某空心弹气动外形数值优化设计研究文献综述

1．文献综述

1.1研究背景及意义

空心弹（Hollow Projectile）因其飞行部分是一个中间为空心的薄壁圆管，也被称为管式弹丸（Tubular Projectile），是一种新型超音速弹药。与传统实心弹相比，空心弹具有阻力小，准确度与精度高，成本低，发射武器后坐力小，勤务处理性能更好等优点^[1-2]，在航空与防空弹药领域具有广阔的应用前景。近年来，我国对电磁发射技术的研究非常重视，如果采用电磁炮发射空心弹丸，其速度达到每秒几千米，空心弹的减阻效果和威力效果更加明显。因此，开展对空心弹的优化设计研究具有重要意义。

20世纪70年代以后，我国和其他国家就对空心弹开展了广泛的研究，国外主要以应用开发研究及可行性试验为主^[3-5]，并开发了相应的制式弹药。国内主要对空心弹的研究成果进行了总结以及部分试验验证^[6-7]。李惠昌等^[6]结合试验研究情况，详细地叙述了空心弹阻力小、散布精度高与侵彻效果好的特性，给出了阻力系数的近似估算公式，并分析了空心弹的陀螺稳定性；杨金耀^[36]对空心弹的风洞实验装置进行了研究。随着CFD技术的发展，对空心弹的气动特性研究主要以流场模拟为主^[2,8-10]。本校课题组李艳玲等^[2]利用FLUENT对某30mm空心弹进行了真实条件下的气动特性研究，得到了空心弹的波系结构、压力分布与阻力系数的变化规律；任登凤等^[8]采用非结构网格的LU-SGS隐式算法计算三维Euler方程，数值模拟了不同马赫数以及不同攻角下的某37mm空心弹流场，分析了升、阻力特性及流场的波系结构；陈杨等^[9]对12.7mm口径实验弹进行了数值模拟研究，并分析了其外弹道特性；杜宏宝等^[10]通过数值模拟研究了内锥形空心弹的阻塞现象与入口锥角的关系，得到了某空心弹在来流马赫数为2~4时的临界入口锥角。

目前，对空心弹气动外形优化设计的研究仍然较少。本校课题组黄振贵等^[1]利用CFD技术，对空心弹不同外形参数条件下的气动特性进行了数值模拟，并利用穷举法对空心弹进行了气动外形数值分析，得到了最小阻力系数的气动外形；然而，穷举法的计算量较大，且不适用于变量很多的气动外形优化设计。同时，代理模型技术能否适用于空心弹的气动外形优化设计，近些年国内外并没有公开发表的文章；本校课题组赵强等基于Kriging序列优化方法对Ma=3.0、攻角alpha;=0ordm;条件下的气动外形进行了数值优化，得到了最小阻力系数和相应的外形参数。

本设计拟在赵强等的研究基础上，基于贝叶斯优化方法、高斯过程代理模型方法和优化加点准则等，利用一种全新的智能优化算法对空心弹气动外形进行优化设计，以得到最优的空心弹气动外形参数。本研究旨在建立一套更简单的适用于空心弹气动外形优化设计的方法，为空心弹的研究和设计提供一定的参考，对空心弹在航空和防空弹药领域的广泛应用起到一定的促进作用。

1.2贝叶斯优化方法简介

概率模型已经成为当前人工智能、机器人学、机器学习等领域的主流方法^[13]。机器能够根据概率框架预测未来数据，并且根据预测数据给出决策。这些问题的主要难点在于观测值具有不确定性，而概率模型能够对不确定性进行建模，有效地解决观测噪声问题。Ghahramani 指出，贝叶斯优化是在概率机器学习和人工智能领域中几种最先进、最有希望的技术之一^[13]。

贝叶斯优化框架有两个关键部分:(1)使用概率模型代理原始评估代价高昂的复杂目标函数;(2)利用代理模型的后验信息构造主动选择策略，即采集函数。

1.2.1代理模型简介^[14]