優(yōu)化彈頭引信外形提高人工防雹增雨炮彈射高*

周國威,聞 泉,王雨時(shí),張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

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優(yōu)化彈頭引信外形提高人工防雹增雨炮彈射高*

周國威,聞 泉,王雨時(shí),張志彪

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,南京 210094)

為增大某37 mm口徑人工防雹增雨炮彈最大射高,在原榴-1引信外形基礎(chǔ)上提出了4種外形優(yōu)化方案,利用Flunet軟件對配用這5種方案引信的彈丸阻力系數(shù)進(jìn)行仿真,并將所得數(shù)據(jù)擬合成有理式函數(shù),再進(jìn)行其質(zhì)心外彈道計(jì)算,得到各方案最大射高。引信頭部外形以拋物面方案減阻增高效果最佳(增高約4%)。通過彈體和引信改進(jìn)設(shè)計(jì)將彈重由現(xiàn)0.70 kg增大到原軍用制式彈的0.732 kg,最大射高還會(huì)增大約3%。

彈藥;數(shù)值仿真;設(shè)計(jì)方案;引信外形;減阻;外彈道學(xué)

0 引言

彈頭引信頭部形狀會(huì)對彈丸氣動(dòng)特性產(chǎn)生影響,通過研究彈頭引信頭部形狀對彈丸氣動(dòng)特性的影響,有助于尋求低阻的引信外形,從而實(shí)現(xiàn)增大彈丸射高的目的。研究氣動(dòng)特性通常有3種手段:理論計(jì)算、風(fēng)洞試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)。文獻(xiàn)[1]應(yīng)用Fluent仿真軟件研究了彈頭引信外形對小口徑亞音速彈丸氣動(dòng)力特性的影響,得到了頭部形狀為單一圓臺(tái)形、組合圓臺(tái)形和半球形的3種彈丸在不同攻角、不同馬赫數(shù)下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)、俯仰力矩系數(shù)和壓力中心變化規(guī)律;文獻(xiàn)[2]通過Fluent軟件對裝配不同外形引信的57 mm口徑人工防雹增雨彈的彈丸空氣阻力特性進(jìn)行仿真,得到了不同外形下阻力系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系曲線。

文中以37 mm口徑人工防雹增雨炮彈彈丸為例,利用Fluent軟件對5種不同引信頭部形狀的彈丸以不同馬赫數(shù)飛行時(shí)的零攻角阻力系數(shù)進(jìn)行仿真,研究了引信頭部形狀對彈丸阻力系數(shù)的影響。通過對比分析這5種彈丸的氣動(dòng)力特性以得到其中低阻力的引信外形，為彈丸增大射高提供參考方案。

1 建模仿真

1.1 模型方案

彈頭部形狀一般分錐形、圓弧形(或稱卵形)、拋物線和桿形頭部等4種[3]。文中在彈頭引信原始外形(方案1,即原榴-1引信外形,以往37 mm口徑高炮降雨彈引信幾乎均為此外形)的基礎(chǔ)上同時(shí)考慮引信內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了4種改進(jìn)方案(即方案2～方案5),其形狀如圖1所示。各方案外形尺寸所對應(yīng)尺寸及其數(shù)值如表1所列。

由于結(jié)構(gòu)尺寸所限,方案5的拋物面并不是嚴(yán)格意義上的拋物面,建模時(shí)保證尺寸h處相切,導(dǎo)致引信體頂部拋物面無法封閉,產(chǎn)生了一個(gè)直徑約0.34 mm的圓平面。5種頭部外形引信配用的彈丸相同。方案3全彈長L′=160.43 mm,另4種方案全彈長L=167.66 mm。

圖1 5種引信頭部方案

表1 5種引信頭部方案外形尺寸符號(hào)和數(shù)值

1.2 仿真過程

利用ANSYS Workbench下的Fluent模塊進(jìn)行數(shù)值仿真,選用單精度、基于密度的求解器。計(jì)算域呈圓柱形,長度為彈丸長度的20倍、直徑為彈徑的40倍,邊界條件設(shè)置為遠(yuǎn)場壓力條件。選用Cutcell網(wǎng)格。馬赫數(shù)和攻角情況都屬于定常流動(dòng)范圍,采用相對運(yùn)動(dòng)條件模擬彈丸外流場,即假設(shè)彈丸靜止、來流為理想氣體,空氣以反向相同速度流動(dòng)。選擇薩蘭德定律計(jì)算氣體粘性,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型[4]。因求解的是可壓縮氣體,涉及總壓和靜壓等多種壓力,故為便于設(shè)置邊界條件和計(jì)算結(jié)果的后處理,將參考?jí)毫χ脼榱鉡5]。為提高精度,建模時(shí)還考慮了彈丸受膛線擠壓后的彈帶變形。圖2和圖3為方案1仿真時(shí)的流場模型和彈丸表面網(wǎng)格劃分情況。

仿真時(shí)彈丸置于空氣流場計(jì)算域中心,假設(shè)彈丸表面絕熱,設(shè)置阻力系數(shù)為監(jiān)視對象。

圖2 方案1仿真時(shí)的流場模型

圖3 方案1仿真時(shí)彈丸表面網(wǎng)格

2 仿真結(jié)果

炮兵標(biāo)準(zhǔn)氣象條件所規(guī)定的地面聲速標(biāo)準(zhǔn)值為341.2 m/s[3],文中所用Fluent軟件中默認(rèn)的聲速值為347.1 m/s,國際標(biāo)準(zhǔn)大氣狀態(tài)下海平面聲速標(biāo)準(zhǔn)值為340.3 m/s[6]。由于三者差異較小,故在此不予區(qū)分。

2.1 模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證仿真結(jié)果正確性,在來流速度為866 m/s、攻角α=0°條件下對某37 mm高炮曳光殺傷榴彈的氣動(dòng)特性在不考慮曳光效應(yīng)的前提下進(jìn)行了仿真,得其零升阻力系數(shù)Cx0=0.285 2。查文獻(xiàn)[7]知該彈丸i43=1.0。又由文獻(xiàn)[3]中1943年阻力定律函數(shù)表查得當(dāng)來流速度分別為860 m/s和870 m/s時(shí),其對應(yīng)的零升阻力系數(shù)分別為0.287和0.285。現(xiàn)0.285<0.285 2<0.287,故認(rèn)為該仿真模型和方法可信。

2.2 阻力特性

文中計(jì)算了上述5種頭部外形的彈丸在零攻角情況下,Ma分別為0.173～2.495時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況,得到各自對應(yīng)的阻力系數(shù)見表2。

由表可知,在亞音速段,5種方案在同一攻角下阻力系數(shù)的大小排序?yàn)?方案3<方案5<方案2<方案4<方案1;在跨音速段,5種方案阻力系數(shù)基本相同;在超音速段,5種方案在同一攻角下阻力系數(shù)的大小排序?yàn)?方案5<方案4<方案2<方案1<方案3。初步看來,方案5(即拋物面頭部)在超音速段具有較好的減阻特性。

表2 5種方案對應(yīng)于不同馬赫數(shù)時(shí)的零升阻力系數(shù)值

2.3 阻力系數(shù)擬合

為進(jìn)一步分析彈丸阻力系數(shù)的變化,現(xiàn)利用Origin Lab數(shù)據(jù)分析和繪圖軟件對零攻角下5種方案的阻力系數(shù)進(jìn)行擬合。為提高擬合結(jié)果的精度,當(dāng)馬赫數(shù)在0.749～1.268范圍內(nèi)時(shí)對模型作進(jìn)一步細(xì)化仿真。進(jìn)行曲線擬合時(shí)參考文獻(xiàn)[8]中介紹的方法,根據(jù)仿真結(jié)果,以跨音速段阻力系數(shù)的最大值(對應(yīng)馬赫數(shù)1.095)為界分亞音速段(馬赫數(shù)0.173～1.095)和超音速段(馬赫數(shù)1.095～2.495)兩段。在亞音速段利用Logistic曲線擬合,在超音速段利用三次拋物線擬合。

當(dāng)馬赫數(shù)在0.173～2.495范圍內(nèi)時(shí),方案1(即引信頭部外形為原始頭部)所對應(yīng)的零升阻力系數(shù)如圖4所示。

圖4 方案1(原始頭部)對應(yīng)的零升阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的

經(jīng)分段擬合后可得其亞音速段Logistic擬合曲線[9]對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式為:

超音速段三次拋物線擬合曲線對應(yīng)的函數(shù)表達(dá)式為

Cx0=0.047 77Ma3-0.245 31Ma2+

0.259 24Ma+0.455 06

其余4種方案的阻力系數(shù)曲線擬合方法與此相同,所得結(jié)果與此類似,在此不再詳述。

2.4 外彈道數(shù)值計(jì)算

為對比這5種方案的引信頭部外形對彈丸射高的影響,對這5種方案的彈丸,利用阻力系數(shù)擬合函數(shù)進(jìn)行零攻角下的質(zhì)心外彈道數(shù)值解算。采用Matlab軟件中變步長的ode45算法,最小步長據(jù)時(shí)間精度調(diào)節(jié)。初始條件t=0,v=v0=866 m/s,θ=θ0=85°,x=0,y=0。

文中所述37 mm口徑人工防雹增雨彈出廠平均質(zhì)量m=0.70 kg,某37 mm高炮曳光殺傷榴彈彈丸圖定平均質(zhì)量m=0.732 kg。以這兩種彈重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行外彈道計(jì)算。

上述5種方案彈丸最大射高計(jì)算結(jié)果如表3所示。其中方案5(即拋物面頭部)對彈丸射高的增幅最大,這與阻力特性分析結(jié)果一致。表3中最大射高數(shù)值后面括弧內(nèi)的數(shù)字為各方案對比時(shí)最大射高從大到小的排序。

表3 5種方案最大射高ymax對比

經(jīng)典外彈道學(xué)理論認(rèn)為:對于彈丸頭部形狀,從阻力觀點(diǎn)來看,以拋物線型母線最有利,而以橢圓型母線最差。但當(dāng)彈丸速度較小時(shí),母線形狀對阻力沒有顯著影響[10]。文中仿真結(jié)果與該論述一致。

由表3可見,對于不同方案,彈丸最大射高變化程度排序?yàn)?方案3<方案1<方案2<方案4<方案5,與5種方案在超音速段的阻力特性吻合。當(dāng)彈丸由原始頭部變?yōu)閽佄锩骖^部,m=0.70 kg時(shí),最大射高由5 845 m增加到6 083 m,增量為238 m,增幅為4.07%;m=0.732 kg時(shí),最大射高由6 046 m增加到6 269 m,增量為223 m,增幅為3.69%。

文獻(xiàn)[11]給出1965年式雙管37 mm高射機(jī)關(guān)炮最大射高為6 700 m,與文中結(jié)果(6 046 m)存在10.8%的誤差。其原因在于文中所研究的37 mm人工降雨彈相對于制式37彈丸底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,取消了曳光管,因而就不再具有曳光管結(jié)構(gòu)所帶來的底排減阻效應(yīng)和底凹減阻效應(yīng)。一般旋轉(zhuǎn)彈丸在超音速下的底阻約占總阻的30%～40%;細(xì)長頭部的遠(yuǎn)程形彈丸,因頭阻減小,故底部阻力所占的比重更大,一般可達(dá)總阻的40%～50%甚至更多[10]。因此,文中彈丸與制式彈丸在射高上存在10.8%的差異是可信的。這也說明取消底部曳光管之后,新設(shè)計(jì)的人工防雹增雨彈不可能與原軍用制式榴彈實(shí)現(xiàn)外彈道一致進(jìn)而通用射表。

83-I型、83-II型、92型和JD89型是已裝備的幾種無曳光管結(jié)構(gòu)的人工降雨彈,文獻(xiàn)[11]給出的其射高與文中參照2.3節(jié)給出的阻力特性進(jìn)行外彈道計(jì)算所得射高對比如表4所示。

表4 幾種人工降雨彈文獻(xiàn)[11]給出的射高與計(jì)算結(jié)果對比

由表中數(shù)據(jù)可知,利用文中外彈道計(jì)算方法所得的幾種人工降雨彈的射高與文獻(xiàn)[11]給出的實(shí)際射高是吻合的,由此證明文中外彈道計(jì)算分析結(jié)果可信。

3 結(jié)論

在5種引信頭部外形方案中,以拋物面頭部為最優(yōu),減阻增高效果明顯(增高約4%)。具體實(shí)施時(shí),可在現(xiàn)有引信外形基礎(chǔ)上,將引信頭部約前1/3處外輪廓加工成拋物面即可。

為盡可能提高射高,應(yīng)在保證彈丸和引信高破片破碎率和低制造成本特性的前提下,在已有制式火炮炮口動(dòng)量或炮口動(dòng)能限制條件下,應(yīng)盡可能增大彈重(包括引信質(zhì)量)或初速。如彈重按原制式軍用榴彈彈重0.732 kg,則射高又可增高約3%。

[1] 王洪超, 聞泉, 劉治旺, 等. 彈頭引信外形對小口徑亞音速彈氣動(dòng)特性影響 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2014, 34(6): 113-118.

[2] 沈曉軍. 57 mm口徑人工增雨防雹彈時(shí)間引信相關(guān)技術(shù)研究 [D]. 南京: 南京理工大學(xué), 2013.

[3] 浦發(fā), 芮筱亭. 外彈道學(xué) [M]. 修訂本. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1989: 20-55.

[4] 鄭健, 周長省, 鞠玉濤, 等. Spalart-Allmaras湍流模型在弧形翼超音速流場數(shù)值模擬中的應(yīng)用 [J]. 重慶工學(xué)院學(xué)報(bào), 2008, 22(12): 34-39.

[5] 于勇. FLUENT入門與進(jìn)階教程 [M]. 北京: 北京理工大學(xué)出版社, 2008: 102-103.

[6] 美國國家海洋和大氣局、國家航宇局和美國空軍部. 標(biāo)準(zhǔn)大氣 [M]. 任現(xiàn)淼, 錢志民, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 1982: 1.

[7] 《炮彈火箭彈產(chǎn)品手冊》編寫組. 炮彈火箭彈產(chǎn)品手冊: 第二分冊 陸軍炮彈與火箭彈 [M]. 北京: 兵器工業(yè)部第三管理局, 1984: 142-145.

[8] 楊翔, 王雨時(shí), 聞泉. 應(yīng)用阻力系數(shù)擬合曲線解析式數(shù)值解算外彈道諸元 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2014, 34(5): 151-155.

[9] 王雨時(shí). 彈丸戰(zhàn)斗部及其破片空氣阻力系數(shù)的Logistic曲線分段擬合 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2006, 26(1): 242-244.

[10] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東暉, 等. 彈丸設(shè)計(jì)理論 [M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1985: 20-22.

[11] 馬官起, 王洪恩, 王金民, 等. 人工影響天氣三七高炮實(shí)用教材 [M]. 北京: 氣象出版社, 2006: 1, 208-209.

Optimization of Nose Fuze Contour to Increase Firing Height of Artificial Hail-suppression and Rainfall Projectile

ZHOU Guowei,WEN Quan,WANG Yushi,ZHANG Zhibiao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to increase the maximum firing height of a 37 mm caliber artificial hail-suppression and rainfall projectile, the other 4 kinds of contour optimization schemes were put forward on the basis of the contour of origin Liu-1 fuze, drag coefficients of projectiles equipped with these 5 schemes of fuze were simulated by using Flunet, and the data obtained would be fit to rational functions, then the centroid trajectory was calculated and the maximum firing height of each scheme was obtained. The fuze head contour has the best effect with the parabolic scheme in reducing drag and increasing height (increasing by about 4%). It increases the mass of projectile from the current 0.70 kg to 0.732 kg of the military standard projectile by the improved design of projectile and fuze, the maximum firing height will increase by about 3%.

ammunition; numerical simulation; design scheme; fuze contour; reducing drag; exterior ballistics

2015-08-13

周國威(1990-),男,江蘇金壇人,碩士研究生,研究方向:引信總體技術(shù)。

TJ431.3

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