鴨舵機構對旋轉彈丸氣動特性作用研究*

許 巍,郝永平,汪亞利,趙國偉,李志鋒

(1 沈陽理工大學機械工程學院,沈陽 110159;2 駐葫蘆島地區軍事代表室,遼寧葫蘆島 125000)

鴨舵機構對旋轉彈丸氣動特性作用研究*

許 巍1,郝永平1,汪亞利1,趙國偉1,李志鋒2

(1 沈陽理工大學機械工程學院,沈陽 110159;2 駐葫蘆島地區軍事代表室,遼寧葫蘆島 125000)

針對普通高速旋轉彈丸低命中率問題,建立了有舵彈丸與無舵彈丸數值仿真模型。仿真研究了有舵彈丸相對無舵彈丸關于阻力、升力、滾轉力矩及其系數以及射程和橫偏的影響,結果表明:在保證彈丸飛行穩定的基礎上,有舵彈丸在減旋情況下相對于無舵彈丸射程、射高、橫偏減小;適當控制鴨舵姿態可以修回安裝鴨舵機構帶來的射程損失,同時對發生偏離彈丸進行有效修偏。

鴨舵機構;氣動特性;有效修偏

0 引言

彈道修正彈實際上是應用現代化的設計技術對常規彈丸進行升級,以較低廉的成本實現從“笨”彈轉化為“靈巧”智能彈藥的產物。進入21世紀,美國軍方提出了XM1156“精確制導組件(PGK)”二維彈道修正引信,采用固定鴨舵技術對常規彈藥進行滾轉控制[1-2],通過控制固定鴨舵相對于彈體的滾轉角速度,使同向舵在大地坐標系中的位置固定,進而產生相應修正力,實現彈道修正控制[3-4]。目前,彈道修正彈采用的修正執行機構主要有阻力器、脈沖發動機和鴨舵3種[5-6]。文中對安裝兩對固定舵片的高速旋轉彈的氣動特性及其對彈丸橫偏與射程的影響進行研究。

1 彈丸模型建立

如圖1所示,從彈丸頭部向尾部觀看,固定式舵片對立成十字型分布。圖中編號1和2為一對同向式舵片,即舵同時偏向一個方向,由于舵偏角的存在在修正過程中提供修正力。編號3和4為另一對差動舵片,舵偏角相同只是反向安裝,在彈丸飛行時由于氣流的作用使彈丸修正機構與彈體反轉。由于安裝鴨舵機構對彈丸的氣動特性會產生影響,為了研究鴨舵機構對彈丸氣動特性的作用效果,文中建立了無舵彈丸和帶舵彈丸模型,帶舵彈丸模型考虛到舵偏角對彈丸的影響,建立了帶舵彈丸舵高45 mm,舵偏角分別為4°,6°,8°的彈丸模型。

圖1 裝有鴨舵彈丸模型

2 氣動特性分析

通過對旋轉彈丸的模型進行網格劃分、邊界設定,對其進行氣動分析,運用CFD分析時,使鴨舵機構與彈體反轉從而更好的模擬減旋過程的舵片與彈體及其整體的氣動性。

建立大小形狀相同而舵偏角分別為4°、6°、8°的有舵彈丸和無舵彈丸模型,對彈丸的阻力、升力、導轉力矩和相應系數進行分析。以4°攻角、1.25Ma仿真數據為例,得出的氣動參數如下:

1)有無舵片對彈體的阻力和阻力系數的影響。

如表1所示,帶舵彈丸的阻力系數分別比無舵彈丸阻力系數增加10.42%、10.47%、10.53%,加裝大小相同的鴨舵機構會增大彈丸的阻力,當舵片大小一定時,舵偏角對彈丸的阻力影響很小。

表1 阻力和阻力系數

2)有無舵片對彈體的升力和升力系數的影響。

如表2所示,裝有鴨舵的彈丸的升力系數比無鴨舵的彈丸分別增加了16.28%、23.16%、32.41%,由此可知加裝相同大小的鴨舵機構會提高彈丸的升力,當舵片大小一定時,隨著舵偏角的增大,彈丸的升力隨之增大,相應的升力系數增大。

表2 升力和升力系數變化值

3)有無舵片對彈體的升阻比的影響。

如表3所示,裝有鴨舵機構的彈丸的升阻比比沒有鴨舵的分別增加了5.28%、9.56%、19.77%,同時帶有鴨舵的彈丸隨舵偏角的增加升組比增大,6°、8°舵偏角較4°舵偏角升阻比增加了4.06%、13.76%。

表3 升阻比變化值

4)有無舵片對彈體的導轉力矩和導轉力矩系數的影響。

如表4所示,裝有鴨舵機構會增加彈丸的滾轉力矩及其系數,較無舵彈丸分別增加了23.67%、25.32%、37.62%,加裝鴨舵的彈丸隨舵偏角增加導轉力矩隨之增大,舵偏角6°、8°較4°舵偏角分別增1.33%、11.28%。

表4 導轉力矩和導轉力矩系數變化值

通過對以上圖表分析可得,有鴨舵機構彈丸的升力、阻力、導轉力矩及其系數比無鴨舵機構彈丸的大;裝有相同大小鴨舵的彈丸隨舵偏角的增大升力、阻力、導轉力矩及其系數隨之增大。

3 動力學特性仿真分析

通過對彈丸的CFD仿真數據進行數據擬合,得到彈丸的氣動力函數方程。以彈丸初速度為516 m/s、射角為15°、出炮口轉速為176 r/s進行動力學仿真計算。

3.1 彈丸只減旋動力特性分析

由表5可得舵偏角為4°、6°、8°彈丸分別比無舵機彈丸射程減小了5.37%、5.11%、4.35%,而舵偏角為6°、8°較偏角為機4°分別增加了0.2%、1.1%,由此可得加裝鴨舵機構對于彈丸在減旋情況下會減小5%左右的射程。結合表1、表2、表3可知安裝鴨舵機構后彈丸的升阻比增大,但由于阻力大,可得阻力對加裝鴨舵機構的彈丸的射程影響較大而升力影響不大。

表5 彈丸只減旋

由表5數據可知舵偏角為4°、6°、8°的彈丸分別比無舵彈丸橫偏減小了40.9%、59.5%、73.4%,鴨舵機構具有減小橫偏的作用,舵偏角越大彈丸的橫偏越小。

由表5可知,舵偏角為4°、6°、8°的彈丸射高分別比無舵機的射高減小了5.6%、4.8%、3.8%。舵偏角為6°、8°的彈丸比舵偏角為4°的彈丸射高分別增加了0.85%、1.9%。

由表5可得彈丸落地轉速分別下降3.58%、5.24%、7.48%。通過仿真可知安裝鴨舵機構彈丸轉速下降的快,但仍然能滿足彈丸陀螺穩定性的要求。

圖2 電機磁阻力矩變化

圖3 鴨舵機構升力變化

圖4 彈丸速度變化

由圖2可知鴨舵舵偏角越大,減旋所需要的力矩越大,由動力學仿真可知舵片轉速在出炮口約0.1 s與彈體反轉,此時利用電機控制舵片轉速穩定在10 r/s附近。結合圖3可知,由于彈丸速度最大,所需力矩最大,隨著彈丸速度的下降,所需的磁阻力矩先是大幅度下降接著趨于穩定。

由圖4可知舵偏角越大舵片的升力越大,隨著彈丸速度的下降升力先是大幅度下降接著趨于穩定。

3.2 彈丸修正能力分析

只減旋情況下鴨舵機構雖然會減小橫偏,但橫偏依然很大,當初速增大,射角增大橫偏會很大,通過控制同向舵處于豎直位置,可以對彈丸橫偏進行修正。由于安裝鴨舵機構減小了彈丸的射程,射程對于彈丸來說和橫偏同樣重要,通過控制同向舵處于水平位置可以增加和減小射程。當同向舵與豎直狀態呈一定角度時,鴨舵機構具有修正橫偏與射程的作用。以4°舵偏角的鴨舵機構進行仿真,數據如表6。

表6 彈丸修正

由表6可知鴨舵既能修正橫偏也能修正射程。同向舵傾斜45°時既能控制橫偏也能大幅度提高射程,能滿足橫偏在一定范圍內彌補鴨舵機構對彈丸射程的影響。結合表5可知,只減旋與只修正橫偏不影響彈丸射程,但修正橫偏能控制落點在10 m以內;針對安裝鴨舵射程減小問題,通過控制同向舵姿態來修回射程,當只修正射程時有舵彈丸比無舵彈丸射程增加了6.67%,比只減旋下增加了12.73%。

4 結論

文中通過建立裝有鴨舵機構的彈丸模型與普通彈丸模型來研究鴨舵機構對彈丸彈道的影響,對其分別進行了氣動特性及動力特性分析。由氣動仿真數據可知,裝有鴨舵機構彈丸的升力、阻力、導轉力矩及其系數比無鴨舵機構彈丸的各項數據不同程度的增加;由動力學仿真可知,雖然裝有鴨舵機構彈丸的升阻比比無鴨舵機構彈丸的大,但由于阻力基數較大,在只減旋情況下裝有鴨舵機構彈丸的射程比無鴨舵機構彈丸的射程減小,射高減小,橫偏大幅度減小。不同舵偏角對彈丸的射程、射高影響不大,而舵偏角越大彈丸橫偏越小,在減旋穩定的情況下,選用大舵偏角的鴨舵機構。安裝鴨舵機構會減小彈丸的射程,通過控制舵片姿態位置能修回射程損失。同時給出了修正過程中電機磁阻力矩的變化,以及鴨舵機構升力變化。文中為旋轉彈丸的鴨舵修正技術的研究和應用提供了理論和數據依據。

[1] 劉承恩, 范寧軍, 何娟. 彈道修正引信鴨舵空氣動力學設計和仿真 [J]. 探測與控制學報, 2003, 25(3): 40-43.

[2] 程建偉. 可控滾轉舵系統滾轉控制研究 [J]. 北京理工大學學報, 2010, 30(6): 670-673.

[3] 張開創, 劉秋生, 熊然, 等. 固定鴨舵彈道修正組件發展 [J]. 飛航導彈, 2014(3): 64-67.

[4] JOHN G. Ropert, 2-D projectile trajectory corrector: US6502786 B2 [P]. 2003-07.

[5] 張通, 趙曉莉. 彈道修正彈及其關鍵技術分析 [J]. 飛航導彈, 2014(5): 38-42.

[6] 楊慧娟, 霍鵬飛, 黃錚. 彈道修正彈修正執行機構綜述 [J]. 四川兵工學報, 2011, 32(1): 7-9.

Research on Aerodynamic Characteristics Effect of the Canard Rudder Institution on Rotating Projectile

XU Wei,HAO Yongping,WANG Yali,ZHAO Guowei,LI Zhifeng

(1 School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China; 2 Military Representative Office in Huludao Area, Liaoning Huludao 125000, China)

In the issue of the accuracy of common high speed rotating projectile accuracy was low, the numeric simulation model of projectile with canard rudder and the non rudder projectile was established. The simulation of the influence of rudder projectile on non-rudder projectile about drag, lift, rolling moment, its coefficient, range of fire and the lateral misalignment showed that on the base of projectile flight stability, in the anti rotation case, the range of projectile, the height and the transverse deflection of the rudder projectile relative to the non rudder projectile were reduced. Proper control of the canard rudder attitude could repair the range loss caused by the installation of the canard rudder mechanism and could repair the deviation of the projectile effectively.

canard rudder institution; aerodynamic characteristics; effective correction

2016-01-04

許巍(1990-),男,遼寧大連人,碩士研究生,研究方向:數字化網絡化設計與制造技術。

TJ012.3

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