题目：舰载导弹垂直发射动力学仿真研究

随着海战技术的发展，反舰武器的战斗性能显著增强，舰艇面临的复杂作战环境对防空导弹性能提出了更高的要求。舰载导弹垂直发射系统(VLS, Vertical launching system)是先进的舰载武器系统，和传统的倾斜式导弹发射方式相比，垂直发射具有结构简单、可靠性高、全方位发射等明显优点，保证了导弹的快速反应能力和火力密度，极大提高了作战部队的攻防能力。相关的研究从20世纪中期至今，已经积累了大量的研究成果，美国、前苏联/俄罗斯、西欧各国等海军强国都已经开发出成熟的舰载导弹垂直发射系统。本文在总结国内外相关研究成果的基础上，以我国正在研制的某型号火箭助推鱼雷为切入点，对舰载导弹垂直发射技术中的多个动力学问题进行了系统的研究，并发展了一整套相关的动力学研究方法。开发了基于六自由度刚体运动理论的发射动力学建模仿真求解器MLD，利用MLD分别建立了单刚体导弹的陆基、海基发射动力学模型，并用一个算例对MLD进行了验证。MLD不但能够作为发射动力学建模、求解程序独立运行，还可以作为整个弹道仿真的一个子模块，为后续的弹道计算提供所需的初始参数。利用虚拟样机技术(VPT, Virtual Prototype Technology) 分别建立了陆基和海基两种发射基座的导弹垂直发射系统多体动力学模型，详细研究了垂直发射系统的组成、模型的简化和动力学仿真的研究方法，对不同工况下的发射过程进行动力学分析，获取了导弹发射阶段的弹道和姿态参数，给制导系统提出了准确的设计要求。针对舰载导弹垂直发射过程的特点，提出了一套基于虚拟样机技术的导弹发射安全性评估准则和办法，通过对折叠翼展开性能、在舰艇大幅摇摆及大侧风情况下对各部件的接触干涉分析、构件接触力分析等研究，实现了对发射过程的全程数字化安全考核。开发了基于传递矩阵法的结构动力学建模仿真求解器MSD。利用MSD建立了导弹的结构动力学模型，该模型中考虑了弹翼分支系统、分离面和轴向力等因素，并对导弹自由-自由状态下的结构固有振动特性进行了分析，取得了与试验数据基本一致的结果，对导弹垂直发射过程中几个特征时间点上的弹体进行振动特性分析，得到了低阶弯曲模态频率和相应的振型参数，为导弹垂直发射的可靠性分析提供了依据。采用有限元法建立了导弹有限元模型，并进行了模态分析，取得了与试验数据基本一致的结果，验证了该模型的可靠性，建立的模型和求得的模态参数作为柔性发射过程分析的原始条件。基于有限元素法和修正的固定界面子结构模态综合法(Craig-Bampton)法，建立了舰载导弹垂直发射系统的柔性多体动力学模型，进行了发射过程的动力学仿真，并和刚体模型的计算结果进行了对比。获取导弹发射阶段的弹道和姿态参量偏差，进行了弹体柔性变形对初始弹道特性和发射安全性影响的分析。垂直发射系统内的燃气流动是导弹发射装置中冲击射流的最复杂应用，这种流动相当复杂，伴随着起始冲击波和漩涡，阻碍了燃气的顺利流动，并且很难得到数值解。改进了The Diagonalized Upwind Navier-Stokes (DUNS)计算流体力学仿真程序，该程序采用单元中心有限体积法、q-ω双方程湍流模型和三阶迎风TVD差分格式离散Navier-Stokes方程，采用双时间步和预处理过程提高计算收敛速度，引入对角化的ADI算法求解控制方程。利用几个算例证明了DUNS程序进行超音速射流流场数值模拟的能力。垂直发射系统中最重要的设计任务是对燃气排导系统结构优化，使燃气能够顺利排导出去，希望借助计算流体力学分析给工程结构设计提供关键的参数。对导弹垂直发射系统内的亚-跨-超声速流场进行了数值模拟，仿真结果准确地模拟了发射系统内的激波形成过程，真实地反映出垂直发射系统中的复杂流动。研究表明，压力室底部射流中心的波后压强以大约1200Hz的频率振荡。