自旋尾翼對(duì)導(dǎo)彈氣動(dòng)特性影響分析

劉偉 劉玉祥

摘 要： 通過對(duì)鴨式布局自旋尾翼與固定尾翼導(dǎo)彈的對(duì)比分析，得出了鴨式布局導(dǎo)彈在鴨舵副翼偏角下不僅有副翼反效現(xiàn)象，而且存在副翼效率放大的效果，通過分析得出了造成這種副翼放大效應(yīng)的機(jī)理。通過CFD動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)模擬尾翼旋轉(zhuǎn)的流場得出全彈壓心隨尾翼旋轉(zhuǎn)呈現(xiàn)正余弦變化規(guī)律，并得出了旋轉(zhuǎn)布局導(dǎo)彈宜采用大展弦比布局以減小這種壓心隨尾翼旋轉(zhuǎn)角度的變化量，研究結(jié)果可為鴨式旋轉(zhuǎn)尾翼導(dǎo)彈布局設(shè)計(jì)以及鴨式旋轉(zhuǎn)彈設(shè)計(jì)提供一定的參考作用。

關(guān)鍵詞： 鴨式；旋轉(zhuǎn)彈翼；副翼效率；壓心

1引言

鴨式布局是導(dǎo)彈常用氣動(dòng)布局形式之一。在控制性能上，鴨式布局導(dǎo)彈具有縱向操縱效率高、過載響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。鴨式布局的主要缺點(diǎn)是由于存在“副翼反效作用”，使得導(dǎo)彈難以進(jìn)行滾動(dòng)控制[1～2]。自旋尾翼是通過把尾翼安裝在旋轉(zhuǎn)軸承上，使得尾翼可以繞彈體縱軸自由旋轉(zhuǎn)，從而有效抑制彈翼上的滾動(dòng)力矩傳遞彈體。在要求高精度控制的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈上采用自旋尾翼方式最具發(fā)展前途。

2鴨式布局導(dǎo)彈滾動(dòng)力矩分析

2.1自旋尾翼對(duì)導(dǎo)彈滾動(dòng)操縱力矩影響分析

如圖1所示為尾翼固定與尾翼旋轉(zhuǎn)情況風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果導(dǎo)彈滾動(dòng)力矩對(duì)比圖；圖中給出了風(fēng)洞試驗(yàn)中尾翼固定以及尾翼自由旋轉(zhuǎn)情況下舵面滾動(dòng)操縱力矩系數(shù)。可以看出當(dāng)尾翼自由旋轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)彈副翼舵偏引起的滾動(dòng)力矩系數(shù)隨攻角變化基本趨于平穩(wěn)，導(dǎo)彈具有較好的滾動(dòng)操縱力矩。

當(dāng)尾翼固定時(shí)，導(dǎo)彈滾動(dòng)力矩隨攻角變化劇烈，在2°攻角以內(nèi)導(dǎo)彈操縱力矩系數(shù)基本為正，即存在副翼反操縱現(xiàn)象。當(dāng)攻角10°后固定尾翼時(shí)滾動(dòng)操縱力矩卻大于自由旋轉(zhuǎn)尾翼情況的滾轉(zhuǎn)操縱力矩，這里稱這種現(xiàn)象為“副翼放大效應(yīng)”，以下分析了一種典型的鴨式布局導(dǎo)彈滾動(dòng)力矩特性。

2.2鴨式布局導(dǎo)彈流場數(shù)值模擬

為分析“副翼放大效應(yīng)”現(xiàn)象這里采用數(shù)值模擬的方法計(jì)算了在導(dǎo)彈3°副翼偏角、10°攻角、固定尾翼情況下的流場。

計(jì)算結(jié)果如表1所示，分別給出了四片尾翼與四片舵面上滾動(dòng)力矩系數(shù)。

表中數(shù)據(jù)顯示兩片有副翼偏角的舵面合成產(chǎn)生了較大的滾轉(zhuǎn)力矩，這屬于正常情況，但同時(shí)也可以看到四片尾翼合成效果也產(chǎn)生了一個(gè)與舵面力矩同向的滾轉(zhuǎn)力矩。用小攻角鴨舵下洗的理論分析，尾翼應(yīng)在舵面下洗流的作用下產(chǎn)生一個(gè)與舵面滾轉(zhuǎn)力矩相反的滾動(dòng)力矩；而實(shí)際上此時(shí)導(dǎo)彈在中等攻角，尾翼產(chǎn)生的滾動(dòng)力矩卻與舵面滾動(dòng)力矩方向相同，從而起到了“副翼放大效應(yīng)”的作用。其次與副翼舵2、舵4在同一平面內(nèi)的翼2、翼4產(chǎn)的滾動(dòng)力矩幾乎是出于對(duì)稱狀態(tài)，并沒有收到副翼舵偏下洗氣流的影響。反而是處于背風(fēng)面的翼1產(chǎn)生了一個(gè)與舵面同向的滾動(dòng)力矩，在全彈滾動(dòng)力矩表現(xiàn)上形成了圖1所示的滾動(dòng)力矩系數(shù)曲線結(jié)果。為了分析處于水平面的副翼舵偏如何影響處于背風(fēng)面的尾翼，圖2給出了導(dǎo)彈局部流線圖。

如圖2所示，導(dǎo)彈在中等攻角下由于橫流作用，彈體背風(fēng)面出現(xiàn)了兩個(gè)明顯的分離渦。從渦核位置可以明顯判斷出左側(cè)渦強(qiáng)度大于右側(cè)渦強(qiáng)度屬于非對(duì)稱分離現(xiàn)象。一般情況下導(dǎo)彈背風(fēng)面非對(duì)稱分離渦現(xiàn)象出現(xiàn)在大攻角情況，而鴨式布局導(dǎo)彈由于副翼舵偏主動(dòng)打破了導(dǎo)彈流場左右對(duì)稱狀態(tài)。沿舵2、舵4平面方向，舵4前緣下偏將產(chǎn)生上洗氣流，舵2前緣上偏將產(chǎn)生下洗氣流。這導(dǎo)致圖中彈體左側(cè)當(dāng)?shù)毓ソ窃龃螅蛛x提前左側(cè)分離渦更大；彈體右側(cè)當(dāng)?shù)毓ソ菧p小，分離滯后右側(cè)分離渦小，因此出現(xiàn)了圖2所示的背風(fēng)分離渦不對(duì)稱現(xiàn)象。從圖2可以看到這一對(duì)不對(duì)稱的背風(fēng)分離渦中，左側(cè)分離渦在靠近彈體表面附近吸取了來自右側(cè)分離渦的大量氣流，因此在位于彈體尾部兩個(gè)分離渦之間的1號(hào)尾翼上形成一個(gè)當(dāng)?shù)卣騻?cè)滑角，產(chǎn)生了一部分指向左側(cè)的力，從而形成了與4號(hào)舵同向的滾動(dòng)力矩。

3自旋尾翼對(duì)全彈縱向壓心影響分析

本文利用CFD動(dòng)網(wǎng)方法模擬計(jì)算了尾翼在以一定角速度旋轉(zhuǎn)情況下導(dǎo)彈流場。結(jié)果顯示

彈翼旋轉(zhuǎn)對(duì)導(dǎo)彈壓心有比較小的影響量，成周期性變化規(guī)律，類似正余弦規(guī)律。從變化的周期來看大體在90°周向角左右，這正好與彈翼旋轉(zhuǎn)角度周期吻合。此時(shí)導(dǎo)彈在十字狀態(tài)和×字狀態(tài)角度差為45°，此兩種狀態(tài)對(duì)應(yīng)于壓心變化曲線的波峰與波谷。自旋尾翼壓心隨尾翼旋轉(zhuǎn)變化范圍對(duì)應(yīng)于尾翼處于十字狀態(tài)和×字狀態(tài)的壓心差別，而這種差別量的大小主要取決于尾翼展弦比、尾翼展長與彈徑比以及尾翼與導(dǎo)彈質(zhì)心距離。因此，為了抑制自旋尾翼的這種不利影響，在導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮以上因素。

4結(jié)論

本文通過對(duì)鴨式布局旋轉(zhuǎn)彈翼與固定彈翼導(dǎo)彈的對(duì)比分析，得出了鴨式布局導(dǎo)彈在鴨舵副翼偏角下不僅有副翼反效和副翼效率低的現(xiàn)象，而且存在副翼效率放大的效果。利用CFD計(jì)算的方法分析得到了造成這種放大效果的原因即：不同控制面與升力面之間交叉耦合影響。其次得出了鴨式布局導(dǎo)彈在下洗影響攻角以外，副翼操縱力矩開始得到恢復(fù)可以在一定副翼舵偏以內(nèi)對(duì)導(dǎo)彈進(jìn)行滾轉(zhuǎn)控制。

通過CFD動(dòng)網(wǎng)格方法模擬計(jì)算了尾翼旋轉(zhuǎn)時(shí)流場，得出全彈壓心隨尾翼旋轉(zhuǎn)會(huì)有一定的變化，且成正余弦變化規(guī)律，這種變化量的大小和尾翼展弦比、尾翼展長與彈徑比以及尾翼與導(dǎo)彈質(zhì)心距離相關(guān)，在自旋尾翼鴨式布局導(dǎo)彈氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮以上因素。

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