低空干扰弹气动仿真与优化

鲜 敏，郭向向，田建立，邱江平

(1.海装广州局， 广州 510200； 2.山东特种工业集团有限公司， 山东 淄博 255201；3.重庆长江电工工业集团有限公司， 重庆 401336)

海面舰艇作为海军的主要装备，其具有目标尺寸大，防护能力较弱，机动性能差，造价昂贵等特点，因此其生存能力一直是各国专家着力解决的问题。舰艇受到最大的空中威胁是具有精确打击能力的反舰导弹，现代反舰导弹在攻击样式多样、末端攻击速度、制导方式等有了很大的提高，要想防御反舰导弹多批次、多方位的饱和攻击，应采用软、硬防御相结合的方式[1]。本文主要研究软武器系统的干扰作用，目前国外反舰导弹制导方式多采用主动雷达制导，还有红外成像制导，并向雷达/红外复合制导的方向发展。反舰导弹末端制导系统工作时离舰船已经非常近，此时是舰艇防御的最后时机，因此设计一种装备在舰艇上的低空复合干扰弹。当探测到敌方反舰导弹末端制导开机以后，在合适的时机将复合干扰剂抛洒到舰艇周围，形成烟幕墙，对雷达、红外成像以及复合制导的反舰导弹进行干扰，舰艇趁机回转机动。

初步设计一种亚音速飞行的火箭弹，射程在0.5～1 km，最大射高300～500 m，在200～500 m高度范围开仓抛洒干扰剂。装有烟幕子弹和箔条束的子母战斗部抛洒后，形成宽度：30～40 m，高度：40～50 m的烟幕墙，从而达到干扰目的。干扰弹外形结构是总体设计中很重要的一个环节，通过仿真优化确定干扰弹的外形结构。

1 干扰弹的外形方案

干扰弹的头部体积相对整体来说比较小，头部形状应采取较大的容量的结构方案，而且干扰弹的飞行速度区间在低亚音速范围内,参考低亚音速范围内的空气动力特性，以及加工工艺方面的因素，综合考虑头部形状略钝的曲线母线形、半球形、球头截锥形头部这3种方案比较适合[2],图1为不同头部形状结构图。

图1 不同头部形状

为了装备尽量多的干扰剂，战斗部体积相对来说较大一些，在弹径一定的情况下，弹体长细比应大一些，但是长细比越大稳定性越差[3]，选择长细比分别为λ=8、8.5、9的3种结构方案进行分析。

干扰弹飞行区间是低空亚音速范围，选用尾翼稳定的方式，尾翼采用升阻比相对较大的无后掠角的矩形翼，为了充分利用弹体空间、安装方便设计成刀型，图2为刀型翼示意图。同时考虑飞行稳定性，翼片数在4～8片的范围选择。

图2 翼片的结构简图

2 气动特性仿真分析方法

2.1 网格模型的建立

首先建立干扰弹的几何模型，然后划分计算域，本次仿真计算时的计算域是由长度为10倍弹长，半径为干扰弹直径加尾翼展长的20倍的圆柱体与干扰弹外表面所组成的区域。采用的网格形式为一种混合网格，即用分块对接的方式将计算域分成若干区域，再根据各个子块的结构特征选取不同的网格划分策略，共划分约70万体单元，弹体表面网格如图3所示。

图3 弹体表面网格划分

2.2 边界处理

边界条件：弹体表面使用无滑移绝热壁面边界的固体壁面(wall)，用于限定流体和固体区域；计算区域用压力远场边界条件(pressure-far-field)，用于模拟无穷远处的自由可压流动，选用此边界条件时气体的密度通过理想气体来定义[4]。

来流条件：自由来流条件为标准大气条件，压 强p0=101 325 Pa，温度T0=298 K。

计算条件：来流马赫数Ma=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；攻角α=0°、1°、2°、3°、4°

2.3 数值计算方法

在流体仿真计算时要遵守三大守恒定律：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守恒定律[5]。当流动处于湍流状态时，还要考虑湍流方程的约束问题。

采用S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型，S-A模型是一个相对简单的单方程模型，只求解一个有关涡粘性的输运方程，比较适用于具有壁面限制流动的流动问题，计算量相对较小[6]。

离散格式：采用二阶迎风格式，利用2个上游单元的物理量来确定控制体积单元的物理量，这种格式精度较高。

2.4 仿真计算及结果分析

经计算流体力学仿真分析，图4为不同头部形状下阻力系数随马赫数变化的曲线，图5为升阻比随马赫数变化的曲线。从阻力系数和升力系数变化曲线看出，球头截锥形和曲线母线形头部两种方案相对较好。

图4 阻力系数随马赫数变化的曲线

图5 升阻比随马赫数变化的曲线

仿真分析后得到长细比λ=8、8.5、9三种条件下，升阻比随马赫数的变化曲线如图6所示，稳定储备随马赫变化曲线如图7所示。升阻比变化的3条曲线非常接近，可见在亚音速范围内长细比对升力的影响不大，长细比对干扰弹的静稳定性影响比较大，但3种结构稳定储备量在15%～23%，具有良好的尾翼稳定性，因此3种长细比的干扰弹都满足稳定要求。

图6 升阻比(CL/CD)的变化曲线

图7 稳定储备量(T)的变化曲线

由仿真得到具有2对、3对、4对翼片的干扰弹结构，升阻比随马赫数的变化曲线如图8所示，稳定储备量随马赫数的变化如图9所示。由图可以看出随着翼片的增加升阻比增加，四对翼片的结构升阻比最大。随着翼片对数的增加干扰弹稳定储备量增加，稳定储备量在15.6%～24.0%，满足稳定性要求。

由以上仿真分析可知，单从一方面考虑，球头截锥形和曲线母线形头部2种方案、长细比λ=8的结构方案、尾翼选择4对尾翼片的结构较优。弹体结构最终选择并不单单是几种方案的简单堆砌，受多种因素影响的，需进行多种验证选择出最优结构。

图8 升阻比(CL/CD)的变化曲线

图9 稳定储备量(T)的变化曲线

3 气动外形参数优化

正交试验法是一种比较科学的试验方法，它利用一套规格化正交表来设计计算方案和分析试验结果，在比较多的试验中，选出少数几个代表性强的试验条件，并通过这几种试验的数据，找到最优的方案[7]。本节采用3因素三水平试验，以一个立方体表示3个因素的选优区，任一因素均为3个水平，则将立方体划分为了27个格点，在图上表示为27个“.”均为立方体内的点，如图10所示。选择图10中标记的9个点可使选优区内的基本情况得到非常全面的展现[8]。

图10 3因素3水平试验的均衡分散立体图

对于头部形状半球形、球头截锥形、曲线母线形分别记为A1、A2、A3，3种不同的长细比λ=8、8.5、9分别记为B1、B2、B3，不同的尾翼对数：2对、3对、4对分别记为C1、C2、C3。则采用正交试验法的9个试验点分别为：方案(1)A1B1C1、方案(2)A2B1C2、方案(3)A3B1C3、方案(4)A1B2C2、方案(5)A2B2C3、方案(6)A3B2C1、方案(7)A1B3C3、方案(8)A2B3C1、方案(9)A3B3C2

通过对以上9组情况进行仿真计算，分析9种组合对升阻比CL/CD和稳定性影响，从而获得最佳的组合。在攻角α=4°时，图11稳定储备量随马赫数的变化曲线，图12为不同的试验方案下火箭弹的升阻比对比曲线。

图11 稳定储备量(T)的变化曲线

图12 升阻比变化曲线

分析可知方案(3)、方案(5)、方案(7)稳定储备量最高，且均是具有四对尾翼片的方案，可以看出长细比λ=8.5的方案稳定储备量相对比较高一些，头部形状对稳定储备量的影响较小，球头截锥形和曲线母线形两种方案较好一些。方案(5)、方案(7)的升阻比最大，方案(3)次之，从升阻比方面来看最优组合的选择和稳定性选择的一样，采用具有4对尾翼片、长细比λ=8.5、头部形状为球头截锥形或曲线母线形的方案。由于曲线母线形的头部较长一些，所以选择球头截锥形。采用正交试验法最终选择的方案是头部采用球头截锥形、长细比λ=8.5、4对尾翼片的结构。

对优选出的干扰弹的结构进行仿真计算，计算来流条件为：马赫数Ma=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6；攻角α=0°、1°、2°、3°、4°。由仿真计算的出不同攻角下，阻力系数随马赫数的变化如图13所示，升阻力随马赫数的变化如图14所示，稳定储备量如表1所示。

图13 阻力系数(CD)随马赫数的变化曲线

图14 升阻比(CL/CD)随马赫数的变化曲线

表1 不同马赫数、攻角α下的稳定储备量

由图13、图14可看出随马赫数的增加，阻力系数的和升阻比的变化符合一般变化规律，均能满足要求；干扰弹的稳定储备量(T)在22.9%～25.3%，满足干扰弹的静稳定性要求。

4 弹道分析验证

采用质点弹道计算方法，仿真验证在不同射角下干扰弹的弹道特性，验证能否满足开仓抛洒干扰剂的指标。

射角：50°～85°仿真条件：标准气象条件。

通过仿真得到在不同射角下的速度-时间曲线和不同射角下的射程-射高曲线分别为图15和图16所示。

图15 不同射角下的速度-时间曲线

图16 不同射角下的弹道射程-射高曲线

干扰弹不同射角下速度随时间的变化曲线，可以看出0.32 s时发动机推进剂燃烧完全，此时速度达到最大值 200 m/s，然后速度先减小后增大，在射高最大处速度最小；在同一时间下，速度随着射角的增大而减小，符合一般的弹道速度变化规律。由图16看出不同的射角下，随着射角的增大射程减小，最大射高增大。在射角50°时最大射高最小482 m，射角85°时最大射高744.9 m。在射角50°时射程最大1 055.9 m，在射角85°时射程最小174.3 m。可将将开仓点设置上升段的200～500 m高度范围能满足一般舰艇的要求，仿真分析验证满足抛洒干扰剂的指标要求。

5 结论

根据反舰导弹的制导方式，设计一种低空干扰火箭弹。首先根据战技指标设计干扰弹的外形结构，然后进行流体力学仿真得到所选方案各有优缺点，通过正交试验法确定球头截锥形、长细比λ=8.5、四对尾翼片的结构方案最优，最后验证所选结构满足战技指标要求。