轨道炮实战化进程的重要内容。本文以脉冲功率电源为研究对象,编写了电磁轨道炮的数值计算程序,对脉冲电源输出精度、炮口初速控制和电源系统参数优化等问题进行了深入探讨。论文的主要内容包括以下四个方面:
首先,编写了电磁轨道炮数值计算程序,提高了仿真研究的效率,为后续仿真、控制和优化奠定了基础。根据电磁轨道炮的工作原理及组成,采用了一种基于有限差分法的数值计算思想,通过合理假设将轨道炮模型解耦为脉冲电源模型和导轨-电枢模型两部分,并采用步进法迭代求解。充分考虑轨道炮发射过程中的物理现象,建立了脉冲功率电源模型、导轨-电枢模型和动力学模型。与Pspice软件的仿真结果以及轨道炮装置的试验结果对比,该数值计算程序的计算结果准确,并且大幅提高了仿真效率,验证了数值计算程序的可行性。
然后,提出一种脉冲电源输出精度控制方法,为脉冲电源高精度输出提供参考。该方法定义了脉冲电流的波形特征参数:电流峰值Ip、上升时间Tr和20%脉宽Tw,并将脉冲电源输出误差分解为大功率器件电气参数分散性、工作温度、放电电压精度和放电次数的影响。研制了一台3.270 m F/3 k V脉冲电源装置,得到了该电源输出电流的波形特征参数误差与4种影响因素的定量关系式。最终,开展了脉冲功率电源温度实验进行验证。对比波形特征参数变化量的实测结果与理论计算结果,结果表明:当温度变化20℃,相隔80发放电试验时,电流峰值Ip、上升时间Tr和20%脉宽Tw理论计算与实测结果基本一致,验证了脉冲电源输出精度控制方法的有效性。
其次,提出一种基于机器学习的炮口初速控制方法,并建立了炮口初速闭环控制系统,能使炮口初速精度达到千分量级。该控制系统以电枢到达位置1和2的时间和速度（t1,v1,t2,v2）为观测信号,调速电源的触发时刻（n0,t0）为系统控制信号,基于机器学习建立了（t1,v1,t2,v2）和（n0,t0）的预测模型。在发射过程中,实时监测信号（t1,v1,t2,v2）,预测触发时刻（n0,t0）,控制调速电源的输出电流,调整炮口初速,提高炮口初速精度。1000组测试样本的测试结果表明:所有样本的炮口初速vm均满足炮口初速±1‰偏差要求,验证了控制方法的有效性。最后分析了系统响应时间的需求,说明了控制系统在快速响应方面的可行性。
最后,提出一种基于群智能混合算法的分布储能式轨道炮电源参数优化方法,旨在轨道-电枢参数固定,发射任务不变的前提下,得到最优电源参数组合,使系统发射效率达到最高。该优化算法采用了双层规划分析的思想,将优化问题分成了电气参数优化层和分布参数优化层,这两层优化之间相互独立,能提高算法的寻优效率与局部搜索能力。通过对比多种优化算法寻优效果,电气参数优化层选择PSO-LW算法,分布参数优化层选择随机均匀分布的遗传算法。对三组不同导轨电感梯度的仿真算例进行了参数优化,结果表明:优化后系统发射效率显著提高,电源总储能降低,电源系统的体积和重量显著降低。以电感梯度0.67uH/m为例,计算得到的最高效率为36.53%。当电感梯度Lg=1.1μH/m时,发射效率可达49.50%。
本文针对电磁发射超高精准打击能力和超高效能杀伤力的作战需求,以脉冲功率电源为研究对象,提出了相应的精度控制方法和参数优化方法,得到了具有理论及工程应用价值的成果,对加速电磁发射的实战化进程具有重要意义。
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