花瓣型一维阻力修正机构设计及外弹道仿真

李素云,吴国东,徐永杰,尹建平,郑娜娜,魏 波

(1.中北大学机电工程学院， 太原 030051； 2.长治清华机械厂，山西 长治 046012；3.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)



【装备理论与装备技术】

花瓣型一维阻力修正机构设计及外弹道仿真

李素云1,吴国东1,徐永杰1,尹建平1,郑娜娜2,魏 波3

(1.中北大学机电工程学院， 太原 030051； 2.长治清华机械厂，山西 长治 046012；3.海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018)

为了提高小口径榴弹的射击精确度和射击密集度，设计了一种花瓣形一维阻力修正执行机构，以35mm口径榴弹为弹丸平台设计一维弹道修正弹；利用流体力学软件ANSYS Fluent进行弹丸飞行流场数值仿真，获得了不同马赫数情况下各弹丸模型的气动参数；通过质点弹道模型对弹丸外弹道进行仿真计算；结果表明：阻力执行机构展开过程耗时0.006 s，可以提供平均阻力系数比为3.01；弹道仿真得出：在给定的条件下，修正弹可以提供最大140 m射程修正量。

阻力执行机构；弹道修正；气动仿真；弹道模型

model

相对火箭弹等造价昂贵的高精度导弹，具备弹道修正能力的弹药，因其成本低的优点而得到发展[1-5]。国外弹道修正技术起步较早，对阻力机构的研究也有诸多创新，如美国的“STAR”、法国的“SAMPRASS”及“SPACIDO”，原理相对简单，对尺寸精度要求也比较低，便于实现。相对于欧美的技术发展，国内的弹道修正起步较晚，具有广阔的发展空间[6-8]。修正机构通过弹丸在外弹道飞行过程中增加弹丸受阻面积进行弹道修正。现有的弹道修正机构，大部分是针对大口径弹药设计，而在小口径弹药的发展中，该类机构应用较少。本文以35 mm口径榴弹为弹丸平台，设计花瓣型一维阻力修正执行机构，并建立修正弹模型；利用ANSYS Fluent 软件进行流场数值仿真；最后利用质点弹道程序对外弹道进行数值仿真计算。

1 模型建立

1.1 阻力执行机构建模

通过Solidworks建模进行机构设计。以35 mm口径榴弹作为弹道修正弹的改造原型，在设计过程中考虑到弹丸高速旋转，充分利用其产生的离心力。在基本不改变弹丸外形的基础上，安装头部引信弹道修正组件。弹头部的弹道修正机构剖视图如图1。从图1可以看出，弹道修正机构是通过利用弹体的头部部分空间安装整个弹道修正组件。阻力片张开后，弹丸飞行阻力增加，会对弹丸的纵向射程进行一定的修正。

1.阻力片; 2.圆台; 3.弹簧; 4.拔销器; 5.弹头部壳; 6.销

弹头部安装弹道修正机构后，头部形状不变。机构动作后，6片阻力片弹出，并在弹丸高速旋转中迅速张开，增加了弹丸空气阻力。

弹道修正机构的工作原理为：当拔销器拔销后，压缩的弹簧将圆台弹出。由销固定在圆台上阻力片，由于向前弹出的距离而解锁，受弹丸旋转离心力的作用慢慢张开。同时由于受到阻力，阻力片逐渐张开到最大，其展开过程如图2所示。对阻力片展开过程的动力学仿真，如图3所示，各阻力片在0.006 s时刻全部展开到位。

图2 弹道修正执行机构工作过程示意图

图3 阻力片展开过程中质心位置变化规律

1.2 修正弹模型建立

以35 mm口径榴弹为弹丸平台进行修正弹设计，如图4～图6所示。

图4 修正弹模型前视图

图5 阻力机构展开的修正弹模型前视图

图6 修正弹模型3D效果图

2 气动力仿真

2.1 CFD有限元模型

弹丸模型的建立使用Solidworks软件，利用Gambit软件进行网格划分。设计算域为高1 000 mm直径300 mm的圆柱形区域，设置网格间距尺寸为0.6 mm，修正弹弹表网格划分如图7所示。在划分过程中采用Size Function来控制网格的疏密程度。进行边界设置，圆柱外表面定义为PRESSURE-FAR-FIELD,弹表面定义为wall,对称面定义为SYMMETRY[9]。

图7 计算域网格剖面图

2.2 气动力数值仿真

应用Fluent软件进行气动仿真计算。此次仿真选择了密度显式求解法[10-11]。为了精度要求，选择高斯克林函数求解梯度，此函数适合图7所划的非结构化网格。湍流模型采用S-A模型，该湍流模型比较适合具有壁面限制的流动问题，对有逆压梯度的边界层问题能够给出很好的计算结果。定义流体的物理属性为理想气体，Viscosity为Sutherland，参考压力为0。边界条件设置中，选择来流压力为一个大气压，并选择攻角为0。求解时，设置6个层次的网格加速收敛，设置Modified Turbulent Viscosity方程为二阶迎风格式。

2.3 计算结果及分析

选取速度的范围从马赫数M=0.3、M=0.4、M=0.5、M=0.6、M=0.7五组数据。本试验主要从阻力器对于弹体的阻力系数影响来做对比，同时辅助以弹体的压力分布云图和在X轴方向上的速度分布云图作对比，图8、图9为了在马赫数0.6的情况下阻力器安装前后的速度云图和压力云图。通过计算，最后阻力曲线在收敛，取最后200项求其平均值，取小数点之后4位，得到的即是全弹的阻力系数，如表1。阻力系数变化规律如图10所示。

图8 阻力器安装前后马赫数0.6时X方向速度云图

图9 阻力器安装前后马赫数0.6时弹体表面压力分布

Ma原弹模型Cd修正弹Cd阻力系数比0.30.19010.57713.040.40.19200.57783.010.50.19300.57802.990.60.19280.57843.000.70.19310.57822.99

图10 阻力机构展开前后阻力系数对比

3 修正能力评估

由于主要考虑亚音速环境，阻力系数随马赫数变化不大。但如果考虑在跨音速和超音速飞行状态，就要重新确定阻力定律。在修正机构工作前，外弹道模型及解算和一般榴弹相同。当弹丸飞行到展开时候，伴随阻力机构展开，阻力系数瞬间增大，以增大后的阻力系数继续解算弹道方程。

本文所设计的35 mm口径榴弹的参数为：弹丸初速190 m/s，弹丸质量0.240 kg，射角43°，弹道系数1.11，横风0.000，纵风0.000。将所设计的参数输入软件计算，选择弹丸出枪口10 s后不同时刻进行阻力器张开，时间间隔为1 s。张开时刻与射程关系如表2所示，展开时刻与修正量关系如图11所示。

图11 修正机构张开时间与修正量的关系

时间/s射程/m修正距离/m101610.615140.439111639.966111.088121665.33385.721131687.06863.986141705.39745.657151720.44030.614161732.25918.795171740.92810.126181746.6264.428191749.7331.321201750.9100.153211751.0540221751.054—

由图11可以看出，同是1 s的间隔时间，产生的修正量呈非线性变化，这与弹丸实际的飞行弹道及张开时刻有关。在现实应用中，可以根据目标的不同距离而选择恰当的张开时间，以达到期望的修正结果。

4 结论

为了提高榴弹的设计精确度和射击密集度，以35 mm口径榴弹为弹丸平台，设计花瓣型一维阻力机构并建立修正弹模型。利用气动力数值仿真获得的气动力参数，通过质点弹道模型对弹丸模型的外弹道进行仿真计算。仿真结果表明，在亚音速条件下，阻力片在0.006 s内展开到位，可以提供平均3.01的阻力系数比；修正弹模型可以提供有效的射程修正距离。研究结果可以为一维弹道修正弹的设计及工程应用提供参考。

[1] 王志军,尹建平.弹药学[M].北京:北京理工大学出版社,2005.

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(责任编辑 周江川)

Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation

LI Su-yun1, WU Guo-dong1, XU Yong-jie1,YIN Jian-ping1, ZHENG Na-na2, WEI Bo3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, China; 3.PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

In order to improve the firing accuracy of small-bore grenades and the fire intensity, we designed a petal shaped one-dimensional resistance correction actuator, and designed one dimensional trajectory correction projectile with 35 caliber shrapnel; Using fluid mechanics software ANSYS Fluent for flow field numerical simulation, the projectile flying was obtained under different Mach number of the projectile aerodynamic parameters of the model; Through the particle trajectory model, the projectile outside ballistic simulation calculation was processed. The results show that the resistance of actuator takes 0.006 seconds, and the process can provide the average drag coefficient ratio is 3.01; Trajectory simulation show that under the given conditions, correct projectile can provide maximum 140 m range correction.

correction executive mechanism; ballistic correction; aerodynamic simulation; trajectory

2016-05-22；

2016-06-25

国家自然科学基金(11572291)

李素云(1991—)，女，硕士研究生，主要从事兵器科学与技术研究。

10.11809/scbgxb2016.10.007

李素云,吴国东,徐永杰，等.花瓣型一维阻力修正机构设计及外弹道仿真[J].兵器装备工程学报，2016(10):35-38.

format:LI Su-yun, WU Guo-dong, XU Yong-jie,et al.Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):35-38.

TJ410.3

A

2096-2304(2016)10-0035-05