巡飞弹的翼型选择及气动特性分析*

陶迎迎，郝永平，袁　备，李曙光，谢天祥，李东辉（1　沈阳理工大学机械工程学院，沈阳　110159；2　沈阳理工大学兵器科学技术研究中心，沈阳　110159）

巡飞弹的翼型选择及气动特性分析*

陶迎迎1，2，郝永平1，2，袁备1，2，李曙光1，2，谢天祥1，2，李东辉1，2
（1沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110159；2沈阳理工大学兵器科学技术研究中心，沈阳110159）

弹翼为巡飞弹提供大部分升力，为了研究选择高升力、高升阻比翼型的方法。利用CAD技术建立了3类圆头尖尾翼型的二维模型，运用GAMBIT进行网格划分，利用FLUENT软件进行动力学仿真，采集空气动力学数据对阻力系数、升力系数和升阻比进行了比较，对曲线存在的特殊点着重分析。结果表明，在满足高升力、高升阻比和飞行稳定的基础上，选择翼型FX-63-137为巡飞弹的最佳翼型。

翼型；阻力系数；升力系数；升阻比

0　引言

纵观军事科技现状，未来主战场必将是高度信息化的战场，巡飞弹作为无人机与弹药技术有机结合的信息化武器，它不仅能够对敌实施精确、有效的打击，还能够承担战场侦察监视、战斗毁伤评估、通信以及无线电中继等单一或多项任务，必将成为弹药发展的重要趋势［1-2］。巡飞弹是一种能在目标区上方进行“巡弋飞行”，“待机”执行多种作战任务的新概念弹药，长航时等高巡飞是其实现侦察和智能攻击作战使命的前提［2-3］。所谓“巡飞”是指全弹用气动升力支撑其质量，靠发动机推动克服前进阻力，来实现近乎恒速等高状态飞行，以完成侦察监视等任务。为达到这个要求，设计出具有高升力、高升阻比的翼型就显得尤其重要。

1　翼型的建模

在巡飞弹的各种飞行状态下，弹翼是其承受升力的主要部件，直接影响巡飞弹的气动性能和飞行品质。而弹翼的主要特性取决于翼型，翼型的选择对巡飞弹的气动性能具有决定性的影响。由于巡飞弹巡飞时速度较低，受结构的影响研究出高升力综合性能比较好的翼型是本课题追求的目标。翼型有千万种型号，每种型号形状各异，共有四大类：对称型、双凸型、平凸型、凹凸型。凹凸型升力比较大，但下表面内凹，不便制造，一般不用。因厚度对翼型的影响也比较大，所以文中选择了形状为圆头尖尾型且厚度相差不大的对称型naca0015（图1）、双凸型naca4415（图2）、平凸型FX-63-137（图3）进行比较，并选出最佳翼型。

采集数据利用CAD软件分别构造翼型如图1～图3所示。

图1　翼型naca0015

图2　翼型naca4415

图3　翼型FX-63-137

2　空气动力学分析

文中针对3类不同翼型分别进行网格划分，FLUENT仿真，提取数据绘制阻力系数、升力系数、升阻比曲线图进行直观的比较。

2.1网格生成

网格划分是计算流体力学的基础，网格质量往往决定着模拟的成败或收敛的快慢，直接影响到气动数值模拟的计算精度［4］。文中网格采用全结构化网格，网格数为50 000，数值模拟计算条件为：

1）攻角为α=0°；

2）马赫数为Ma=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7；

3）侧滑角β=0°。

2.2不同翼型阻力系数

阻力系数是描述气动特性的重要因素之一，选择翼型研究阻力系数是至关重要的，如图4描述3种翼型阻力系数（Cd）随Ma的变化曲线。

图4　不同翼型的阻力系数曲线

由图4可以得出如下结论：

1）在同一Ma下Fx-63-137的阻力系数最大，其次是naca0015，naca4415最小。

亚音速下阻力系数：

式中：ζFx-63-137＞ζnaca0015＞ζnaca4415。

综合计算可得以上结论。

根据涡流的形成原理［5］，流速一定最大断面变化越急，漩涡区越大，涡阻也越大。

图5　翼型Fx-63-137上表面激波

2）3种翼型的阻力系数都随Ma的增大而增大。

3）只有Fx-63-137在Ma=0.7时阻力系数突然增大。

在Ma＜0.6时的总阻只是摩阻和底阻之和，几乎和空气弹性无关，随Ma变化并不明显，但当Ma＞0.6主要由Ma决定，因为此时可能就能出现局部激波，如图4翼型Fx-63-137在Ma=0.7时出现了激波导致阻力迅速上升。

2.3不同翼型升力系数

升力系数对翼型选择具有决定性的影响，所以比较不同翼型的升力系数随Ma的变化是至关重要的，见图6所示。

由图6可以得出以下结论：

1）在同一Ma下Fx-63-137的升力系数最大，其次是naca4415，naca0015最小。

图6　不同翼型的升力系数

升力来源于翼型的上下表面气流的速度差产生的压力差，文中列举了同一攻角与Ma下不同翼型的上下表面的压力系数分布线图，如图7～图9。其中naca0015是对称翼型，上下表面压力系数分布线重合，升力为零。这是因为气流沿上下表面流过两股气流，上表面上凸程度越大流管变得越细流速越快，压力越低。而翼型下表面流管变得越粗，弯度越大流速越慢，压力也越大，所以产生的压力差也越大。

图7　翼型Fx-63-137上下表面的压力系数分布线图

图8　翼型naca0015上下表面的压力系数分布线图

图9　翼型naca4415上下表面的压力系数分布线图

2）3种翼型的升力系数都随Ma的增大而增大。

如图10所示是翼型Fx-63-137在Ma=0.5时的上下表面的压力系数分布图，和图7在Ma=0.3相比可以得出图9的压力差更大，产生更大的升力。根据伯努利方程：

当速度增大时，压强减小，上表面减小的速率比下表面快，所以压力差变大，升力增大。

图10　翼型Fx-63-137在Ma=0.5时上下表面的压力系数分布线图

3）只有Fx-63-137在Ma=0.7时升力系数降低。

由于激波的存在，当气流经过激波之后，阻力加大，流速突然下降，压强变大，压力差变小，升力也变小［6］，如图11所示。

图11　翼型Fx-63-137在Ma=0.7时上下表面的压力系数分布线图

2.4不同翼型的升阻比

升阻比即飞行器在某一飞行状态下的升力与阻力的比值。此值越大说明飞行器的空气动力性能越好，是选择翼型的重要参数之一。

如图12所示，3种翼型的升阻比可以直观的得出翼型Fx-63-137的升阻比最大。为了更一目了然的比较出其3种翼型的差异，给出了3种翼型升力系数和升阻比随Ma的比值如表1、表2所示。

图12　不同翼型的升阻比

表1　升力系数的比值

表2　升阻比的比值

3　结论

文中通过对3种不同类翼型的比较大致可以看出：对称翼型中弧线和翼弦重合，在所有翼型中的阻力是最小的，零攻角下升力系数也比较低，升阻比较其它翼型也比较低；平凸型翼型上弧线凸出而下弧线除前缘外几乎趋于直线，总体而言，其性能中规中矩，甚至差强人意，但其工艺性好，便于大量生产，但对于巡飞弹翼型这一特殊翼型而言，可以根据它的特性来看并不理想；双凸型中弧线弯曲较大可以获得较大的升阻比，气动性能优越。

在以上的仿真实验的基础上可以得出：选翼型时，主要找出中弧线，再观察弧线两旁厚度分布的情况，中弧线弯曲的程度确定了翼型的特性，弧度越大升力系数、升阻比就越大。所以巡飞弹翼型Fx-63-137升力系数和升阻比与其他两种翼型相比要大得多，选出翼型Fx-63-137为最佳翼型，为之后巡飞弹整体的气动仿真分析奠定了动力基础。

［1］杨艺.空中主宰者：国外陆军巡飞弹发展［J］.现代兵器，2007（8）：22-24.

［2］郭美芳，彭翠枝.巡飞弹：一种巡弋待机的新型弹药［J］.现代军事，2006（4）：49-52.

［3］纪秀玲，何光林.管式发射巡飞弹的气动特点和设计［J］.北京理工大学学报，2008，15（1）：51-54.

［4］魏明，王华.巡飞器无舵偏情况下的气动数值分析［J］.飞行力学，2010，28（2）：60-62.

［5］ 韩子鹏.弹箭外弹道学［M］.北京：北京理工大学出版社，2008：26-30.

［6］于勇，张俊明，姜连田.FLUENT入门与进程教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2008：55-76.

Airfoil Selection and Aerodynamic Characteristic Analysis of Loitering Munitions

TAO Yingying1，2，HAO Yongping1，2，YUAN Bei1，2，LI Shuguang1，2，XIE Tianxiang1，2，LI Donghui1，2
（1School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2Research Center for Ordnance Science and Technology，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Loitering munitions with aerodynamic surfaces includes wings and rudders，the wings are the main components which provide lift force.In order to research airfoils which have high lift force and high lift-drag ratio，three different two-dimensional models which have circular head and pointed tail were established by using CAD Technology，the models were meshed by using GAMBIT software.Then，dynamics simulation was made by FLUENT software，comparison was made among drag coefficient，lift coefficient and lift-drag ratio，the special points of date were stressed.The result shows that the FX-63-137 airfoil is more favorable in high lift force，high lift-drag ratio and stable flight.

airfoil；drag coefficient；lift coefficient；lift-drag ratio

TJ760.35

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.032

2015-03-13

陶迎迎（1990-），女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：气动力仿真分析。