超聲速內(nèi)埋武器分離數(shù)值研究*

楊 俊,李 騫,謝云愷,朱建輝,童明波

(南京航空航天大學(xué)飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點實驗室,南京 210016)

超聲速內(nèi)埋武器分離數(shù)值研究*

楊 俊,李 騫,謝云愷,朱建輝,童明波

(南京航空航天大學(xué)飛行器先進設(shè)計技術(shù)國防重點實驗室,南京 210016)

旨在為內(nèi)埋武器的投放安全性,分析了攻角和艙門對開式武器艙流動特性的影響。結(jié)合嵌套網(wǎng)格方法并耦合六自由度運動方程研究了內(nèi)埋式導(dǎo)彈在超聲速條件下的分離軌跡和姿態(tài)變化,分析了不同馬赫數(shù)對重力投放和彈射投放兩種分離方式導(dǎo)彈分離軌跡的影響。計算結(jié)果表明,攻角和艙門不能改變開式武器艙的流動類型;兩種分離方式都能使導(dǎo)彈安全分離,但是重力投放下導(dǎo)彈的俯仰角變化較大,不利于導(dǎo)彈點火發(fā)射。

內(nèi)埋武器艙;分離方式;嵌套網(wǎng)格;六自由度

0 引言

以F-22戰(zhàn)斗機代表的第四代戰(zhàn)斗機集隱身、超聲速巡航、超機動和超視距打擊為一身,越來越受到世界各軍事強國的重視。武器外掛是作戰(zhàn)飛機普遍采用的武器裝載方式,其在飛機飛行時產(chǎn)生的阻力大概占飛機總阻力的30%,而且外掛武器大幅增加戰(zhàn)機的雷達散射截面(RCS),這不利于第四代戰(zhàn)斗機實現(xiàn)超聲速巡航能力和隱身性[1-2]。因此,為了實現(xiàn)超聲速巡航和隱身能力,新一代戰(zhàn)斗機普遍采用了武器內(nèi)埋的裝載方式。

雖然內(nèi)埋式武器發(fā)射系統(tǒng)能成功解決飛機飛行阻力和雷達反射截面的問題,但是彈艙的空腔流場特性非常復(fù)雜,對導(dǎo)彈的姿態(tài)和分離軌跡都有很大的影響,稍有不當(dāng)就很可能造成事故的發(fā)生[3]。因此,如何實現(xiàn)導(dǎo)彈從武器艙安全分離是亟待解決的一大難題。文中以某型飛機為參考模型,并對其合理簡化,采用商業(yè)軟件CFD-FASTRAN分析了不同馬赫數(shù)和有無艙門對武器艙的流動特性的影響;結(jié)合嵌套網(wǎng)格方法并耦合六自由度運動方程,對導(dǎo)彈從武器艙中分離的過程進行數(shù)值仿真,對比分析了重力投放和彈射投放兩種分離方式下的導(dǎo)彈分離軌跡,研究了不同馬赫數(shù)對兩種分離方式的影響。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程

考慮網(wǎng)格相對運動的N-S方程為:

(1)

(2)

式中:W為守恒變量;Fc為對流通量;Fv為粘性通量;Qc為源項;Vt為控制體邊界網(wǎng)格法向速度。

文獻[3]指出SSTk-ω模型較好的考慮了逆壓梯度邊界層內(nèi)湍流剪切應(yīng)力的輸運,具有壁面受限流動k-ω模型的穩(wěn)定性和自由剪切流動k-ε模型的準(zhǔn)確性,能更好的模擬復(fù)雜的流動,特別適合內(nèi)埋武器艙復(fù)雜流場的研究,因此,文中湍流模型選擇SSTk-ω模型研究內(nèi)埋武器艙空艙流動特性和武器分離特性。

1.2 嵌套網(wǎng)格方法

最近幾十年來,由于各種計算技術(shù)的發(fā)展,計算流體力學(xué)在數(shù)值模擬復(fù)雜外形的流動問題方面取得了相當(dāng)大的進展。重疊網(wǎng)格計算允許網(wǎng)格區(qū)塊之間的重疊、嵌套或者覆蓋,無需進行復(fù)雜的拓撲分區(qū),從而能大大減少網(wǎng)格生成難度。其中,多區(qū)重疊網(wǎng)格方法以其獨特的優(yōu)勢而備受關(guān)注[4]。文中采用Chimera方法,首先分別生成武器艙、艙門和導(dǎo)彈網(wǎng)格,然后通過“挖洞”的方式建立各塊網(wǎng)格之間的拓撲關(guān)系。

1.3 六自由度方程

文中選擇與載機相連的武器艙為慣性坐標(biāo)系,用于描述導(dǎo)彈從武器艙分離過程中的質(zhì)心運動。其中,X軸取逆來流方向為正,Y垂直于X軸取向上為正,Z軸由右手定則確定。用固連于導(dǎo)彈質(zhì)心的彈體坐標(biāo)系描述導(dǎo)彈質(zhì)心的旋轉(zhuǎn)運動,即俯仰、偏航和滾轉(zhuǎn),X軸指向彈體尾部為正,Y軸垂直于X軸取向上為正,Z軸由右手定則確定。剛體運動方程為:

(3)

式中:F為導(dǎo)彈所受的合力(包括氣動力和重力等);M關(guān)于導(dǎo)彈質(zhì)心的力矩;m為導(dǎo)彈質(zhì)量;v為導(dǎo)彈質(zhì)心線速度;h為角動量;ω關(guān)于導(dǎo)彈質(zhì)心的角速度。

2 計算模型

研究資料表明,內(nèi)埋武器艙的形狀尺寸對武器投放具有很大的影響,尺寸選擇不合理會出現(xiàn)機彈非正常分離現(xiàn)象[5]。國外對空艙流動和內(nèi)埋武器分離的研究投入了大量資金,內(nèi)容涵蓋了從亞聲速到跨聲速再到超聲速條件下的空艙流動特性、武器分離特性以及武器艙流動控制和噪聲抑制技術(shù),并取得了有價值的研究成果[6-8]。文獻[9]指出武器艙的寬度對武器艙的流場性質(zhì)影響不大,其流場特性主要由武器艙的長深比(L/D)決定,并依據(jù)長深比將武器艙的流動特性分為三類:1)開式流動(L/D<10);2)過渡式流動(1013)。

導(dǎo)彈從內(nèi)埋武器艙中分離,要求武器艙內(nèi)壓力梯度較小、分布均勻,如果武器艙前后壓力差較大,可能會導(dǎo)致武器突破粘性剪切層時受到很大的抬頭力矩,造成導(dǎo)彈姿態(tài)角急劇變化,不利于導(dǎo)彈的點火發(fā)射,甚至導(dǎo)致導(dǎo)彈與載機相碰,從而引發(fā)安全事故。此外,在導(dǎo)彈與掛架解除約束之前必須打開艙門,當(dāng)艙門打開的時候,會阻礙武器艙后部高壓氣流流出,導(dǎo)致后部的壓力增大,增加武器艙前后部的壓力差,因此會使得武器分離變得更困難,危險性增大[10]。

文中的研究模型為L/D=5的某型飛機武器艙,武器艙、導(dǎo)彈和艙門模型如圖1所示。

圖1 武器艙、艙門和導(dǎo)彈網(wǎng)格模型

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 空艙流動

文中選擇飛行高度H=25 km,Ma=3.5為計算條件,研究了攻角和艙門對武器艙空艙流動特性的影響。

長深比L/D=5,屬于典型的開式流動,武器艙的來流剪切層在武器艙前部發(fā)生膨脹,但是并沒有像閉式武器艙那樣直接撞擊武器艙底部,而是直接跨過武器艙并與武器艙后緣相撞形成高壓區(qū)。艙內(nèi)壓力先降低然后沿武器艙長度方向單調(diào)增大,并在武器艙后壁達到最大值,整個武器艙內(nèi)壓力分布較均勻,如圖2所示。

圖2 武器艙底部壓力系數(shù)隨攻角變化曲線

從圖2可以看出,隨著來流攻角增大,武器艙底部壓力系數(shù)逐漸增大,并且除攻角α=0°帶艙門的情況之外,壓力系數(shù)沿武器艙長度方向變化趨勢基本不變。對比圖2(a)和圖2(b),可以看出,在同一攻角下,帶艙門武器艙底部壓力系數(shù)要比不帶艙門武器艙壓力系數(shù)大。但是攻角對帶艙門的武器艙底部壓力系數(shù)沿武器艙長度方向變化趨勢的影響較小。圖3(b)所示為考慮武器艙帶艙門的情況,當(dāng)高速來流流過武器艙時,會在兩塊艙門前部形成激波,并在武器艙下方形成一塊高壓區(qū),這必然會對導(dǎo)彈從武器艙分離產(chǎn)生很大影響,可能導(dǎo)致導(dǎo)彈在突破剪切層時產(chǎn)生很大的俯仰角,造成導(dǎo)彈在大攻角情況發(fā)生失速,甚至導(dǎo)彈與載機發(fā)生碰撞,引發(fā)安全事故。

圖3 武器艙對稱面壓力云圖

因此,在接下來的導(dǎo)彈分離研究中必須考慮艙門對導(dǎo)彈分離的影響。

3.2 導(dǎo)彈分離數(shù)值模擬

內(nèi)埋武器分離主要有兩種方式:重力投放和彈射投放。其中,重力投放是指導(dǎo)彈在與掛架解除約束后依靠自身重力的作用實現(xiàn)導(dǎo)彈與載機的分離;而彈射投放是指彈射掛架在極短的時間內(nèi)給予導(dǎo)彈一個初速度,然后導(dǎo)彈與掛架解除約束并在重力的作用下實現(xiàn)其與載機的分離。文中研究了不同的分離方式和不同馬赫數(shù)對導(dǎo)彈分離軌跡的影響,兩種分離方式均不考慮武器掛架的影響。文中根據(jù)某型彈射掛架的性能參數(shù),采用多項式擬合出導(dǎo)彈在受迫運動中的位移與時間的關(guān)系以此模擬彈射掛架工作的動力學(xué)過程。

在曲線圖中,X、Y、Z分別為導(dǎo)彈質(zhì)心在相應(yīng)坐標(biāo)方向上的位移;pitch angle、roll angle、yaw angle分別對應(yīng)俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角。

從圖4和圖5可以看出馬赫數(shù)對兩種分離方式的影響有顯著區(qū)別:馬赫數(shù)對彈射分離導(dǎo)彈的分離軌跡幾乎沒有影響,這是由于彈射投放賦予導(dǎo)彈Y方向向下一定的初速度,使得導(dǎo)彈能迅速突破剪切層并與載機分離,并且在這期間導(dǎo)彈X和Z向位移以及俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角的變化很小幾乎可以忽略,在圖4和圖5中表現(xiàn)為一條直線;而隨著馬赫數(shù)逐漸增大,來流的動壓也逐漸增大,導(dǎo)彈在X和Y方向所受的氣動力也逐漸增大,所以隨著馬赫數(shù)增大同一時刻高馬赫數(shù)下導(dǎo)彈質(zhì)心X位移要比低馬赫數(shù)的要大,即高馬赫數(shù)下X方向的速度分量要大于低馬赫數(shù)下X方向速度分量,而Y方向的導(dǎo)彈質(zhì)心位移和速度則與之相反,如圖4(a)和圖4(b)所示。文中的來流條件并未考慮側(cè)滑角的影響,然而從圖4(c)可以看到導(dǎo)彈質(zhì)心在Z方向有很小的位移,這很可能是由武器艙流動的非定常特性引起的。

圖4 導(dǎo)彈質(zhì)心位移隨時間變化曲線

圖5 導(dǎo)彈姿態(tài)角隨時間變化曲線

如圖5(a)所示,在0.3 s之前,導(dǎo)彈俯仰角受馬赫數(shù)的影響很小,在圖中表現(xiàn)為三條曲線幾乎重疊在一起,而在0.3 s之后,導(dǎo)彈的俯仰角隨馬赫數(shù)的增大而增大,這是因為在0.3 s之前導(dǎo)彈處于武器艙內(nèi)部,其受到的氣動力受馬赫數(shù)的影響較小。從圖5(b)和圖5(c)可以看出馬赫數(shù)對導(dǎo)彈滾轉(zhuǎn)角和偏航角的影響沒有一般性的規(guī)律,并且相對俯仰角而言,滾轉(zhuǎn)角很小,可以忽略。而且,從圖5(a)和圖5(b)可以看出俯仰角和偏航角隨著時間增大而增大,尤其是俯仰角,所以在導(dǎo)彈點火之前必須對其姿態(tài)角進行控制,否則會引起導(dǎo)彈與載機相撞,甚至導(dǎo)致機毀人亡。

4 結(jié)論

文中研究了攻角和艙門對武器艙流動特性的影響,采用Chimera方法并結(jié)合6DOF方程研究了馬赫數(shù)對重力投放和彈射投放兩種分離方式下的分離軌跡的影響。得出了如下結(jié)論:

1)攻角和艙門不能改變開式武器艙的流動特性,艙門的引入會在武器艙底部形成一塊高壓區(qū),這對武器分離的影響不可忽略;

2)馬赫數(shù)對彈射投放導(dǎo)彈的分離軌跡影響可以忽略,馬赫數(shù)對重力投放導(dǎo)彈的軌跡有一定影響,但

是沒有改變其變化趨勢;

3)兩種分離方式均能使導(dǎo)彈安全分離,不同的是彈射分離方式能使導(dǎo)彈與載機快速分離,是最安全的分離方式。而重力投放下導(dǎo)彈俯仰角和偏航角在其離開武器艙之后是逐漸增大的,不利于導(dǎo)彈點火發(fā)射。而對于無人機,其通常較小,內(nèi)埋武器艙也很小,沒有足夠的空間容納彈射機構(gòu),而且彈射機構(gòu)的反作用對無人機的影響不容忽略,重力投放應(yīng)該是最優(yōu)的選擇,但是必須采用主/被動控制技術(shù)或者偏轉(zhuǎn)導(dǎo)彈舵面在導(dǎo)彈點火之前必須對其姿態(tài)進行修正,這將是下一步工作研究方向。

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Numerical Studies on Store Separation from a Weapon Bay at Supersonic Speed

YANG Jun,LI Qian,XIE Yunkai,ZHU Jianhui,TONG Mingbo

(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Advanced Design Technology of Flight Vehicles,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In view of separation safety of internal weapons, influence of attack angle and door on flow characteristics of an open-style weapon bay was analyzed. Overset grid method coupling with six-degree-of-freedom equation was developed to analyze trajectory and attitude variation of internal store separation from a weapon bay at supersonic speed, and the effect of Mach number on the trajectory of two different separation approaches was investigated. The results indicate that the attack angle and door are not able to change flow style of open-style weapon bay, and safe store separation can be realized in any of the two approaches. However, the attitude angle for the gravity separation approach during separation is adverse to ignite.

internal weapon bay; separation approaches; overset grid; 6DOF

2014-08-19

楊俊(1988-),男,四川雅安人,碩士研究生,研究方向:飛行器總體設(shè)計。

V222

A