舵片修正彈丸氣動(dòng)特性仿真研究

汪亞利，邵偉平，郝永平，許　巍，郝　啟，趙建斌

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽　110159)

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舵片修正彈丸氣動(dòng)特性仿真研究

汪亞利，邵偉平，郝永平，許巍，郝啟，趙建斌

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159)

摘要：為了研究舵片修正彈丸的氣動(dòng)特性，建立了不同舵高和舵偏修正彈丸的三維模型，利用有限元分析和動(dòng)力學(xué)仿真軟件對(duì)彈丸模型進(jìn)行分析和仿真，得出舵片不同高度、不同舵偏的彈丸在不同攻角、不同馬赫數(shù)下的氣動(dòng)特性和不同舵片高度和不同舵偏角彈丸的氣動(dòng)特性變化規(guī)律，彈丸的氣動(dòng)力特性隨舵片高度和舵偏角的變化而變化，其中50 mm高的舵片較其他舵片對(duì)彈丸阻力以及升力的影響較大，而8°舵偏角較其他舵偏角對(duì)偏航特性的影響較大。

關(guān)鍵詞：舵高；舵偏角；舵片修正；氣動(dòng)特性

本文引用格式：汪亞利，邵偉平，郝永平，等.舵片修正彈丸氣動(dòng)特性仿真研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(6):65-68.

Citation format:WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, et al.Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):65-68.

在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)中精確打擊彈藥越來越發(fā)揮其強(qiáng)大的作用并且占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，但是以導(dǎo)彈為代表的精確打擊武器以其造價(jià)昂貴等特點(diǎn)無法大規(guī)模裝備使用，而二維彈道修正彈以其成本低且精度高的特點(diǎn)被世界各國追捧[1]。彈道修正彈最早由美國在20世紀(jì)70年代中期提出，這種炮彈當(dāng)時(shí)被稱作“末端修正旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈(TCSP)”，隨著導(dǎo)航與微電子技術(shù)的發(fā)展，GPS接收機(jī)和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備的小型化程度不斷提高，彈道修正彈也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展[2,11]。目前，美國、英國、法國、瑞典等國家都在進(jìn)行彈道修正引信的研制，研制成功后可將大量的現(xiàn)役常規(guī)炮彈轉(zhuǎn)化為“靈巧”炮彈，射擊精度提高3倍以上[3]。國內(nèi)，一維彈道修正技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，二維彈道修正技術(shù)也在不斷的發(fā)展與完善，已經(jīng)提出了完善的基于鴨舵技術(shù)的二維彈道修正引信方案，在氣動(dòng)力方面有些采用鴨舵修正引信的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定炮彈修正能力，有些采用可旋轉(zhuǎn)鴨舵影響旋轉(zhuǎn)彈丸縱向氣動(dòng)特性，有些則采用阻力環(huán)和鴨舵來改變二維彈道修正彈的氣動(dòng)特性[4-5]。

微小型推進(jìn)器修正和鴨舵式修正是兩種主要的二維彈道修正方式，其中微小型推進(jìn)器的集成技術(shù)較復(fù)雜、集成難度系數(shù)較大，所以鴨舵修正技術(shù)成為了二維彈道修正技術(shù)的主導(dǎo)方式[6]。在彈丸進(jìn)行修正時(shí)，其整體彈丸的氣動(dòng)特性對(duì)彈丸飛行穩(wěn)定性和修正能力具有較大的影響，所以在進(jìn)行修正之前必須先對(duì)其整體氣動(dòng)特性進(jìn)行分析。

本文以某高速旋轉(zhuǎn)彈丸為研究對(duì)象，使用固定式鴨舵對(duì)其進(jìn)行二維彈道修正。分析了不同舵高時(shí)修正彈丸的氣動(dòng)特性，包括阻力系數(shù)、升力系數(shù)在不同攻角、不同馬赫數(shù)下的變化規(guī)律，以及不同舵偏角對(duì)彈丸修正特性的影響，然后根據(jù)不同情況下的彈丸壓力云圖更直觀地分析了彈丸的氣動(dòng)特性，最后將仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，得出三維后處理結(jié)果圖驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。

1　舵片修正彈丸工作原理

二維彈道修正彈的修正機(jī)構(gòu)主要包括四大部分，分別是舵翼、探測(cè)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和引信激發(fā)裝置[7]。對(duì)修正起執(zhí)行作用的為兩對(duì)舵片，其為非對(duì)稱的兩對(duì)翼片，帶有一定的舵偏角，其中一對(duì)為減旋舵，另一對(duì)為修正舵[8]。在彈丸發(fā)射之前將目標(biāo)點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)輸入彈丸引信。當(dāng)彈丸發(fā)射后，結(jié)合目標(biāo)參數(shù)和發(fā)射的初始條件彈載系統(tǒng)計(jì)算出理想彈道；在彈丸飛行過程中，探測(cè)裝置將實(shí)際的彈道參數(shù)發(fā)送至彈載系統(tǒng)，從而計(jì)算出實(shí)際彈道并與理想彈道進(jìn)行對(duì)比；當(dāng)實(shí)際彈道偏離理想彈道一定距離時(shí)，修正機(jī)構(gòu)將控制舵片進(jìn)行減旋，當(dāng)減旋舵受到空氣動(dòng)力作用時(shí)使得引信的滾轉(zhuǎn)力矩與彈體旋轉(zhuǎn)方向相反，為控制引信提供部分動(dòng)力；然后將舵片固定在某特定位置，這時(shí)由于風(fēng)吹向舵片給修正舵片一定的力，所以修正舵會(huì)為修正提供部分動(dòng)力，從而使得彈丸飛行軌跡得以修正。通過改變舵片固定時(shí)的位置進(jìn)行彈道的橫向和縱向的修正[9-10]。圖1為二維彈道修正原理圖。

圖1　為二維彈道修正原理圖

可見修正舵片主要是靠空氣動(dòng)力提供修正力，而不同高度的舵片飛行過程中迎風(fēng)面積不同，所受空氣動(dòng)力不同，導(dǎo)致不同舵高對(duì)彈道的修正能力不同，所以對(duì)不同舵高的修正彈丸進(jìn)行氣動(dòng)性分析、研究其變化規(guī)律并合理選擇舵片高度是保證打擊精度的一個(gè)重要因素。

2　不同舵高彈丸氣動(dòng)特性分析

當(dāng)二維修正彈的修正鴨舵舵偏相同而舵高不同時(shí)，會(huì)對(duì)修正彈的氣動(dòng)特性產(chǎn)生一定的影響，并且不同舵高產(chǎn)生的影響也是不同的，直接影響著彈丸阻力系數(shù)、升力系數(shù)的變化規(guī)律。由于整體修正彈丸的氣動(dòng)特性變化，可能導(dǎo)致彈丸在飛行過程中出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)不穩(wěn)定、過穩(wěn)定甚至掉彈等情況，影響彈丸的打擊精度和打擊能力。所以，選擇合理的舵高也是保證彈丸整體氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)合理的重要條件。

為了分析固定式鴨舵舵片高度對(duì)彈丸的整體氣動(dòng)特性的影響并確定合理的舵片高度，本文以某高速旋轉(zhuǎn)彈為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了舵片形狀、位置、偏角等相同但舵片高度不同的幾組仿真模型。以下為舵片(圖2)及整體彈丸(圖3)模型圖。

圖2　舵片模型圖

圖3　彈丸整體模型圖

現(xiàn)建立舵偏角為6°，舵片高度分別為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm的仿真模型進(jìn)行氣動(dòng)仿真，得到圖4～圖11。

圖4　0°攻角不同馬赫數(shù)下舵片高度與升力系數(shù)的關(guān)系

由圖4可以看出除了60 mm及65 mm的彈丸，其他舵高的彈丸整體升力系數(shù)均隨馬赫數(shù)增大先迅速下降然后再緩慢上升；在0.5～1 Ma時(shí)舵高為50 mm的彈丸升力系數(shù)最高而65 mm舵高的彈丸升力系數(shù)最低，在1.5 Ma時(shí)彈丸升力最低(除60 mm舵高彈丸)。

圖5　2.75 Ma不同攻角下舵高與升力系數(shù)的關(guān)系

由圖5可以看出不同舵高彈丸的升力系數(shù)均隨攻角的增大而增大，在0～8°攻角下所有舵高彈丸的升力系數(shù)基本相同，而10°攻角下的升力系數(shù)不同，其中65 mm舵高彈丸最高、45 mm舵高彈丸最低。

圖6　0°攻角不同馬赫數(shù)下舵片高度與阻力系數(shù)的關(guān)系

由圖6可以看出不同舵高彈丸的阻力系數(shù)均隨馬赫數(shù)的增大先迅速增大然后再緩慢減小，在1.5～3 Ma時(shí)65 mm舵高彈丸的阻力系數(shù)最大而50 mm舵高的阻力系數(shù)最小。

圖7　2.75 Ma不同攻角下舵高與阻力系數(shù)的關(guān)系

由圖7可以看出不同舵高彈丸的阻力系數(shù)均隨攻角的增大而增大，0～10°攻角下65 mm舵高彈丸的阻力系數(shù)最大，2～8°攻角下55 mm舵高彈丸的阻力系數(shù)最小。

45 mm、55 mm、65 mm舵高彈丸的壓力云圖如圖8，從圖8可以看出：不同舵高對(duì)彈丸周圍整體壓力變化影響是很明顯的:

圖8　45 mm、55 mm、65 mm舵高時(shí)壓力云圖

3　不同舵偏彈丸偏航特性分析

由于舵片為修正彈的修正機(jī)構(gòu)，而本文研究的是非對(duì)稱的固定鴨舵式旋轉(zhuǎn)彈，所以不僅舵片高度對(duì)彈丸的氣動(dòng)特性和修正能力有一定影響，舵片的偏轉(zhuǎn)角度也是影響彈丸氣動(dòng)特性和修正能力的一大重要因素?，F(xiàn)以舵高均為55 mm舵偏角分別為4°、6°、8°的修正彈丸為研究對(duì)象，重點(diǎn)分析舵片的偏轉(zhuǎn)角度對(duì)彈丸偏航特性的影響。圖9為0°攻角不同馬赫數(shù)下不同舵偏角彈丸的偏航系數(shù)的變化規(guī)律，圖10為2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角彈丸的偏航系數(shù)的變化規(guī)律。

圖9　0°攻角不同馬赫數(shù)下不同舵偏角彈丸的偏航系數(shù)

由圖9可以看出4°、6°偏角的變化規(guī)律基本相同，偏航系數(shù)也相差不大，而8°舵偏彈丸的偏航系數(shù)較4°、6°舵偏的彈丸相差甚大且變化規(guī)律不也相同。也就是說，當(dāng)舵偏角大到一定范圍時(shí)，對(duì)彈丸偏航特性的影響非常大，這也是造成彈丸彈道偏航距離過大和打擊精度不高的一個(gè)重要原因。

圖10　2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角彈丸的偏航系數(shù)

由圖10可以看出同一舵高不同舵偏彈丸的偏航系數(shù)均隨著攻角的增大而增大，0～2°攻角時(shí)速度增大幅度大于4～6°攻角時(shí)的速度增大。4°、6°攻角的偏航系數(shù)較6°攻角的偏航系數(shù)很小，所以大攻角對(duì)彈丸的偏航特性的影響是非常大的，所以選擇合理的舵偏角可以提高彈丸的打擊精度。

以下為同一舵高舵偏4°、6°、8°彈丸的壓力云圖(圖11)，從圖中可以看出舵片偏角越大對(duì)彈丸周圍整體壓力的影響越大。

圖11　同一舵高舵偏4°、6°、8°的壓力云圖

從以上分析可以看出，舵片高度和舵偏角對(duì)彈丸整體氣動(dòng)特性的影響非常明顯，舵片高度主要影響彈丸的升力、阻力，而舵片偏角主要對(duì)彈丸的偏航特性影響較大，偏角越大偏航系數(shù)越大，彈丸的打擊精度越低。結(jié)合彈丸整體的壓力云圖更直接清晰地分析了不同舵片高度對(duì)彈丸氣動(dòng)特性的影響以及不同舵偏對(duì)彈丸偏航特性的影響。

4　仿真結(jié)果后處理

現(xiàn)以6°偏角55 mm高舵片彈丸為列，對(duì)彈丸仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行后處理，并將得出的數(shù)據(jù)與理論值進(jìn)行對(duì)比，圖12～圖14分別為彈丸阻力、升力以及偏航力的三維后處理圖。

圖12　阻力的三維后處理圖

圖13　升力的三維后處理圖

圖14　偏航力的三維后處理圖

從圖12～圖14可以看出，經(jīng)過氣動(dòng)力仿真得到的數(shù)據(jù)基本符合彈丸氣動(dòng)力的計(jì)算數(shù)值。

4　結(jié)論

本文重點(diǎn)探討了鴨舵式修正機(jī)構(gòu)二維修正彈的氣動(dòng)特性，首先建立了不同舵片高和不同舵片偏角的三維模型，然后對(duì)所建的三維模型進(jìn)行了氣動(dòng)力仿真分析，得出彈丸在不同攻角和不同馬赫數(shù)下的氣動(dòng)特性數(shù)據(jù)。通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理和分析得出了彈丸在不同修正機(jī)構(gòu)下的氣動(dòng)特性變化規(guī)律。

綜上得出，彈丸的氣動(dòng)力特性隨舵片高度和舵偏角的變化而變化，其中,亞音速下50 mm高的舵片彈丸的升力系數(shù)最大，超音速下60 mm高的舵片彈丸的升力系數(shù)最??；超音速下65 mm高的舵片彈丸阻力系數(shù)最大而50 mm高的舵片彈丸最??；較其他舵偏角的彈丸，8°舵偏角的彈丸的偏航系數(shù)遠(yuǎn)大于其他偏角，即舵片偏角越大彈丸的打擊精度越低。

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(責(zé)任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.015

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-01-20

作者簡(jiǎn)介：汪亞利(1990—)，女，碩士研究生，主要從事彈道修正技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TJ760.35

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2096-2304(2016)06-0065-05

Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile

WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, XU Wei, HAO Qi, ZHAO Jian-bin

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:For studying the pneumatic character of the steering-corrected projectile, 3D model of different height and rudder angle of steering was established. The model of projectile was analyzed and simulated by using finite element analysis software and dynamics simulation software and resulted the pneumatic character about the projectile of different height and different rudder angle under different deflected angle and different velocity, and variational law of pneumatic character. The resistance is obtained and that the lift force is mainly influenced by the 50 mm height of steering, and the character of deviation is mainly influenced by the 8 degree deflected angle.

Key words:height of steering; rubber angle; steering-correction; pneumatic character