低空干擾彈氣動仿真與優(yōu)化

鮮 敏，郭向向，田建立，邱江平

(1.海裝廣州局， 廣州 510200； 2.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司， 山東 淄博 255201；3.重慶長江電工工業(yè)集團(tuán)有限公司， 重慶 401336)

海面艦艇作為海軍的主要裝備，其具有目標(biāo)尺寸大，防護(hù)能力較弱，機(jī)動性能差，造價昂貴等特點(diǎn)，因此其生存能力一直是各國專家著力解決的問題。艦艇受到最大的空中威脅是具有精確打擊能力的反艦導(dǎo)彈，現(xiàn)代反艦導(dǎo)彈在攻擊樣式多樣、末端攻擊速度、制導(dǎo)方式等有了很大的提高，要想防御反艦導(dǎo)彈多批次、多方位的飽和攻擊，應(yīng)采用軟、硬防御相結(jié)合的方式[1]。本文主要研究軟武器系統(tǒng)的干擾作用，目前國外反艦導(dǎo)彈制導(dǎo)方式多采用主動雷達(dá)制導(dǎo)，還有紅外成像制導(dǎo)，并向雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)的方向發(fā)展。反艦導(dǎo)彈末端制導(dǎo)系統(tǒng)工作時離艦船已經(jīng)非常近，此時是艦艇防御的最后時機(jī)，因此設(shè)計一種裝備在艦艇上的低空復(fù)合干擾彈。當(dāng)探測到敵方反艦導(dǎo)彈末端制導(dǎo)開機(jī)以后，在合適的時機(jī)將復(fù)合干擾劑拋灑到艦艇周圍，形成煙幕墻，對雷達(dá)、紅外成像以及復(fù)合制導(dǎo)的反艦導(dǎo)彈進(jìn)行干擾，艦艇趁機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)動。

初步設(shè)計一種亞音速飛行的火箭彈，射程在0.5～1 km，最大射高300～500 m，在200～500 m高度范圍開倉拋灑干擾劑。裝有煙幕子彈和箔條束的子母戰(zhàn)斗部拋灑后，形成寬度：30～40 m，高度：40～50 m的煙幕墻，從而達(dá)到干擾目的。干擾彈外形結(jié)構(gòu)是總體設(shè)計中很重要的一個環(huán)節(jié)，通過仿真優(yōu)化確定干擾彈的外形結(jié)構(gòu)。

1 干擾彈的外形方案

干擾彈的頭部體積相對整體來說比較小，頭部形狀應(yīng)采取較大的容量的結(jié)構(gòu)方案，而且干擾彈的飛行速度區(qū)間在低亞音速范圍內(nèi),參考低亞音速范圍內(nèi)的空氣動力特性，以及加工工藝方面的因素，綜合考慮頭部形狀略鈍的曲線母線形、半球形、球頭截錐形頭部這3種方案比較適合[2],圖1為不同頭部形狀結(jié)構(gòu)圖。

圖1 不同頭部形狀

為了裝備盡量多的干擾劑，戰(zhàn)斗部體積相對來說較大一些，在彈徑一定的情況下，彈體長細(xì)比應(yīng)大一些，但是長細(xì)比越大穩(wěn)定性越差[3]，選擇長細(xì)比分別為λ=8、8.5、9的3種結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析。

干擾彈飛行區(qū)間是低空亞音速范圍，選用尾翼穩(wěn)定的方式，尾翼采用升阻比相對較大的無后掠角的矩形翼，為了充分利用彈體空間、安裝方便設(shè)計成刀型，圖2為刀型翼示意圖。同時考慮飛行穩(wěn)定性，翼片數(shù)在4～8片的范圍選擇。

圖2 翼片的結(jié)構(gòu)簡圖

2 氣動特性仿真分析方法

2.1 網(wǎng)格模型的建立

首先建立干擾彈的幾何模型，然后劃分計算域，本次仿真計算時的計算域是由長度為10倍彈長，半徑為干擾彈直徑加尾翼展長的20倍的圓柱體與干擾彈外表面所組成的區(qū)域。采用的網(wǎng)格形式為一種混合網(wǎng)格，即用分塊對接的方式將計算域分成若干區(qū)域，再根據(jù)各個子塊的結(jié)構(gòu)特征選取不同的網(wǎng)格劃分策略，共劃分約70萬體單元，彈體表面網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 彈體表面網(wǎng)格劃分

2.2 邊界處理

邊界條件：彈體表面使用無滑移絕熱壁面邊界的固體壁面(wall)，用于限定流體和固體區(qū)域；計算區(qū)域用壓力遠(yuǎn)場邊界條件(pressure-far-field)，用于模擬無窮遠(yuǎn)處的自由可壓流動，選用此邊界條件時氣體的密度通過理想氣體來定義[4]。

來流條件：自由來流條件為標(biāo)準(zhǔn)大氣條件，壓 強(qiáng)p0=101 325 Pa，溫度T0=298 K。

計算條件：來流馬赫數(shù)Ma=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；攻角α=0°、1°、2°、3°、4°

2.3 數(shù)值計算方法

在流體仿真計算時要遵守三大守恒定律：質(zhì)量守恒定律、動量守恒定律和能量守恒定律[5]。當(dāng)流動處于湍流狀態(tài)時，還要考慮湍流方程的約束問題。

采用S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型，S-A模型是一個相對簡單的單方程模型，只求解一個有關(guān)渦粘性的輸運(yùn)方程，比較適用于具有壁面限制流動的流動問題，計算量相對較小[6]。

離散格式：采用二階迎風(fēng)格式，利用2個上游單元的物理量來確定控制體積單元的物理量，這種格式精度較高。

2.4 仿真計算及結(jié)果分析

經(jīng)計算流體力學(xué)仿真分析，圖4為不同頭部形狀下阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化的曲線，圖5為升阻比隨馬赫數(shù)變化的曲線。從阻力系數(shù)和升力系數(shù)變化曲線看出，球頭截錐形和曲線母線形頭部兩種方案相對較好。

圖4 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化的曲線

圖5 升阻比隨馬赫數(shù)變化的曲線

仿真分析后得到長細(xì)比λ=8、8.5、9三種條件下，升阻比隨馬赫數(shù)的變化曲線如圖6所示，穩(wěn)定儲備隨馬赫變化曲線如圖7所示。升阻比變化的3條曲線非常接近，可見在亞音速范圍內(nèi)長細(xì)比對升力的影響不大，長細(xì)比對干擾彈的靜穩(wěn)定性影響比較大，但3種結(jié)構(gòu)穩(wěn)定儲備量在15%～23%，具有良好的尾翼穩(wěn)定性，因此3種長細(xì)比的干擾彈都滿足穩(wěn)定要求。

圖6 升阻比(CL/CD)的變化曲線

圖7 穩(wěn)定儲備量(T)的變化曲線

由仿真得到具有2對、3對、4對翼片的干擾彈結(jié)構(gòu)，升阻比隨馬赫數(shù)的變化曲線如圖8所示，穩(wěn)定儲備量隨馬赫數(shù)的變化如圖9所示。由圖可以看出隨著翼片的增加升阻比增加，四對翼片的結(jié)構(gòu)升阻比最大。隨著翼片對數(shù)的增加干擾彈穩(wěn)定儲備量增加，穩(wěn)定儲備量在15.6%～24.0%，滿足穩(wěn)定性要求。

由以上仿真分析可知，單從一方面考慮，球頭截錐形和曲線母線形頭部2種方案、長細(xì)比λ=8的結(jié)構(gòu)方案、尾翼選擇4對尾翼片的結(jié)構(gòu)較優(yōu)。彈體結(jié)構(gòu)最終選擇并不單單是幾種方案的簡單堆砌，受多種因素影響的，需進(jìn)行多種驗證選擇出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

圖8 升阻比(CL/CD)的變化曲線

圖9 穩(wěn)定儲備量(T)的變化曲線

3 氣動外形參數(shù)優(yōu)化

正交試驗法是一種比較科學(xué)的試驗方法，它利用一套規(guī)格化正交表來設(shè)計計算方案和分析試驗結(jié)果，在比較多的試驗中，選出少數(shù)幾個代表性強(qiáng)的試驗條件，并通過這幾種試驗的數(shù)據(jù)，找到最優(yōu)的方案[7]。本節(jié)采用3因素三水平試驗，以一個立方體表示3個因素的選優(yōu)區(qū)，任一因素均為3個水平，則將立方體劃分為了27個格點(diǎn)，在圖上表示為27個“.”均為立方體內(nèi)的點(diǎn)，如圖10所示。選擇圖10中標(biāo)記的9個點(diǎn)可使選優(yōu)區(qū)內(nèi)的基本情況得到非常全面的展現(xiàn)[8]。

圖10 3因素3水平試驗的均衡分散立體圖

對于頭部形狀半球形、球頭截錐形、曲線母線形分別記為A1、A2、A3，3種不同的長細(xì)比λ=8、8.5、9分別記為B1、B2、B3，不同的尾翼對數(shù)：2對、3對、4對分別記為C1、C2、C3。則采用正交試驗法的9個試驗點(diǎn)分別為：方案(1)A1B1C1、方案(2)A2B1C2、方案(3)A3B1C3、方案(4)A1B2C2、方案(5)A2B2C3、方案(6)A3B2C1、方案(7)A1B3C3、方案(8)A2B3C1、方案(9)A3B3C2

通過對以上9組情況進(jìn)行仿真計算，分析9種組合對升阻比CL/CD和穩(wěn)定性影響，從而獲得最佳的組合。在攻角α=4°時，圖11穩(wěn)定儲備量隨馬赫數(shù)的變化曲線，圖12為不同的試驗方案下火箭彈的升阻比對比曲線。

圖11 穩(wěn)定儲備量(T)的變化曲線

圖12 升阻比變化曲線

分析可知方案(3)、方案(5)、方案(7)穩(wěn)定儲備量最高，且均是具有四對尾翼片的方案，可以看出長細(xì)比λ=8.5的方案穩(wěn)定儲備量相對比較高一些，頭部形狀對穩(wěn)定儲備量的影響較小，球頭截錐形和曲線母線形兩種方案較好一些。方案(5)、方案(7)的升阻比最大，方案(3)次之，從升阻比方面來看最優(yōu)組合的選擇和穩(wěn)定性選擇的一樣，采用具有4對尾翼片、長細(xì)比λ=8.5、頭部形狀為球頭截錐形或曲線母線形的方案。由于曲線母線形的頭部較長一些，所以選擇球頭截錐形。采用正交試驗法最終選擇的方案是頭部采用球頭截錐形、長細(xì)比λ=8.5、4對尾翼片的結(jié)構(gòu)。

對優(yōu)選出的干擾彈的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計算，計算來流條件為：馬赫數(shù)Ma=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；攻角α=0°、1°、2°、3°、4°。由仿真計算的出不同攻角下，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化如圖13所示，升阻力隨馬赫數(shù)的變化如圖14所示，穩(wěn)定儲備量如表1所示。

圖13 阻力系數(shù)(CD)隨馬赫數(shù)的變化曲線

圖14 升阻比(CL/CD)隨馬赫數(shù)的變化曲線

表1 不同馬赫數(shù)、攻角α下的穩(wěn)定儲備量

由圖13、圖14可看出隨馬赫數(shù)的增加，阻力系數(shù)的和升阻比的變化符合一般變化規(guī)律，均能滿足要求；干擾彈的穩(wěn)定儲備量(T)在22.9%～25.3%，滿足干擾彈的靜穩(wěn)定性要求。

4 彈道分析驗證

采用質(zhì)點(diǎn)彈道計算方法，仿真驗證在不同射角下干擾彈的彈道特性，驗證能否滿足開倉拋灑干擾劑的指標(biāo)。

射角：50°～85°仿真條件：標(biāo)準(zhǔn)氣象條件。

通過仿真得到在不同射角下的速度-時間曲線和不同射角下的射程-射高曲線分別為圖15和圖16所示。

圖15 不同射角下的速度-時間曲線

圖16 不同射角下的彈道射程-射高曲線

干擾彈不同射角下速度隨時間的變化曲線，可以看出0.32 s時發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑燃燒完全，此時速度達(dá)到最大值 200 m/s，然后速度先減小后增大，在射高最大處速度最?。辉谕粫r間下，速度隨著射角的增大而減小，符合一般的彈道速度變化規(guī)律。由圖16看出不同的射角下，隨著射角的增大射程減小，最大射高增大。在射角50°時最大射高最小482 m，射角85°時最大射高744.9 m。在射角50°時射程最大1 055.9 m，在射角85°時射程最小174.3 m?？蓪㈤_倉點(diǎn)設(shè)置上升段的200～500 m高度范圍能滿足一般艦艇的要求，仿真分析驗證滿足拋灑干擾劑的指標(biāo)要求。

5 結(jié)論

根據(jù)反艦導(dǎo)彈的制導(dǎo)方式，設(shè)計一種低空干擾火箭彈。首先根據(jù)戰(zhàn)技指標(biāo)設(shè)計干擾彈的外形結(jié)構(gòu)，然后進(jìn)行流體力學(xué)仿真得到所選方案各有優(yōu)缺點(diǎn)，通過正交試驗法確定球頭截錐形、長細(xì)比λ=8.5、四對尾翼片的結(jié)構(gòu)方案最優(yōu)，最后驗證所選結(jié)構(gòu)滿足戰(zhàn)技指標(biāo)要求。