尾身組合體不同類型柵格翼氣動特性試驗研究

宋書恒，賀 操，李永紅，周 嶺，黃 勇

尾身組合體不同類型柵格翼氣動特性試驗研究

宋書恒＊，賀 操，李永紅，周 嶺，黃 勇

（中國空氣動力研究與發(fā)展中心，四川綿陽 621000）

對于不同類型的柵格翼，采取了一種模型設計簡潔、克服了在較小試驗模型上安裝鉸鏈力矩天平的困難，同時又能測量柵格翼全部氣動力和力矩分量的試驗方法，獲得了簡單框架式、正置蜂窩式以及不同網(wǎng)格密度的斜置蜂窩式4種柵格翼在彈身影響下的亞聲速和跨聲速氣動特性，并與平板尾翼的氣動特性進行了對比，同時研究了柵格翼在尾身組合體迎風側和背風側不同位置時的氣動特性。結果表明：柵格翼與常規(guī)平板翼各有優(yōu)缺點，柵格翼結構形式、網(wǎng)格密度和尺寸對其氣動特性有重要影響，位置對不同類型柵格翼氣動特性的影響也不盡相同。

尾身組合體；柵格翼；氣動特性；試驗研究

0 引 言

現(xiàn)代機載武器在外形設計、總體布置以及結構形式上除了必須滿足機載武器的常規(guī)要求外，還要盡可能滿足武器內(nèi)埋以及多彈并列、串列掛載的要求，這些空間和尺寸上的條件約束為其升力面和控制面的設計帶來了極大的困難和挑戰(zhàn)，同時舵面操縱效能、舵面鉸鏈力矩與小型化舵機的匹配性等矛盾也十分突出。柵格翼［1］作為一種非常規(guī)的升力面和控制面，在升力特性、鉸鏈力矩特性和外形尺寸方面都優(yōu)于傳統(tǒng)平板翼，這些都為其在現(xiàn)代機載武器特別是小型化武器上的廣泛應用奠定了基礎。

目前，柵格翼雖已成功應用于宇宙飛船救生逃逸系統(tǒng)和一些常規(guī)戰(zhàn)術導彈上，國內(nèi)外對其氣動特性也開展了大量的實驗與數(shù)值模擬研究，如Mark S.Miller等通過改變柵格翼邊框和柵格壁前后緣形狀等開展了減阻特性的試驗研究［2］；Gregg Abate等通過風洞實驗研究了跨聲速階段柵格翼的氣流壅塞現(xiàn)象對氣動特性的影響［3］；而陳少松等開展了柵格翼的減阻特性及格寬翼弦比對其氣動特性的影響研究［4－5］等。數(shù)值模擬研究方面，Karl S.Orthner等采用非結構網(wǎng)格方法對柵格翼的跨聲速氣流壅塞現(xiàn)象進行了研究［6］；James Despirito等對帶柵格翼和平板翼鴨式布局導彈氣動特性進行了數(shù)值計算，并對柵格尾翼的滾轉(zhuǎn)控制性能進行了研究［7］；劉剛等采用結構、非結構混合網(wǎng)格對不同舵偏角下的柵格翼構型進行了數(shù)值模擬［8］；吳曉軍等對多種不同外形單柵格的氣動特性開展了數(shù)值計算［9］。以上工作廣泛地開展了柵格翼相關氣動特性的研究，但大多數(shù)研究集中于單柵格翼的氣動特性或單一類型柵格翼及其尾身組合體的氣動特性，對尾身組合體構型下不同類型柵格翼的氣動特性研究尚顯不足，而且國內(nèi)有關柵格翼氣動特性的試驗研究開展得相對較少，這些都阻礙了對柵格翼氣動特性的深入認識及其進一步的應用。

柵格翼因外部框架和內(nèi)部柵格布置的不同而分為不同的類型，如框架式、蜂窩式等，并且柵格翼的布局形式及外形參數(shù)對其氣動特性有非常重要的影響［1］。本文針對柵格翼尾身組合體模型，采用常規(guī)測力天平，實現(xiàn)了尾身組合體不同類型柵格翼全量氣動特性的試驗研究，獲得了簡單框架式、正置蜂窩式以及不同網(wǎng)格密度的斜置蜂窩式4種柵格翼的亞聲速和跨聲速氣動特性，并將其氣動特性與平板翼進行了對比，同時研究了彈身迎風側和背風側不同位置對柵格翼氣動特性的影響。

1 不同類型柵格翼模型及試驗方法

圖1給出了試驗的不同類型柵格翼尾身組合體模型，由旋成體彈身、×型尾翼等組成。尾翼安裝平面與構造水平對稱面夾角為45°。試驗時，只對1片尾翼進行氣動力測量，分別位于1＃或3＃方位（從尾部向前看分別位于彈體軸yz平面的1和3象限）。尾翼包括1種平板尾翼PF0和4種柵格尾翼（編號分別為GF0＋、GF4＋、GFX1、GFX2），4種柵格翼的表面積近似相等，翼元格的形狀和數(shù)量不同，其中GF0＋為簡單框架式，GF4＋為正置蜂窩式，GFX1和GFX2為網(wǎng)格密度不同的斜置蜂窩式柵格翼。試驗中尾翼僅作俯仰偏轉(zhuǎn)控制，4片尾翼同時偏轉(zhuǎn)。各類型尾翼的詳細結構及尺寸見圖2。

圖1 尾身組合體模型柵格翼測力方案示意圖Fig.1 Sketch of model with body and tail and force test of grid fin

圖2 平板翼與柵格翼外形圖Fig.2 Sketch of planar and grid fins

對于舵面氣動特性的測量，試驗一般采用專門的鉸鏈力矩天平［10］，柵格翼的突出特點是其鉸鏈力矩較小，但同時會帶來較大阻力。一般舵面的鉸鏈力矩試驗并不測量其阻力，結合本項研究的目的，采用常規(guī)的測力天平來測量柵格翼的氣動特性，尾身組合體模型采用尾部支撐，待測柵格翼與天平連接，每次測試一個柵格翼的氣動力，其余柵格翼起干擾翼的作用。該方法不需要增加額外的翼天平，使用一個天平即可實現(xiàn)不同位置柵格翼全量氣動特性的測量，具有模型設計簡單的優(yōu)點，并克服了在較小尺寸模型上安裝鉸鏈力矩天平的困難，同時又能測量柵格翼氣動力和力矩的全部分量。

試驗在試驗段橫截面尺寸為0.6m×0.6m的直流暫沖式跨超聲速風洞中進行，試驗馬赫數(shù)Ma為0.8、1.2，模型迎角范圍為－4°～14°，尾翼舵偏角為－10°、－5°、0°。

2 結果分析與討論

本項研究共獲得了1種平板翼和4種柵格翼6個分量的氣動力特性數(shù)據(jù)，尾翼氣動力和力矩系數(shù)分別在相應的舵面固連坐標系中給出。下面對尾身組合體不同類型柵格翼的主要氣動特性進行分析。

2.1不同類型柵格翼氣動特性

圖3給出了1＃位平板翼和4種柵格翼在不同馬赫數(shù)及俯仰舵偏角下軸向力系數(shù)隨迎角的變化曲線。對于平板翼，軸向力隨迎角及舵偏角的變化符合基本規(guī)律。δz＝0°時，4種柵格翼軸向力在小迎角范圍內(nèi)隨迎角變化較小。從不同類型尾翼軸向力的對比曲線可知，與平板翼相比，此時柵格翼表現(xiàn)出了其突出特點，軸向力較大［6］，簡單框架式柵格翼GF0＋的軸向力在4種柵格翼中最小，無舵偏角時，正置蜂窩式GF4＋與斜置蜂窩式GFX1的軸向力較為接近，隨翼元格數(shù)增加，GFX2的軸向力最大。柵格翼的阻力主要取決于其結構和柵格管內(nèi)的流動狀態(tài)［7］，4種柵格翼具有相同的浸潤面積，所以阻力的差別主要來源于管內(nèi)的復雜流動引起的壓差阻力。隨著舵偏角的增加，無論是亞聲速還是跨聲速，4種柵格翼的軸向力有逐漸接近的趨勢，Ma＝1.2，δz＝－10°時，4種柵格翼軸向力的差別明顯變小。

圖4是各馬赫數(shù)和舵偏角下4種柵格翼的法向力系數(shù)隨迎角的變化曲線?？偟膩碚f，對于不同類型柵格翼的法向力系數(shù)，在中等迎角以下，法向力隨迎角基本呈線性變化，無舵偏角和小舵偏角時，GF0＋和GF4＋表現(xiàn)出了更好的法向力特性，當舵偏角較大時，2種斜置蜂窩式柵格翼法向力特性較優(yōu)。4種柵格翼具有近似相等的升力面積，但自較小迎角開始，幾種柵格翼的法向力已有較大差別，某些狀態(tài)下4種柵格翼的法向力在較大迎角時均存在失速現(xiàn)象，且失速迎角均小于平板翼。對于GF0＋，Ma＝0.8，δz＝－10°，在負迎角時，法向力隨迎角變化不明顯，這是因為此時當?shù)赜行в窃龃?，柵格翼處于失速的狀態(tài)，故法向力變化不大，從圖中結果可以看出，在相同條件下，GF4＋具有相類似的結果，而2種斜置蜂窩式柵格翼則不存在這種現(xiàn)象，可見柵格翼的結構形式對其法向力特性有較大影響。

圖3 1＃位不同類型尾翼軸向力系數(shù)Fig.3 Comparison of axis force coefficients for different fins at 1＃location

圖4 1＃位不同類型尾翼法向力系數(shù)Fig.4 Comparison of normal force coefficients for different fins at 1＃location

相對于平板翼，柵格翼的優(yōu)點之一就是具有較好的鉸鏈力矩特性［6］，這一點從圖5的試驗結果可以看出，柵格翼的鉸鏈力矩特性普遍好于平板翼。與亞聲速相比，跨聲速時，各柵格翼的鉸鏈力矩隨迎角和舵偏角的變化范圍較小?？偟膩碚f，對于4種柵格翼而言，斜置蜂窩式柵格翼的鉸鏈力矩特性優(yōu)于另外2種柵格翼，密網(wǎng)格斜置蜂窩翼GFX2鉸鏈力矩特性最優(yōu)。

圖5 1＃位不同類型尾翼鉸鏈力矩系數(shù)Fig.5 Comparison of hinge moment coefficients for different fins at 1＃location

2.2迎風側和背風側柵格翼氣動特性對比

本文還研究了柵格翼處于尾身組合體迎風側和背風側不同位置時的氣動特性。為了方便對比，不同位置柵格翼的氣動力系數(shù)已經(jīng)轉(zhuǎn)換至統(tǒng)一方向的舵面坐標系中。圖6、7和8是1＃位和3＃位不同類型柵格翼氣動特性的對比，亞聲速時，對于GF4＋，無舵偏角時，在絕大部分迎角下，處于背風側1＃位柵格翼的軸向力、法向力及鉸鏈力矩均較大，迎風側和背風側柵格翼的鉸鏈力矩隨迎角的變化規(guī)律基本相同，隨著舵偏角增加，法向力變化規(guī)律相似，但軸向力和鉸鏈力矩在部分狀態(tài)下發(fā)生明顯變化，如δz＝－5°時2個位置柵格翼的鉸鏈力矩，δz＝－10°時，大部分迎角下迎風側3＃位的軸向力較大；試驗結果表明，對于其它類型的柵格翼，這種變化規(guī)律不具有必然性，如GF0＋，當δz＝－5°時，迎風側3＃位柵格翼的軸向力已經(jīng)大于背風側1＃位的軸向力，并且不同舵偏角下2個位置柵格翼的鉸鏈力矩相似性更好，量值更為接近；對于GFX2，亞聲速時，不同位置時的軸向力變化規(guī)律與GF0＋相似，但法向力差別較??；與亞聲速時相比，跨聲速時部分狀態(tài)下2個位置柵格翼的軸向力和鉸鏈力矩變化規(guī)律發(fā)生改變。

圖6 不同位置柵格翼氣動特性對比（Ma＝0.8，GF4＋）Fig.6 Comparison of aerodynamic characteristics for grid fin at different locations

圖7 不同位置柵格翼氣動特性對比（Ma＝0.8，GFX2）Fig.7 Comparison of aerodynamic characteristics for grid fin at different locations

圖8 不同位置柵格翼氣動特性對比（Ma＝1.2，GFX2）Fig.8 Comparison of aerodynamic characteristics for grid fin at different locations

3 結 論

對于尾身組合體構型，通過風洞試驗研究了平板尾翼及不同類型柵格尾翼的氣動特性，討論了各類型柵格翼氣動力的變化規(guī)律，對彈身迎風側和背風側柵格翼的氣動力進行了對比分析，可以得到以下結論：

（1）采用了模型設計簡單，同時又能測量柵格翼氣動力和力矩全部分量的試驗方法，該方法克服了在較小尺寸模型上安裝鉸鏈力矩天平的困難，不需要增加額外的翼天平，使用一個天平即可實現(xiàn)不同位置柵格翼全量氣動特性的測量。

（2）對于不同類型的柵格翼，軸向力均大于平板翼，無舵偏角時，軸向力隨迎角變化較小，4種柵格翼中，簡單框架式GF0＋的軸向力最小，隨翼元格數(shù)增加，斜置蜂窩式柵格翼GFX2軸向力最大。

（3）某些狀態(tài)下，4種柵格翼的法向力在較大迎角時均存在失速現(xiàn)象，且失速迎角均小于平板翼。對于柵格翼GF0＋和GF4＋，當舵偏角使柵格翼當?shù)赜行в窃龃髸r，柵格翼處于失速狀態(tài)，法向力隨迎角變化不大，而在相同條件下，2種斜置蜂窩式柵格翼則不存在這種現(xiàn)象，可見柵格翼的結構形式對其法向力有較大影響。

（4）4種柵格翼的鉸鏈力矩特性普遍好于平板翼，密網(wǎng)格斜置蜂窩翼GFX2鉸鏈力矩特性最優(yōu)。與亞聲速相比，跨聲速時，各柵格翼的鉸鏈力矩隨迎角和舵偏角的變化范圍較小。

（5）舵偏角對彈身迎風側和背風側柵格翼的軸向力和鉸鏈力矩有較大影響，且不同類型柵格翼的變化規(guī)律也不盡相同；位置對密網(wǎng)格斜置蜂窩翼的法向力影響減弱。

［1］William D W.Grid fins：A new concept for missile stability and control［R］.AIAA－93－0035，1993.

［2］Miller M S，Washington W D.An experimental investigation of grid fin drag reduction techniques［R］.AIAA－94－1914，1994.

［3］Gregg Abate，Gerald Winchenbach，Wayne Hathaway.Transonic aerodynamic and scaling issues for lattice fin projectiles tested in a ballistics［C］.19th International Symposium of Ballistics，Interlaken，Switzerland，2001.

［4］陳少松，徐琴，王福華，等.柵格翼減阻特性研究［J］.流體力學實驗與測量，2001（4）：7－11.Chen S S，Xu Q，Wang F H，et al.An experimental investigation of grid fin drag reduction techniques［J］.Experiments and Measurements in Fluid Mechanics，2001，15（4）：7－11.

［5］陳少松，張建葉.格寬翼弦比對柵格翼氣動特性的影響［J］.南京理工大學學報，2005，29（6）：693－696.Chen S S，Zhang J Y.Influence of width to chord ratio on aerodynamic characteristics of grid fins［J］.Journal of Nanjing University of Science and Technology，2005，29（6）：693－696.

［6］Orthner K S.Aerodynamic analysis of lattice grid fins in transonic flow［D］.New York：AFIT／GAE／ENY／04－J09，2004.

［7］Despirito J，Edge H L，Weinacht P，et al.CFD investigation of canard－controlled missile with planar and grid fins in supersonic flow［R］.AIAA 2002－4509.

［8］劉剛，肖中云，江雄，等.混合網(wǎng)格方法在柵格翼數(shù)值模擬中的應用研究［J］.空氣動力學學報，2007，25（2）：277－280.Liu G，Xiao Z Y，Jiang X，et al.Flow simulation of missile with grid fins using structured－unstructured hybrid grids［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2007，25（2）：277－280.

［9］吳曉軍，馬明生，鄧有奇，等.結構／非結構混合網(wǎng)格數(shù)值模擬柵格翼［J］.空氣動力學學報，2009，27（4）：419－424.Wu X J，Ma M S，Deng Y Q，et al.Navier－Stokes computations of a grid fin missile on hybrid structured－unstructured grids［J］.Acta Aerodynamic Sinica，2009，27（4）：419－424.

［10］惲起麟.實驗空氣動力學［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1994.

Test investigation of the aerodynamic characteristics of grid fins for configuration with body and fins

Song Shuheng＊，He Cao，Li Yonghong，Zhou Ling，Huang Yong
（China Aerodynamics Research and Development Center，Mianyang Sichuan 621000，China）

A wind tunnel test program is designed to investigate aerodynamic characteristics of different grid fins in subsonic and transonic flows，which has advantages of simple model design，avoiding installation of hinge moment balance on small models，and obtaining all aerodynamic forces and moments of grid fins.The aerodynamic characteristics of grid fins are analyzed，including simple frame configuration，upright honeycomb configuration and skew honeycomb configuration with different grid densities.The aerodynamic characteristics of different grid fins and planar fins are compared，and the influence of grid fin location on its aerodynamic characteristics is also investigated.The results show that grid fins and planar fins have respective advantages and disadvantages；the configuration，grid densities，and size of grid fins have an important impact on their aerodynamic characteristics.For different grid fins，the influence of location on its aerodynamic characteristics is not the same.

configuration with body and fins；grid fin；aerodynamic characteristics；test investigation

V211.7

：A

（編輯：李金勇）

1672－9897（2016）04－0042－06

10.11729／syltlx20140069

2015－08－20；

2015－12－10

＊通信作者E－mail：ssh7523＠sohu.com

Song S H，He C，Li Y H，et al.Test investigation of the aerodynamic characteristics of grid fins for configuration with body and fins.Journal of Experiments in Fluid Mechanics，2016，30（4）：42－47.宋書恒，賀 操，李永紅，等.尾身組合體不同類型柵格翼氣動特性試驗研究.實驗流體力學，2016，30（4）：42－47.

宋書恒（1975－），男，河南杞縣人，副研究員，博士。研究方向：飛行器氣動布局與氣動特性。通信地址：四川省綿陽市二環(huán)路南段6號12信箱202分箱（621000）。E－mail：ssh7523＠sohu.com