低速旋转弹箭气动特性计算与研究
发布时间：2021-06-07 02:22
旋转弹箭具有减小制造过程中的误差影响、简化控制系统和提高飞行稳定性等诸多优点,在武器系统领域的火炮、火箭以及近程战术导弹上应用十分广泛。但是相比于非旋转弹箭,弹箭旋转也使得其空气动力学特性变得更为复杂,并且带来新的问题,如马格努斯效应、锥形运动、共振耦合等,而产生这些问题的根源在于气动特性参数的变化。基于此背景下,本文对旋转弹箭的气动特性规律进行了系统研究,为旋转弹箭气动设计打下坚实的基础。首先本文详细地介绍了国内外关于旋转弹箭气动特性的研究现状和研究方法,尤其是滑移网格技术。通过对ANF弹箭和F4弹箭的气动特性规律进行了数值仿真,将数值模拟结果与风洞实验结果进行对比,用以验证本文研究方法的正确性。其次,为了研究低速旋转对平直尾翼弹箭气动特性的影响,首先建立了某翼身组合弹箭的数值计算模型,生成了该弹箭模型的结构化计算网格,采用滑移网格技术实现弹箭的旋转,利用流体力学（CFD）软件对该弹箭在不同工况下的气动特性进行了数值仿真,并着重分析了转速（0.5转/秒、1转/秒、2转/秒）、马赫数（0.9、1.1、1.4、1.6、2.0）、攻角（2°、4°）、滚转角（0°～360°）对其气动特性参数...
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１．１典型旋转弹??为了使得导弹绕其纵轴进行旋转，通常采用以下三种方式或者三种方式的组合来实??现旋转：??Ｉ．利用发射装置来实现，比如在发射管内壁面刻画膛线的方式；??２??
于制造过程中产生的误差引起的气动、结构不对称以及发动机推力矢量偏心等因素对弹??体落点散布的影响，从而提高命中精度，尤其是非制导武器。这也是众多现役的制导炮??弹以及制导火箭弹采用旋转体制的原因之一，如图１丄１（ａ）和（ｂ）所示的“红土地”和“神??剑－ＸＭ３８２”型制导炮弹。其次，常规制导导弹都采用三通道控制系统（俯仰通道、滚转??通道、偏航通道），这可以大幅度提高导弹命中精度。而采用旋转体制的导弹不必对滚转??通道进行控制，从而减少了相应的弹载设备、减轻了导弹不必要的负重，便于导弹的微??型化设计，同时也降低了相应的研发和维护成本，例如“拉姆（ＲＡＭ）”防空导弹和“爱??国者－３（ＰＡＣ－３）”地空导弹均考虑到这一优势，如图１．１．１（ｃ）和（ｄ）所示。再者，弹箭在大??气层内快速飞行时，弹体和气流之间的摩擦作用和压缩作用会使得弹体表面产生剧烈的??气动加热和烧蚀现象，采用旋转体制弹箭可以显著减弱气动加热和烧蚀所导致的气动不??对称现象
由于旋转产生的马格努斯效应会导致弹箭在飞行过程中容易出现发散的锥形运动，??轻则削弱了其战术性能，重则导致近弹，甚至中途掉弹。例如美国的Ｎｉｔｅｈａｗｅ探空火??箭、西班牙的１４０ｍｍ火箭弹、美国的２．７５?＇航空火箭弹以及５．５６ｍｍ子弹以及我国的简??易控制增程火箭弹等在飞行试验过程中均出现近弹或掉弹现象［３］。可见准确地预测旋转??体制弹箭马格努斯力和力矩对于弹箭设计、弹道计算以及稳定性研究有着至关重耍的意??义。??除了马格努斯效应以外，旋转弹箭的滚转特性变化也是一个值得注意的问题。一般??情况下，弹箭采用斜置尾翼或者使用卷弧翼的方式来实现旋转。对于斜置尾翼方式，尾??翼斜置角选择的不合理，直接引起弹箭飞行不稳定，甚至导致掉弹现象。作用在不同尾??翼斜置角上的滚转力矩不同，进而导致弹箭的平衡转速不同，因此合理选择斜置角也是??保证弹箭打击精度的必要条件之一。相比于平直尾翼弹箭，卷弧尾翼弹箭会产生自诱导??滚转特性，并且卷弧翼弹箭在跨声速附近飞行时会发生滚转力矩换向现象，这对弹箭飞??行稳定性以及弹箭控制系统设计具有很大影响。??弹箭滚转有利于保持弹体的稳定性，提高射击精度，并且可以进行简易制导控制。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转弹丸气动特性的尺度自适应模拟[J]. 陈东阳,ABBAS Laith K,王国平,芮筱亭. 哈尔滨工程大学学报. 2018(03)
[2]两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究[J]. 石磊,杨云军,周伟江. 力学学报. 2017(01)
[3]翼身组合弹箭马格努斯效应数值模拟研究[J]. 石磊,刘周,杨云军,周伟江. 宇航学报. 2016(10)
[4]低速旋转弹丸偏流现象数值模拟[J]. 何颖,胡金波,邹亚,孙凯. 兵器装备工程学报. 2016(01)
[5]弹丸旋转空气动力效应非定常数值模拟[J]. 刘周,谢立军,杨云军,周伟江. 航空学报. 2016(05)
[6]卷弧翼弹箭气动外形滚转特性研究[J]. 向玉伟,李杰. 弹箭与制导学报. 2015(05)
[7]高速旋转条件下的弹丸气动特性研究[J]. 马杰,陈志华,姜孝海. 弹道学报. 2015(02)
[8]卷弧翼火箭弹高原使用稳定性分析[J]. 刘志明,韩珺礼,章曙,李钰生. 弹箭与制导学报. 2015(02)
[9]基于CFD数值仿真技术的飞行器动导数计算[J]. 米百刚,詹浩,朱军. 空气动力学学报. 2014(06)
[10]扭曲尾翼飞行器的气动特性[J]. 赵博博,刘荣忠,郭锐,袁军,张俊. 国防科技大学学报. 2014(03)
博士论文
[1]栅格翼气动外形设计及其翼身组合体滚转特性的研究[D]. 邓帆.南京理工大学 2011
硕士论文
[1]不同尾翼结构形式的翼身组合体滚转阻尼导数及其它气动特性的研究[D]. 周德娟.南京理工大学 2012
[2]亚、跨声速下卷弧翼弹箭气动特性研究[D]. 沈桂琴.南京理工大学 2010
[3]高层建筑风沙流场的数值模拟[D]. 王松涛.兰州大学 2009
[4]超声速下卷弧翼弹箭气动特性研究[D]. 张亚.南京理工大学 2009
[5]卷弧尾翼弹气动特性研究[D]. 刘巍.国防科学技术大学 2005
本文编号：3215649
【文章来源】：南京理工大学江苏省 211工程院校
【文章页数】：103 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１．１典型旋转弹??为了使得导弹绕其纵轴进行旋转，通常采用以下三种方式或者三种方式的组合来实??现旋转：??Ｉ．利用发射装置来实现，比如在发射管内壁面刻画膛线的方式；??２??
于制造过程中产生的误差引起的气动、结构不对称以及发动机推力矢量偏心等因素对弹??体落点散布的影响，从而提高命中精度，尤其是非制导武器。这也是众多现役的制导炮??弹以及制导火箭弹采用旋转体制的原因之一，如图１丄１（ａ）和（ｂ）所示的“红土地”和“神??剑－ＸＭ３８２”型制导炮弹。其次，常规制导导弹都采用三通道控制系统（俯仰通道、滚转??通道、偏航通道），这可以大幅度提高导弹命中精度。而采用旋转体制的导弹不必对滚转??通道进行控制，从而减少了相应的弹载设备、减轻了导弹不必要的负重，便于导弹的微??型化设计，同时也降低了相应的研发和维护成本，例如“拉姆（ＲＡＭ）”防空导弹和“爱??国者－３（ＰＡＣ－３）”地空导弹均考虑到这一优势，如图１．１．１（ｃ）和（ｄ）所示。再者，弹箭在大??气层内快速飞行时，弹体和气流之间的摩擦作用和压缩作用会使得弹体表面产生剧烈的??气动加热和烧蚀现象，采用旋转体制弹箭可以显著减弱气动加热和烧蚀所导致的气动不??对称现象
由于旋转产生的马格努斯效应会导致弹箭在飞行过程中容易出现发散的锥形运动，??轻则削弱了其战术性能，重则导致近弹，甚至中途掉弹。例如美国的Ｎｉｔｅｈａｗｅ探空火??箭、西班牙的１４０ｍｍ火箭弹、美国的２．７５?＇航空火箭弹以及５．５６ｍｍ子弹以及我国的简??易控制增程火箭弹等在飞行试验过程中均出现近弹或掉弹现象［３］。可见准确地预测旋转??体制弹箭马格努斯力和力矩对于弹箭设计、弹道计算以及稳定性研究有着至关重耍的意??义。??除了马格努斯效应以外，旋转弹箭的滚转特性变化也是一个值得注意的问题。一般??情况下，弹箭采用斜置尾翼或者使用卷弧翼的方式来实现旋转。对于斜置尾翼方式，尾??翼斜置角选择的不合理，直接引起弹箭飞行不稳定，甚至导致掉弹现象。作用在不同尾??翼斜置角上的滚转力矩不同，进而导致弹箭的平衡转速不同，因此合理选择斜置角也是??保证弹箭打击精度的必要条件之一。相比于平直尾翼弹箭，卷弧尾翼弹箭会产生自诱导??滚转特性，并且卷弧翼弹箭在跨声速附近飞行时会发生滚转力矩换向现象，这对弹箭飞??行稳定性以及弹箭控制系统设计具有很大影响。??弹箭滚转有利于保持弹体的稳定性，提高射击精度，并且可以进行简易制导控制。??
【参考文献】：
期刊论文
[1]旋转弹丸气动特性的尺度自适应模拟[J]. 陈东阳,ABBAS Laith K,王国平,芮筱亭. 哈尔滨工程大学学报. 2018(03)
[2]两种湍流模型在高速旋转翼身组合弹箭中的对比研究[J]. 石磊,杨云军,周伟江. 力学学报. 2017(01)
[3]翼身组合弹箭马格努斯效应数值模拟研究[J]. 石磊,刘周,杨云军,周伟江. 宇航学报. 2016(10)
[4]低速旋转弹丸偏流现象数值模拟[J]. 何颖,胡金波,邹亚,孙凯. 兵器装备工程学报. 2016(01)
[5]弹丸旋转空气动力效应非定常数值模拟[J]. 刘周,谢立军,杨云军,周伟江. 航空学报. 2016(05)
[6]卷弧翼弹箭气动外形滚转特性研究[J]. 向玉伟,李杰. 弹箭与制导学报. 2015(05)
[7]高速旋转条件下的弹丸气动特性研究[J]. 马杰,陈志华,姜孝海. 弹道学报. 2015(02)
[8]卷弧翼火箭弹高原使用稳定性分析[J]. 刘志明,韩珺礼,章曙,李钰生. 弹箭与制导学报. 2015(02)
[9]基于CFD数值仿真技术的飞行器动导数计算[J]. 米百刚,詹浩,朱军. 空气动力学学报. 2014(06)
[10]扭曲尾翼飞行器的气动特性[J]. 赵博博,刘荣忠,郭锐,袁军,张俊. 国防科技大学学报. 2014(03)
博士论文
[1]栅格翼气动外形设计及其翼身组合体滚转特性的研究[D]. 邓帆.南京理工大学 2011
硕士论文
[1]不同尾翼结构形式的翼身组合体滚转阻尼导数及其它气动特性的研究[D]. 周德娟.南京理工大学 2012
[2]亚、跨声速下卷弧翼弹箭气动特性研究[D]. 沈桂琴.南京理工大学 2010
[3]高层建筑风沙流场的数值模拟[D]. 王松涛.兰州大学 2009
[4]超声速下卷弧翼弹箭气动特性研究[D]. 张亚.南京理工大学 2009
[5]卷弧尾翼弹气动特性研究[D]. 刘巍.国防科学技术大学 2005
本文编号：3215649
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