李素云,吳國東,徐永杰,尹建平,鄭娜娜,魏 波

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.長治清華機(jī)械廠，山西 長治 046012；3.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

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【裝備理論與裝備技術(shù)】

花瓣型一維阻力修正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及外彈道仿真

李素云1,吳國東1,徐永杰1,尹建平1,鄭娜娜2,魏 波3

(1.中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 太原 030051； 2.長治清華機(jī)械廠，山西 長治 046012；3.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018)

為了提高小口徑榴彈的射擊精確度和射擊密集度，設(shè)計(jì)了一種花瓣形一維阻力修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以35mm口徑榴彈為彈丸平臺(tái)設(shè)計(jì)一維彈道修正彈；利用流體力學(xué)軟件ANSYS Fluent進(jìn)行彈丸飛行流場(chǎng)數(shù)值仿真，獲得了不同馬赫數(shù)情況下各彈丸模型的氣動(dòng)參數(shù)；通過質(zhì)點(diǎn)彈道模型對(duì)彈丸外彈道進(jìn)行仿真計(jì)算；結(jié)果表明：阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)展開過程耗時(shí)0.006 s，可以提供平均阻力系數(shù)比為3.01；彈道仿真得出：在給定的條件下，修正彈可以提供最大140 m射程修正量。

阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)；彈道修正；氣動(dòng)仿真；彈道模型

model

相對(duì)火箭彈等造價(jià)昂貴的高精度導(dǎo)彈，具備彈道修正能力的彈藥，因其成本低的優(yōu)點(diǎn)而得到發(fā)展[1-5]。國外彈道修正技術(shù)起步較早，對(duì)阻力機(jī)構(gòu)的研究也有諸多創(chuàng)新，如美國的“STAR”、法國的“SAMPRASS”及“SPACIDO”，原理相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)尺寸精度要求也比較低，便于實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于歐美的技術(shù)發(fā)展，國內(nèi)的彈道修正起步較晚，具有廣闊的發(fā)展空間[6-8]。修正機(jī)構(gòu)通過彈丸在外彈道飛行過程中增加彈丸受阻面積進(jìn)行彈道修正?，F(xiàn)有的彈道修正機(jī)構(gòu)，大部分是針對(duì)大口徑彈藥設(shè)計(jì)，而在小口徑彈藥的發(fā)展中，該類機(jī)構(gòu)應(yīng)用較少。本文以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺(tái)，設(shè)計(jì)花瓣型一維阻力修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)，并建立修正彈模型；利用ANSYS Fluent 軟件進(jìn)行流場(chǎng)數(shù)值仿真；最后利用質(zhì)點(diǎn)彈道程序?qū)ν鈴椀肋M(jìn)行數(shù)值仿真計(jì)算。

1 模型建立

1.1 阻力執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模

通過Solidworks建模進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。以35 mm口徑榴彈作為彈道修正彈的改造原型，在設(shè)計(jì)過程中考慮到彈丸高速旋轉(zhuǎn)，充分利用其產(chǎn)生的離心力。在基本不改變彈丸外形的基礎(chǔ)上，安裝頭部引信彈道修正組件。彈頭部的彈道修正機(jī)構(gòu)剖視圖如圖1。從圖1可以看出，彈道修正機(jī)構(gòu)是通過利用彈體的頭部部分空間安裝整個(gè)彈道修正組件。阻力片張開后，彈丸飛行阻力增加，會(huì)對(duì)彈丸的縱向射程進(jìn)行一定的修正。

1.阻力片; 2.圓臺(tái); 3.彈簧; 4.拔銷器; 5.彈頭部殼; 6.銷

彈頭部安裝彈道修正機(jī)構(gòu)后，頭部形狀不變。機(jī)構(gòu)動(dòng)作后，6片阻力片彈出，并在彈丸高速旋轉(zhuǎn)中迅速張開，增加了彈丸空氣阻力。

彈道修正機(jī)構(gòu)的工作原理為：當(dāng)拔銷器拔銷后，壓縮的彈簧將圓臺(tái)彈出。由銷固定在圓臺(tái)上阻力片，由于向前彈出的距離而解鎖，受彈丸旋轉(zhuǎn)離心力的作用慢慢張開。同時(shí)由于受到阻力，阻力片逐漸張開到最大，其展開過程如圖2所示。對(duì)阻力片展開過程的動(dòng)力學(xué)仿真，如圖3所示，各阻力片在0.006 s時(shí)刻全部展開到位。

圖2 彈道修正執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作過程示意圖

圖3 阻力片展開過程中質(zhì)心位置變化規(guī)律

1.2 修正彈模型建立

以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺(tái)進(jìn)行修正彈設(shè)計(jì)，如圖4～圖6所示。

圖4 修正彈模型前視圖

圖5 阻力機(jī)構(gòu)展開的修正彈模型前視圖

圖6 修正彈模型3D效果圖

2 氣動(dòng)力仿真

2.1 CFD有限元模型

彈丸模型的建立使用Solidworks軟件，利用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。設(shè)計(jì)算域?yàn)楦? 000 mm直徑300 mm的圓柱形區(qū)域，設(shè)置網(wǎng)格間距尺寸為0.6 mm，修正彈彈表網(wǎng)格劃分如圖7所示。在劃分過程中采用Size Function來控制網(wǎng)格的疏密程度。進(jìn)行邊界設(shè)置，圓柱外表面定義為PRESSURE-FAR-FIELD,彈表面定義為wall,對(duì)稱面定義為SYMMETRY[9]。

圖7 計(jì)算域網(wǎng)格剖面圖

2.2 氣動(dòng)力數(shù)值仿真

應(yīng)用Fluent軟件進(jìn)行氣動(dòng)仿真計(jì)算。此次仿真選擇了密度顯式求解法[10-11]。為了精度要求，選擇高斯克林函數(shù)求解梯度，此函數(shù)適合圖7所劃的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。湍流模型采用S-A模型，該湍流模型比較適合具有壁面限制的流動(dòng)問題，對(duì)有逆壓梯度的邊界層問題能夠給出很好的計(jì)算結(jié)果。定義流體的物理屬性為理想氣體，Viscosity為Sutherland，參考?jí)毫?。邊界條件設(shè)置中，選擇來流壓力為一個(gè)大氣壓，并選擇攻角為0。求解時(shí)，設(shè)置6個(gè)層次的網(wǎng)格加速收斂，設(shè)置Modified Turbulent Viscosity方程為二階迎風(fēng)格式。

2.3 計(jì)算結(jié)果及分析

選取速度的范圍從馬赫數(shù)M=0.3、M=0.4、M=0.5、M=0.6、M=0.7五組數(shù)據(jù)。本試驗(yàn)主要從阻力器對(duì)于彈體的阻力系數(shù)影響來做對(duì)比，同時(shí)輔助以彈體的壓力分布云圖和在X軸方向上的速度分布云圖作對(duì)比，圖8、圖9為了在馬赫數(shù)0.6的情況下阻力器安裝前后的速度云圖和壓力云圖。通過計(jì)算，最后阻力曲線在收斂，取最后200項(xiàng)求其平均值，取小數(shù)點(diǎn)之后4位，得到的即是全彈的阻力系數(shù)，如表1。阻力系數(shù)變化規(guī)律如圖10所示。

圖8 阻力器安裝前后馬赫數(shù)0.6時(shí)X方向速度云圖

圖9 阻力器安裝前后馬赫數(shù)0.6時(shí)彈體表面壓力分布

Ma原彈模型Cd修正彈Cd阻力系數(shù)比0.30.19010.57713.040.40.19200.57783.010.50.19300.57802.990.60.19280.57843.000.70.19310.57822.99

圖10 阻力機(jī)構(gòu)展開前后阻力系數(shù)對(duì)比

3 修正能力評(píng)估

由于主要考慮亞音速環(huán)境，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化不大。但如果考慮在跨音速和超音速飛行狀態(tài)，就要重新確定阻力定律。在修正機(jī)構(gòu)工作前，外彈道模型及解算和一般榴彈相同。當(dāng)彈丸飛行到展開時(shí)候，伴隨阻力機(jī)構(gòu)展開，阻力系數(shù)瞬間增大，以增大后的阻力系數(shù)繼續(xù)解算彈道方程。

本文所設(shè)計(jì)的35 mm口徑榴彈的參數(shù)為：彈丸初速190 m/s，彈丸質(zhì)量0.240 kg，射角43°，彈道系數(shù)1.11，橫風(fēng)0.000，縱風(fēng)0.000。將所設(shè)計(jì)的參數(shù)輸入軟件計(jì)算，選擇彈丸出槍口10 s后不同時(shí)刻進(jìn)行阻力器張開，時(shí)間間隔為1 s。張開時(shí)刻與射程關(guān)系如表2所示，展開時(shí)刻與修正量關(guān)系如圖11所示。

圖11 修正機(jī)構(gòu)張開時(shí)間與修正量的關(guān)系

時(shí)間/s射程/m修正距離/m101610.615140.439111639.966111.088121665.33385.721131687.06863.986141705.39745.657151720.44030.614161732.25918.795171740.92810.126181746.6264.428191749.7331.321201750.9100.153211751.0540221751.054—

由圖11可以看出，同是1 s的間隔時(shí)間，產(chǎn)生的修正量呈非線性變化，這與彈丸實(shí)際的飛行彈道及張開時(shí)刻有關(guān)。在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，可以根據(jù)目標(biāo)的不同距離而選擇恰當(dāng)?shù)膹堥_時(shí)間，以達(dá)到期望的修正結(jié)果。

4 結(jié)論

為了提高榴彈的設(shè)計(jì)精確度和射擊密集度，以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺(tái)，設(shè)計(jì)花瓣型一維阻力機(jī)構(gòu)并建立修正彈模型。利用氣動(dòng)力數(shù)值仿真獲得的氣動(dòng)力參數(shù)，通過質(zhì)點(diǎn)彈道模型對(duì)彈丸模型的外彈道進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果表明，在亞音速條件下，阻力片在0.006 s內(nèi)展開到位，可以提供平均3.01的阻力系數(shù)比；修正彈模型可以提供有效的射程修正距離。研究結(jié)果可以為一維彈道修正彈的設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用提供參考。

[1] 王志軍,尹建平.彈藥學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2005.

[2] SEIDEL.Method for Autonomous Guidance of a Spin-stabilized Artillery Projectile and Autonomously Guided Artillery Projectile for Realizing this Method[P].United States:6135387，2000-10-24.[3] SPEPHE PEARCH.LCCM:More than Competent[C].6thInternational Cannon Artillery Fire-power Symposium,2000.[4] 高敏,張強(qiáng).彈道修正彈實(shí)際彈道探測(cè)技術(shù)綜[J].彈道學(xué)報(bào)，2003(1):91-96.[5] 趙金強(qiáng),龍飛,孫航.彈道修正彈綜述[J].制導(dǎo)與引信,2005(4):16-19.

[6] 華菊仙.彈道修正引信:拓寬炮兵彈藥精確化之路[J].現(xiàn)代軍事,2005(10).

[7] 兵器工業(yè)科技信息中心.美陸軍加大對(duì)彈道修正彈藥項(xiàng)目的投資力度[ EB /OL].[2001-08-24 ].http://jczs.sina.com.

[8] 邱榮劍.彈道修正彈綜述[J].國防技術(shù)基礎(chǔ),2009(8):47-50．

[9] 應(yīng)國淼,倪震明.常規(guī)反艦導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部的現(xiàn)狀及發(fā)展[J].四川兵工學(xué)報(bào),2006,27(4):14-15．

[10]徐永杰.小口徑榴彈修正技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué),2014.

[11]于勇.FLUENT入門與進(jìn)階教程[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2008.

[12]周光磊. 基于GPS/MR 組合的彈道修正彈數(shù)據(jù)處理.[J].兵工自動(dòng)化，2014(1):7-10.

(責(zé)任編輯 周江川)

Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation

LI Su-yun1, WU Guo-dong1, XU Yong-jie1,YIN Jian-ping1, ZHENG Na-na2, WEI Bo3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, China; 3.PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

In order to improve the firing accuracy of small-bore grenades and the fire intensity, we designed a petal shaped one-dimensional resistance correction actuator, and designed one dimensional trajectory correction projectile with 35 caliber shrapnel; Using fluid mechanics software ANSYS Fluent for flow field numerical simulation, the projectile flying was obtained under different Mach number of the projectile aerodynamic parameters of the model; Through the particle trajectory model, the projectile outside ballistic simulation calculation was processed. The results show that the resistance of actuator takes 0.006 seconds, and the process can provide the average drag coefficient ratio is 3.01; Trajectory simulation show that under the given conditions, correct projectile can provide maximum 140 m range correction.

correction executive mechanism; ballistic correction; aerodynamic simulation; trajectory

2016-05-22；

2016-06-25

國家自然科學(xué)基金(11572291)

李素云(1991—)，女，碩士研究生，主要從事兵器科學(xué)與技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2016.10.007

李素云,吳國東,徐永杰，等.花瓣型一維阻力修正機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及外彈道仿真[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(10):35-38.

format:LI Su-yun, WU Guo-dong, XU Yong-jie,et al.Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):35-38.

TJ410.3

A

2096-2304(2016)10-0035-05