一種雙體導彈氣動特性數值模擬*

申遂愿，朱清華，陳建煒，王坤，曾嘉楠，朱振華，丁正原

(南京航空航天大學 直升機旋翼動力學國家級重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引言

隨著科學技術的發展，現代戰爭對精確打擊的要求越來越高，因此導彈的發展越來越受到各個國家的重視[1]。導彈的氣動布局決定了整體氣動性能[2-4]，因此為了提高導彈的某一方面性能，從氣動布局方面進行改進是一種較為有效的方法。研究者們在傳統導彈布局的基礎上提出了多種新構型導彈布局，如偏轉彈頭布局導彈[5-11]，彈頭只需要偏轉較小角度就能夠得到較大的機動過載，變后掠翼布局導彈能夠較好地適應亞/跨超聲速飛行[12]，為了擴大導彈的打擊范圍及打擊效果，本文提出一種雙彈體布局導彈(后文簡稱雙體導彈)，該構型導彈具有2個獨立的彈體，擁有更大的彈翼面積，能夠攜帶更多的任務載荷且航程更大。

對導彈的氣動特性研究方法主要分為風洞試驗及數值模擬2種。風洞試驗存在測量難度大，試驗費用高的問題，同時試驗裝置對測量結果也存在很大的干擾[13]，而隨著計算機技術的快速發展，CFD技術被廣泛應用于飛行器的氣動特性分析。李小林等[14]采用三維可壓雷諾平均的N-S方程(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS方程)分析了MICA導彈各主要氣動部件的作用，發現了頭部小邊條能夠增加導彈的過載能力。于勇等[15]采用S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型分析了可變翼飛行器在變展長過程中的非定常氣動特性。紀錄等[16]基于FLUENT軟件及非結構網格，采用S-A湍流模型分析了一種導彈在不同馬赫數和不同迎角時的升阻力系數及力矩，得到了較好的計算結果。

以上說明CFD方法在導彈氣動特性計算方面得到了廣泛的應用，并且能夠得到較為準確的結果，因此本文在前人的研究基礎上，采用非結構網格技術對模型進行網格劃分，基于FLUENT軟件采用S-A湍流模型分析單體導彈和雙體導彈在不同馬赫數及迎角狀態下的氣動特性，并比較2種構型的氣動特性差異，為雙體導彈氣動特性的深入研究提供了基礎。

1 雙體導彈布局特點

雙體導彈擁有2個獨立的彈體，從圖1中2種構型導彈外形示意可以看出，雙體導彈的2個彈體通過中間的彈翼進行連接，同時每個彈體上均有獨自的十字形尾翼，其飛行原理與單體導彈類似。雙體導彈主要參數如表1所示，其中單體導彈的彈體及彈翼尺寸與雙體導彈相同。

圖1 2種構型導彈外形示意圖Fig.1 Schematic diagram of two types of missiles

表1 雙體導彈主要參數
Table 1 Main parameters of the double-body missile

參數數值全彈長度/m3.90彈徑/m0.38頭罩長度/m1.04彈翼弦長/m0.32彈翼展長/m0.82彈翼位置(前緣)/m1.80中間連接彈翼翼型NACA4412中間連接彈翼翼型展長/m1.12

2 數值計算方法

2.1 網格劃分

本文采用ICEM網格劃分軟件對雙體導彈進行非結構網格劃分，如圖2所示。翼型表面設置附面層網格，第一層為0.01 mm，層數為10層，增長率為1.2。對彈翼前緣及彈體前緣等曲率較大部位進行網格加密，同時為了減少網格數提高計算效率，只在導彈附近流動較為劇烈區域進行網格加密，整體網格數約為700萬。

2.2 數值方法

研究雙體導彈氣動特性時，采用商用軟件FLUENT求解基于雷諾平均Navier-Stokes(RANS)方程，湍流模型采用S-A湍流模型，壓力-速度耦合采用simple算法，采用二階精度的離散格式。邊界條件設置為：導彈采用無滑移壁面條件，遠場采用壓力遠場邊界。計算工況包括Ma=0.5，1.0，1.5，迎角α=0°～20°。

3 氣動特性分析

采用圖1中2種導彈構型分析雙體導彈氣動特性并研究其與單體導彈的氣動性能的差異。在氣動性能方面，主要考慮導彈升力L，阻力D及俯仰力矩系數Cm，其計算公式為

(1)

圖2 雙體導彈網格Fig.2 Mesh of the double-body missile

式中：M為力矩;ρ為空氣密度;v為速度;S為彈翼投影面積;Ca為彈翼特征長度。

圖3～5表示了2種構型導彈不同馬赫數及迎角下的氣動特性。可以看出，隨著迎角的增大，2種構型導彈的升力均上升，且小迎角裝狀態下升力較小，上升速度快，迎角較大時升力上升速度較小趨于平緩，同一狀態下雙體導彈的升力超過了單體導彈升力的2倍，說明2個導彈體之間的連接彈翼提供的升力超過了兩側彈翼的升力；隨著迎角的增大，2種構型導彈阻力在逐漸減小，且隨著馬赫數的增加減小幅度在變小但整體阻力增加較大，從升阻比曲線可以看出，雙體導彈的升阻比略小于單體導彈的升阻比，且隨著迎角的增大差值在增大，說明雙體導彈雖然能夠產生更大的升力但其所增加的阻力值也較大；同時，整體俯仰力矩系數隨著迎角的增大而增加較大。

圖3 Ma=0.5時2種構型導彈氣動特性Fig.3 Aerodynamic characteristics of two types of missiles with Ma=0.5

圖4 Ma=1.0時2種構型導彈氣動特性Fig.4 Aerodynamic characteristics of two types of missiles with Ma=1.0

圖5 Ma=1.5時2種構型導彈氣動特性Fig.5 Aerodynamic characteristics of two types of missiles with Ma=1.5

4 結束語

本文采用非結構網格技術對模型進行網格劃分，基于FLUENT軟件采用S-A湍流模型分析單體導彈和雙體導彈在不同馬赫數及迎角狀態下的氣動特性，并比較2種構型的氣動特性差異，得到如下結論：

(1) 雙體導彈較單體導彈擁有更優的升力能力，但其所受阻力更大，升阻比下降。

(2) 2種構型導彈阻力均隨著迎角的增大而減小，且馬赫數的越大其減小幅度越小。