增阻式一維彈道修正機構設計與氣動特性分析*

陳　勇,吳國東,王志軍,王　平,劉　霖

(1　中北大學機電工程學院,太原　030051;2　77538部隊,拉薩　850000;3　豫西工業集團有限公司,河南南陽　473000)

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增阻式一維彈道修正機構設計與氣動特性分析*

陳勇1,吳國東1,王志軍1,王平2,劉霖3

(1中北大學機電工程學院,太原030051;277538部隊,拉薩850000;3豫西工業集團有限公司,河南南陽473000)

摘要:為提高一維彈道修正彈修正能力,提出并設計一種新型的一維彈道修正機構。以旋轉穩定彈為研究平臺,在美式M2A1型105 mm口徑榴彈上加裝阻力修正機構,利用Adams和Fluent仿真軟件對修正機構工作過程進行數值仿真,初步驗證了該機構設計的可行性。研究結果表明:機構展開前后阻力系數比為2.2左右,動作一致性好,展開過程迅速且穩定可靠,滿足對一維彈道修正能力的要求。可為一維彈道修正機構的進一步設計和實際應用提供幫助。

關鍵詞:一維彈道修正;阻力系數;氣動特性;修正機構

0引言

彈道修正彈是一種介于傳統制式炮彈與導彈之間的新型精確打擊彈藥,效費比高,相應技術發展迅速,其對于提高我國現有武器性能有很高的現實意義。僅對彈丸縱向射程進行修正的彈藥稱為一維彈道修正彈[1],一般采用彈道修正控制模塊與執行模塊對實際彈道進行修正,提高彈丸落點密集度。

一維彈道修正機構的一個重要設計原則就是在不增加阻力器結構尺寸的前提下,提高彈丸的增阻效果,關鍵在于能否快速響應指令信號,適時打開阻力修正裝置。文中通過提出一種新型阻力修正機構研究其對彈丸修正能力和射擊精度的影響,利用數值仿真初步驗證該結構設計的可行性。

1修正執行機構與動作原理

一維彈道修正彈是基于阻力修正原理進行縱向射程修正,修正執行機構一般采用阻力器裝置。其中,應用在旋轉穩定彈丸上的阻力器,工作原理是依靠彈丸高速旋轉產生的離心力[2],根據要求在指定時刻驅動阻力片展開,達到增加阻力以修正射程、提高精度的目的。該修正機構的設計理念正是基于上述原理,在不借助外力驅動裝置的情況下,采用依靠離心力展開阻力片的方法來進行動作。

為提高增阻效果,整體上將修正機構設計成雙層八片式。為保證機構展開后準確定位到理想位置,在基座(等效于彈體)四周各開出一90°環行限位槽,防止阻力片展開時超出限位孔位置,零件示意圖如圖1所示。

圖1　零件圖

為便于分析,將前層阻力片作透明處理,如圖2所示,以位于基座上方阻力片為起點按逆時針方向依次命名為Q1、Q2、Q3、Q4,后層阻力片(圖2、圖3中紅色所示)以同樣方式命名為H1、H2、H3、H4;根據需要,圖中只標出部分零件名稱。

機構展開前,阻力片H1在限位孔M處與阻力片Q4、基座1采用銷連接,而阻力片Q4又與阻力片H1、H4連接,故自由度被完全約束,各個阻力片又順次銜接,機構得以鎖定。控制信號觸發后,由位于限位孔M處的限位銷拔出,阻力片H1在離心力作用下開始動作并帶動其他阻力片協同展開,當機構工作到最大展開位置時,由位于彈體上限位孔N處的鎖止銷彈出,鎖定阻力片H1,同時各阻力片展開到理想位置,機構鎖定,動作結束。機構展開前后結構示意圖如圖2所示。

圖2　修正執行機構示意圖

機構動作基本原理依據平面四桿機構[3]的工作原理,其特點是代表曲柄的阻力片具有始終保持平行運動的特性,有助于提高機構展開時的穩定性,工作原理圖如圖3所示。

圖3　機構工作原理圖

2動力學仿真

2.1初始條件參數設置

為驗證機構在一定工況下能否正常工作,利用Adams[4]軟件對機構展開過程進行動力學仿真。

建立仿真初始條件:阻力片材料選擇Steel,各接觸零件之間分別建立轉動副和接觸副。摩擦系數設為0.15,基座與大氣之間施加旋轉驅動,轉速為13 000r/min;SimulationControl選項中將EndTime設置為0.001 25s,Steps定為1 000。

2.2仿真結果分析

文中通過截取仿真過程的幾個時刻來展示修正機構的工作過程,以此觀察和分析機構的設計可行性和動力學性能,仿真結果如圖4所示。

圖4　修正執行機構展開圖

通過分析阻力片動力參數來研究機構工作性能,結合仿真結果可得各阻力片位移曲線和角速度曲線如圖5所示。

圖5　阻力片角速度曲線

由上圖分析可知,同層阻力片角速度曲線基本重合,動力參數變化不大。可以看出,機構展開過程同步性較好,從開始動作到完全展開耗時0.75ms左右,表現出快速響應指令且穩定展開的特性。

3氣動性仿真

3.1計算模型建立

以105mm口徑榴彈為彈丸平臺,基于彈體外形和機構展開后增阻效果,在引信最大徑向尺寸處加裝阻力修正機構[5],建立文中要研究的幾何模型。彈丸外形基本參數:彈長494.66mm,圓弧部長242.09mm,尾錐部長51.35mm,尾錐傾角8°,如圖6所示。

圖6　105 mm口徑榴彈彈丸平臺

在距彈頭部55mm處加裝阻力修正機構,建立一維彈道修正彈幾何模型,如圖7所示。

圖7　加裝阻力修正機構彈丸模型

利用Gambit[6]網格劃分軟件對加裝阻力修正機構彈丸模型進行網格劃分。計算域長取為6倍彈長,寬取為15倍彈徑,利用Size-Function功能對加裝修正機構處進行網格加密,網格數量為366萬,網格劃分結果如圖8所示。

圖8　求解域網格剖面圖

3.2計算參數設置

此次仿真采用密度基求解器;湍流模型選擇Spalart-Allmaras單方程模型;Density中選擇Ideal-Gas,Viscosity中選擇Sutherland,即用薩蘭德定律計算粘性。邊界條件設置:彈體表面設置為WALL,為無滑移絕熱粘性固壁面;圓柱形計算域外表面設置為壓力遠場。CourantNumber采用默認值1;FluxType通量類型保持默認的Roe-FDS通量差分方法;MuhigridLevels設定為5。ResidualSmoothing保持為0,湍流粘性方程的差分格式選擇二階迎風格式。

3.3仿真結果及分析

文中計算了彈丸在0°攻角、不同馬赫數下,加裝阻力修正機構的氣動力參數。來流馬赫數分別為0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0,增阻系數是修正機構展開后的阻力系數與展開前阻力系數之比。圖9給出了機構展開前后彈丸在不同馬赫數下的阻力系數計算結果。

圖9　修正機構安裝前后阻力系數曲線圖

修正機構展開前后阻力系數、增阻系數如表1所示。

表1　機構展開前后阻力系數對比表

經計算可得,機構展開前平均阻力系數Cd1為0.28左右,展開后平均阻力系數Cd2約為0.63,增阻系數大致為2.24。

氣動力仿真計算結果如圖10～圖13所示。

圖10　機構展開前1.2 Ma下全彈壓力云圖

圖11　機構展開后1.2 Ma下全彈壓力云圖

圖12　機構展開前1.2 Ma下全彈速度云圖

圖13　機構展開后1.2 Ma下全彈速度云圖

4修正能力分析

4.1彈道模型

在滿足射擊精度的前提下采用質點彈道方程分析其修正能力,建立標準氣象條件下的彈丸質點彈道模型[7]:

式中:F為彈丸受到的空氣阻力,F=ρv2SK/2,其中ρ為空氣密度,ν為彈丸飛行速度,S為彈丸最大橫截面積;K為彈丸空氣阻力系數[8];θ為彈道傾角。

4.2修正能力計算

修正能力ΔX=X0-Xc,其中ΔX為射程方向的修正距離,X0為無阻力裝置彈丸射程,Xc為加裝阻力機構后彈丸射程。彈道計算基本參數:以美式M2A1型105mm口徑榴彈為例,彈徑0.104 8m,彈重14.97kg,彈丸炮口初速為472m/s,射角θ=40°,阻力定律采用自定義阻力定律。

表2　彈道修正量與阻力片展開時刻關系表

圖14　修正機構展開時刻與修正距離關系圖

5結論

該文以美式M2A1型105mm口徑榴彈為研究平臺,結合一維彈道修正技術,進行了一維彈道修正機構的設計和仿真研究,分析機構在不同馬赫數下的氣動力參數,驗證了該機構方案的可行性和可靠性。該機構穩定可靠,能快速實現修正指令,滿足精度要求。彈丸的射程修正量隨阻力器展開時間的延遲而減小,因此在工程實際應用中,可考慮適當提前打開阻力器,以期達到更好的增組效果。

參考文獻:

[1]趙金強, 龍飛, 孫航. 彈道修正彈綜述 [J]. 制導與引信, 2005, 26(4): 16-19.

[2]魏波, 吳國東, 王志軍, 等. 新型一維彈道修正機構的設計 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(6): 79-82.

[3]紀蓮清, 朱賢華. 機械原理 [M]. 武漢: 華中科技大學出版社, 2013: 103-113.

[4]陳峰華.ADAMS2012虛擬樣機技術從入門到精通 [M]. 北京: 清華大學出版社, 2013: 135-147.

[5]徐永杰, 吳國東, 劉強, 等. 增阻式一維彈道修正彈氣動分析 [J]. 彈箭與制導學報, 2013, 33(6): 133-136.

[6]于勇.FLUENT入門與進階教程 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2011: 100-108.

[7]徐明友. 火箭外彈道學 [M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業大學出版社, 2004: 41-66.

[8]王保國, 劉淑艷, 劉艷明. 空氣動力學基礎 [M]. 4版. 北京: 北京理工大學出版社, 2009: 168-172.

*收稿日期:2015-05-04

基金項目:中北大學研究生科技基金(20151201)資助

作者簡介:陳勇(1987-),男,河南商丘人,碩士研究生,研究方向:彈道修正技術。

中圖分類號:TJ410.3

文獻標志碼:A

TheDesignandAerodynamicCharacteristicsAnalysisonResistance-increasingOne-dimensionalTrajectoryCorrectionMechanism

CHENYong1,WUGuodong1,WANGZhijun1,WANGPing2,LIULin3

(1SchoolofMechatronicsEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2No.77538Unit,Lasa850000,China; 3YuxiIndustriesGroupCo.Ltd,HenanNanyang473000,China)

Abstract:In order to improve correction capability of one-dimensional trajectory correction projectile, a new one-dimensional trajectory correction device was proposed and designed. Taking spin-stabilized projectile as research platform, the 105 mm caliber grenade was fixed with resistance correction mechanism, Admas and Fluent were used to work out working process of the mechanism, feasibility of the mechanism design was verified. The results show that the resistance coefficient ratio can reach about 2.2 between before and after the mechanism works. It performs well in synchronization, reliably and speed, satisfying one-dimensional trajectory correction ability. The result is helpful for further design and practical application of one-dimensional trajectory correction mechanism.

Keywords:one-dimensional trajectory correction; drag coefficient; aerodynamic characteristics; correction mechanism