無人機(jī)機(jī)載炸彈投放分離特性數(shù)值模擬研究*

周培培,郭少杰,王 斌,張桂茹

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)

無人機(jī)機(jī)載炸彈投放分離特性數(shù)值模擬研究*

周培培,郭少杰,王 斌,張桂茹

(中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院,北京 100074)

通過在非結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格上耦合求解剛體六自由度運(yùn)動(dòng)方程和非定常N-S方程的方法,對無人機(jī)機(jī)載炸彈投放分離過程中的氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,獲得了炸彈運(yùn)動(dòng)過程中的軌跡、姿態(tài)等信息,分析了炸彈投放分離過程中的安全性問題。研究表明,在計(jì)算攻角范圍內(nèi)(α=1°、5°),無橫風(fēng)條件下炸彈的投放是安全的;有橫風(fēng)(5 m/s、10 m/s)條件下炸彈的投放是不安全的。

武器投放;重疊網(wǎng)格;六自由度;數(shù)值模擬

0 引言

無人機(jī)機(jī)載外掛物的發(fā)射與投放是現(xiàn)代武器研制中經(jīng)常遇到的一個(gè)氣動(dòng)力問題,準(zhǔn)確預(yù)測機(jī)載武器分離過程中的氣動(dòng)特性和運(yùn)動(dòng)軌跡,對保證安全分離和有效打擊有重要意義。

隨著計(jì)算機(jī)和CFD技術(shù)的發(fā)展,目前處理多體分離問題的數(shù)值模擬方法已較為成熟,國外各航空科研機(jī)構(gòu)(如英國的飛機(jī)空氣動(dòng)力研究所、德國的MBB公司和美國的NASA等)都建立了數(shù)值的仿真技術(shù)[1-6]。由于經(jīng)濟(jì)、技術(shù)等原因,我國對外掛物分離特性的數(shù)值模擬研究起步較晚,但發(fā)展迅速。許曉平、李孝偉、段旭鵬、朱冰和唐志共等人分別采用重疊/嵌套網(wǎng)格技術(shù)對機(jī)彈分離問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[7-15]。

文中研究中對無人機(jī)和機(jī)載炸彈分別生成帶有棱柱層的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,運(yùn)用動(dòng)態(tài)重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)炸彈與載機(jī)間的相對運(yùn)動(dòng),通過耦合求解非定常N-S方程和剛體六自由度動(dòng)力學(xué)方程,對某新型察打一體無人機(jī)機(jī)載炸彈投放分離特性開展數(shù)值模擬研究,綜合考慮有攻角、有橫風(fēng)條件下的動(dòng)態(tài)分離問題,對無人機(jī)機(jī)載炸彈投放安全性進(jìn)行有效評估。

1 數(shù)值方法

1.1 方程求解

文中以三維非定常N-S方程為主控方程,數(shù)值計(jì)算采用有限體積法進(jìn)行空間離散,Jameson雙時(shí)間步方法結(jié)合隱式格式推進(jìn)求解,方程粘性通量采用中心格式離散,無粘通量采用Roe格式離散,湍流模型采用S-A一方程湍流模型。由于炸彈分離過程計(jì)算量很大,在子迭代求解中采用多重網(wǎng)格加速收斂技術(shù),以提高計(jì)算效率。對于剛體六自由度動(dòng)力學(xué)方程采用四階Runge-Kutta方法推進(jìn)求解。

1.2 邊界條件

遠(yuǎn)場邊界條件為無反射邊界,基于Riemann不變量的一維特征線法確定流動(dòng)參數(shù);物面采用無滑移絕熱邊界條件;重疊邊界上的流場信息傳遞由三線性插值得到。

1.3 重疊網(wǎng)格技術(shù)

文中重疊網(wǎng)格系統(tǒng)由包含整個(gè)計(jì)算域的靜止背景網(wǎng)格和包含運(yùn)動(dòng)物體的子域網(wǎng)格構(gòu)成。網(wǎng)格重疊技術(shù)即實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格域間的挖洞處理和洞邊界網(wǎng)格單元的確定,建立網(wǎng)格域間流場信息的傳遞機(jī)制。文中數(shù)值模擬中,重疊網(wǎng)格系統(tǒng)包括載機(jī)域計(jì)算網(wǎng)格和彈體域計(jì)算網(wǎng)格。載機(jī)域網(wǎng)格作為靜止的背景網(wǎng)格,彈體域網(wǎng)格隨彈體一起運(yùn)動(dòng)。隨著網(wǎng)格域間重疊區(qū)的時(shí)時(shí)變化,每一時(shí)間站位都需要進(jìn)行網(wǎng)格域間挖洞處理和洞邊界網(wǎng)格單元的搜尋,以及流場信息的插值交換。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格生成

2.1 無人機(jī)模型及網(wǎng)格生成

某鴨式布局察打一體無人機(jī)模型如圖1所示,起落架形式為不可收放的前三點(diǎn)式,武器掛架與后起落架的縱向位置基本相同。針對全機(jī)進(jìn)行了帶有棱柱層的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成,全機(jī)網(wǎng)格量達(dá)到了1 900萬,圖2給出了全機(jī)及局部網(wǎng)格示意圖。

圖1 某察打一體無人機(jī)模型圖

圖2 無人機(jī)全機(jī)以及局部網(wǎng)格示意圖

2.2 制導(dǎo)炸彈模型及網(wǎng)格生成

某制導(dǎo)炸彈的模型如圖3所示,炸彈網(wǎng)格量達(dá)到了200萬,圖4給出了炸彈彈體頭部及舵附近局部網(wǎng)格示意圖。

圖3 制導(dǎo)炸彈模型圖及表面網(wǎng)格示意圖

圖4 炸彈彈體頭部及舵面附近間局部網(wǎng)格示意圖

2.3 機(jī)載炸彈與無人機(jī)的重疊網(wǎng)格

載機(jī)和炸彈網(wǎng)格子域生成后,通過重疊網(wǎng)格技術(shù)確定網(wǎng)格子域間的重疊關(guān)系。先以載機(jī)掛架為邊界進(jìn)行挖洞處理,隱藏位于其內(nèi)的彈體域網(wǎng)格,并形成新的彈體域外邊界,然后以彈體域外邊界再次進(jìn)行挖洞,隱藏位于其內(nèi)的載機(jī)域網(wǎng)格。通過網(wǎng)格域間的相對運(yùn)動(dòng)即可實(shí)現(xiàn)物體間的任意運(yùn)動(dòng),整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中只需搜索重疊邊界和網(wǎng)格域間的挖洞處理,而不需要網(wǎng)格重新生成,因此具有很高的效率和穩(wěn)定性。圖5給出了炸彈與載機(jī)重疊網(wǎng)格示意圖,圖6給出了空間剖面的重疊網(wǎng)格圖,在掛架下方炸彈運(yùn)動(dòng)區(qū)域進(jìn)行了局部網(wǎng)格加密,使得重疊邊界上網(wǎng)格尺度相近,保證流場信息有良好的插值效果。

圖5 機(jī)載炸彈與無人機(jī)重疊網(wǎng)格示意圖

圖6 機(jī)載炸彈與無人機(jī)空間剖面的重疊網(wǎng)格

3 機(jī)載炸彈投放過程數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算坐標(biāo)系與計(jì)算狀態(tài)

文中的慣性坐標(biāo)系定義為與載機(jī)固聯(lián)的靜止不動(dòng)的參考坐標(biāo)系,主要用來描述制導(dǎo)炸彈的空間位置,符合右手螺旋法則,坐標(biāo)原點(diǎn)位于載機(jī)頭部,X向?yàn)樽杂蓙砹鞣较?Y向垂直向上,Z向垂直載機(jī)對稱面指向右側(cè)。彈體坐標(biāo)系與炸彈固聯(lián),隨彈體一同運(yùn)動(dòng),主要用來描述投放炸彈的姿態(tài),符合右手螺旋法則,原點(diǎn)位于炸彈質(zhì)心,X向?yàn)樽杂蓙砹鞣较?Y向在炸彈的縱向?qū)ΨQ面內(nèi)垂直向上。

H

Ma

α

β

圖7 機(jī)載炸彈質(zhì)心軌跡隨時(shí)間變化曲線

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

制導(dǎo)炸彈投放后在重力和氣動(dòng)力綜合作用下自由下落,判斷炸彈分離的安全性,要結(jié)合下落過程中質(zhì)心變化和姿態(tài)變化曲線進(jìn)行分析。圖7給出了炸彈質(zhì)心軌跡隨時(shí)間變化曲線。計(jì)算時(shí)間內(nèi)(0.5 s),6個(gè)狀態(tài)下,炸彈向下、向后運(yùn)動(dòng)的趨勢與規(guī)律基本一致,在展向方向的運(yùn)動(dòng)則不同。無側(cè)滑情況下,由于無人機(jī)產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾,炸彈向機(jī)翼外側(cè)小幅運(yùn)動(dòng),隨攻角增大,無人機(jī)干擾產(chǎn)生的側(cè)向力增大,向外側(cè)運(yùn)動(dòng)幅度加大;有側(cè)滑角情況下,側(cè)風(fēng)產(chǎn)生的正側(cè)向力大于無人機(jī)干擾產(chǎn)生的負(fù)側(cè)向力,所以炸彈向機(jī)翼內(nèi)側(cè)小幅運(yùn)動(dòng),且隨側(cè)滑角增大運(yùn)動(dòng)幅度增大。從質(zhì)心運(yùn)動(dòng)軌跡上可以定性看出,飛行攻角增大,有利于投放安全性;側(cè)滑角的增大,不利于投放安全性。

圖8～圖10給出了炸彈姿態(tài)角與姿態(tài)角速度隨時(shí)間變化曲線。在計(jì)算時(shí)間內(nèi),6個(gè)狀態(tài)下,炸彈偏航、俯仰運(yùn)動(dòng)的趨勢基本一致,在滾轉(zhuǎn)通道的運(yùn)動(dòng)則不同。炸彈投放分離后,產(chǎn)生負(fù)的偏航運(yùn)動(dòng)(炸彈頭部向機(jī)翼外側(cè)偏轉(zhuǎn)),而且偏航角位移隨著攻角和側(cè)滑角增大而增大;俯仰通道產(chǎn)生正的俯仰運(yùn)動(dòng),隨攻角增大,俯仰角位移略有減小,隨側(cè)滑角增大,俯仰角位移略有增大;在滾轉(zhuǎn)通道,無側(cè)滑角情況下,產(chǎn)生正的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且隨攻角增大而增強(qiáng),有側(cè)滑角情況下,產(chǎn)生負(fù)的滾轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且隨攻角增大而減弱。圖11給出了不同狀態(tài)下機(jī)載炸彈投放后的空間運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)。

圖8 機(jī)載炸彈滾轉(zhuǎn)角位移與滾轉(zhuǎn)角速度隨時(shí)間變化曲線

圖9 機(jī)載炸彈偏航角位移與偏航角速度隨時(shí)間變化曲線

圖10 機(jī)載炸彈俯仰角位移與俯仰角速度隨時(shí)間變化曲線

圖11 不同狀態(tài)下機(jī)載炸彈空間運(yùn)動(dòng)軌跡與姿態(tài)

結(jié)合圖7～圖11的分析得出,無橫風(fēng)的條件下,投放是安全的;在5 m/s級橫風(fēng)和10 m/s級橫風(fēng)攻角5°條件下,炸彈沿著起落架邊緣下落,極其容易發(fā)生碰撞;10 m/s級橫風(fēng)攻角1°條件下,炸彈的尾翼與起落架發(fā)生了碰撞,投放是不安全的。

4 主要結(jié)論

1)文中采用的非結(jié)構(gòu)重疊網(wǎng)格方法在處理復(fù)雜外形及具有較大運(yùn)動(dòng)幅度的多體分離問題時(shí),具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

2)炸彈投放分離后,不同飛行狀態(tài)下,質(zhì)心向下、向后運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致,在展向方向則不同;炸彈低頭、外偏運(yùn)動(dòng)規(guī)律一致,而滾轉(zhuǎn)通道則不同。

3)在計(jì)算攻角范圍內(nèi),無橫風(fēng)條件下炸彈投放是安全的;有橫風(fēng)(5 m/s、10 m/s)條件下,炸彈的投放是不安全的。

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NumericalSimulationStudyoftheCharacteristicofSeparationofUAVAirborneBombRelease

ZHOU Peipei,GUO Shaojie,WANG Bin,ZHANG Guiru

(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

By coupling resolving the 6-DOF motion equation of rigid body and unsteady N-S equation on unstructured dynamic overlapping grids,the numerical simulation of aerodynamic characteristics and the trajectory of UAV airborne bomb in the process of release and separation was carried out.The trajectory and attitude of airborne weapon separation in the process of the bomb movement were obtained and the security issues in the process of bomb release and sepration were analyzed.The results showed that in the calculation of angle of attack range (α=1°、5°),the bomb release was safe without crosswind,while the bomb realease was not safe when under a crosswind(5 m/s、10 m/s).

weapon release; overlapping grid; 6-DOF; numerical simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.021

2016-03-03

周培培(1984-),男,河南南陽人,工程師,研究方向:飛行器設(shè)計(jì)與計(jì)算空氣動(dòng)力學(xué)。

V211.3

A