鸭舵机构对旋转弹丸气动特性作用研究*

许 巍,郝永平,汪亚利,赵国伟,李志锋

(1 沈阳理工大学机械工程学院,沈阳 110159;2 驻葫芦岛地区军事代表室,辽宁葫芦岛 125000)

鸭舵机构对旋转弹丸气动特性作用研究*

许 巍1,郝永平1,汪亚利1,赵国伟1,李志锋2

(1 沈阳理工大学机械工程学院,沈阳 110159;2 驻葫芦岛地区军事代表室,辽宁葫芦岛 125000)

针对普通高速旋转弹丸低命中率问题,建立了有舵弹丸与无舵弹丸数值仿真模型。仿真研究了有舵弹丸相对无舵弹丸关于阻力、升力、滚转力矩及其系数以及射程和横偏的影响,结果表明:在保证弹丸飞行稳定的基础上,有舵弹丸在减旋情况下相对于无舵弹丸射程、射高、横偏减小;适当控制鸭舵姿态可以修回安装鸭舵机构带来的射程损失,同时对发生偏离弹丸进行有效修偏。

鸭舵机构;气动特性;有效修偏

0 引言

弹道修正弹实际上是应用现代化的设计技术对常规弹丸进行升级,以较低廉的成本实现从“笨”弹转化为“灵巧”智能弹药的产物。进入21世纪,美国军方提出了XM1156“精确制导组件(PGK)”二维弹道修正引信,采用固定鸭舵技术对常规弹药进行滚转控制[1-2],通过控制固定鸭舵相对于弹体的滚转角速度,使同向舵在大地坐标系中的位置固定,进而产生相应修正力,实现弹道修正控制[3-4]。目前,弹道修正弹采用的修正执行机构主要有阻力器、脉冲发动机和鸭舵3种[5-6]。文中对安装两对固定舵片的高速旋转弹的气动特性及其对弹丸横偏与射程的影响进行研究。

1 弹丸模型建立

如图1所示,从弹丸头部向尾部观看,固定式舵片对立成十字型分布。图中编号1和2为一对同向式舵片,即舵同时偏向一个方向,由于舵偏角的存在在修正过程中提供修正力。编号3和4为另一对差动舵片,舵偏角相同只是反向安装,在弹丸飞行时由于气流的作用使弹丸修正机构与弹体反转。由于安装鸭舵机构对弹丸的气动特性会产生影响,为了研究鸭舵机构对弹丸气动特性的作用效果,文中建立了无舵弹丸和带舵弹丸模型,带舵弹丸模型考虚到舵偏角对弹丸的影响,建立了带舵弹丸舵高45 mm,舵偏角分别为4°,6°,8°的弹丸模型。

图1 装有鸭舵弹丸模型

2 气动特性分析

通过对旋转弹丸的模型进行网格划分、边界设定,对其进行气动分析,运用CFD分析时,使鸭舵机构与弹体反转从而更好的模拟减旋过程的舵片与弹体及其整体的气动性。

建立大小形状相同而舵偏角分别为4°、6°、8°的有舵弹丸和无舵弹丸模型,对弹丸的阻力、升力、导转力矩和相应系数进行分析。以4°攻角、1.25Ma仿真数据为例,得出的气动参数如下:

1)有无舵片对弹体的阻力和阻力系数的影响。

如表1所示,带舵弹丸的阻力系数分别比无舵弹丸阻力系数增加10.42%、10.47%、10.53%,加装大小相同的鸭舵机构会增大弹丸的阻力,当舵片大小一定时,舵偏角对弹丸的阻力影响很小。

表1 阻力和阻力系数

2)有无舵片对弹体的升力和升力系数的影响。

如表2所示,装有鸭舵的弹丸的升力系数比无鸭舵的弹丸分别增加了16.28%、23.16%、32.41%,由此可知加装相同大小的鸭舵机构会提高弹丸的升力,当舵片大小一定时,随着舵偏角的增大,弹丸的升力随之增大,相应的升力系数增大。

表2 升力和升力系数变化值

3)有无舵片对弹体的升阻比的影响。

如表3所示,装有鸭舵机构的弹丸的升阻比比没有鸭舵的分别增加了5.28%、9.56%、19.77%,同时带有鸭舵的弹丸随舵偏角的增加升组比增大,6°、8°舵偏角较4°舵偏角升阻比增加了4.06%、13.76%。

表3 升阻比变化值

4)有无舵片对弹体的导转力矩和导转力矩系数的影响。

如表4所示,装有鸭舵机构会增加弹丸的滚转力矩及其系数,较无舵弹丸分别增加了23.67%、25.32%、37.62%,加装鸭舵的弹丸随舵偏角增加导转力矩随之增大,舵偏角6°、8°较4°舵偏角分别增1.33%、11.28%。

表4 导转力矩和导转力矩系数变化值

通过对以上图表分析可得,有鸭舵机构弹丸的升力、阻力、导转力矩及其系数比无鸭舵机构弹丸的大;装有相同大小鸭舵的弹丸随舵偏角的增大升力、阻力、导转力矩及其系数随之增大。

3 动力学特性仿真分析

通过对弹丸的CFD仿真数据进行数据拟合,得到弹丸的气动力函数方程。以弹丸初速度为516 m/s、射角为15°、出炮口转速为176 r/s进行动力学仿真计算。

3.1 弹丸只减旋动力特性分析

由表5可得舵偏角为4°、6°、8°弹丸分别比无舵机弹丸射程减小了5.37%、5.11%、4.35%,而舵偏角为6°、8°较偏角为机4°分别增加了0.2%、1.1%,由此可得加装鸭舵机构对于弹丸在减旋情况下会减小5%左右的射程。结合表1、表2、表3可知安装鸭舵机构后弹丸的升阻比增大,但由于阻力大,可得阻力对加装鸭舵机构的弹丸的射程影响较大而升力影响不大。

表5 弹丸只减旋

由表5数据可知舵偏角为4°、6°、8°的弹丸分别比无舵弹丸横偏减小了40.9%、59.5%、73.4%,鸭舵机构具有减小横偏的作用,舵偏角越大弹丸的横偏越小。

由表5可知,舵偏角为4°、6°、8°的弹丸射高分别比无舵机的射高减小了5.6%、4.8%、3.8%。舵偏角为6°、8°的弹丸比舵偏角为4°的弹丸射高分别增加了0.85%、1.9%。

由表5可得弹丸落地转速分别下降3.58%、5.24%、7.48%。通过仿真可知安装鸭舵机构弹丸转速下降的快,但仍然能满足弹丸陀螺稳定性的要求。

图2 电机磁阻力矩变化

图3 鸭舵机构升力变化

图4 弹丸速度变化

由图2可知鸭舵舵偏角越大,减旋所需要的力矩越大,由动力学仿真可知舵片转速在出炮口约0.1 s与弹体反转,此时利用电机控制舵片转速稳定在10 r/s附近。结合图3可知,由于弹丸速度最大,所需力矩最大,随着弹丸速度的下降,所需的磁阻力矩先是大幅度下降接着趋于稳定。

由图4可知舵偏角越大舵片的升力越大,随着弹丸速度的下降升力先是大幅度下降接着趋于稳定。

3.2 弹丸修正能力分析

只减旋情况下鸭舵机构虽然会减小横偏,但横偏依然很大,当初速增大,射角增大横偏会很大,通过控制同向舵处于竖直位置,可以对弹丸横偏进行修正。由于安装鸭舵机构减小了弹丸的射程,射程对于弹丸来说和横偏同样重要,通过控制同向舵处于水平位置可以增加和减小射程。当同向舵与竖直状态呈一定角度时,鸭舵机构具有修正横偏与射程的作用。以4°舵偏角的鸭舵机构进行仿真,数据如表6。

表6 弹丸修正

由表6可知鸭舵既能修正横偏也能修正射程。同向舵倾斜45°时既能控制横偏也能大幅度提高射程,能满足横偏在一定范围内弥补鸭舵机构对弹丸射程的影响。结合表5可知,只减旋与只修正横偏不影响弹丸射程,但修正横偏能控制落点在10 m以内;针对安装鸭舵射程减小问题,通过控制同向舵姿态来修回射程,当只修正射程时有舵弹丸比无舵弹丸射程增加了6.67%,比只减旋下增加了12.73%。

4 结论

文中通过建立装有鸭舵机构的弹丸模型与普通弹丸模型来研究鸭舵机构对弹丸弹道的影响,对其分别进行了气动特性及动力特性分析。由气动仿真数据可知,装有鸭舵机构弹丸的升力、阻力、导转力矩及其系数比无鸭舵机构弹丸的各项数据不同程度的增加;由动力学仿真可知,虽然装有鸭舵机构弹丸的升阻比比无鸭舵机构弹丸的大,但由于阻力基数较大,在只减旋情况下装有鸭舵机构弹丸的射程比无鸭舵机构弹丸的射程减小,射高减小,横偏大幅度减小。不同舵偏角对弹丸的射程、射高影响不大,而舵偏角越大弹丸横偏越小,在减旋稳定的情况下,选用大舵偏角的鸭舵机构。安装鸭舵机构会减小弹丸的射程,通过控制舵片姿态位置能修回射程损失。同时给出了修正过程中电机磁阻力矩的变化,以及鸭舵机构升力变化。文中为旋转弹丸的鸭舵修正技术的研究和应用提供了理论和数据依据。

[1] 刘承恩, 范宁军, 何娟. 弹道修正引信鸭舵空气动力学设计和仿真 [J]. 探测与控制学报, 2003, 25(3): 40-43.

[2] 程建伟. 可控滚转舵系统滚转控制研究 [J]. 北京理工大学学报, 2010, 30(6): 670-673.

[3] 张开创, 刘秋生, 熊然, 等. 固定鸭舵弹道修正组件发展 [J]. 飞航导弹, 2014(3): 64-67.

[4] JOHN G. Ropert, 2-D projectile trajectory corrector: US6502786 B2 [P]. 2003-07.

[5] 张通, 赵晓莉. 弹道修正弹及其关键技术分析 [J]. 飞航导弹, 2014(5): 38-42.

[6] 杨慧娟, 霍鹏飞, 黄铮. 弹道修正弹修正执行机构综述 [J]. 四川兵工学报, 2011, 32(1): 7-9.

Research on Aerodynamic Characteristics Effect of the Canard Rudder Institution on Rotating Projectile

XU Wei,HAO Yongping,WANG Yali,ZHAO Guowei,LI Zhifeng

(1 School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China; 2 Military Representative Office in Huludao Area, Liaoning Huludao 125000, China)

In the issue of the accuracy of common high speed rotating projectile accuracy was low, the numeric simulation model of projectile with canard rudder and the non rudder projectile was established. The simulation of the influence of rudder projectile on non-rudder projectile about drag, lift, rolling moment, its coefficient, range of fire and the lateral misalignment showed that on the base of projectile flight stability, in the anti rotation case, the range of projectile, the height and the transverse deflection of the rudder projectile relative to the non rudder projectile were reduced. Proper control of the canard rudder attitude could repair the range loss caused by the installation of the canard rudder mechanism and could repair the deviation of the projectile effectively.

canard rudder institution; aerodynamic characteristics; effective correction

2016-01-04

许巍(1990-),男,辽宁大连人,硕士研究生,研究方向:数字化网络化设计与制造技术。

TJ012.3

A