卷弧翼火箭弹高原使用稳定性分析*

刘志明，韩珺礼，章 曙，李钰生

(1 63961部队，北京 100000;2 国营743厂，太原 035000)

0 引言

西南高原、海拔高、气压低、空气密度小、含氧量少，在高原4 000 m和5 000 m处，气压为海平面的60.9%和 53.3%，空气密度是海平面的 66.9% 和60.1%［1］。空气密度低，气动阻力小，对尾翼稳定火箭弹高空飞行弹道影响较大。由于卷弧翼火箭弹弹道存在滚转导致的马格努斯效应及卷弧尾翼不对称产生的侧向力［2-3］，大大增加了火箭弹飞行的不稳定性，使得原本在平原保持稳定飞行的火箭弹，在高原使用时，不一定满足稳定要求。文中针对国内某型火箭弹高原使用失稳现象，进行了稳定性分析，并提出了火箭弹改进设计方案。

1 火箭弹高原使用失稳现象

某型火箭弹在高海拔地区进行远程射击时，预定弹道和试验弹道存在较大偏差，如图1所示。火箭弹在海拔6 000 m以下时，弹道一致性很好，其后，弹道急剧下沉，偏离预定弹道，实际落点为预定射程的一半左右，火箭弹飞行异常。

图1 高海拔时，某型火箭弹进行远程射击时的实际弹道和预计弹道比较

图2给出了实测火箭弹飞行速度的变化规律与理论弹道计算的飞行速度比较。从中可以看到:

1)实测火箭弹主动段末的速度与理论预计结果基本一致，说明火箭弹发动机工作情况和主动段飞行情况均正常。

2)火箭弹在主动段结束后较短时间内，火箭弹飞行速度急剧减小，反映出遇到很大的飞行阻力。说明火箭弹从这个时候开始，出现大攻角飞行。

雷达测试结果与理论计算的阻尼对比如图3所示，可以看出，在主动段结束后的某个时刻火箭弹的飞行阻力突然增大，并长时间维持在高阻力飞行。

图2 高海拔时，某火箭弹进行远程射击时飞行速度和预计飞行速度比较

图3 高海拔时，某火箭弹进行远程射击时飞行阻尼和预计阻尼的比较

2 失稳原因分析

外弹道学中给出的飞行稳定充要条件为［4］:

其中:Sg为陀螺稳定因子;Sd为动稳定因子。火箭弹主要气动力系数变化对飞行稳定性的影响情况为［5］:

1)|Sg|越小，越有利于飞行稳定性，即减小转速、加大稳定力矩有利于弹箭飞行稳定;

2)升力系数导数和赤道阻尼力矩系数导数对尾翼稳定弹箭是稳定因素;

3)马格努斯力矩是一个不稳定因素，且马格努斯力矩系数的大小是决定弹箭飞行稳定性的主要因素。

根据飞行稳定的充要条件，可以定义动态稳定性参数λ在全弹道上满足下列条件:

经对某型火箭弹的平原和高原使用时影响火箭弹动态稳定的各个因素变化情况计算分析，得到:

2)在高原远程弹道上，火箭弹飞行至5.6 s左右，动态稳定性参数λ接近0值，在11s左右，达到极小值－0.162 0，表明该火箭弹在高原远距离射击时不能满足动态稳定性要求。

分析认为，造成高原动态稳定性参数λ为负的主要原因是，高原空气密度的降低，使得该型火箭弹的马格努斯力矩效应的不稳定作用明显增大，并超过了赤道阻尼力矩和升力对火箭弹运动的稳定作用。

3 火箭弹改型设计

为提高火箭弹高原使用的动稳定性，必需减小火箭弹的马格努斯效应，为此，设计了一种可折叠的直尾翼，如图4所示。

图4 改进设计后的可折叠稳定装置示意图

理论计算的直尾翼和卷弧翼两种尾翼的马格努斯力矩二阶导数随马赫数的变化关系如图5所示，计算表明，直尾翼的马格努斯力矩要远小于卷弧翼的马格努斯力矩。

图5 不同尾翼的马格努斯力矩系数导数随马赫数的变化关系

4 结论

改型设计后的高原使用结果表明，火箭弹在高原使用飞行稳定，可以满足高原远射程使用时的稳定性要求。

［1］王坚，王宝贵，张晨.高原气候环境对装备影响及适应性措施［J］.环境技术，2013(6):25－28.

［2］谢志敏，杨树兴，陈伟.大长径比卷弧尾翼火箭弹气动特性数值研究［J］.固体火箭技术，2009，32(6):596－599.

［3］Curry W H，Reed J F.Measurement of magnus effects on a sounding rocket model in supersonic wind tunnel［R］.AIAA－66－754.

［4］杨绍卿.火箭弹散布和稳定性理论［M］.北京:国防工业出版社，1979.

［5］翟英存，陶国辉，党明利.尾翼稳定火箭弹高空气动力与弹道特性研究［J］.弹箭与制导学报，2011，31(2):142－144.