压垮音速下栅格翼气动特性研究

中北大学机电工程学院 席园 秦可伟 姚光生

压垮音速下栅格翼气动特性研究

中北大学机电工程学院 席园 秦可伟 姚光生

栅格翼阻力大是阻碍它广泛应用的一个主要缺点，因此如何减小栅格翼的阻力显得十分重要。本文针对栅格翼的结构特点，对两种栅格翼类型分别采用了前掠与后掠的方式进行模拟计算研究，结果表明前后掠方式在两种栅格翼类型中均能起到很好的减阻效果。

栅格翼；减阻；前后掠；数值模拟

引言

栅格翼是由众多薄的栅格壁镶嵌在边框内组成，由于它特殊的气动外形，使之相对于传统的平板翼来说有着许多优点，如：升力特性好、在很宽的Ma数范围内压力中心移动量很小、铰链力矩也很小、易折叠、打开与操控等许多优点[1]。常见的栅格翼有框架式和正置式两种，现在栅格翼比较成功的应用在航天飞行器（宇宙飞船救生逃逸舱）和战术导弹（俄罗斯R-77空导弹）上，主要作为稳定面或控制面。

但是栅格翼在导弹上应用最大的阻碍它的问题就是阻力大，因此减阻提升也是栅格翼的主要研究方向。目前国内外对于栅格翼研究的减租方法主要是通过改变栅格数、栅格壁厚度以及通过改变栅格翼气动外形，如不同的前后掠方式，也能起到有效的减租效果[2-6]。

本文通过改变正置式栅格翼与斜置蜂窝式栅格翼的气动外形，采取前后掠的方式，对栅格翼的减阻气动特性进行研究分析。

1 数值模拟

1.1 栅格翼的几何结构与参数

图1 斜置蜂窝式栅格翼三种模型

图2 正置式栅格翼三种模型

图1、图2给出了六种模型的几何参数，其中图1所示为斜置蜂窝式栅格翼的三种模型，从左到右依次为普通式、前掠式和后掠式；图2所示为正置式栅格翼的三种模型，从左到右依次为普通式、前掠式和后掠式，采取前后掠角度为40°

1.2 网格的划分及计算条件

为了保证一定计算精度与速度，采取结构/非结构网格进行划分，并且将流域划分成由密至疏的三部分，网格数约为140万左右，如图3、4所示：

图3 栅格翼流域网格图

图4 后掠式栅格翼剖视图

计算采用的控制方程为雷诺平均的N-S方程，使用S-A湍流模型，密度基求解器，采用二阶迎风方式来提高计算精度。

计算条件为：来流马赫数 Ma=0.6，0.8，1.0，1.2，攻角=4°，舵偏角=0°，温度T=300K,参考压力p=0，来流绝对压力p=101325Pa，边界条件为压力远场边界条件。

2 结果与分析

图5、6中PT表示普通栅格翼，HL表示后掠式栅格翼，QL表示前掠式栅格翼。

图5 蜂窝式栅格翼阻力变化图

由图中六种模型可以看出，带有前后掠角的栅格翼要比普通栅格翼的减阻效果明显，并且所有模型均在马赫数为1的时候阻力有明显的升高，这一点十分符合空气动力学特征，主要是因为激波的产生，使栅格翼所受到的阻力明显的增大，并且阻力主要为波阻。而在亚音速下，可以明显看到前掠式的气动特性更好，这与前掠翼的气动特性相符合。由图7-12所示的马赫云图可以明显的看到，前后掠式栅格翼相对于普通栅格翼有着十分突出的气动特点，我们可以看到前后掠式的高马赫区域明显要小于普通栅格翼。这说明前后掠方式能很好地推迟激波的产生，并且能够在激波产生时，更有效地将正激波转化为阻力更小的斜激波，从而起到很好的减阻效果。

3 结论

本文通过对六种模型的建模，计算得出：

3.1 带有前后掠方式的两种类型栅格翼均可以起到很好的减阻效果。

3.2 在亚音速下，前掠式栅格翼的减阻效果更好，但是当达到超音速时，后掠式减阻效果更佳。

3.3 前掠式栅格翼在翼尖处的应力较为集中，因此对材料的要求要比后掠式更高。

[1]黎汗华，石玉红.栅格翼国内外研究现状及发展趋势[J].导弹与航天运载技术，2008(06):27-30

[2]James DeSpirito. Milton E. Vaughn Jr. Subsonic Flow CFD Investigation Of Canardcontrolled Missile With Planar And Grid Fins[R]. AIAA-27-500.2003

[3]Daniel A. Pruzan. Michael R. Mendenhall Grid Fin Stabilization of the Orion Launch Abort Vehicle [C]. 29th AIAA Applied Aerodynamics Conference AIAA-3018.2011

[4]邓帆.栅格翼气动外形设计及其翼身组合体滚转特性的研究[D].南京理工大学,2011

[5]姚君.栅格翼减阻特性的数值模拟研究[D].2013

[6]邓帆,陈少松,余勇刚.亚跨音速栅格的升阻特性数值研究[J].弹道学报,2009（04）