鸭式布局双旋弹飞行力学特性研究

发布时间：2020-10-25 06:44

　　 随着战争形势的发展,世界各国对弹箭武器的精确化打击能力提出了越来越高的要求。目前导弹的精确化水平已经发展成熟,可以基本满足战场需求,但造价昂贵使战争的代价过高,不能够大量装备。而世界各国库存有大量的旋转稳定弹,对其进行低成本制导化改造,提高其命中精度意义重大。本文以一种鸭舵控制、双旋结构的旋转稳定炮弹为研究对象,对其飞行力学特性进行研究,主要包括以下几个方面：1.由于鸭式布局双旋弹前后体的转动惯量的差异,造成在飞行过程中前后体会出现差动旋转,所以在普通旋转稳定弹6D模型的基础上建立了鸭式布局双旋弹的七自由度弹道模型。首先,在满足质量均匀、几何外形关于弹体纵轴对称、前后体质心以及全弹质心在同一条直线上条件下建立了简化七自由度模型；其次,考虑了三质心不在同一直线上的一般情况,运用惯量矩阵的平行移轴定理,建立了一般的七自由度弹道模型。2.设计了不同舵偏角的鸭式布局双旋弹模型。利用计算流体动力学方法及软件对这组模型进行亚音速、跨音速和超音速条件下的气动仿真,得到阻力系数、升力系数、俯仰力矩系数、滚转力矩系数随马赫数的变化规律,并绘制成曲线,得到了不同舵偏角模型的流场分布规律,并由此对鸭式布局双旋弹的气动特性进行分析。3.研究了鸭式布局双旋弹在无控条件下的弹道参数变化规律；在有控条件下,研究了相同控制信号相位角不同起控时刻弹丸的弹道曲线变化规律、弹道倾角变化规律、攻角特性变化规律以及前后体滚转角的变化规律。改变控制信号相位角,对弹丸弹道特性进行仿真,观察相位角的改变对弹道特性的影响。同时,对不同启控时刻的修正能力进行了研究,证明了选择合适的启控时刻可以得到较好的修正效果。4.建立了鸭式布局双旋弹的复偏角运动方程、转速运动微分方程以及复摆动角运动方程,由此推导出鸭式布局双旋弹的简化攻角运动方程,进而对该弹的角运动特性开展了研究。分析了鸭式布局双旋弹的陀螺稳定性、追随稳定性和动态稳定性条件,通过计算机仿真对算例模型的稳定性进行了验证。5.在七自由度弹道模型的基础上,采用线性化方法,推导出了鸭式布局双旋弹的传递函数,分析了鸭舵操纵机构做阶跃偏转时该弹的过渡过程,研究了弹丸的频率特性,通过分析其相位裕度、截止频率等参数,得出关于系统稳定性和反应快速性方面的结论。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2015
【中图分类】：TJ410
【文章目录】：
摘要
Abstract
1. 绪论
    1.1 论文研究的背景及意义
    1.2 鸭式布局双旋弹的国内外研究现状
        1.2.1 国内外关于鸭式布局双旋弹建模方面的研究现状
        1.2.2 国内外双旋弹气动特性方面的研究现状
        1.2.3 国内外关于鸭式布局双旋弹弹道特性方面的研究现状
        1.2.4 国内外关于鸭式布局双旋弹控制方面的研究现状
    1.3 本文主要研究内容
2 鸭式布局双旋弹飞行力学模型
    2.1 鸭式布局双旋弹常用坐标系及坐标转换
        2.1.1 坐标系的定义
        2.1.2 各坐标系之间的转换关系
    2.2 作用在鸭式布局双旋弹上的力
        2.2.1 重力
        2.2.2 鸭式布局双旋弹所受的空气动力
        2.2.3 作用在鸭式布局双旋弹上的控制力
        2.2.4 前后体之间的相互作用力
    2.3 作用于鸭式布局双旋弹的力矩
    2.4 鸭式布局双旋弹七自由度刚体弹道模型
        2.4.1 简化七自由度模型
        2.4.2 一般情况下七自由度方程
    2.5 本章小结
3 鸭式布局双旋弹气动特性数值计算及分析
    3.1 初始条件和边界条件
        3.1.1 初始条件
        3.1.2 边界条件
    3.2 湍流模型的选择
    3.3 生成网格
    3.4 数值计算结果及分析
        3.4.1 模型计算网格
        3.4.2 鸭式布局双旋弹阻力、升力特性分析
        3.4.3 俯仰力矩系数随马赫数的变化曲线
        3.4.4 滚转力矩系数随马赫数的变化曲线
    3.5 流场分析
        3.5.1 鸭式布局双旋弹横向切面压力流场仿真分析
        3.5.2 鸭式布局双旋弹纵向切面压力流场仿真分析
    3.6 本章小结
4 鸭式布局双旋弹飞行弹道特性分析
    4.1 鸭式布局双旋弹无控弹道特性
    4.2 有控条件下鸭式布局双旋弹的弹道特性
        4.2.1 鸭式布局双旋弹不同控制条件下的弹道特性
        4.2.2 末段修正能力仿真结果分析
    4.3 本章小结
5 鸭式布局双旋弹线性角运动方程及其稳定性分析
    5.1 鸭式布局双旋弹的角运动方程
        5.1.1 双旋弹的复偏角方程
        5.1.2 双旋弹的滚转角速度运动方程
        5.1.3 双旋弹的复摆动方程
    5.2 鸭式布局双旋弹攻角运动方程
    5.3 鸭式布局双旋弹飞行稳定性分析
        5.3.1 陀螺稳定性分析
        5.3.2 鸭式布局双旋弹的动态稳定性分析
        5.3.3 鸭式布局双旋弹的追随稳定性分析
    5.4 本章小结
6 鸭式布局双旋弹动态特性分析
    6.1 鸭式布局双旋弹的扰动运动方程组
    6.2 传递函数的推导
    6.3 鸭舵发生阶跃偏转时的过渡过程
    6.4 鸭式布局双旋弹的频率特性分析
    6.5 本章小结
7 总结与展望
    7.1 本文工作总结
    7.2 展望
致谢
参考文献

【参考文献】

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