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2022年  第44卷  第6期      刊出日期 2022-12-28   目次   上一期   下一期  
     
封面和目次
航天工程
  • 运载火箭随机振动环境试验条件的变带宽设计方法
  • 姜人伟,曾耀祥,潘忠文,李道奎
  • 2022, 44 (6):1-5[摘要](455)  [PDF  4326KB](377)
    针对运载火箭随机振动环境试验条件提出了基于能量等效思想的变带宽设计方法,通过采用分数倍频程数据处理方法,并确保各个频带内的均方根值与原随机振动环境的均方根值相同,有效解决传统的等带宽随机振动环境试验条件总均方根过高的问题。为了验证所提方法的有效性,通过典型管路产品进行了随机振动响应计算。结果表明,该方法既能够有效地对产品进行考核,又不至于对产品造成过考核。所提变带宽设计方法可为运载火箭随机振动环境条件的合理设计与分析提供有效手段。
  • 围压下固体推进剂的破坏机理分析
  • 张亮,申志彬,虞跨海
  • 2022, 44 (6):6-13[摘要](407)  [PDF  13698KB](334)
    贴壁浇筑的固体发动机推进剂药柱在点火状态下处于三向围压状态,而环向承受拉应变,亟待对围压下推进剂的破坏机理展开研究。基于自研的围压加载试验系统,通过开展推进剂在不同围压、温度和应变率下的单轴拉伸试验来研究围压、温度和应变率的耦合作用对推进剂力学行为的影响。针对围压下推进剂的力学响应特征,通过细观力学仿真进一步研究围压下推进剂的破坏形式,同时借助电镜扫描试验分析推进剂试样断面的形貌特征,通过试验和仿真相结合的手段分析了围压下推进剂的破坏机理。研究结果表明,围压下推进剂的损伤界面显著减少,且随着围压载荷的逐渐增加,推进剂的损伤形式从以颗粒脱湿为主转变为以颗粒破碎为主。
  • 电磁发射高速旋转弹丸马格努斯效应
  • 李开,鲁军勇,张晓,冯军红,李湘平,杜佩佩
  • 2022, 44 (6):14-20[摘要](366)  [PDF  11597KB](331)
    和传统火药发射弹丸相比,电磁发射弹丸具有初速高、射程远等优势,但尾部的电枢臂槽会使弹丸部流场不再轴对称,产生独特的气动力特性。基于三维非定常Navier-Stokers方程,采用滑移网格技术,分析电磁发射弹丸的气动力特性。研究表明,对于高速旋转的电磁发射弹丸,马格努斯效应来源于激波层内流场畸变和电枢臂的迎风面积变化的共同作用;电枢臂迎风面积的周期性变化是导致气动力和力矩周期性变化的原因,马格努斯力矩在滚转角45°和135°时分别达到最小值和最大值;电枢臂槽的存在既加剧了马格努斯效应(135°时增加50%以上),又使得压心周期性前移(绝对前移量达5%),并且随着转速的增加,马格努斯力矩增加和压心前移效果越来越显著,不利于弹丸的动稳定。
  • 双二体几何切面法及天梯地月转移轨道分析
  • 童科伟,程炳琳,汪小卫
  • 2022, 44 (6):21-29[摘要](381)  [PDF  7031KB](303)
    双二体模型是求解地月转移轨道的重要基础。与传统的采用月球影响球入口点经纬度的描述方式不同,本文提出一种基于飞行轨道面参数来描述地月转移轨道的双二体模型几何表达方式,结合一维非线性方程求根算法Brent算法和Lambert原理,将原始三维球面搜索算法降维成为二维圆上的搜索算法,可以高效求解地月转移轨道的形状参数。为避免重复计算,将转移轨道窗口计算的轨道多变量搜索问题解耦分解成两个子问题——转移轨道形状参数求解问题和转移轨道面空间定向问题,降低了问题的求解维度。形成两级并行计算算法,充分发挥多核计算机算力,加速计算过程。仿真结果表明,基于提出的并行圆锥曲线几何切面法,可以成功应用于计算天梯地月转移轨道分析。
  • 结合平流层飞艇姿态的太阳辐射强度分布
  • 王旭巍,李兆杰,张衍垒,王岩
  • 2022, 44 (6):30-37[摘要](392)  [PDF  17345KB](341)
    平流层飞艇上表面太阳辐射强度的分布是影响光伏阵列输出性能的重要因素。为分析平流层飞艇飞行姿态对其上表面太阳辐射强度分布特征的影响,并建立飞艇动力学模型与太阳辐射物理模型交互耦合的计算模型。使用该模型对算例飞艇进行计算分析,量化得出飞艇偏航角和俯仰角耦合变化对飞艇表面太阳辐射强度分布影响的结果,并比较分析了太阳辐射强度受飞艇飞行姿态影响的特性。研究结果可用于指导太阳能电池阵在平流层飞艇上的优化布局和阵列构型。
  • 典型线性火工分离装置作用过程数值模拟及试验研究
  • 王光宇,王晓鹏,闻泉,王雨时
  • 2022, 44 (6):38-50[摘要](393)  [PDF  16913KB](317)
    针对目前线性火工分离装置的优化设计主要依靠试验验证,成本高且设计优化迭代慢的问题,采用任意拉格朗日-欧拉方法建立典型线性火工分离装置的数值模型。通过火工分离试验和光子多普勒测速试验对上述数值模型进行验证,发现该数值模型具有较好的精度。使用该模型研究上述火工分离装置分离瞬态过程的力学机理,并定量分析多种因素对分离装置重点部位等效塑性应变等关键特征量的影响。研究发现,芯药线密度、分离板削弱槽底部的圆角半径对分离装置的作用过程有重大影响。此外,保护罩材质、削弱槽开口角度、分离板槽结构尺寸等因素对分离过程也有一定影响,但其影响相对较小。研究结果可以为典型线性火工分离装置的优化设计提供基础。
信息与通信工程·电子科学与技术
  • 结合流形滤波的矩阵信息几何检测器
  • 华小强,程永强,王宏强,王勇献,张理论
  • 2022, 44 (6):51-60[摘要](393)  [PDF  8603KB](290)
    针对小样本、非均匀杂波下的信号检测问题,提出一种基于流形滤波的矩阵信息几何检测器,将信号检测问题转化为矩阵流形上的几何问题。将每一个样本的相关性数据建模为一个托普利兹正定矩阵,在此基础上,利用每一个样本数据的邻近矩阵进行加权平滑滤波,去除一部分杂波能量,提升目标与杂波间的区分性。计算了辅助样本数据对应矩阵的几何均值,通过比较待检测样本数据矩阵与几何均值矩阵之间的距离与检测门限的大小,以实现信号检测。实验结果表明,与自适应匹配滤波相比,本文方法在小样本、非均匀杂波下具有明显的性能优势。
  • 车载多接入边缘网络中联合资源分配和动态任务卸载方案
  • 薛建彬,安悦,关向瑞,安亚宁
  • 2022, 44 (6):61-69[摘要](349)  [PDF  7365KB](253)
    针对车联网中车辆移动速度过快产生的任务卸载失败问题,设计了一个有效的任务卸载风险评估模型,并提出了联合资源分配的动态任务卸载方案。将时间、能耗和风险共同建模为系统效用,通过联合优化卸载决策、资源分配来最大化系统效用。优化问题被公式化为混合整数非线性规划,在给定卸载决策的情况下,利用凸优化技术解决计算资源分配问题,功率分配通过分式规划技术来优化。仿真分析了车辆移动性对系统效用的影响,证明了所提方案的合理性。
  • 典型炸药爆炸过程中电磁辐射特性分析
  • 崔元博,孔德仁,张学辉,张逸飞
  • 2022, 44 (6):70-80[摘要](421)  [PDF  12631KB](312)
    设计了一套基于短波全向天线、超宽带全向天线的电磁辐射测量装置,对不同质量TNT爆炸产生的电磁辐射进行测量,通过数据处理得到电磁辐射特性。结果表明,炸药质量对爆炸产生的电磁辐射时域特性有显著影响,质量越大,电磁信号延迟响应越短,持续时间越长,峰值出现时间越早。60 kg TNT爆炸产生的电磁辐射信号频率主要集中在100 MHz以下,在0~50 MHz频段能量最集中,炸药成分对频谱分布的影响最大,不同成分的炸药爆炸产生的电磁辐射频谱分布有明显特异性。炸药爆炸产生的电磁辐射强度呈现与爆心距离较强的相关性,随着距离增大而递减,且递减幅度较大。装药构型和起爆方式会使炸药在爆炸过程中的几何运动模式发生变化,导致爆炸电磁辐射传播呈现非均匀性特征。
  • 含脉冲负载的综合电力系统储能优化配置研究
  • 高雪平,付立军,纪锋,张彦,黄美娴
  • 2022, 44 (6):81-88[摘要](358)  [PDF  5990KB](334)
    考虑到舰船环境限制和高能脉冲负载对储能的需求,有必要对储能装置进行合理的选型和优化配置,来提升综合电力系统性能。为此,基于带权极小模理想点法和层次分析法,提出了一种储能装置性能评价函数,并以其为优化目标,进行储能装置优化配置。所提出的评价函数充分考虑系统需求和脉冲负载特性,以储能装置体积、质量和经济性作为评价函数主要组成部分,同时考虑功率、能量、电压、荷电状态等约束,建立优化配置模型,并采用差分进化算法进行求解。以高性能锂电池和超级电容器为例,对所提模型进行求解计算,结果表明在所给权重系数下锂电池性能更优,更适用于综合电力系统,并给出了优化配置后的指导方案。
  • 水下声探测系统载体振动干扰分析及抑制方法
  • 唐波,谭思炜,张静远
  • 2022, 44 (6):89-94[摘要](347)  [PDF  5158KB](278)
    针对水下探测系统载体振动对目标回波信号的微多普勒特征谱产生干扰的问题,从干扰产生的基本原理出发,推导了干扰的近似乘性表达式。在获取振动干扰数据的条件下,提出了针对乘性干扰的干扰抑制算法,并针对推导干扰乘性表达式时的近似条件,分析了近似算法带来的误差。仿真结果表明,该方法可有效抑制水下探测系统平台振动对目标回波信号的微多普勒特征谱产生的干扰,并且在绝大多数情况下,由算法带来的误差可以忽略不计。
  • 采用含22.5°二面角反射器无源定标体组的极化校准方法
  • 张道明,邓晓波,张勇
  • 2022, 44 (6):95-102[摘要](337)  [PDF  5449KB](284)
    在实际应用中,采用传统Whitt点目标无源定标方法往往会出现极化失真矩阵求解错误从而无法正确进行校准的问题。针对这一问题,在剖析常用的Whitt算法失真矩阵求解错误原因的基础上,提出了一种采用含22.5°二面角反射器的定标体组的新定标方法,包括点目标定标体组合、极化散射矩阵测量值预处理方法及特征值配对准则,可有效避免特征值配对错误导致校准结果错误的问题。仿真试验验证了所提方法的有效性和稳健性。
  • 增量元学习IDBD算法在轴频电场信号检测中的应用
  • 卞强,曾文仕,欧阳华,童余德
  • 2022, 44 (6):103-108[摘要](341)  [PDF  4880KB](292)
    为了提高海洋环境电场背景中微弱舰船轴频电场的检测能力,针对传统的最小均方误差算法进行了改进,提出了一种基于增量元学习IDBD算法的自适应线谱增强器。利用所提算法对舰船缩比模型产生的实测轴频电场信号数据进行处理,结果表明该算法在低信噪比的情况下能够有效地将微弱轴频电场信号从宽带背景噪声中分离出来。所提算法相比于普通的自适应线谱算法,在改善信号的信噪比方面效果更加显著,且具有更快的收敛速度和更小的稳态误差,极大提高了舰船轴频电场的检测能力。
  • 无人机卫星导航系统的电磁干扰态势评估方法
  • 张庆龙,王玉明,程二威,陈亚洲
  • 2022, 44 (6):109-116[摘要](354)  [PDF  7929KB](295)
    在战场复杂电磁环境下,卫星导航接收机很容易受到电磁干扰而出现不定位的现象,针对这一现象,提出了一种基于环境感知无人机卫星导航接收机的电磁干扰态势评估方法。以干扰信号的特征参数、导航接收机未受干扰时的接收状态作为预测的输入,以接收机跟踪环路失锁时的效应阈值作为观测目标值,建立了极端梯度提升(extreme gradient boosting, XGBoost)的预测模型。在此基础上,给出了导航接收机电磁干扰态势的等级,提出了导航接收机在单源和双源电磁干扰下的态势评估方法。通过与高斯过程回归和支持向量机回归的预测方法进行比较,结果表明XGBoost方法具有更好的预测精度。依据该预测方法,综合利用技战术方案,有利于提高无人机在复杂电磁环境中的适应能力。
  • 进攻作战预警机与干扰机协同空域配置
  • 祁炜,程东升,武文,蒋伟
  • 2022, 44 (6):117-125[摘要](389)  [PDF  1752KB](321)
    针对进攻作战中预警机与己方干扰机协同空域配置问题,以预警机与干扰机在确保各自安全和有效遂行空中目标感知、远距离支援干扰作战任务为前提,构建基于两者存在电磁互扰时的预警机空域配置决策模型、干扰机空域配置决策模型、目标角度估算模型和协同空域配置优化决策模型,并提出一种协同效能评估模型,结合算法流程,针对进攻角、干扰机垂直方向因数,对预警机与干扰机协同空域配置的位置关系进行仿真分析,得出预警机和干扰机在协同作战时最优的空域配置,具有一定的实践指导意义。
  • 城市环境下单无人机测向定位航迹优化算法
  • 陈方正,郝绍杰
  • 2022, 44 (6):126-133[摘要](374)  [PDF  6108KB](309)
    为解决单架无人机在城市环境中对辐射源目标的定位问题,提出了一种基于环境预测法的单无人机测向定位航迹优化算法。使用交互多模型-扩展卡尔曼滤波进行视距和非视距信号混合环境下的目标估计。结合估计的目标位置和城市地理信息模型,基于视线追踪法求解信号遮挡区域和多径信号干扰区域。在滚动时域控制算法框架下生成无人机预测轨迹,以最大化Fisher信息矩阵行列式为测向定位评价准则,考虑建筑物障碍以及其对信号的遮挡和反射效应对无人机测向定位航迹的影响,控制无人机选择最优航向飞行。仿真结果表明,该方法能够使无人机在存在障碍、信号遮挡和多径干扰的环境下实现对目标的高精度测向定位,为解决城市环境下的单架无人机测向定位问题提供了新思路。
计算机科学与技术·控制科学与工程·机械工程
  • 结合实时数据产品与北斗短报文的厘米级海洋精密相对定位
  • 姬生月,杨浩,董蔺,王振杰,贺凯飞
  • 2022, 44 (6):134-143[摘要](354)  [PDF  10101KB](272)
    针对远海精密定位的广泛需求和传统精密定位服务费用昂贵的问题,提出利用北斗短报文设备传输导航观测数据,结合实时服务数据产品,以实现海洋的低成本厘米级精密相对定位。为了克服短报文传输频率低的缺点,采用融合空间相对定位和精密单点定位两种技术来加密分钟间隔以外的坐标,避免了传统时间基线法加密坐标存在的误差累积现象。分别基于静态和动态海洋观测数据进行仿真实验,结果表明,新方法无论在水平方向还是垂直方向上,都可以实现厘米级定位,且对时间间隔不敏感。
  • 节点实时性能自适应的集群资源分配算法
  • 胡亚红,吴寅超,朱正东
  • 2022, 44 (6):144-150[摘要](362)  [PDF  6587KB](275)
    由于配置和所运行作业的不同,集群各节点的实时性能差异较大。为提高集群性能,提出节点实时性能自适应的集群资源分配算法 (node real-time performance adaptive cluster resource scheduling algorithm,NPARSA)。节点实时性能用其配置(CPU核数及速度、内存容量、磁盘容量)和实时状态参数(CPU、内存和磁盘的剩余数量及磁盘读写速度)表示。NPARSA根据作业类型自主选择节点性能评价指标的权值,实现节点实时性能对于作业类型的自适应。实时性能最优的节点分配给作业。虚拟机实验和物理集群实验表明,与Spark默认资源分配算法、没有考虑作业类型与节点匹配的算法、使用作业和节点匹配差异程度作为资源分配依据的算法相比,NPARSA能更有效地缩短作业执行时间、提高集群性能。
  • 均衡聚类市场拍卖机制的异构无人机集群任务规划方法
  • 潘登,高东,郑建华
  • 2022, 44 (6):151-162[摘要](391)  [PDF  11495KB](321)
    针对大规模异构无人机集群的全局任务规划问题,提出一种基于均衡聚类市场拍卖机制的任务规划方法。对无人机群协同合作完成任务的场景进行分析,综合任务聚类和无人机联盟的优势,建立了通用性较高的任务规划模型。考虑到对无人机群负载均衡的需求,融合和改进了K-means聚类算法和市场拍卖机制,形成一种综合考虑路程消耗和任务消耗的均衡聚类市场拍卖算法。在拍卖过程中引入平衡参数,通过计算旅行商问题来修正平衡参数,保证无人机群在负载均衡的同时整体成本不断降低。仿真结果表明,使用均衡聚类市场拍卖机制的任务规划方法能够在较短时间内完成异构无人机群的复杂任务规划,保证无人机群负载均衡的同时,整体成本和总时间上也有较好表现,具有一定的实际应用价值。
  • 基于CNN的三相逆变器开路故障诊断及其样本条件分析
  • 申皓澜,唐欣,罗毅飞,肖飞,艾胜,樊亚翔
  • 2022, 44 (6):163-172[摘要](361)  [PDF  10731KB](317)
    为了合理选择样本条件以实现高效的智能化诊断,以及克服智能化方法中传统反向传播(back propagation, BP)网络权值较多、局部信息提取能力不足的问题,对基于卷积神经网络(convolutional neural network, CNN)的开路故障诊断方法进行研究,并以典型的三相两电平逆变器为具体对象,着重分析样本时长、样本数量变化时,CNN方法相较于BP网络方法在网络权值数量、训练稳定性、诊断准确率上的量化优势。结果表明,基于CNN的方法可在权值数量远少于BP网络方法的情况下构建深度更深的诊断模型,并在更短样本时长、更少训练样本数量下实现高效、准确的开路故障诊断。
  • 电传动装甲车辆负载功率预测实时能量管理策略
  • 陈路明,廖自力,魏曙光,张征
  • 2022, 44 (6):173-183[摘要](318)  [PDF  13369KB](327)
    针对电传动装甲车辆负载功率预测功能缺失导致控制作用滞后的问题,提出一种具有较高负载功率预测精度的实时能量管理策略。在分析整车结构的基础上,采用理论分析和数据拟合方法,建立各动力源数学模型。将差分自回归移动平均模型和自适应马尔可夫链两种预测方法相结合,设计非平稳趋势性负载功率组合预测方法。在非线性模型预测控制框架下,构建多目标优化函数,采用序列二次规划法在有限时域内实时求解最优控制指令,优化多动力源协调控制过程。依托硬件在环仿真平台进行多路面行驶实验,对比有无功率预测的能量管理控制效果。结果表明,改进的实时能量管理策略对未来负载功率具有较好的预见性,能够显著优化多动力源协调控制过程,提升车辆燃油经济性,稳定母线电压和电池荷电状态,对传统模型预测控制下的工程应用场景具有一定借鉴意义。
  • 电控增压泵高速电磁阀电磁力预测模型构建
  • 吴昕,杨昆,刘金林,聂涛,周磊,曾凡明
  • 2022, 44 (6):184-191[摘要](348)  [PDF  7896KB](270)
    为科学预测超高压共轨系统电控增压泵高速电磁阀的电磁力性能,采用响应面法构建电磁力预测模型,实现其性能的高效预测与优化。建立电控增压泵高速电磁阀的三维有限元仿真模型,并通过试验进行了验证。基于试验设计思想,选取驱动电流、工作气隙、衔铁厚度、线圈匝数、主磁极半径、阻尼孔半径这些关键因素,通过响应面法制定了54组样本点的电磁力数值试验研究方案,构建电磁力预测模型,经过R检验,且仿真试验验证电磁力预测模型最大误差为1.3%,表明该模型能够准确预测电控增压泵高速电磁阀电磁力,为超高压共轨系统控制系统设计及优化提供理论依据。
  • 强磁场环境模拟系统线圈支架设计及力学仿真
  • 刘琪,孙兆龙,武晓康,周国华
  • 2022, 44 (6):192-199[摘要](360)  [PDF  10109KB](334)
    强电磁冲击环境的核心执行机构是线圈,除保障强磁环境发生线圈的电磁特性外,还须确保线圈支架具有充足的机械特性。在完成对线圈磁电设计的基础上,根据线圈的三维结构图、材料配置、质量分布、各零部件之间连接方式以及线圈固定方式等,建立线圈支架结构整体系统有限元计算模型,对线圈支架系统进行静力、稳定性数值计算分析,并校核联接件强度,为线圈支架结构提供参考依据。对实用大型强磁冲击系统所用线圈整体的力学结构进行设计分析,应用背景较新,且仿真计算过程严格按照实际搭建尺寸进行,具有高度的一致性,为后续搭建强磁环境发生装置提供坚实基础。
  • 着陆冲击试验系统设计及大型橡胶容器试验验证
  • 易方,孟浩龙,刘冲冲
  • 2022, 44 (6):200-206[摘要](315)  [PDF  7454KB](315)
    为确保大型橡胶容器的运输适航性,依据中国民用航空局对运输类飞机的应急着陆过载要求,开展着陆冲击试验系统设计。通过冲击平台仿真设计与校核、波形发生器仿真设计、摆锤系统与导向机构设计,构建了着陆冲击试验系统,有效负载约达20 t,最大冲击载荷达到400 t。选取大型橡胶容器作为典型空运物资进行应急着陆实装试验验证,结果表明:冲击波形均近似为三角波,与仿真曲线波形相似,过载峰值分别为侧向1.54g、航向3.06g、9.02g、16.20g,与目标峰值最大相对误差小于3%,峰值对应时间大于50 ms,试验系统符合设计要求。该试验系统可用于空运平台的研制,对于确保飞行安全、降低研制风险、提高空运适航性具有重要的意义。
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