三摆臂式扰流片矢量气动力数值仿真研究

杨海涛, 廖贵超, 习敏, 帅超

(中国船舶集团有限公司第710研究所, 宜昌 443003)

扰流片推力矢量控制技术(thrust vector control,TVC)具有体积小、控制力大和无附加推力损失等优点,广泛应用于空空导弹、潜射导弹等智能可控弹药[1-3]。扰流片一般安装在发动机喷口端面,根据舵控指令快速、精确平动到预期位置改变发动机喷流方向进行矢量力控制,可提高弹药的机动性和生存能力[4-6]。随着智能可控弹药小型化的发展趋势,发动机喷口愈来愈小,扰流片在发动机喷口端面平动形式已不再适用,迫切需要研制新的扰流片矢量控制形式。

外国对扰流片矢量控制技术的研究起步较早,美国Nulka舷外有源诱饵弹和俄罗斯R-73空空导弹已使用了扰流片推力矢量控制技术。文献[7-12]通过数值仿真、冷喷试验和热流试验研究了扰流片外形、扰流片阻塞面积、安装位置对发动机矢量力特性的影响。中国对于扰流片式推力矢量控制技术的研究起步较晚,研究手段以数值模拟为主,并进行了部分静态及动态试验研究[13-16]。中外学者主要针对扰流片在发动机喷口端面平动形式开展矢量气动力特性研究,对摆臂式扰流片矢量气动力特性研究少。摆臂式扰流片安装在发动机喷口外部,可适配小喷口发动机。开展摆臂式扰流片矢量气动力研究,对拓宽小型化智能弹药的作战场景具有重要实际意义。

鉴于此,针对适配小喷口发动机的三摆臂式扰流片矢量控制形式开展了系统性的气动力数值仿真,研究三摆臂式扰流片的推力和侧向力调节能力,以及推力调节和侧向力调节的气动干扰。仿真数据可为三摆臂式扰流片矢量控制形式工程化提供气动力研究模型和飞行力学参数。

1 数值仿真模型及方法

图1为扰流片摆放位置和固体火箭发动机几何模型示意图。其中,固体火箭发动机入口半径80 mm,收缩半角和扩张半角分别为35°和12°,喉部半径和喷口半径分别为7.5 mm和15 mm。图2为扰流片迎风面示意图。其中,扰流片旋转轴距发动机喷口端面75 mm,距发动机中轴线55 mm,扰流片摆臂长65 mm,扰流片迎风面轮廓倒角R为2mm。

图1 仿真模型Fig.1 Simulation model

图2 扰流片外形Fig.2 Spoiler outline drawing

三摆臂式扰流片均布于固体火箭发动机喷口外部,摆臂带动扰流片旋转,θ为扰流片舵偏角(图1,摆臂处于水平位置时的舵偏角为0°)。通过改变3个扰流片舵偏角的大小调节发动机推力大小和方向,发动机推力大小和方向分别用于弹体高度控制和弹体俯仰/滚转控制。

图3为扰流片在发动机喷口的投影示意简图。扰流片矢量力控制原理:摆臂式扰流片伸入发动机尾流场使喷口高压气流的流动方向被迫突然变化形成激波,使得作用在扰流片上的气动力一部分造成发动机推力损失,另一部分提供弹体侧向力[17-18]。发动机推力调节策略:扰流片1、2、3舵偏角θ同增同减,变化量相同;3个扰流片舵偏角均值为主推角α;左右侧向力调节,扰流片2舵偏角增大(减小),扰流片3的舵偏角减小(增大),变化量相同,变化量为左右侧向角,当扰流片2舵偏角增大时左右侧向角为正值;前后侧向力调节:扰流片1舵偏角增大(减小),扰流片2和3的舵偏角减小(增大),变化量相同,变化量为前后侧向角,当扰流片1舵偏角增大时前后侧向角为正值。

图3 扰流片位置Fig.3 Spoiler position

数值仿真计算在ANSYS-FLUENT软件中完成。数值仿真基于以下假设:①发动机内流场为定常流动;②忽略燃气与壁面间的摩擦以及传热;③气体为理想;④不考虑扰流片和发动机喉部烧蚀以及发动机内部燃烧的化学反应。

2 推力调节

开展了扰流片推力调节数值仿真研究,数值仿真边界条件:主推角从22°增加至40°,3个扰流片的舵偏角相同(主推角22°时扰流片阻塞率为0,阻塞率为扰流片在发动机喷口投影面积与喷口面积比值);发动机入口压力为2.4～3.6 MPa,温度3 000 K;出口为压力出口。图4计算结果表明:固定发动机入口压力,推力随着主推角的增加而减小;固定主推角,推力随着发动机入口压力的增加而减小。在主推角40°,发动机入口压力3.6、3.3、3、2.7、2.4 MPa对应的推力损失分别为30.7%、31.6%、31.9%、33.1%和33.8%。研究主推角范围内,最大推力损失百分比可通过主推角确定,与发动机入口压力大小无关。

图4 推力调节Fig.4 Thrust adjustment

图5为单扰流片在不同舵偏角和发动机入口压力下的阻力(另外两个扰流片的舵偏角为0°)。图6为数值仿真得到推力调节时3个扰流片阻力与单扰流片阻力的比值。结果表明:在舵偏角24°～36°,阻力比值为3.4;当舵偏角高于36°,三扰流片推力调节时的扰流片间的气动干扰随着舵偏角的增加而增强,导致发动机推力损失增大。

图5 单扰流片阻力Fig.5 Single spoiler drag

图6 阻力比Fig.6 Ratio of resistance

图7为数值仿真得到发动机入口压力3.6 MPa、温度3 000 K,不同主推角下的沿着流向截面的速度云图。结果表明:随着主推角的增大,发动机喷口尾部射流核心区减小,发动机喷口外部激波型面逐渐向喷口靠近。

图7 速度云图Fig.7 Velocity nephograms

3 左右侧向力调节

通过扰流片2和扰流片3舵偏角差动调节提供导弹左右方向俯仰动作的控制力(控制力矩为扰流片2与扰流片3侧向力之差与扰流片位置距重心距离的乘积)。针对扰流片主推角26°、30°和34°工况开展不同发动机入口压力和左右侧向角的左右侧向力数值仿真研究,图8(a)～图8(c)为数值仿真结果,图8(d)为固定左右侧向角下的左右侧向力。计算结果表明:左右侧向力随着左右侧向角的增加而增大;固定左右侧向角,左右侧向力随着入口压力的增加而增大。

图8 左右方向侧向力Fig.8 Lateral force in left and right direction

同时研究左右侧向力调节时对前后侧向力和发动机推力的影响。图9为入口压力2.7、3.3 MPa,左右方向侧向力调节时对前后方向侧向力的影响。结果表明:在主推角30°和34°,左右方向侧向力调节对前后方向侧向力影响小。在主推角26°,前后方向侧向力随着左右方向侧向角的增加而增大,在入口压力3.3 MPa的影响更大。由于主推角26°时,当左右侧向角大于2°,扰流片2和扰流片3阻塞率并非一增一减(舵偏角减小对应扰流片脱离发动机尾部射流区域)导致前后方向上流场不对称。

图9 对前后方向侧向力影响Fig.9 Influence on lateral force in front and rear direction

图10为主推角26°、30°和34°,发动机入口压力3.3、2.7 MPa不同左右侧向角时发动机推力的变化量。发动机推力变化量为左右侧向力调节时发动机推力与不进行侧向力调节发动机推力的差值。结果表明:在主推角30°和34°,发动机推力变化量较小,最大偏差量不超过为12.7 N。在主推角26°,当左右侧向角大于2°时,发动机推力变化量随着左右侧向角的增加而不断减小。由于单扰流片在24°时的阻塞率为0(图11为单扰流片阻塞率),扰流片2和扰流片3的和阻塞率随着左右侧向角的增加而增大,导致发动机推力损失增大。在实际工程中进行左右侧向力调节,当扰流片2和扰流片3的阻塞率均大于0时,可认为左右侧向力调节对发动机推力不影响。

图10 对推力的影响Fig.10 Effect on thrust

图11 阻塞率Fig.11 Blocking rate

4 前后侧向力调节

4.1 抬头动作

研究三摆臂式扰流片前后方向侧向力通过扰流片1与扰流片2/3舵偏角差动调节,差动角度为前后侧向角。由于差动调节时,前后方向(弹体低头和抬头)扰流片在发动机喷口的投影面积不对称,对抬头动作(扰流片1舵偏角增大,扰流片2/3舵偏角减小)和低头动作(扰流片1舵偏角减小,扰流片2/3舵偏角增大)分别开展分析。

针对抬头动作,即扰流片1舵偏角增大,扰流片2/3舵偏角减小工况开展前后侧向力数值仿真分析,计算结果如图12、图13所示。数值仿真边界条件:发动机入口压力2.4～3.6 MPa,温度3 000 K,主推角分别为26°、30°和34°,前后侧向角为1°～7°。结果表明:①固定入口压力和主推角,前后侧向力随着前后侧向角的增加而增大;②固定前后侧向角,前后侧向力随着入口压力和主推角的增加而增大。

图12 前后方向侧向力(抬头)Fig.12 Lateral force in front and rear direction (rise)

图13 固定入口压力下的侧向力Fig.13 Lateral force at fixed inlet pressure

研究前后侧向力调节时(抬头动作)对左右侧向力的影响,计算结果如图14所示。数值仿真边界条件:入口压力2.7、3.3 MPa,主推角分别为26°、30°和34°,温度3 000 K,前后侧向角为1°～7°。结果表明:左右方向侧向力最大不超过0.6 N,工程应用中可认为前后方向侧向力调节(抬头动作)时不影响左右方向上的侧向力。

图14 对左右方向侧向力的影响Fig.14 Influence on lateral force in left and right direction

研究了前后侧向力调节时(抬头动作)对发动机推力的影响,图15为仿真结果。数值仿真边界条件:入口压力2.7、3.3 MPa,主推角分别为26°、30°和34°,温度3 000 K,前后侧向角为1°～7°。计算结果表明:针对本文算例,当主推角为26°和30°时,前后侧向力调节时对发动机推力的影响较小,推力变化值最大不超过25 N;当主推角为34°时,随着前后侧向角的增加,发动机推力持续增大。在入口压力3.3 MPa,前后侧向角7°时发动机推力增大40.5 N。发动机推力增大的原因与3个扰流片在发动机喷口的面积阻塞率有关。扰流片舵偏角与阻塞率呈二次方关系(图11),在大主推角状态进行前后侧向力调节,阻塞率变化尤为明显。其中,抬头动作时,前后侧向力调节时主推力增加;低头动作时,前后侧向力调节时主推力降低。

图15 对推力的影响Fig.15 Effect on thrust

4.2 低头动作(1小,2、3大)

针对低头动作(1扰流片舵偏角减小,2/3扰流片舵偏角增大),即扰流片2/3舵偏角增大,扰流片1舵偏角减小工况开展前后侧向力数值仿真分析,计算结果如图16、图17所示。数值仿真边界条件:入口压力2.4～3.6 MPa,主推角分别为26°、30°和34°,温度3 000 K,前后侧向角为1°～7°。结果表明:低头动作时入口压力、主推角、前后侧向角对前后侧向力的影响基本与抬头动作一致。

图16 前后方向侧向力(低头)Fig.16 Lateral force in front and rear direction (down)

图17 固定压力下侧向力Fig.17 Lateral force under fixed pressure

在主推角30°,相同边界条件对比抬头和低头动作时侧向力的大小,如图18所示。结果表明:抬头动作产生的侧向力大于低头动作产生的侧向力。

图18 两个方向侧向力比较Fig.18 Comparison of lateral forces in two directions

研究前后侧向力调节时(低头动作)对发动机推力的影响,图19为仿真结果。数值仿真边界条件:入口压力2.7、3.3 MPa,主推角分别为26°、30°和34°,温度3 000 K,前后侧向角为1°～7°。结果表明:前后侧向力调节(低头动作)对发动机推力的影响不超过2 N,可得出前后侧向力调节(抬头动作和低头动作)不影响发动机推力结论。

图19 对左右侧向力的影响Fig.19 Influence on left and right lateral forces

5 结论

针对三摆臂式扰流片开展了矢量力气动仿真,研究了扰流片的推力和侧向力调节能力及侧向力调节时对推力的影响,得到以下结论。

(1)发动机推力随着主推角的增加而减小,当主推角大于36°,3个扰流片间的气动干扰增强导致推力损失增大。

(2)左右侧向力随着左右侧向角的增加而增大,当扰流片均在发动机尾流中时进行侧向力调节,侧向力调节对发动机推力和另一方向侧向力影响小。

(3)前后侧向力调节,固定入口压力和主推角,前后侧向力随着前后侧向角的增加而增大,固定前后侧向角,前后侧向力随着入口压力和主推角的增加而增大。