Brilliant Anti-Tank Submunition转平机动的舵效率改进研究

刘骁， 唐胜景， 郭杰

(北京理工大学 宇航学院，飞行器动力学与控制教育部重点实验室， 北京 100081)



Brilliant Anti-Tank Submunition转平机动的舵效率改进研究

刘骁， 唐胜景， 郭杰

(北京理工大学 宇航学院，飞行器动力学与控制教育部重点实验室， 北京 100081)

针对Brilliant anti-tank submunition(BAT)舵效率不足，不能有效转入平飞的问题，首先基于气动工程估算的方法计算气动数据，通过与风洞实验数据对比，证明了估算结果的准确性. 估算结果与风洞实验结果同时说明BAT外形舵效率较低，无法提供足够的俯仰过载，弹道仿真进一步表明原外形BAT不能有效地转入平飞. 针对BAT外形舵效率较低的情况，尝试通过对外形的改变来提升舵效率，包括增加弹翼弦长和展长及改变舵位置. 结果表明这些改变均可不同程度上消除原有不足. 进一步研究发现将原副翼舵面改变成尾舵后，可以大幅提升全弹的可用俯仰过载，使BAT机动能力有效提升. 弹道仿真表明外形改进后的BAT可用过载增大，高度变化平滑，可以有效地转入平飞.

气动估算；舵效率；俯仰过载；外形改进

Brilliant anti-tank submunition(BAT)是美国陆军的主动式灵巧弹药，这种新型弹药可以用来攻击敌方40～500 km纵深内的装甲目标，不管目标是移动的或是静止的，例如坦克和装甲车辆，还可以用来攻击地地战术弹道导弹发射系统、防空导弹发射系统等[1-2]. 如图1所示，BAT是一种无动力、气动外形良好的滑翔弹. 这种制导子弹药的长度为0.9 m、直径为14 cm、重量19 kg，详细参数见文献[3]. Kissell A H等[4-5]通过建模与仿真得到了BAT的弹道仿真结果. 在实际飞行试验中BAT由Block Ⅱ型陆军战术导弹系统投放，其射程达到140 km. 对于包括BAT在内的战术飞行武器来说，远射程始终是设计追求的一个目标. 增加射程主要方式为动能增程、势能增程和气动增程[6].

对于无动力飞行器，动能增程和势能增程受发射平台能力的限制，而滑翔增程是飞行器总体设计技术，特别是空气动力设计技术问题，潜力很大. 对于以亚声速飞行为主的飞行器，如果气动外形设计好，其增程效果将十分显著[7]. 采用滑翔增程技术的远程制导导弹一般都会采用具有大展弦比的弹翼和后缘舵的正常式气动布局[8]. BAT是具有大展弦比弹翼的飞行器，类似于这种类型的舵面在后、弹翼在前的飞行器称为正常式布局，此类飞行器的舵面处于翼面的下洗流场，故舵面效率相对较低[9]，国内也有相关学者对BAT进行了风洞吹风试验，并发现其存在舵效率不足的问题.

已有研究成果有以下问题：① 风洞实验数据表明原有外形的俯仰操纵力矩系数导数较小，不能提供足够的力矩使飞行器顺利转入平飞；② 没有针对俯仰力矩较小的问题，提出新的外形设计方案. 本文进行了气动估算，并与风洞试验数据对比，二者同时说明原外形舵效率较低；针对俯仰舵效率较低的缺点，提出增加弦长、展长和改变舵位置3种修改方案，分别计算了不同方案下新外形的俯仰操纵力矩系数导数. 仿真结果表明外形改进后飞行器的纵向机动能力得到较大提升，保证了对移动目标的打击效果. 通过飞行器转平阶段的弹道仿真，验证了转平飞行结果.

1 俯仰操纵力矩气动估算公式

BAT采用“×-+”型布局. 其中+型卷弧尾翼提供滚转力矩，在×型翼上安装有副翼，副翼偏转控制俯仰与偏航方向的运动. 目前获取气动系数的主要方法有理论计算、风洞试验和飞行试验. 这里采用理论计算中的部件组合法. 其中升力系数为

(1)

式中：Cyb为单独弹身升力系数；Sb为弹身横截面积；Cyw(b)为弹翼弹身组合段升力系数；Sw为弹翼面积；Cyt(b)为尾翼弹身组合段的升力系数；St为尾翼面积；S为特征面积.

舵效率公式为

(2)

操纵力矩大小为

(3)

可知

(4)

将气动力系数工程估算公式(1)(2)代入式(4)推导得到俯仰操纵力矩系数导数的计算公式为

(5)

式中Xdw(δ0)为攻角为0且升降舵偏转时，弹翼压心到弹顶的距离；即升降舵效率与尾翼压心系数的乘积.

2 BAT俯仰舵效率

舵效率过低在工程中往往反映在相应的操纵力矩过小，不能提供足够的过载. 由式(2)(5)可以得到舵效率与操纵力矩的关系. 由于静稳定度大小影响飞行器的控制系统设计，所以在计算纵向操纵力矩系数的同时也应该计算纵向静稳定度的大小.

2.1 纵向操纵力矩

计算得到俯仰操纵力矩系数导数如图2所示.

图2给出了BAT的俯仰操纵力矩系数大小，包括气动估算和风洞实验数据. 图中给出的原外形的估算与风洞实验数据，二者吻合较好，这说明气动估算的方法是可信的. 另外俯仰操纵力矩系数较小，这是因为BAT的×型翼的面积较大，它的压心靠近翼面的压心，同时也靠近质心. 压心与质心较近导致俯仰操纵力矩的力臂较小，进而气动力产生的操纵力矩小，最终在俯仰方向上无法提供足够的过载. BAT的舵效率较低，这对其攻击目标是不利的.

2.2 纵向静稳定度

纵向静稳定度为

(6)

BAT从投放系统释放下来，速度先大于1.0Ma，之后BAT打开减速伞，速度迅速下降，经过转平阶段，速度降到亚声速. 由于跨声速段理论不够完善，无法准确估计气动力系数，导致估算结果在约Ma=1.0处有一定的偏差，数据变化较大. 考虑BAT飞行过程大多在亚音速范围内，故影响较小.

2.3 仿真分析

进行BAT外形改进前的转平段弹道的仿真. 仿真基本参数如下：进入转平前的初始位置为(0 m，1 000 m)；初始速度为300 m/s；初始弹道倾角为θ=-30°. 并设此刻为仿真开始时间t=0. 分析原外形的BAT在转平阶段的高度、速度变化. 转平高度变化结果如图4所示.

对外形修改前的BAT的舵偏角进行控制，使其从1 000 m的高度逐渐转入平飞. 弹道仿真表明原外形BAT：① 转平高度变化剧烈，但高度降到400 m，不满足转平后高度在600～800 m的要求；② 仿真结束时弹道倾角应从-30°变为0°，但结果表明弹道倾角只变化到-24°，这说明原外形的BAT没有调整为水平飞行； ③ 仿真控制过程中舵偏角已经达到最大的15°，但依然不能转入平飞，说明原外形的舵效率较低；综上所述，原外形BAT的转平过程不满足要求.

法向过载与操纵机构(舵面)偏转角之间有如下关系.

(7)

可知BAT能产生的法向过载与操纵机构(舵面)偏转角δz成正比，而δz的大小亦会受一些因素限制. 表1给出了原外形BAT在转平阶段的需用过载与可用过载的计算结果.

表1 转平阶段过载

可以看出原外形BAT在转平阶段需用最大过载为1.20g，但可用过载仅有1.78g. 说明原外形BAT的俯仰操控能力不足，在转平阶段中，舵面产生的俯仰力矩不能使原外形的BAT快速转入平直飞行状态. 下面考虑对BAT外形进行修改，来消除俯仰操纵力矩过小的不足.

3 修改方案

针对俯仰舵效率较低的不足，提出3种不同方案进行修改，即增加弦长、增加展长和将舵面移动到尾部(此时变成尾舵控制). 通过气动工程估算得到了3种修改方案的对应结果.

3.1 弦长增大

考虑两种情况：弦长增加50 mm和弦长增加100 mm. 弦长修改方案的计算结果如图5所示，可以看出弦长增加50，100 mm与原弦长，三者的俯仰操纵力矩系数相差量基本相同，这说明俯仰操纵力矩系数导数与弦长的增加近似线性关系.

显然增加弦长这种方式，会改变弹翼压心相对于全弹的位置，这样的改变使压心后移，静稳定度也会相应变化. 弦长对纵向静稳定度的影响如图6所示，从图中可以看出弦长增加100 mm后，俯仰操纵力矩系数导数增加了约3倍，但静稳定度增大了约10倍，静稳定度的大幅增加，给控制系统的控制增加难度，也会对BAT的机动产生影响.

山东还首次建立职业农民职称制度，将“农民”作为一项职业纳入职称评定范围，职业农民参加职称评审不受学历、所学专业等限制，重点考查业绩贡献、经济社会效益和示范带动作用。同时，建立乡土人才技能等级评价制度和乡土人才以赛代评机制，每三年举办一次乡土人才传统技艺技能大赛，对前十名授予“山东省乡村传统技艺技能大师”称号。

3.2 展长增大

展长变化讨论两种情况：展长增加50 mm和展长增加100 mm. 计算结果如图7所示.

由图7可以看出原展长和展长增加50 mm与100 mm，三者的俯仰操纵力矩系数相差量基本相同. 俯仰操纵力矩系数导数与展长的增加基本呈线性比例关系，但展长的增大会导致结构震颤问题，同时过长的翼展会使体积增大，不利于母弹携带.

3.3 尾舵控制

上述修改方案的改变虽然可以有效提升俯仰操纵力矩大小，但会影响母弹携带或改变了飞行器的静稳定度. 现在采用另外一种修改方案，即通过将×型翼上的舵面移动到尾部，即+型卷弧尾翼改变为十字型全动尾舵. 这种修改方案的思路是增大力臂Xdw(δ0)的值. 外形修改后的BAT如图8所示.

与原方案相比，尾部的十字型卷弧翼修改为全动尾舵后，对全弹的压心变化影响很小，故整个BAT的静稳定度大小基本没有改变. 十字型尾舵尺寸参照卷弧翼的投影面积尺寸，故其体积没有变化，不影响母弹携带.

3.3.1 操纵力矩与可用过载的舵导数对比

从图9中可看到外形修改后BAT的俯仰操纵力矩系数导数增大较多，这说明在俯仰方向上BAT修改外形后的操控性有明显提升.

从图10可以看出外形变为十字型尾舵后，俯仰操纵力矩系数导数增大了约5倍，有效提升了俯仰操控能力，同时也增加了BAT的可用俯仰过载. 外形修改后弥补了原设计的不足.

3.3.2 仿真分析

对外形改进后BAT的转平段进行弹道仿真. 仿真基本参数如下：进入转平前的初始位置为(0 m，1 000 m)；初始速度为300 m/s；初始弹道倾角为θ=-30°. 仿真开始时间t=0. 分析外形改进后的BAT在转平阶段的高度、弹道倾角与需用过载的变化. 结果如图11、图12所示. 转平要求同上.

对外形修改后的BAT使用相同的舵偏角控制，使其从1 000 m的高度逐渐转入平飞. 弹道仿真表明：① 转平高度变化平缓，并且转平后高度降到750 m，满足高度要求；② 仿真结束时弹道倾角基本变为0°，这说明修改外形后的BAT已经调整为水平飞行；③ 仿真控制过程中舵偏角没有超过15°并可以使飞行器顺利转入平飞. 另外从图12中看出，在相同的舵偏角控制下外形改进后的BAT飞行高度变化平滑，而且弹道倾角逐渐趋近于0，这说明外形改进后的BAT的舵效率较高，能够提供足够的俯仰过载，可以使飞行器顺利转入平飞.

初始时刻，BAT飞行速度较大，需用较大的过载. 飞行末端，由于速度较小，转入平飞，弹道倾角变化不大，需要的法向过载也较小. 表2给出了修改外形后的BAT在转平阶段的需用过载与可用过载的计算结果.

表2 转平阶段过载

另外从图9～图10可以看出外形变为十字型尾舵后，俯仰操纵力矩系数导数得到了提升，有效地增加了俯仰操控能力，同时也增加了BAT的可用俯仰过载. 外形修改后弥补了原外形的不足. 同时也可以满足转平阶段的需用过载要求.

4 结 论

本文针对弹身-弹翼-尾翼组合体外形进行气动估算，采用翼身部件组合的方法计算气动系数. 推导出俯仰操纵力矩系数导数的气动估算公式，并将气动估算结果与风洞实验数据作比较，结果表明气动估算的数据与风洞实验数据基本吻合，BAT的气动特性估算是可信的. 通过转平弹道的仿真模拟，发现原外形的俯仰操纵力矩较小，飞行器不能有效的转入平直飞行. 针对俯仰舵效率较低的不足，提出增加弦长、展长和改变舵位置3种修改方案，增加弦长的修改方案对静稳定度改变较大，增加展长对提升俯仰操纵力矩有一定效果，但会影响母弹携带. 计算结果表明副翼舵面修改为尾舵后，在保证体积大小不变、不影响母弹携带的前提条件下，可以大幅提升飞行器的俯仰操纵力矩，进而提升纵向机动能力，保证了对移动目标的打击效果. 通过转平阶段的弹道仿真，在相同舵偏角控制下，外形改进后的BAT飞行高度变化平滑，而且弹道倾角逐渐趋近于零，这说明外形改变后的BAT的舵效率较高，能够提供足够的俯仰过载，可以使飞行器顺利的转入平飞. 气动估算与弹道仿真表明，舵面位置的修改可以提高BAT舵效率，是有效的修改方案.

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Xu Min， An Xiaomin. Analysis and calculation of aerodynamic characteristics for aerospace vehicle[M]. Xi’an: Northwestern Polytechnical University Press， 2012. (in Chinese)

(责任编辑：刘雨)

Rudder Efficiency Improvement of Brilliant Anti-Tank Submunition Turning into Level Flight

LIU Xiao， TANG Sheng-jing， GUO Jie

(Key Laboratory of Dynamics and Control of Flight Vehicle， Ministry of Education，School of Aerospace Engineering， Beijing Institute of Technology， Beijing 100081， China)

In order to solve the problems that rudder efficiency of brilliant anti-tank submunition (BAT) was insufficient and the BAT could not effectively transfer to level flight, the aerodynamic force data were calculated firstly based on an aerodynamic engineering estimation method. Comparing with the experiment data in wind tunnel, the precision of the aerodynamic data was confirmed. Both results of the experiment and estimation show that the rudder efficiency of brilliant anti-tank submunition is at low level and it can not get in enough pitch overload. Moreover, the trajectory simulation shows that the original BAT can’t change into level flight smoothly. To improve the rudder efficiency, the appearance of the BAT was modified, including the change of chord length，wing length and the position of the rudder. The results show that all the modifications can improve the rudder efficiency. Furthermore, after moving the rudder to the tail， the pitch overload can increase relatively. At the same time the performance of the BAT was enhanced. The trajectory simulation shows the modified BAT’s overload increased and it also can change into level flight smoothly.

aerodynamic estimation; rudder efficiency; pitching overload; configuration improvement

2015-02-11

国家自然科学基金资助项目(11202024)

刘骁(1988—)，男，博士生，E-mail：liuxiao88525@163.com.

唐胜景(1959—)，男，教授，博士生导师，E-mail：tangsj@bit.edu.cn.

V 212

A

1001-0645(2016)02-0111-06

10.15918/j.tbit1001-0645.2016.02.001