自推进红外干扰弹气动特性影响规律研究

罗健，马贤杰，陈伟星，李石川，陈宁

（1.航空工业沈阳飞机设计研究所，辽宁 沈阳 110000；2.中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007）

0 引言

红外制导技术广泛应用于防空导弹武器系统中，对军用飞机造成严重威胁，而红外干扰弹具有效费比高、勤务处理简单等优点，是飞机“保命”的最后一道防线，可以有效对抗来袭的面空、空空导弹威胁［1-2］。目前国内飞机配备的红外干扰弹主要有“点源”、“多点源”、“面源”等类型，这些类型的红外干扰弹被投射后从飞机后方自由坠落，由于速度迅速衰减，快速落后于载机，容易被具备轨迹识别和波门缩减等抗干扰能力的红外导引头导弹鉴别，导致干扰失败［3］。自推进红外干扰弹是一种具备伴飞功能的新型红外干扰弹，通过加装发动机和尾翼，发动机工作时向后喷气产生红外辐射和轴向推力，在水平方向产生一定的加速度，从而获得模拟高速军用飞机运动特征的效果［4］。这种红外干扰弹形成的干扰源在持续时间内与载机运动特征基本保持一致，使导引头无法及时通过轨迹关联算法分辨出真实目标，实现欺骗干扰。

自推进干扰弹要求弹体飞行过程中保持稳定，对气动外形提出了一定要求。目前干扰弹的外形主要有类似长方体型和类似圆柱体型，为缩短研制周期，需要在现有干扰弹的基础上改进气动外形以满足飞行稳定性要求；由于发射器的限制，弹总长、截面尺寸已经确定。综合考虑以上因素，本文主要研究方型弹头部、尾翼结构对全弹气动特性的影响，为自推进红外干扰弹的设计提供参考。

1 数值计算方法与模型

1.1 干扰弹气动参数计算方法与基本模型

1） 流体域基本控制方程

使用CFD商业软件对干扰弹的外流场进行数值模拟，流体域在Navier-Stokes方程的基础上，湍流模型选择两方程的k-ε模型对方程进行求解，三维Navier-Stokes方程通用形式如下［5］：

式中，U为守恒变量；FC为无黏通量，FV为黏性通量，n为控制体表面法向量。

2） 干扰弹基本物理模型与网格

干扰弹基本物理模型如图1所示，弹体截面为长方形。弹头部进行了钝化处理，钝化弧度接近窄边的一半。弹尾部采用横向折叠直尾翼，本文在计算过程中假设弹体宽面为迎风面，窄面与来流气体速度平行。

图1 干扰弹基本物理模型

由于模型的对称性，为节省计算资源，仅计算1/2区域。采用非结构网格离散计算域，干扰弹弹体表面网格以及计算域全域网格分布分别如图2—3所示，网格总数为130万。

图2 干扰弹表面网格分布

图3 计算域网格分布

1.2 干扰弹不同影响因素

1.2.1 干扰弹不同头部结构

为研究弹体头部结构对全弹气动参数的影响，本文在基本模型的基础上将头部改为平头结构，如图4所示。

图4 方形弹平头结构示意图

分别计算2种物理模型在典型工况下（来流Ma数0.8，攻角0°、10°、70°）的气动参数，并进行对比分析，为干扰弹弹体头部形状设计提供参考。

1.2.2 干扰弹尾翼弦长

方形干扰弹采用横向折叠的平板直尾翼，翼型为矩形。其尾翼的厚度、展长由结构、强度要求决定，而后掠角、根稍比等参数对全弹气动特性影响较小。因此尾翼弦长和尾翼张开角度是影响气动特性的主要设计因素。

基本模型中尾翼的弦长为L，在基本模型的基础上，将尾翼弦长增加10 mm和减少10 mm，分别计算3种模型在典型工况下的气动参数，为干扰弹尾翼弦长的设计取值提供参考。

1.2.3 干扰弹尾翼展开角度

在基础模型的基础上，增大展开角度（135°）和减小展开角度（45°），计算分析得到尾翼展开角度对气动特性的影响规律，为尾翼展开角度设计取值提供参考，如图5所示。

图5 尾翼展开角度模型

2 结果与分析

2.1 不同头部结构下干扰弹气动参数

不同头部形状下干扰弹的气动参数如表1所示。从表中可以发现，钝头结构阻力系数更小，升力系数和俯仰力矩系数更大，说明钝头结构有利于减小气动阻力，提升干扰弹的稳定性。

表1 典型工况下干扰弹重要气动参数

2.2 不同尾翼弦长下干扰弹气动参数

不同尾翼弦长下干扰弹气动参数如表2所示。从表中可以看出，随着尾翼弦长的增加，阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数都有所增加。说明尾翼弦长越长，干扰弹稳定性越好；但是达到一定值后，再增加弦长对干扰弹稳定性的提升较小。

2.3 不同尾翼展开角度下干扰弹气动参数

不同尾翼展开角度下干扰弹气动参数如表3所示。从表中可以看出，尾翼展开角度越大，干扰弹阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数越大。攻角为10°条件下，相较于展开角度为45°时，展开角度为90°的模型下俯仰力矩系数提升率为42.2%；而相对于展开角度为90°时，展开角度为145°的模型下俯仰力矩提升率仅为4.8%。但是在攻角为70°条件下，展开角度为145°的模型俯仰力矩提升率相对较大，达12.4%。也就是说在小攻角条件下，增大展开角度至90°以上对干扰弹稳定性提升效果不大；在大攻角条件下，增大展开角度至90°以上对干扰弹稳定性提升效果相对较好。综合考虑扭簧展开角度受限和窄边飞行情况，建议尾翼展开角度在90°～145°之间选择。

表 2 不同尾翼弦长下干扰弹气动参数

表 3 不同尾翼展开角度下干扰弹气动参数

3 结论

本文计算了干扰弹在不同头部形状、尾翼弦长和展开角度下的气动参数，分别分析了这3个因素对全弹气动特性的影响，结果表明：

1）相较于钝头型，平头形干扰弹阻力系数较大，升力系数、俯仰力矩系数较小，但差异不大。在结构允许的情况下可以对头部进行钝化处理，若结构不允许，可不钝化。

2）尾翼弦长越长，干扰弹升力系数、俯仰力矩系数就越大。在轴向空间允许的情况下，弦长越大越好。

3）对于方形弹，尾翼展开角度越大，升力系数、俯仰力矩系数就越大，单从该方面来说尾翼展开角度最大可以达到180°，但考虑到扭簧展开角度受限等因素，建议尾翼展开角度在90°～145°之间选取。

4 结束语

本文通过数值模拟研究了干扰弹头部形状、尾翼弦长和尾翼展开角度全弹气动特性参数的影响，得出的结论可为自推进红外干扰弹的气动外形设计提供一定的参考。