引信外形對超高音速彈丸氣動特性的影響仿真*

沈曉軍,王雨時,聞　泉,徐鷺林,劉延中

(1　南京理工大學機械工程學院,南京　210094;2　江機民科實業有限公司,吉林吉林　132021)

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引信外形對超高音速彈丸氣動特性的影響仿真*

沈曉軍1,王雨時1,聞泉1,徐鷺林2,劉延中2

(1南京理工大學機械工程學院,南京210094;2江機民科實業有限公司,吉林吉林132021)

摘要:為了研究引信外形對彈丸氣動特性的影響,通過Fluent軟件對裝配不同外形引信的57 mm口徑人工增雨防雹彈彈丸的阻力特性進行仿真,得到了不同外形下阻力系數與馬赫數的關系曲線。彈頭引信頭部輪廓形狀的微小變化如錐角變化對阻力系數影響不大,頂部形狀為圓頭和平頭時,阻力系數稍有差別,總體影響較小。彈底引信外露部分長短對阻力系數影響較大,外露部分增長會減小阻力系數。彈底引信有凸出部位時,其阻力系數等于和其全長等長的彈丸的阻力系數。

關鍵詞:彈藥工程;設計理論;仿真;阻力系數;氣動特性;引信外形;計算流體動力學

0引言

外露引信外形會對彈丸氣動特性產生影響,故彈丸設計對引信外形尺寸會有要求。研究外露引信外形變化對彈丸氣動特性的影響,有助于使引信獲得更大的內部空間,實現優化設計和低成本設計。

通常有3種手段研究氣動特性：理論計算、風洞試驗和飛行試驗[1]。近年來，彈丸的氣動特性研究中，運用的比較廣泛的是數值仿真和風洞試驗相結合的方法[2]，這種方法既經濟可信度又高。文獻[2]運用OpenFOAM軟件仿真計算了彈丸模型帶底凹和不帶底凹狀態下的氣動特性，證明了底凹對彈丸氣動特性的影響很小。文獻[3]通過Fluent軟件仿真計算了某口徑增雨彈氣動力，得出彈頭阻力和彈底阻力是增雨彈氣動力中的主要力。

文中以57mm口徑人工增雨防雹彈為例,計算彈丸裝配不同外形的彈頭、彈底引信時的阻力系數,研究了引信外形對彈丸阻力系數的影響。

1經驗公式

在馬赫數相同且攻角為零時，形狀相差不大的兩種彈丸的阻力系數的比值近似等于常數[4]。取定某個標準彈，通過試驗精確地實測出其攻角為零時不同馬赫數下的阻力系數，這種標準彈的阻力系數與馬赫數的關系稱為阻力定律[4]。我國常用的阻力定律是沿用前蘇聯于1943年測定的阻力定律，簡稱為1943年阻力定律[5]。彈丸的阻力系數與標準彈的阻力系數的比值即為彈形系數i。計算1943年阻力定律彈形系數i43的經驗公式為[6]：

i43=2.900-1.373λ+0.320λ2-0.0267λ3

(1)

其中λ=λH+λK-0.30

(2)

式中:λH為彈頭部相對長度(口徑);λK為尾錐部相對長度(口徑)。

其適用范圍為:彈頭部位圓弧形,初速V0≥500m/s,射角θ≈45°時的旋轉彈。對于舊式制式彈而言,該公式誤差一般小于5%[4]。

在給定條件下，式(1)求算i值比較方便,但對于不滿足適用范圍的彈丸來說有較大的局限性。

由該經驗公式可以推斷:隨著彈丸頭部或者彈丸底部的縮短,彈丸的彈形系數增加。

2阻力系數數值仿真計算

2.1仿真建模

運用Fluent軟件中單精度、基于密度的求解器對零攻角條件下彈丸的阻力系數進行計算。流場計算域為長為彈丸長度20倍[7]、直徑為彈丸直徑10倍的圓柱體。網格劃分選用六面體和四面體相結合的形式。通過大量仿真表明，在本計算模型中，流場網格劃分密度對阻力系數值的影響很小。計算中湍流模型選用基于應變/渦的Spalart-Allmaras模型。流場介質選用理想氣體。外部邊界條件選用壓力遠場邊界條件。流場模型及網格劃分見圖1和圖2所示。

圖1　彈丸及流場模型

圖2　彈丸的網格劃分

57mm口徑人工增雨防雹彈彈丸初速為1 000m/s,通過外彈道計算得出彈道末端速度為250m/s左右,因此計算范圍選0.5～3.6 Ma。

2.2對制式彈阻力系數的仿真計算

對配用榴-2引信的57mm口徑高射炮曳光殺傷榴彈建模計算,計算結果見圖3所示。相對于1943年阻力定律的彈形系數平均值為1.4,文獻[8]提供的彈形系數為1.3,考慮到底部曳光管的“底排”減阻效應,這一仿真結果是可信的。

圖3　57 mm口徑高射炮曳光殺傷榴彈的阻力特性

2.3引信外形對阻力系數影響

57mm口徑人工增雨防雹彈彈頭、彈底時間引信各有兩種外形見圖4所示,外形1的彈頭引信頭部錐角角度小于外形2,兩種彈底引信外形差別在于外露部分長度不同。

圖4　57 mm口徑人工增雨防雹彈引信外形

通過Fluent軟件對零攻角下裝配不同外形引信的彈丸阻力系數的計算結果如圖5所示。

圖5　裝配不同彈頭、彈底引信的彈丸的阻力系數

由圖5可知,裝配錐角角度較大的彈頭引信2的彈丸的阻力系數在超聲速段比裝配彈頭引信1的彈丸的阻力系數稍大,在亞聲速段稍小,總的來說彈頭引信頭部錐角的變化對阻力系數的影響很小。而彈底外形的變化對阻力系數影響較大。彈底外露部分的縮短會增加阻力系數。此結果與經驗公式的變化規律一致,也說明仿真結果是可信的。

2.4彈底外形對阻力系數影響

57mm口徑人工增雨防雹彈的彈底引信有凸出的點火裝置,分別去掉彈底引信凸出部分和將凸出部分補填至與彈底平滑過渡,其彈底外形如圖6所示。零攻角下阻力系數的仿真結果見圖7所示。

圖7　不同彈底外形對應的阻力系數

由圖7可見,在亞聲速段外形B所對應的阻力系數大于外形C所對應的阻力系數。在其它馬赫數區域兩者阻力系數基本吻合,說明當彈底有凸出部位時,其所對應的阻力系數和與其全長相等的彈丸的阻力系數接近,也就是說在全長相等的條件下,彈底引信底部外形的變化對阻力系數的影響很小。而彈底外形A所對應的阻力系數比B和C的要大,說明彈丸長度的縮短會增加阻力系數,與前文論證結果相吻合。

2.5彈頂外形對阻力系數影響

實際上,為了制造及處理上的便利,彈頭引信彈頂常帶一個小圓角或不大的小平頂形[6]。57mm口徑人工增雨防雹彈不同的彈頂外形如圖8所示。

圖8　彈頭引信的不同彈頂外形

對零攻角時裝配不同外形彈頭引信的彈丸進行阻力系數仿真計算,計算結果見圖9所示。

圖9　不同彈頂形狀下的阻力系數

由圖9可知,裝配圓頭引信和平頭引信的兩種彈丸的阻力系數曲線比較接近,平頭彈丸在亞音速的阻力系數比圓頭彈丸稍大,在超音速區域的阻力系數比圓頭彈丸的稍小。總的來說,引信頂部外形的變化對彈丸阻力系數影響較小。

2.6對制式彈阻力系數的仿真

對裝配榴-2引信的57mm口徑高射炮曳光殺傷榴彈建模計算,模型見圖10所示,計算結果見圖11所示。相對于1943年彈形系數平均值為1.5,文獻[8]提供的彈形系數為1.3,考慮到底部曳光管的“底排”減阻效應,這一仿真結果是可信的。

圖10　57 mm口徑高射炮曳光殺傷榴彈仿真模型

3結論

通過對裝配不同外形引信的57mm人工增雨防雹彈的阻力系數進行數值仿真計算,得出以下結論:

1)彈頭引信頭部錐角增大時,其阻力系數在超聲速段稍微增大,在亞音速段稍微減小。但總的來說,彈頭引信頭部錐角的變化對彈丸的阻力系數影響不大。

2)彈底引信外露部分的長短對彈丸的阻力系數影響較大,外露部分的增長會減小阻力系數。

3)在跨聲速和超聲速段,彈底引信有凸出部位時,其阻力系數接近于與其全長等長的彈丸的阻力系數。

4)裝配圓頭和平頭兩種外形彈頭引信的彈丸的阻力系數曲線比較接近,平頭彈丸在亞音速階段的阻力系數比圓頭彈丸的稍大,在超音速階段的阻力系數比圓頭彈丸的稍小。總的來說,彈頂形狀即彈頭引信頭部形狀對阻力系數影響很小。

參考文獻:

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[7]李鵬飛, 徐敏義, 王飛飛. 精通CFD工程仿真與案例實戰 [M]. 北京: 人民郵電出版社, 2012: 170-171.

[8]兵器工業部第三管理局. 炮彈火箭彈手冊: 第二分冊 [M]. 北京: 兵器工業部第三管理局, 1984: 154-158.

*收稿日期:2015-04-08

作者簡介:沈曉軍(1989-),男,江蘇如皋人,碩士研究生,研究方向:彈藥系統工程。

中圖分類號:TJ011.2

文獻標志碼:A

SimulationofInfluenceofFuzeShapeonAerodynamicCharacteristicsofHypersonicProjectile

SHENXiaojun1,WANGYushi1,WENQuan1,XULulin2,LIUYanzhong2

(1SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2JiangjiMinkeIndustryCo.Ltd,JilinJilin132021,China)

Abstract:In order to research the influence of fuze shape on aerodynamic characteristics of hypersonic projectile, Fluent software was used to calculate coefficient of resistance of 57 mm caliber weather modification projectiles with point fuzes and base fuzes of different shapes. The curve of coefficient of resistance and Mach number with different shapes was got. The result shows that the shape of point fuze of 57 mm caliber weather modification projectiles has little influence on the coefficient of resistance; The coefficient of resistance has some difference when the top shape changes, but the influence is small overall. The coefficient of resistance increases when the length of the exposed parts of the base fuze reduces. When the base fuze has a prominent position, the coefficient of resistance of the projectile is close to the projectile whose length is equal to its full length.

Keywords:ammunition engineering; design theory; simulation; resistance coefficient; aerodynamic characteristic; fuze shape; computational fluid dynamics