鸭式与正常式导弹滚转特性数值研究 *

敬代勇，李 剑

(中国空空导弹研究院，河南洛阳 471009)

0 引言

在战术导弹气动布局形式中最常采用正常式和鸭式气动布局，这两种布局形式都存在各自的优点和不足[1]。鸭式以其结构紧凑、可靠性高、升阻比大而广为采用;正常式以其纵横向稳定性好、横向姿态控制简单、舵面使用攻角大而受到青睐。但是这两种常规布局形式也存在明显不足[2]，鸭式布局导弹横向稳定性差，最大可用攻角受限，而正常式布局舵面效率低、响应较慢、布局位置安排较为困难。

战术导弹的布局形式对其滚转特性有很重要的影响，为此，针对这两种常见气动布局形式在这方面的研究工作得以广泛的展开，尤其是鸭式布局为实现横滚，采取了很多相应的措施[3]，也取得了不错的效果，并且有的已经应用于工程实践中。

文中通过数值仿真研究分析正常式布局导弹与鸭式布局导弹在滚转特性存在的差异以及产生这种差异的机理，为寻求解决不同布局形式战术导弹实现滚转控制进行探索和研究。

1 模型与算法

1.1 几何模型

所用计算模型为如图1所示的典型战术导弹常规气动外形，该外形为头部尖拱形的大细长旋成体加装4片前翼和4片后翼，整个布局形式呈“××”两段翼导弹。这两种布局导弹的舵面和翼面外形完全相同;舵面与翼面面积比为1∶4，舵面为梯形平面，剖面形状为菱形，翼面为梯形平面，前缘后掠角为45°，后缘后掠角为30°，剖面形状为六边形，舵面和翼面展长相同，这两种布局形式导弹的两组翼面在弹体纵向的安装位置也相同。

整个计算区域为纵向为33倍导弹全长，展向为导弹100全展长，采用六面体网格对流场区域进行划分。边界类型:外域边界采用压力远场边界，壁面边界采用无滑移绝热固壁边界。

图1 不同气动布局外形图

1.2 数值计算方法

控制方程为三维雷诺平均的N-S方程[4]，其守恒形式为:

其中:Q为守恒通量项，F、G、H为无粘矢通量，Fv、Gv、Hv为粘性矢通量。N-S方程组采用守恒形式的有限体积法来离散，湍流模型为SST模型。

2 计算结果及分析

考虑到两段翼前后干扰影响程度，所选用的计算状态是中小攻角。来流条件:高度为10km，马赫数为1.2，攻角 α 为0 ～16°，滚转角为 －22.5°，滚转舵偏 δr分别为 0°和 4°。

2.1 全弹和部件滚转力矩特性

为分析正常式和鸭式布局导弹滚转力矩特性，如图2分别给出了这两种布局在有无舵偏条件下的全弹滚转力矩、舵面滚转力矩和翼面滚转力矩随攻角变化的规律和特性对比。

从图2(a)的全弹滚转力矩随攻角变化曲线可以看出，在无舵偏条件下，全弹滚转力矩随攻角略有增大，布局形式对其影响不大;当舵偏采用滚转偏转后出现了较大的差异，正常式布局导弹横滚控制能力明显较强，在计算攻角范围内均可实现对滚转姿态可控;鸭式布局导弹横滚控制能力明显较弱，攻角大于12°后无法实现横滚控制。

从图2(b)舵面滚转力矩随攻角变化曲线可以看出，无舵偏时，正常式布局导弹舵面产生的诱导滚转较鸭式大，随攻角增大诱导滚转也增大较多。舵面偏转后这两种布局形式舵面控制能力基本相当，且随攻角增大逐渐降低。

从图2(c)翼面滚转力矩随攻角变化曲线可以看出，无舵偏时鸭式布局导弹翼面产生的诱导滚转随攻角明显增大，正常式布局导弹只产生很小的滚转力矩;当舵面偏转后这两种布局形式存在较大的差异，正常式布局翼面滚转力矩与其无舵偏状态基本相同，鸭式布局导弹翼面产生很大的滚转力矩，该滚转力矩主要源自舵面偏转以后诱导的翼面附加滚转力矩。

通过对正常式和鸭式布局导弹全弹和舵翼面产生滚转力矩的分析可以看出，虽然舵面和翼面自身的滚转力矩由于布局形式略有差异，但存在的差异最主要来源是:前翼对后翼诱导产生的附加滚转力矩。

图2 不同气动布局滚转力矩特性对比

2.2 压力分布特性

为分析舵面偏转后翼面的滚转力矩特性，图3给出了攻角8°时不同布局形式的舵面偏转翼面半展长处的压力分布。从图3可以看出，正常式布局导弹翼剖面的迎风面压力较鸭式布局导弹高，而背风面压力较鸭式布局低，导致压差差异更大，这种差异会引起翼面上的受力出现较大变化，使得最终翼面滚转力矩出现较大差异。

图3 不同气动布局剖面压力分布

由于正常式布局导弹翼面在舵面前面，超声速时不受舵面偏转影响;鸭式布局导弹舵面偏转以后，其下洗影响区域和影响强度都会直接体现到导弹翼面上，因此滚转力矩影响更大。

为分析前后翼流动影响，图4给出了攻角8°时不同布局形式的来流空间流线分布。从图4可以看出，攻角不大时，正常式布局导弹来流流经翼面后，翼面上会由于飞行姿态不对称产生不对称的流动，从而产生滚转力矩，但是来流经过翼面后对位于后部的舵面影响不大，使得舵面上的操纵能力得以保持。鸭式布局导弹舵面上不太受来流影响，当流动经舵面后，流动会发生偏移，进而对翼面流动产生影响，使得翼面诱导出不对称流动。该不对称流动与翼面自身产生的不对称流动相叠加后，使得翼面流动不对称现象增强，从而大大增加了翼面上的滚转力矩。该流动特性也解释了这两种布局形式虽然操纵滚转力矩差异不大，但全弹滚转控制差异大的原因。

图4 不同气动布局流线

3 结论

文中通过数值仿真结果，对比了相同翼面和舵面，在安装位置相同条件下，鸭式布局和正常式布局导弹的滚转力矩特性、翼剖面压力分布和流动特性差异。并对存在差异和产生差异的原因进行分析，可以得出如下结论:

1)正常式布局导弹滚转控制能力较鸭式布局好，能控制的攻角范围大，控制能力强;

2)两种布局形式导弹在舵面无偏转时，前翼对后翼的影响相当，使得全弹滚转特性差异不大;

3)两种布局形式导弹舵面滚转控制能力上受洗流的影响较小，使得差异较小;

4)翼面因舵面偏转所诱导滚转是其产生差异的关键。

[1]Michael R Mendenhall著.战术导弹空气动力学[M].洪金森，等译.北京:宇航出版社，2002.

[2]Blair A B Jr. Romote control canard missile with a free-rolling tail brake torque system[J]. Journal of Spacecraft and Rockets，1981，18(6):550 －555.

[3]纪楚群.导弹空气动力学[M].北京:宇航出版社，1996.

[4]徐华舫.空气动力学基础[M].北京:北京航空学院出版社，1986.