优化弹头引信外形提高人工防雹增雨炮弹射高*

周国威,闻 泉,王雨时,张志彪

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)



优化弹头引信外形提高人工防雹增雨炮弹射高*

周国威,闻 泉,王雨时,张志彪

(南京理工大学机械工程学院,南京 210094)

为增大某37 mm口径人工防雹增雨炮弹最大射高,在原榴-1引信外形基础上提出了4种外形优化方案,利用Flunet软件对配用这5种方案引信的弹丸阻力系数进行仿真,并将所得数据拟合成有理式函数,再进行其质心外弹道计算,得到各方案最大射高。引信头部外形以抛物面方案减阻增高效果最佳(增高约4%)。通过弹体和引信改进设计将弹重由现0.70 kg增大到原军用制式弹的0.732 kg,最大射高还会增大约3%。

弹药;数值仿真;设计方案;引信外形;减阻;外弹道学

0 引言

弹头引信头部形状会对弹丸气动特性产生影响,通过研究弹头引信头部形状对弹丸气动特性的影响,有助于寻求低阻的引信外形,从而实现增大弹丸射高的目的。研究气动特性通常有3种手段:理论计算、风洞试验和飞行试验。文献[1]应用Fluent仿真软件研究了弹头引信外形对小口径亚音速弹丸气动力特性的影响,得到了头部形状为单一圆台形、组合圆台形和半球形的3种弹丸在不同攻角、不同马赫数下的阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数和压力中心变化规律;文献[2]通过Fluent软件对装配不同外形引信的57 mm口径人工防雹增雨弹的弹丸空气阻力特性进行仿真,得到了不同外形下阻力系数与马赫数的关系曲线。

文中以37 mm口径人工防雹增雨炮弹弹丸为例,利用Fluent软件对5种不同引信头部形状的弹丸以不同马赫数飞行时的零攻角阻力系数进行仿真,研究了引信头部形状对弹丸阻力系数的影响。通过对比分析这5种弹丸的气动力特性以得到其中低阻力的引信外形，为弹丸增大射高提供参考方案。

1 建模仿真

1.1 模型方案

弹头部形状一般分锥形、圆弧形(或称卵形)、抛物线和杆形头部等4种[3]。文中在弹头引信原始外形(方案1,即原榴-1引信外形,以往37 mm口径高炮降雨弹引信几乎均为此外形)的基础上同时考虑引信内部结构设计提出了4种改进方案(即方案2～方案5),其形状如图1所示。各方案外形尺寸所对应尺寸及其数值如表1所列。

由于结构尺寸所限,方案5的抛物面并不是严格意义上的抛物面,建模时保证尺寸h处相切,导致引信体顶部抛物面无法封闭,产生了一个直径约0.34 mm的圆平面。5种头部外形引信配用的弹丸相同。方案3全弹长L′=160.43 mm,另4种方案全弹长L=167.66 mm。

图1 5种引信头部方案

表1 5种引信头部方案外形尺寸符号和数值

1.2 仿真过程

利用ANSYS Workbench下的Fluent模块进行数值仿真,选用单精度、基于密度的求解器。计算域呈圆柱形,长度为弹丸长度的20倍、直径为弹径的40倍,边界条件设置为远场压力条件。选用Cutcell网格。马赫数和攻角情况都属于定常流动范围,采用相对运动条件模拟弹丸外流场,即假设弹丸静止、来流为理想气体,空气以反向相同速度流动。选择萨兰德定律计算气体粘性,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型[4]。因求解的是可压缩气体,涉及总压和静压等多种压力,故为便于设置边界条件和计算结果的后处理,将参考压力置为零[5]。为提高精度,建模时还考虑了弹丸受膛线挤压后的弹带变形。图2和图3为方案1仿真时的流场模型和弹丸表面网格划分情况。

仿真时弹丸置于空气流场计算域中心,假设弹丸表面绝热,设置阻力系数为监视对象。

图2 方案1仿真时的流场模型

图3 方案1仿真时弹丸表面网格

2 仿真结果

炮兵标准气象条件所规定的地面声速标准值为341.2 m/s[3],文中所用Fluent软件中默认的声速值为347.1 m/s,国际标准大气状态下海平面声速标准值为340.3 m/s[6]。由于三者差异较小,故在此不予区分。

2.1 模型验证

为验证仿真结果正确性,在来流速度为866 m/s、攻角α=0°条件下对某37 mm高炮曳光杀伤榴弹的气动特性在不考虑曳光效应的前提下进行了仿真,得其零升阻力系数Cx0=0.285 2。查文献[7]知该弹丸i43=1.0。又由文献[3]中1943年阻力定律函数表查得当来流速度分别为860 m/s和870 m/s时,其对应的零升阻力系数分别为0.287和0.285。现0.285<0.285 2<0.287,故认为该仿真模型和方法可信。

2.2 阻力特性

文中计算了上述5种头部外形的弹丸在零攻角情况下,Ma分别为0.173～2.495时的运动情况,得到各自对应的阻力系数见表2。

由表可知,在亚音速段,5种方案在同一攻角下阻力系数的大小排序为:方案3<方案5<方案2<方案4<方案1;在跨音速段,5种方案阻力系数基本相同;在超音速段,5种方案在同一攻角下阻力系数的大小排序为:方案5<方案4<方案2<方案1<方案3。初步看来,方案5(即抛物面头部)在超音速段具有较好的减阻特性。

表2 5种方案对应于不同马赫数时的零升阻力系数值

2.3 阻力系数拟合

为进一步分析弹丸阻力系数的变化,现利用Origin Lab数据分析和绘图软件对零攻角下5种方案的阻力系数进行拟合。为提高拟合结果的精度,当马赫数在0.749～1.268范围内时对模型作进一步细化仿真。进行曲线拟合时参考文献[8]中介绍的方法,根据仿真结果,以跨音速段阻力系数的最大值(对应马赫数1.095)为界分亚音速段(马赫数0.173～1.095)和超音速段(马赫数1.095～2.495)两段。在亚音速段利用Logistic曲线拟合,在超音速段利用三次抛物线拟合。

当马赫数在0.173～2.495范围内时,方案1(即引信头部外形为原始头部)所对应的零升阻力系数如图4所示。

图4 方案1(原始头部)对应的零升阻力系数随马赫数的

经分段拟合后可得其亚音速段Logistic拟合曲线[9]对应的函数表达式为:

超音速段三次抛物线拟合曲线对应的函数表达式为

Cx0=0.047 77Ma3-0.245 31Ma2+

0.259 24Ma+0.455 06

其余4种方案的阻力系数曲线拟合方法与此相同,所得结果与此类似,在此不再详述。

2.4 外弹道数值计算

为对比这5种方案的引信头部外形对弹丸射高的影响,对这5种方案的弹丸,利用阻力系数拟合函数进行零攻角下的质心外弹道数值解算。采用Matlab软件中变步长的ode45算法,最小步长据时间精度调节。初始条件t=0,v=v0=866 m/s,θ=θ0=85°,x=0,y=0。

文中所述37 mm口径人工防雹增雨弹出厂平均质量m=0.70 kg,某37 mm高炮曳光杀伤榴弹弹丸图定平均质量m=0.732 kg。以这两种弹重数据进行外弹道计算。

上述5种方案弹丸最大射高计算结果如表3所示。其中方案5(即抛物面头部)对弹丸射高的增幅最大,这与阻力特性分析结果一致。表3中最大射高数值后面括弧内的数字为各方案对比时最大射高从大到小的排序。

表3 5种方案最大射高ymax对比

经典外弹道学理论认为:对于弹丸头部形状,从阻力观点来看,以抛物线型母线最有利,而以椭圆型母线最差。但当弹丸速度较小时,母线形状对阻力没有显著影响[10]。文中仿真结果与该论述一致。

由表3可见,对于不同方案,弹丸最大射高变化程度排序为:方案3<方案1<方案2<方案4<方案5,与5种方案在超音速段的阻力特性吻合。当弹丸由原始头部变为抛物面头部,m=0.70 kg时,最大射高由5 845 m增加到6 083 m,增量为238 m,增幅为4.07%;m=0.732 kg时,最大射高由6 046 m增加到6 269 m,增量为223 m,增幅为3.69%。

文献[11]给出1965年式双管37 mm高射机关炮最大射高为6 700 m,与文中结果(6 046 m)存在10.8%的误差。其原因在于文中所研究的37 mm人工降雨弹相对于制式37弹丸底部结构进行了简化,取消了曳光管,因而就不再具有曳光管结构所带来的底排减阻效应和底凹减阻效应。一般旋转弹丸在超音速下的底阻约占总阻的30%～40%;细长头部的远程形弹丸,因头阻减小,故底部阻力所占的比重更大,一般可达总阻的40%～50%甚至更多[10]。因此,文中弹丸与制式弹丸在射高上存在10.8%的差异是可信的。这也说明取消底部曳光管之后,新设计的人工防雹增雨弹不可能与原军用制式榴弹实现外弹道一致进而通用射表。

83-I型、83-II型、92型和JD89型是已装备的几种无曳光管结构的人工降雨弹,文献[11]给出的其射高与文中参照2.3节给出的阻力特性进行外弹道计算所得射高对比如表4所示。

表4 几种人工降雨弹文献[11]给出的射高与计算结果对比

由表中数据可知,利用文中外弹道计算方法所得的几种人工降雨弹的射高与文献[11]给出的实际射高是吻合的,由此证明文中外弹道计算分析结果可信。

3 结论

在5种引信头部外形方案中,以抛物面头部为最优,减阻增高效果明显(增高约4%)。具体实施时,可在现有引信外形基础上,将引信头部约前1/3处外轮廓加工成抛物面即可。

为尽可能提高射高,应在保证弹丸和引信高破片破碎率和低制造成本特性的前提下,在已有制式火炮炮口动量或炮口动能限制条件下,应尽可能增大弹重(包括引信质量)或初速。如弹重按原制式军用榴弹弹重0.732 kg,则射高又可增高约3%。

[1] 王洪超, 闻泉, 刘治旺, 等. 弹头引信外形对小口径亚音速弹气动特性影响 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(6): 113-118.

[2] 沈晓军. 57 mm口径人工增雨防雹弹时间引信相关技术研究 [D]. 南京: 南京理工大学, 2013.

[3] 浦发, 芮筱亭. 外弹道学 [M]. 修订本. 北京: 国防工业出版社, 1989: 20-55.

[4] 郑健, 周长省, 鞠玉涛, 等. Spalart-Allmaras湍流模型在弧形翼超音速流场数值模拟中的应用 [J]. 重庆工学院学报, 2008, 22(12): 34-39.

[5] 于勇. FLUENT入门与进阶教程 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2008: 102-103.

[6] 美国国家海洋和大气局、国家航宇局和美国空军部. 标准大气 [M]. 任现淼, 钱志民, 译. 北京: 科学出版社, 1982: 1.

[7] 《炮弹火箭弹产品手册》编写组. 炮弹火箭弹产品手册: 第二分册 陆军炮弹与火箭弹 [M]. 北京: 兵器工业部第三管理局, 1984: 142-145.

[8] 杨翔, 王雨时, 闻泉. 应用阻力系数拟合曲线解析式数值解算外弹道诸元 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(5): 151-155.

[9] 王雨时. 弹丸战斗部及其破片空气阻力系数的Logistic曲线分段拟合 [J]. 弹箭与制导学报, 2006, 26(1): 242-244.

[10] 魏惠之, 朱鹤松, 汪东晖, 等. 弹丸设计理论 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1985: 20-22.

[11] 马官起, 王洪恩, 王金民, 等. 人工影响天气三七高炮实用教材 [M]. 北京: 气象出版社, 2006: 1, 208-209.

Optimization of Nose Fuze Contour to Increase Firing Height of Artificial Hail-suppression and Rainfall Projectile

ZHOU Guowei,WEN Quan,WANG Yushi,ZHANG Zhibiao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to increase the maximum firing height of a 37 mm caliber artificial hail-suppression and rainfall projectile, the other 4 kinds of contour optimization schemes were put forward on the basis of the contour of origin Liu-1 fuze, drag coefficients of projectiles equipped with these 5 schemes of fuze were simulated by using Flunet, and the data obtained would be fit to rational functions, then the centroid trajectory was calculated and the maximum firing height of each scheme was obtained. The fuze head contour has the best effect with the parabolic scheme in reducing drag and increasing height (increasing by about 4%). It increases the mass of projectile from the current 0.70 kg to 0.732 kg of the military standard projectile by the improved design of projectile and fuze, the maximum firing height will increase by about 3%.

ammunition; numerical simulation; design scheme; fuze contour; reducing drag; exterior ballistics

2015-08-13

周国威(1990-),男,江苏金坛人,硕士研究生,研究方向:引信总体技术。

TJ431.3

A