带栅格翼型弹体多翼扰流的研究

山西中北大学机电工程学院 杜小强 马贵春 李桂君 李峰

引言

导弹的飞行姿态关系到导弹的高效杀伤，弹体的飞行姿态一部分由制导系统控制，一部分也受到弹体周围流场与弹体结构外形的影响，栅格翼作为一种新出现的非常规翼型，相对于平板翼而言，在较宽的马赫数范围内失速攻角大、铰链力矩小、升力特性好、便于折叠、不会增加飞行器的尺寸等特性被广泛应用于火箭逃逸器和飞航导弹中，但由于其阻力相对较大，翼型的展开需要一定时间，所以对弹体栅格翼的扰流问题还需进一步研究。

本研究以计算流体力学为基础，结合非结构网格技术对三维栅格翼与平板翼弹体飞行姿态进行数值模拟，通过分析弹体扰流与弹体气动力变化，近而比较栅格翼弹体与平板翼弹体的优缺点，其研究结果对栅格翼的应用有一定的参考价值。

1 理论基础

1.1 计算流体力学

流动控制方程为三维非定常N-S方程，控制方程如下。

质量守恒方程：

动量守恒方程：

能量守恒方程：方程中ρ、u、p、E分别为流体的密度、速度矢量、压力和总能。

1.2 非结构网格

结构网格有良好的性质，易于建立较高精度的计算模型，以提高计算精度和效率，但优于结构化网格适用于相对模型规则的几何体，导弹外形复杂，弹翼与弹头处对网格的要求比较严格，结构化网格不能满足要求，而非结构化网格内部网格节点不具有相同的毗邻单元，可适应复杂的几何形状，所以本研究用非结构化网格对弹体模型进行网格划分。

1.3 Fluent仿真软件

近年来由于计算机软件的开发，对于飞行运动的模拟，不单单仅限于耗时、费用高的风洞实验模拟，通过Fluent软件数值模拟一样可以达到相近的结果，而且具有消耗低、快速得到实验数据的特点。Fluent软件可以用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围的复杂流动。由于采用多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而Fluent软件能达到最佳的收敛速度和求解精度。

2 模型设定

导弹为相对较小的空导弹模型，弹长L=90cm，长径比约20，飞行高度为H=3000m，来流马赫Ma=1.0，攻角为4。导弹整体网格划分为非结构网格，方程模型为S-A模型，差分格式为二阶迎风格式，弹体结构如图1所示：

图1 栅格翼弹体与平板翼弹体模型

3 模拟结果与分析

弹体飞行过程监测了弹体翼面压强变化以及弹体阻力、升力与力矩变化，其结果如图2-4所示。图2-4为栅格翼弹体与平板翼弹体飞行过程中气动数据对比。

图2 阻力系数变化曲线

图3 弹体升力系数变化曲线

图4 弹体力矩系数变化曲线

由弹体阻力系数变化关系可以得出，导弹飞行中，同体积下，栅格翼弹体受到的空气阻力明显大于平板翼弹体，升力系数小于平板翼，这是由栅格翼型的外形结构决定的。当气体穿过栅格时，气流在翼面背后形成局部负压，导致翼面背风面压强远小于迎风面，使得整体弹翼阻力增加，由于平板翼迎风面积远小于栅格翼翼型面，总体压差不明显，因此总体弹翼阻力小于栅格翼弹翼。在升力方面，栅格翼翼弦方向面积尺寸远小于平板翼，提供的升力也有限，在弹体飞行中，弹体的转动使得弹体本身产生一定的滚动力矩，沿翼弦方向面积较小的栅格翼产生的滚动力矩也同样小于平板翼。速度与压力云图如图5-8所示:

图5 平板翼弹体X方向速度分布云图

图6 栅格翼弹体X方向速度分布云图

图7 平板翼弹体压力分布云图

图8 栅格翼弹体压力分布云图

图6 为方便观察栅格翼弹翼扰流，选用带网格的截面速度分布云图，由图6和图8可以看出栅格翼弹体周围流场空气阻力使得弹体飞行速度小于平板翼弹体，栅格翼弹体翼面后侧的压强明显小于迎风面，这也是栅格翼弹体之所以阻力大于平板翼弹体、升力小于平板翼弹体的原因之一。

4 结束语

4.1 Fluent软件通过运用多种求解和网格加速收敛技术，对飞行器周围流场进行数值模拟可以得到很快的收敛速度和很高的求解精度。

4.2 弹体飞行中，在弹翼尾部形成的扰流使得导弹飞行时应该给予足够重视，以达到精确打击目标的目的。

4.3 栅格翼翼型作为一种新型翼型，其综合性能优于平板翼，但阻力和升力不如平板翼，所以克服栅格翼阻力是未来对栅格翼大规模使用需要进行研究的一个目标。

4.4 短距离导弹攻击时，应该注意栅格翼的打开与控制，尽量减少弹翼张开与控制耗费的时间。

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