无人机机载炸弹投放分离特性数值模拟研究*

周培培,郭少杰,王 斌,张桂茹

(中国航天空气动力技术研究院,北京 100074)

无人机机载炸弹投放分离特性数值模拟研究*

周培培,郭少杰,王 斌,张桂茹

(中国航天空气动力技术研究院,北京 100074)

通过在非结构动态重叠网格上耦合求解刚体六自由度运动方程和非定常N-S方程的方法,对无人机机载炸弹投放分离过程中的气动特性和运动轨迹进行了数值模拟研究,获得了炸弹运动过程中的轨迹、姿态等信息,分析了炸弹投放分离过程中的安全性问题。研究表明,在计算攻角范围内(α=1°、5°),无横风条件下炸弹的投放是安全的;有横风(5 m/s、10 m/s)条件下炸弹的投放是不安全的。

武器投放;重叠网格;六自由度;数值模拟

0 引言

无人机机载外挂物的发射与投放是现代武器研制中经常遇到的一个气动力问题,准确预测机载武器分离过程中的气动特性和运动轨迹,对保证安全分离和有效打击有重要意义。

随着计算机和CFD技术的发展,目前处理多体分离问题的数值模拟方法已较为成熟,国外各航空科研机构(如英国的飞机空气动力研究所、德国的MBB公司和美国的NASA等)都建立了数值的仿真技术[1-6]。由于经济、技术等原因,我国对外挂物分离特性的数值模拟研究起步较晚,但发展迅速。许晓平、李孝伟、段旭鹏、朱冰和唐志共等人分别采用重叠/嵌套网格技术对机弹分离问题进行了数值模拟研究[7-15]。

文中研究中对无人机和机载炸弹分别生成带有棱柱层的非结构网格,运用动态重叠网格技术实现炸弹与载机间的相对运动,通过耦合求解非定常N-S方程和刚体六自由度动力学方程,对某新型察打一体无人机机载炸弹投放分离特性开展数值模拟研究,综合考虑有攻角、有横风条件下的动态分离问题,对无人机机载炸弹投放安全性进行有效评估。

1 数值方法

1.1 方程求解

文中以三维非定常N-S方程为主控方程,数值计算采用有限体积法进行空间离散,Jameson双时间步方法结合隐式格式推进求解,方程粘性通量采用中心格式离散,无粘通量采用Roe格式离散,湍流模型采用S-A一方程湍流模型。由于炸弹分离过程计算量很大,在子迭代求解中采用多重网格加速收敛技术,以提高计算效率。对于刚体六自由度动力学方程采用四阶Runge-Kutta方法推进求解。

1.2 边界条件

远场边界条件为无反射边界,基于Riemann不变量的一维特征线法确定流动参数;物面采用无滑移绝热边界条件;重叠边界上的流场信息传递由三线性插值得到。

1.3 重叠网格技术

文中重叠网格系统由包含整个计算域的静止背景网格和包含运动物体的子域网格构成。网格重叠技术即实现网格域间的挖洞处理和洞边界网格单元的确定,建立网格域间流场信息的传递机制。文中数值模拟中,重叠网格系统包括载机域计算网格和弹体域计算网格。载机域网格作为静止的背景网格,弹体域网格随弹体一起运动。随着网格域间重叠区的时时变化,每一时间站位都需要进行网格域间挖洞处理和洞边界网格单元的搜寻,以及流场信息的插值交换。

2 计算模型及网格生成

2.1 无人机模型及网格生成

某鸭式布局察打一体无人机模型如图1所示,起落架形式为不可收放的前三点式,武器挂架与后起落架的纵向位置基本相同。针对全机进行了带有棱柱层的非结构网格生成,全机网格量达到了1 900万,图2给出了全机及局部网格示意图。

图1 某察打一体无人机模型图

图2 无人机全机以及局部网格示意图

2.2 制导炸弹模型及网格生成

某制导炸弹的模型如图3所示,炸弹网格量达到了200万,图4给出了炸弹弹体头部及舵附近局部网格示意图。

图3 制导炸弹模型图及表面网格示意图

图4 炸弹弹体头部及舵面附近间局部网格示意图

2.3 机载炸弹与无人机的重叠网格

载机和炸弹网格子域生成后,通过重叠网格技术确定网格子域间的重叠关系。先以载机挂架为边界进行挖洞处理,隐藏位于其内的弹体域网格,并形成新的弹体域外边界,然后以弹体域外边界再次进行挖洞,隐藏位于其内的载机域网格。通过网格域间的相对运动即可实现物体间的任意运动,整个运动过程中只需搜索重叠边界和网格域间的挖洞处理,而不需要网格重新生成,因此具有很高的效率和稳定性。图5给出了炸弹与载机重叠网格示意图,图6给出了空间剖面的重叠网格图,在挂架下方炸弹运动区域进行了局部网格加密,使得重叠边界上网格尺度相近,保证流场信息有良好的插值效果。

图5 机载炸弹与无人机重叠网格示意图

图6 机载炸弹与无人机空间剖面的重叠网格

3 机载炸弹投放过程数值模拟

3.1 计算坐标系与计算状态

文中的惯性坐标系定义为与载机固联的静止不动的参考坐标系,主要用来描述制导炸弹的空间位置,符合右手螺旋法则,坐标原点位于载机头部,X向为自由来流方向,Y向垂直向上,Z向垂直载机对称面指向右侧。弹体坐标系与炸弹固联,随弹体一同运动,主要用来描述投放炸弹的姿态,符合右手螺旋法则,原点位于炸弹质心,X向为自由来流方向,Y向在炸弹的纵向对称面内垂直向上。

H

Ma

α

β

图7 机载炸弹质心轨迹随时间变化曲线

3.2 数值模拟结果

制导炸弹投放后在重力和气动力综合作用下自由下落,判断炸弹分离的安全性,要结合下落过程中质心变化和姿态变化曲线进行分析。图7给出了炸弹质心轨迹随时间变化曲线。计算时间内(0.5 s),6个状态下,炸弹向下、向后运动的趋势与规律基本一致,在展向方向的运动则不同。无侧滑情况下,由于无人机产生的气动干扰,炸弹向机翼外侧小幅运动,随攻角增大,无人机干扰产生的侧向力增大,向外侧运动幅度加大;有侧滑角情况下,侧风产生的正侧向力大于无人机干扰产生的负侧向力,所以炸弹向机翼内侧小幅运动,且随侧滑角增大运动幅度增大。从质心运动轨迹上可以定性看出,飞行攻角增大,有利于投放安全性;侧滑角的增大,不利于投放安全性。

图8～图10给出了炸弹姿态角与姿态角速度随时间变化曲线。在计算时间内,6个状态下,炸弹偏航、俯仰运动的趋势基本一致,在滚转通道的运动则不同。炸弹投放分离后,产生负的偏航运动(炸弹头部向机翼外侧偏转),而且偏航角位移随着攻角和侧滑角增大而增大;俯仰通道产生正的俯仰运动,随攻角增大,俯仰角位移略有减小,随侧滑角增大,俯仰角位移略有增大;在滚转通道,无侧滑角情况下,产生正的滚转运动,且随攻角增大而增强,有侧滑角情况下,产生负的滚转运动,且随攻角增大而减弱。图11给出了不同状态下机载炸弹投放后的空间运动轨迹与姿态。

图8 机载炸弹滚转角位移与滚转角速度随时间变化曲线

图9 机载炸弹偏航角位移与偏航角速度随时间变化曲线

图10 机载炸弹俯仰角位移与俯仰角速度随时间变化曲线

图11 不同状态下机载炸弹空间运动轨迹与姿态

结合图7～图11的分析得出,无横风的条件下,投放是安全的;在5 m/s级横风和10 m/s级横风攻角5°条件下,炸弹沿着起落架边缘下落,极其容易发生碰撞;10 m/s级横风攻角1°条件下,炸弹的尾翼与起落架发生了碰撞,投放是不安全的。

4 主要结论

1)文中采用的非结构重叠网格方法在处理复杂外形及具有较大运动幅度的多体分离问题时,具有较高的工程应用价值。

2)炸弹投放分离后,不同飞行状态下,质心向下、向后运动规律一致,在展向方向则不同;炸弹低头、外偏运动规律一致,而滚转通道则不同。

3)在计算攻角范围内,无横风条件下炸弹投放是安全的;有横风(5 m/s、10 m/s)条件下,炸弹的投放是不安全的。

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NumericalSimulationStudyoftheCharacteristicofSeparationofUAVAirborneBombRelease

ZHOU Peipei,GUO Shaojie,WANG Bin,ZHANG Guiru

(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

By coupling resolving the 6-DOF motion equation of rigid body and unsteady N-S equation on unstructured dynamic overlapping grids,the numerical simulation of aerodynamic characteristics and the trajectory of UAV airborne bomb in the process of release and separation was carried out.The trajectory and attitude of airborne weapon separation in the process of the bomb movement were obtained and the security issues in the process of bomb release and sepration were analyzed.The results showed that in the calculation of angle of attack range (α=1°、5°),the bomb release was safe without crosswind,while the bomb realease was not safe when under a crosswind(5 m/s、10 m/s).

weapon release; overlapping grid; 6-DOF; numerical simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.021

2016-03-03

周培培(1984-),男,河南南阳人,工程师,研究方向:飞行器设计与计算空气动力学。

V211.3

A