劉文舉，趙養(yǎng)正，梁建峰，雷永信

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引 言

末敏彈是典型的智能彈藥，通常為子母式結(jié)構(gòu)，當(dāng)子彈從母彈彈體拋出后，減速傘張開減速，子彈光學(xué)艙旋出，子彈體成為幾何非對稱結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，這一轉(zhuǎn)速的大小和方向直接影響后序主旋轉(zhuǎn)傘的開傘性能。目前對旋轉(zhuǎn)彈箭的氣動特性的研究較多，文獻(xiàn)[1-2]分別用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的方法對平頭圓柱體+四片翼子彈的滾轉(zhuǎn)阻尼進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3-5]數(shù)值研究了導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動導(dǎo)數(shù)，文獻(xiàn)[6]研究了在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下一種異形卷弧翼彈的氣動特性，但研究這種光學(xué)艙幾何變化對子彈轉(zhuǎn)速的影響，還未有公開的文獻(xiàn)，因此通過數(shù)值方法研究光學(xué)艙不同幾何形狀對子彈轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律對解決主旋轉(zhuǎn)傘可靠開傘意義重大。

1 模型

模型結(jié)構(gòu)為臺階型彈體+旋開式光學(xué)艙(見圖1)。此氣動外形彈體完全相同，光學(xué)艙的幾何外形有外弧面+內(nèi)平面+左凸臺、外平面+內(nèi)平面+左凸臺、外弧面+內(nèi)弧面+左凸臺、外弧面+內(nèi)平面+無凸臺、外弧面+內(nèi)弧面+寬凸臺等形式。

2 數(shù)值方法

2.1 計(jì)算方法

文中使用cfx 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。具體計(jì)算方法為: 結(jié)合SST 湍流模型，并采用有限體積中心差分格式對三維雷諾平均Navier-Stokes 方程進(jìn)行求解。在計(jì)算滾轉(zhuǎn)阻尼時，采用了和文獻(xiàn)[1]相同的方法，坐標(biāo)系固定在子彈體上，隨子彈一起以固定的角速度旋轉(zhuǎn)。入口邊界采用速度和溫度；出口邊界采用靜壓和溫度；遠(yuǎn)場邊界采用無粘滑移邊界墻；壁面邊界采用無滑移壁面條件。

圖1 光學(xué)艙外形示意圖

轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

外場采用四面體網(wǎng)格，附面層采用三棱柱形網(wǎng)格。模型的表面網(wǎng)格和附面層網(wǎng)格見圖2和圖3。

圖2 表面網(wǎng)格

2.3 計(jì)算條件

1)靜態(tài)計(jì)算條件

速度：40 m/s、65 m/s、200 m/s；攻角：-7°、-2°、 3°。

2)準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算條件

速度：40 m/s、65 m/s、200 m/s；攻角：-7°、-2°、 3°；

轉(zhuǎn)速：0～5 r/s。

圖3 附面層網(wǎng)格和外場網(wǎng)格

3 結(jié)果與討論

對靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的氣動滾轉(zhuǎn)力矩和阻尼力矩進(jìn)行了計(jì)算，通過轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，獲得不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速，并對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

3.1 轉(zhuǎn)速結(jié)果分析

規(guī)定沿彈軸從彈尾向彈頭看順時針旋轉(zhuǎn)為負(fù)轉(zhuǎn)速，逆時針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)速，由圖4負(fù)攻角7°時的轉(zhuǎn)速曲線可以看出：光學(xué)艙有左凸臺的a、b、c三種模型轉(zhuǎn)速較高，而且隨速度增加，轉(zhuǎn)速逐漸增大；無凸臺的d模型和寬凸臺的e模型轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速在2 r/s以內(nèi)，轉(zhuǎn)速的變化也較小。圖5負(fù)攻角2°時的轉(zhuǎn)速曲線和圖6正攻角3度時的轉(zhuǎn)速曲線也有類似的情況。因此在設(shè)計(jì)光學(xué)艙的幾何外形時，應(yīng)考慮外形對子彈轉(zhuǎn)速的影響，避免轉(zhuǎn)速較高引起的開傘纏傘現(xiàn)象的發(fā)生，提高開傘成功率。

圖4 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=-7°)

圖5 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=-2°)

圖6 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=3°)

3.2 流場分析

從第3.1節(jié)轉(zhuǎn)速結(jié)果分析可以看出光學(xué)艙的幾何形狀對子彈轉(zhuǎn)速有較大影響，下面從流場的角度對這種影響做進(jìn)一步研究。從圖7光學(xué)艙部位的壓力云圖可以看出，光學(xué)艙左凸臺內(nèi)側(cè)，壓力較大，而光學(xué)艙外圓弧面的壓力較小，因此形成了壓力差，光學(xué)艙受到由內(nèi)平面向外弧面的力，這樣，沿彈軸從彈尾向彈頭看，彈體將順時針旋轉(zhuǎn)。從圖8無凸臺光學(xué)艙部位的壓力云圖可以看出，光學(xué)艙外弧面和內(nèi)平面的壓力幾乎相同，壓力差較小，弧面的壓力稍大于內(nèi)平面，因此光學(xué)艙受到由外弧面向內(nèi)平面的力，這樣，沿彈軸從彈尾向彈頭看，彈體將逆時針旋轉(zhuǎn)。從這兩種外形的壓力云圖對比分析，可以進(jìn)一步說明光學(xué)艙左凸臺對順時針轉(zhuǎn)速有較大影響，在光學(xué)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時應(yīng)充分考慮凸臺的高度不能太高，否則順時針轉(zhuǎn)速會增大。

圖7 速度200 m/s時左凸臺模型a的壓力云圖(α=7°)

圖8 速度200 m/s時無凸臺模型d的壓力云圖(α=7°)

圖9 速度200 m/s時有左凸臺模型b和c的壓力云圖(α=7°)

從圖1中模型b和c的外形比較來看，模型b內(nèi)外面均為平面形，而模型c內(nèi)外面均為圓弧形，二者均有左凸臺，從圖9的流場可以看出，雙弧面內(nèi)面的壓力比雙平面的內(nèi)面壓力稍小，而左凸臺對壓力影響遠(yuǎn)大于內(nèi)外面的壓差影響，因此從圖4中的轉(zhuǎn)速曲線也可以看出，模型b和模型c的轉(zhuǎn)速均較大，這種情況也和有左凸臺的模型a的轉(zhuǎn)速曲線接近。從圖10寬凸臺模型e的壓力云圖可以看出，內(nèi)外面、寬凸臺兩側(cè)的壓力差較小，與左凸臺模型c相比，從左凸臺改為寬凸臺降低了凸臺處的壓力差，因此從圖4、圖5、圖6都可以看出，寬凸臺模型e的轉(zhuǎn)速減小。

圖10 速度200 m/s時寬凸臺模型e的壓力云圖(α=7°)

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)是在CG-02低速直流開口立式風(fēng)洞(穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置)中進(jìn)行模擬的，試驗(yàn)段見圖11。該風(fēng)洞收縮段出口直徑為Φ4.5 m，試驗(yàn)段射流長度為6.5 m，試驗(yàn)段風(fēng)速范圍5～50.8 m/s。 本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)方法。

圖11 開口式立式風(fēng)洞試驗(yàn)段

圖12展示了模型a在試驗(yàn)段試驗(yàn)的狀態(tài)，T1、T2、T3和T4代表了旋轉(zhuǎn)的時間順序，可以看出模型沿彈軸從彈尾向彈頭看順時針旋轉(zhuǎn)。

圖13為風(fēng)速40 m/s時的瞬時轉(zhuǎn)速測量結(jié)果，可以看出轉(zhuǎn)速隨時間波動式變化，平均值為3.36 r/s。

圖12 風(fēng)速為40 m/s時，按旋轉(zhuǎn)的時間順序展示的瞬時圖片

圖13 風(fēng)速為40 m/s時，瞬時轉(zhuǎn)速隨時間的變化曲線

表1為不同風(fēng)速下平均轉(zhuǎn)速的測量值，雖然風(fēng)速不同，但平均轉(zhuǎn)速較為接近，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時，可以認(rèn)為5 m/s以內(nèi)的風(fēng)速差距對轉(zhuǎn)速的影響非常小。

表1 不同風(fēng)速時平均轉(zhuǎn)速的測量結(jié)果

從表1中狀態(tài)2的測量值3.36 r/s，與圖5中模型a，風(fēng)速為40 m/s的數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)速3.65 r/s的對比可以看出，二者數(shù)值非常接近，而且轉(zhuǎn)速方向相同，只是數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍大，因此，數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法具有較好的工程應(yīng)用價值。

4 結(jié)論

通過數(shù)值計(jì)算的方法研究了光學(xué)艙幾何結(jié)構(gòu)變化對子彈轉(zhuǎn)速大小及方向的影響，并通過流場分析和與實(shí)測轉(zhuǎn)速結(jié)果的對比得出結(jié)論：

1)采用文中的數(shù)值方法計(jì)算的轉(zhuǎn)速實(shí)用、可靠，與試驗(yàn)結(jié)果一致性好；

2)光學(xué)艙的幾何形狀影響子彈的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向；

3)在設(shè)計(jì)光學(xué)艙結(jié)構(gòu)時，應(yīng)注意迎風(fēng)端左凸臺高度的增加，會引起子彈的順時針轉(zhuǎn)速增大；

4)當(dāng)光學(xué)艙采用寬凸臺結(jié)構(gòu)時，可以減小子彈的轉(zhuǎn)速；

5)當(dāng)光學(xué)艙迎風(fēng)端無凸臺時，會產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)速。