折疊方式對(duì)折疊翼氣動(dòng)及展開特性的影響*

單繼祥，龔志斌，趙林東，趙 平，石運(yùn)國

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621000)

0 引言

彈翼折疊可有效縮小外形尺寸、減輕結(jié)構(gòu)重量，使其在箱式發(fā)射武器得到廣泛應(yīng)用。折疊翼可根據(jù)折疊方向分為橫向折疊翼和縱向折疊翼[1-2]。橫向折疊翼是在翼面根部或中部沿彈體軸向設(shè)置一分離面，安裝轉(zhuǎn)軸，在扭桿或扭簧的驅(qū)動(dòng)力矩作用下，使折疊部分彈翼繞轉(zhuǎn)軸展開。折疊翼能否迅速、安全、同步地展開是折疊翼設(shè)計(jì)的重要評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。折疊翼所受氣動(dòng)力對(duì)折疊翼展開時(shí)間、展開同步性均有重要影響，當(dāng)折疊翼所受氣動(dòng)力超過一定程度時(shí)，甚至導(dǎo)致折疊翼無法展開到鎖定位置，展開失敗[3]。折疊方式是影響折疊翼氣動(dòng)力的重要因素，且對(duì)折疊翼的展開性能有重要影響。目前，針對(duì)折疊方式對(duì)折疊翼氣動(dòng)特性及其展開特性的研究很少，僅賈毅[4]通過地面試驗(yàn)比較了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈折疊翼兩種折疊方式的展開特性。

箱式發(fā)射導(dǎo)彈采用的橫向折疊翼普遍采用折疊翼對(duì)稱位于彈身左右兩側(cè)、上下對(duì)稱折疊的折疊方式。針對(duì)該種折疊翼展開過程，國內(nèi)外學(xué)者采用地面試驗(yàn)、動(dòng)力學(xué)仿真等方法進(jìn)行了大量研究。趙俊鋒、崔二巍等[5-7]對(duì)折疊翼展開運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)展開驅(qū)動(dòng)力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。吳俊全[8]、甄文強(qiáng)[9]等對(duì)動(dòng)力學(xué)計(jì)算結(jié)果及地面試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，并研究了折疊翼負(fù)載、摩擦力等參數(shù)對(duì)展開特性的影響。李真[10]采用CFD方法模擬了折疊翼展開的動(dòng)態(tài)過程，研究了氣動(dòng)力對(duì)折疊翼展開特性及全彈姿態(tài)的影響。

針對(duì)常規(guī)折疊方式折疊翼，本文作者此前研究了不同位置折疊翼的氣動(dòng)特性，并分析了氣動(dòng)效應(yīng)對(duì)折疊翼展開特性的影響[11]。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)了一種新型折疊方式，分析了兩種折疊方式下折疊翼氣動(dòng)特性及展開特性，研究了折疊翼方式對(duì)其氣動(dòng)及展開性能的影響機(jī)制。

1 計(jì)算模型和方法

1.1 計(jì)算模型

本文采用的計(jì)算模型為彈身+ “×”型折疊彈翼模型，其外形如圖1所示。本文研究了兩種不同折疊方式下的折疊翼的氣動(dòng)及展開特性。

(a)展開狀態(tài) (b)對(duì)稱折疊狀態(tài) (c)順向折疊狀態(tài)

圖1(b)為第一種折疊方式，上側(cè)折疊翼向下折疊，下側(cè)折疊翼向上折疊，沿縱向及橫向均對(duì)稱分布，本文稱之為對(duì)稱折疊方式。圖1(c)為第二種折疊翼方式，其左側(cè)兩片折疊翼逆時(shí)針折疊，右側(cè)兩片折疊翼順時(shí)針折疊，對(duì)稱分布于彈身兩側(cè)，本文稱之為順向折疊方式。兩種折疊翼方式相比，上折疊翼位置完全相同，下折疊翼位置則相對(duì)于下固定翼對(duì)稱。折疊狀態(tài)下，固定彈翼與折疊彈翼之間的夾角為45°，兩者間的夾角隨翼面的展開而增大，直至折疊翼完全展開到位，如圖1(a)所示。

1.2 數(shù)值計(jì)算方法

在折疊翼氣動(dòng)特性模擬方面，控制方程采用基于雷諾平均方法的三維N-S方程，如式(1)所示：

(1)

式中Q為守恒量；F、G、H為無粘矢通量；Fv、Gv、Hv為粘性矢通量。

流場(chǎng)求解器采用的是基于三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積求解器，粘性項(xiàng)采用James中心差分，無粘項(xiàng)采用Roe格式。湍流模型采用Menter提出的兩方程k-ωSST模型。

1.3 折疊翼展開動(dòng)力學(xué)仿真

展開過程中，折疊翼受到包括氣動(dòng)力矩在內(nèi)的多種力矩作用，且部分作用力矩的大小與折疊翼展開角度相關(guān)。針對(duì)本文的計(jì)算模型，折疊翼在展開過程中主要受扭桿驅(qū)動(dòng)力、慣性力、摩擦力及氣動(dòng)力等的作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，折疊翼展開的動(dòng)力學(xué)方程如式(2)所示：

θw)+M1+Mf=0

(2)

1.4 計(jì)算方法驗(yàn)證

本文對(duì)某全彈模型氣動(dòng)力數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，以研究數(shù)值計(jì)算方法的正確性和網(wǎng)格的可靠性。圖2是不同彈翼狀態(tài)下，全彈氣動(dòng)力計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)曲線。由兩者比較可看出，彈翼折疊、展開狀態(tài)下，全彈各縱向氣動(dòng)力系數(shù)計(jì)算與試驗(yàn)曲線基本吻合，表明本文采用的數(shù)值模擬方法及計(jì)算網(wǎng)格對(duì)折疊翼氣動(dòng)特性的模擬結(jié)果是可信的。

(a)CD-α (b)CL-α (c)Cm-α

單片折疊翼展開角度的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可看出，折疊翼展開角速度變化曲線與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，采用本文的動(dòng)力學(xué)仿真方法可較準(zhǔn)確地模擬折疊翼的展開特性。

圖3 折疊翼展開運(yùn)動(dòng)過程計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 折疊方式對(duì)折疊翼氣動(dòng)特性影響

本文首先對(duì)不同展開角度下對(duì)稱折疊、順向折疊時(shí)折疊翼的氣動(dòng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算。由于折疊翼所受的氣動(dòng)力中主要是法向力及其產(chǎn)生的扭矩對(duì)折疊翼的展開起作用，所以本文主要分析了折疊方式對(duì)彈翼法向力、扭矩的影響。法向力系數(shù)、扭矩系數(shù)的定義方式同文獻(xiàn)[11]。

圖4、圖5分別是當(dāng)v=40 m/s、側(cè)滑角β=0°、各展開角度下，上下折疊彈翼氣動(dòng)力系數(shù)變化曲線。圖中方式1是指對(duì)稱折疊方式，方式2是指順向折疊方式。由圖4可看出，隨攻角的增大，兩種折疊方式下折疊翼法向力、扭矩系數(shù)均呈線性增大規(guī)律。除θ=135°外，相同展開角度下，順向折疊方式時(shí)上折疊翼所受到的法向力、扭矩均大于對(duì)稱折疊方式，且該規(guī)律隨著攻角的增大愈加顯著。這主要是由于與對(duì)稱折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)上翼面受到下翼面的下洗作用大幅減弱，使上翼面的氣動(dòng)效率提高，氣動(dòng)力系數(shù)增大，且該規(guī)律隨著攻角的增大而更加顯著。

由圖5可看出，隨攻角的增大，各折疊方式下下折疊翼法向力、扭矩系數(shù)均呈線性變化規(guī)律。相對(duì)狀態(tài)下(即折疊翼方向與水平方向夾角相同時(shí))，除θ=135°外，順向折疊時(shí)迎風(fēng)側(cè)折疊翼所受到的法向力大小與對(duì)稱折疊時(shí)相比有所減小。這主要是由于順向折疊時(shí)折疊翼與固定翼間的流動(dòng)干擾相對(duì)于對(duì)稱折疊翼時(shí)有所增強(qiáng)導(dǎo)致的。當(dāng)α>0°時(shí)，與對(duì)稱折疊時(shí)氣動(dòng)力作用方向隨展開角度無變化不同，順向折疊狀態(tài)下，當(dāng)展開角度大于一定程度后，折疊翼所受氣動(dòng)力反向。

總體而言，相對(duì)狀態(tài)下，與對(duì)稱折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)下折疊翼所受氣動(dòng)力減小，上折疊翼略有增大。

(a)法向力系數(shù)

(b)扭矩系數(shù)

(a)法向力系數(shù)

(b)扭矩系數(shù)

2.2 折疊方式對(duì)折疊翼展開特性影響

無風(fēng)條件下(理想狀態(tài))，導(dǎo)彈或火箭彈在離箱后普遍以負(fù)攻角飛行。發(fā)射時(shí)的風(fēng)干擾會(huì)誘導(dǎo)出附加攻角、附加側(cè)滑角。因此，折疊翼的展開過程將面臨較為復(fù)雜的氣動(dòng)載荷環(huán)境。本文對(duì)不同飛行狀態(tài)下兩種折疊方式彈翼展開運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了仿真，研究了折疊方式對(duì)折疊翼展開特性的影響規(guī)律。

圖6、圖7分別為當(dāng)來流速度v=20～60 m/s、α=-4°和α=4°、β=0°時(shí)，上折疊翼、下折疊翼展開角度隨時(shí)間的變化曲線。從圖6可看出，對(duì)于上折疊翼，當(dāng)α=4°時(shí)，與對(duì)稱折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)折疊翼展開時(shí)間有所減小，且隨著速度的增大，減小幅度逐漸增大。當(dāng)v=60 m/s時(shí)，順向折疊上折疊翼展開時(shí)間縮短0.005 s，減少3%。當(dāng)α=-4°時(shí)，兩種折疊方式的上折疊翼展開曲線基本相同。但其中值得注意的是，負(fù)攻角狀態(tài)下，氣動(dòng)力對(duì)上折疊翼的展開起阻礙作用，且該作用隨著來流速度的增大而增強(qiáng)，導(dǎo)致展開時(shí)間明顯增長。當(dāng)v=60 m/s時(shí)，甚至出現(xiàn)折疊翼先展開后閉合，無法完全展開的現(xiàn)象。在折疊翼設(shè)計(jì)過程及折疊方式的研究中需重點(diǎn)關(guān)注。

對(duì)于下折疊翼，當(dāng)α=-4°時(shí)，與對(duì)向折疊時(shí)相比，順向折疊下折疊翼展開時(shí)間增大；當(dāng)α=4°時(shí)，順向折疊下折疊翼展開時(shí)間減小。同時(shí)，以上規(guī)律隨著來流速度的增大進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)v=60 m/s時(shí)，順向折疊時(shí)的下折疊翼展開時(shí)間由0.175 s縮短到0.153 s，減少了12.5%。

總之，與對(duì)向折疊時(shí)相比，順向折疊主要是使下折疊翼展開時(shí)間減小，對(duì)上折疊翼展開時(shí)間基本無影響。由于折疊翼展開時(shí)間主要是由上折疊翼決定，所以兩種折疊方式時(shí)，折疊翼展開時(shí)間基本一致。

折疊翼展開不同步是由上下折疊翼展開時(shí)間不同造成的。與對(duì)向折疊時(shí)相比，負(fù)攻角離架時(shí)，由于下折疊翼展開時(shí)間增加，導(dǎo)致折疊翼展開同步性增強(qiáng)；正攻角離架時(shí)，由于下折疊翼展開時(shí)間減少，導(dǎo)致折疊翼展開同步性減弱。

(a)α=-4° (b)α=4°

(a)α=-4° (b)α=4°

圖8是當(dāng)α=0°、β=4°、v=60 m/s時(shí)，不同折疊方式下的折疊翼展開角度曲線。由于4片折疊翼受到氣動(dòng)力、重力的影響各不相同，使得各折疊翼的展開運(yùn)動(dòng)過程也均不相同。與對(duì)稱折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)上翼面的展開特性基本相同，折疊方式對(duì)上翼面展開特性無影響；順向折疊時(shí)，下翼面迎風(fēng)側(cè)折疊翼展開時(shí)間略有增大，背風(fēng)側(cè)折疊翼展開時(shí)間減小0.01 s左右。兩種折疊方式折疊翼展開所需時(shí)間基本相當(dāng)，順向折疊時(shí)，折疊翼展開的同步性有所減弱。

2.3 折疊方式對(duì)全彈靜穩(wěn)定性影響

彈翼折疊將使彈翼有效面積減小，導(dǎo)致全彈靜穩(wěn)定性顯著降低，甚至處于靜不穩(wěn)定狀態(tài)，從而降低發(fā)射時(shí)的離架穩(wěn)定性能。因此，本文分析了折疊方式對(duì)全彈的靜穩(wěn)定性的影響。

圖9是當(dāng)v=40 m/s、不同展開角度時(shí)，兩種折疊方式下全彈的壓心系數(shù)隨攻角的變化曲線。從圖9中可看出，與對(duì)稱折疊時(shí)相比，當(dāng)展開角度為0°時(shí)，順向折疊方式下全彈的壓心系數(shù)后移5%左右，全彈靜穩(wěn)定性提高；當(dāng)展開角度θ=45°、90°時(shí)，順向折疊時(shí)全彈的壓心前移2%左右，穩(wěn)定性有所降低，但由于此時(shí)全彈靜穩(wěn)定度已經(jīng)較大，其影響較小。

由于折疊翼展開過程中，處于小展開角度狀態(tài)的時(shí)間相對(duì)較長，采用順向折疊的方式，可增強(qiáng)離架時(shí)全彈的靜穩(wěn)定性，改善發(fā)射時(shí)的離架性能。

圖8 不同折疊方式時(shí)折疊翼展開角度隨時(shí)間的變化

圖9 不同折疊方式時(shí)全彈壓心系數(shù)比較(v=40 m/s)

3 結(jié)論

(1)相對(duì)狀態(tài)下，與對(duì)稱折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)下折疊翼所受氣動(dòng)力減小，上折疊翼氣動(dòng)力略有增大。

(2)與對(duì)向折疊時(shí)相比，負(fù)攻角時(shí)，順向折疊時(shí)下折疊翼展開時(shí)間增加，同步性增強(qiáng)；正攻角時(shí)，下折疊翼展開時(shí)間減小，同步性減弱。

(3)側(cè)滑狀態(tài)下，兩種折疊方式下折疊翼展開時(shí)間基本相當(dāng)，由于背風(fēng)側(cè)下折疊翼展開時(shí)間減小，導(dǎo)致順向折疊時(shí)折疊翼展開的同步性有所減弱。

(4)與對(duì)向折疊時(shí)相比，順向折疊時(shí)，全彈的壓心系數(shù)在小展開角度下后移，使全彈靜穩(wěn)定性提高，有利于提高導(dǎo)彈發(fā)射時(shí)的離架性能。