增阻式一维弹道修正机构设计与气动特性分析*

陈　勇,吴国东,王志军,王　平,刘　霖

(1　中北大学机电工程学院,太原　030051;2　77538部队,拉萨　850000;3　豫西工业集团有限公司,河南南阳　473000)



增阻式一维弹道修正机构设计与气动特性分析*

陈勇1,吴国东1,王志军1,王平2,刘霖3

(1中北大学机电工程学院,太原030051;277538部队,拉萨850000;3豫西工业集团有限公司,河南南阳473000)

摘要:为提高一维弹道修正弹修正能力,提出并设计一种新型的一维弹道修正机构。以旋转稳定弹为研究平台,在美式M2A1型105 mm口径榴弹上加装阻力修正机构,利用Adams和Fluent仿真软件对修正机构工作过程进行数值仿真,初步验证了该机构设计的可行性。研究结果表明:机构展开前后阻力系数比为2.2左右,动作一致性好,展开过程迅速且稳定可靠,满足对一维弹道修正能力的要求。可为一维弹道修正机构的进一步设计和实际应用提供帮助。

关键词:一维弹道修正;阻力系数;气动特性;修正机构

0引言

弹道修正弹是一种介于传统制式炮弹与导弹之间的新型精确打击弹药,效费比高,相应技术发展迅速,其对于提高我国现有武器性能有很高的现实意义。仅对弹丸纵向射程进行修正的弹药称为一维弹道修正弹[1],一般采用弹道修正控制模块与执行模块对实际弹道进行修正,提高弹丸落点密集度。

一维弹道修正机构的一个重要设计原则就是在不增加阻力器结构尺寸的前提下,提高弹丸的增阻效果,关键在于能否快速响应指令信号,适时打开阻力修正装置。文中通过提出一种新型阻力修正机构研究其对弹丸修正能力和射击精度的影响,利用数值仿真初步验证该结构设计的可行性。

1修正执行机构与动作原理

一维弹道修正弹是基于阻力修正原理进行纵向射程修正,修正执行机构一般采用阻力器装置。其中,应用在旋转稳定弹丸上的阻力器,工作原理是依靠弹丸高速旋转产生的离心力[2],根据要求在指定时刻驱动阻力片展开,达到增加阻力以修正射程、提高精度的目的。该修正机构的设计理念正是基于上述原理,在不借助外力驱动装置的情况下,采用依靠离心力展开阻力片的方法来进行动作。

为提高增阻效果,整体上将修正机构设计成双层八片式。为保证机构展开后准确定位到理想位置,在基座(等效于弹体)四周各开出一90°环行限位槽,防止阻力片展开时超出限位孔位置,零件示意图如图1所示。

图1　零件图

为便于分析,将前层阻力片作透明处理,如图2所示,以位于基座上方阻力片为起点按逆时针方向依次命名为Q1、Q2、Q3、Q4,后层阻力片(图2、图3中红色所示)以同样方式命名为H1、H2、H3、H4;根据需要,图中只标出部分零件名称。

机构展开前,阻力片H1在限位孔M处与阻力片Q4、基座1采用销连接,而阻力片Q4又与阻力片H1、H4连接,故自由度被完全约束,各个阻力片又顺次衔接,机构得以锁定。控制信号触发后,由位于限位孔M处的限位销拔出,阻力片H1在离心力作用下开始动作并带动其他阻力片协同展开,当机构工作到最大展开位置时,由位于弹体上限位孔N处的锁止销弹出,锁定阻力片H1,同时各阻力片展开到理想位置,机构锁定,动作结束。机构展开前后结构示意图如图2所示。

图2　修正执行机构示意图

机构动作基本原理依据平面四杆机构[3]的工作原理,其特点是代表曲柄的阻力片具有始终保持平行运动的特性,有助于提高机构展开时的稳定性,工作原理图如图3所示。

图3　机构工作原理图

2动力学仿真

2.1初始条件参数设置

为验证机构在一定工况下能否正常工作,利用Adams[4]软件对机构展开过程进行动力学仿真。

建立仿真初始条件:阻力片材料选择Steel,各接触零件之间分别建立转动副和接触副。摩擦系数设为0.15,基座与大气之间施加旋转驱动,转速为13 000r/min;SimulationControl选项中将EndTime设置为0.001 25s,Steps定为1 000。

2.2仿真结果分析

文中通过截取仿真过程的几个时刻来展示修正机构的工作过程,以此观察和分析机构的设计可行性和动力学性能,仿真结果如图4所示。

图4　修正执行机构展开图

通过分析阻力片动力参数来研究机构工作性能,结合仿真结果可得各阻力片位移曲线和角速度曲线如图5所示。

图5　阻力片角速度曲线

由上图分析可知,同层阻力片角速度曲线基本重合,动力参数变化不大。可以看出,机构展开过程同步性较好,从开始动作到完全展开耗时0.75ms左右,表现出快速响应指令且稳定展开的特性。

3气动性仿真

3.1计算模型建立

以105mm口径榴弹为弹丸平台,基于弹体外形和机构展开后增阻效果,在引信最大径向尺寸处加装阻力修正机构[5],建立文中要研究的几何模型。弹丸外形基本参数:弹长494.66mm,圆弧部长242.09mm,尾锥部长51.35mm,尾锥倾角8°,如图6所示。

图6　105 mm口径榴弹弹丸平台

在距弹头部55mm处加装阻力修正机构,建立一维弹道修正弹几何模型,如图7所示。

图7　加装阻力修正机构弹丸模型

利用Gambit[6]网格划分软件对加装阻力修正机构弹丸模型进行网格划分。计算域长取为6倍弹长,宽取为15倍弹径,利用Size-Function功能对加装修正机构处进行网格加密,网格数量为366万,网格划分结果如图8所示。

图8　求解域网格剖面图

3.2计算参数设置

此次仿真采用密度基求解器;湍流模型选择Spalart-Allmaras单方程模型;Density中选择Ideal-Gas,Viscosity中选择Sutherland,即用萨兰德定律计算粘性。边界条件设置:弹体表面设置为WALL,为无滑移绝热粘性固壁面;圆柱形计算域外表面设置为压力远场。CourantNumber采用默认值1;FluxType通量类型保持默认的Roe-FDS通量差分方法;MuhigridLevels设定为5。ResidualSmoothing保持为0,湍流粘性方程的差分格式选择二阶迎风格式。

3.3仿真结果及分析

文中计算了弹丸在0°攻角、不同马赫数下,加装阻力修正机构的气动力参数。来流马赫数分别为0.4、0.6、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0,增阻系数是修正机构展开后的阻力系数与展开前阻力系数之比。图9给出了机构展开前后弹丸在不同马赫数下的阻力系数计算结果。

图9　修正机构安装前后阻力系数曲线图

修正机构展开前后阻力系数、增阻系数如表1所示。

表1　机构展开前后阻力系数对比表

经计算可得,机构展开前平均阻力系数Cd1为0.28左右,展开后平均阻力系数Cd2约为0.63,增阻系数大致为2.24。

气动力仿真计算结果如图10～图13所示。

图10　机构展开前1.2 Ma下全弹压力云图

图11　机构展开后1.2 Ma下全弹压力云图

图12　机构展开前1.2 Ma下全弹速度云图

图13　机构展开后1.2 Ma下全弹速度云图

4修正能力分析

4.1弹道模型

在满足射击精度的前提下采用质点弹道方程分析其修正能力,建立标准气象条件下的弹丸质点弹道模型[7]:

式中:F为弹丸受到的空气阻力,F=ρv2SK/2,其中ρ为空气密度,ν为弹丸飞行速度,S为弹丸最大横截面积;K为弹丸空气阻力系数[8];θ为弹道倾角。

4.2修正能力计算

修正能力ΔX=X0-Xc,其中ΔX为射程方向的修正距离,X0为无阻力装置弹丸射程,Xc为加装阻力机构后弹丸射程。弹道计算基本参数:以美式M2A1型105mm口径榴弹为例,弹径0.104 8m,弹重14.97kg,弹丸炮口初速为472m/s,射角θ=40°,阻力定律采用自定义阻力定律。

表2　弹道修正量与阻力片展开时刻关系表

图14　修正机构展开时刻与修正距离关系图

5结论

该文以美式M2A1型105mm口径榴弹为研究平台,结合一维弹道修正技术,进行了一维弹道修正机构的设计和仿真研究,分析机构在不同马赫数下的气动力参数,验证了该机构方案的可行性和可靠性。该机构稳定可靠,能快速实现修正指令,满足精度要求。弹丸的射程修正量随阻力器展开时间的延迟而减小,因此在工程实际应用中,可考虑适当提前打开阻力器,以期达到更好的增组效果。

参考文献:

[1]赵金强, 龙飞, 孙航. 弹道修正弹综述 [J]. 制导与引信, 2005, 26(4): 16-19.

[2]魏波, 吴国东, 王志军, 等. 新型一维弹道修正机构的设计 [J]. 弹箭与制导学报, 2014, 34(6): 79-82.

[3]纪莲清, 朱贤华. 机械原理 [M]. 武汉: 华中科技大学出版社, 2013: 103-113.

[4]陈峰华.ADAMS2012虚拟样机技术从入门到精通 [M]. 北京: 清华大学出版社, 2013: 135-147.

[5]徐永杰, 吴国东, 刘强, 等. 增阻式一维弹道修正弹气动分析 [J]. 弹箭与制导学报, 2013, 33(6): 133-136.

[6]于勇.FLUENT入门与进阶教程 [M]. 北京: 北京理工大学出版社, 2011: 100-108.

[7]徐明友. 火箭外弹道学 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2004: 41-66.

[8]王保国, 刘淑艳, 刘艳明. 空气动力学基础 [M]. 4版. 北京: 北京理工大学出版社, 2009: 168-172.

*收稿日期:2015-05-04

基金项目:中北大学研究生科技基金(20151201)资助

作者简介:陈勇(1987-),男,河南商丘人,硕士研究生,研究方向:弹道修正技术。

中图分类号:TJ410.3

文献标志码:A

TheDesignandAerodynamicCharacteristicsAnalysisonResistance-increasingOne-dimensionalTrajectoryCorrectionMechanism

CHENYong1,WUGuodong1,WANGZhijun1,WANGPing2,LIULin3

(1SchoolofMechatronicsEngineering,NorthUniversityofChina,Taiyuan030051,China;2No.77538Unit,Lasa850000,China; 3YuxiIndustriesGroupCo.Ltd,HenanNanyang473000,China)

Abstract:In order to improve correction capability of one-dimensional trajectory correction projectile, a new one-dimensional trajectory correction device was proposed and designed. Taking spin-stabilized projectile as research platform, the 105 mm caliber grenade was fixed with resistance correction mechanism, Admas and Fluent were used to work out working process of the mechanism, feasibility of the mechanism design was verified. The results show that the resistance coefficient ratio can reach about 2.2 between before and after the mechanism works. It performs well in synchronization, reliably and speed, satisfying one-dimensional trajectory correction ability. The result is helpful for further design and practical application of one-dimensional trajectory correction mechanism.

Keywords:one-dimensional trajectory correction; drag coefficient; aerodynamic characteristics; correction mechanism