引信外形对超高音速弹丸气动特性的影响仿真*

沈晓军,王雨时,闻　泉,徐鹭林,刘延中

(1　南京理工大学机械工程学院,南京　210094;2　江机民科实业有限公司,吉林吉林　132021)



引信外形对超高音速弹丸气动特性的影响仿真*

沈晓军1,王雨时1,闻泉1,徐鹭林2,刘延中2

(1南京理工大学机械工程学院,南京210094;2江机民科实业有限公司,吉林吉林132021)

摘要:为了研究引信外形对弹丸气动特性的影响,通过Fluent软件对装配不同外形引信的57 mm口径人工增雨防雹弹弹丸的阻力特性进行仿真,得到了不同外形下阻力系数与马赫数的关系曲线。弹头引信头部轮廓形状的微小变化如锥角变化对阻力系数影响不大,顶部形状为圆头和平头时,阻力系数稍有差别,总体影响较小。弹底引信外露部分长短对阻力系数影响较大,外露部分增长会减小阻力系数。弹底引信有凸出部位时,其阻力系数等于和其全长等长的弹丸的阻力系数。

关键词:弹药工程;设计理论;仿真;阻力系数;气动特性;引信外形;计算流体动力学

0引言

外露引信外形会对弹丸气动特性产生影响,故弹丸设计对引信外形尺寸会有要求。研究外露引信外形变化对弹丸气动特性的影响,有助于使引信获得更大的内部空间,实现优化设计和低成本设计。

通常有3种手段研究气动特性：理论计算、风洞试验和飞行试验[1]。近年来，弹丸的气动特性研究中，运用的比较广泛的是数值仿真和风洞试验相结合的方法[2]，这种方法既经济可信度又高。文献[2]运用OpenFOAM软件仿真计算了弹丸模型带底凹和不带底凹状态下的气动特性，证明了底凹对弹丸气动特性的影响很小。文献[3]通过Fluent软件仿真计算了某口径增雨弹气动力，得出弹头阻力和弹底阻力是增雨弹气动力中的主要力。

文中以57mm口径人工增雨防雹弹为例,计算弹丸装配不同外形的弹头、弹底引信时的阻力系数,研究了引信外形对弹丸阻力系数的影响。

1经验公式

在马赫数相同且攻角为零时，形状相差不大的两种弹丸的阻力系数的比值近似等于常数[4]。取定某个标准弹，通过试验精确地实测出其攻角为零时不同马赫数下的阻力系数，这种标准弹的阻力系数与马赫数的关系称为阻力定律[4]。我国常用的阻力定律是沿用前苏联于1943年测定的阻力定律，简称为1943年阻力定律[5]。弹丸的阻力系数与标准弹的阻力系数的比值即为弹形系数i。计算1943年阻力定律弹形系数i43的经验公式为[6]：

i43=2.900-1.373λ+0.320λ2-0.0267λ3

(1)

其中λ=λH+λK-0.30

(2)

式中:λH为弹头部相对长度(口径);λK为尾锥部相对长度(口径)。

其适用范围为:弹头部位圆弧形,初速V0≥500m/s,射角θ≈45°时的旋转弹。对于旧式制式弹而言,该公式误差一般小于5%[4]。

在给定条件下，式(1)求算i值比较方便,但对于不满足适用范围的弹丸来说有较大的局限性。

由该经验公式可以推断:随着弹丸头部或者弹丸底部的缩短,弹丸的弹形系数增加。

2阻力系数数值仿真计算

2.1仿真建模

运用Fluent软件中单精度、基于密度的求解器对零攻角条件下弹丸的阻力系数进行计算。流场计算域为长为弹丸长度20倍[7]、直径为弹丸直径10倍的圆柱体。网格划分选用六面体和四面体相结合的形式。通过大量仿真表明，在本计算模型中，流场网格划分密度对阻力系数值的影响很小。计算中湍流模型选用基于应变/涡的Spalart-Allmaras模型。流场介质选用理想气体。外部边界条件选用压力远场边界条件。流场模型及网格划分见图1和图2所示。

图1　弹丸及流场模型

图2　弹丸的网格划分

57mm口径人工增雨防雹弹弹丸初速为1 000m/s,通过外弹道计算得出弹道末端速度为250m/s左右,因此计算范围选0.5～3.6 Ma。

2.2对制式弹阻力系数的仿真计算

对配用榴-2引信的57mm口径高射炮曳光杀伤榴弹建模计算,计算结果见图3所示。相对于1943年阻力定律的弹形系数平均值为1.4,文献[8]提供的弹形系数为1.3,考虑到底部曳光管的“底排”减阻效应,这一仿真结果是可信的。

图3　57 mm口径高射炮曳光杀伤榴弹的阻力特性

2.3引信外形对阻力系数影响

57mm口径人工增雨防雹弹弹头、弹底时间引信各有两种外形见图4所示,外形1的弹头引信头部锥角角度小于外形2,两种弹底引信外形差别在于外露部分长度不同。

图4　57 mm口径人工增雨防雹弹引信外形

通过Fluent软件对零攻角下装配不同外形引信的弹丸阻力系数的计算结果如图5所示。

图5　装配不同弹头、弹底引信的弹丸的阻力系数

由图5可知,装配锥角角度较大的弹头引信2的弹丸的阻力系数在超声速段比装配弹头引信1的弹丸的阻力系数稍大,在亚声速段稍小,总的来说弹头引信头部锥角的变化对阻力系数的影响很小。而弹底外形的变化对阻力系数影响较大。弹底外露部分的缩短会增加阻力系数。此结果与经验公式的变化规律一致,也说明仿真结果是可信的。

2.4弹底外形对阻力系数影响

57mm口径人工增雨防雹弹的弹底引信有凸出的点火装置,分别去掉弹底引信凸出部分和将凸出部分补填至与弹底平滑过渡,其弹底外形如图6所示。零攻角下阻力系数的仿真结果见图7所示。

图7　不同弹底外形对应的阻力系数

由图7可见,在亚声速段外形B所对应的阻力系数大于外形C所对应的阻力系数。在其它马赫数区域两者阻力系数基本吻合,说明当弹底有凸出部位时,其所对应的阻力系数和与其全长相等的弹丸的阻力系数接近,也就是说在全长相等的条件下,弹底引信底部外形的变化对阻力系数的影响很小。而弹底外形A所对应的阻力系数比B和C的要大,说明弹丸长度的缩短会增加阻力系数,与前文论证结果相吻合。

2.5弹顶外形对阻力系数影响

实际上,为了制造及处理上的便利,弹头引信弹顶常带一个小圆角或不大的小平顶形[6]。57mm口径人工增雨防雹弹不同的弹顶外形如图8所示。

图8　弹头引信的不同弹顶外形

对零攻角时装配不同外形弹头引信的弹丸进行阻力系数仿真计算,计算结果见图9所示。

图9　不同弹顶形状下的阻力系数

由图9可知,装配圆头引信和平头引信的两种弹丸的阻力系数曲线比较接近,平头弹丸在亚音速的阻力系数比圆头弹丸稍大,在超音速区域的阻力系数比圆头弹丸的稍小。总的来说,引信顶部外形的变化对弹丸阻力系数影响较小。

2.6对制式弹阻力系数的仿真

对装配榴-2引信的57mm口径高射炮曳光杀伤榴弹建模计算,模型见图10所示,计算结果见图11所示。相对于1943年弹形系数平均值为1.5,文献[8]提供的弹形系数为1.3,考虑到底部曳光管的“底排”减阻效应,这一仿真结果是可信的。

图10　57 mm口径高射炮曳光杀伤榴弹仿真模型

3结论

通过对装配不同外形引信的57mm人工增雨防雹弹的阻力系数进行数值仿真计算,得出以下结论:

1)弹头引信头部锥角增大时,其阻力系数在超声速段稍微增大,在亚音速段稍微减小。但总的来说,弹头引信头部锥角的变化对弹丸的阻力系数影响不大。

2)弹底引信外露部分的长短对弹丸的阻力系数影响较大,外露部分的增长会减小阻力系数。

3)在跨声速和超声速段,弹底引信有凸出部位时,其阻力系数接近于与其全长等长的弹丸的阻力系数。

4)装配圆头和平头两种外形弹头引信的弹丸的阻力系数曲线比较接近,平头弹丸在亚音速阶段的阻力系数比圆头弹丸的稍大,在超音速阶段的阻力系数比圆头弹丸的稍小。总的来说,弹顶形状即弹头引信头部形状对阻力系数影响很小。

参考文献:

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[2]王乐, 宋卫东, 杨晓霖. 底部凹陷对弹丸气动特性的影响 [J]. 计算机仿真, 2013, 30(1): 70-73.

[3]曲素莉. 增雨弹外形气动力数值分析 [J]. 科技信息, 2012(30): 407-408.

[4]闵杰, 郭锡幅. 实用外弹道学 [M]. 北京: 兵器工业部教材编审室, 1986: 17-20.

[5]徐明友. 火箭外弹道学 [M]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社, 2004: 16-17.

[6]华恭, 欧林尔. 弹丸作用和设计理论: 榴弹和迫击炮弹 [M]. 北京: 国防工业出版社, 1976: 149-151.

[7]李鹏飞, 徐敏义, 王飞飞. 精通CFD工程仿真与案例实战 [M]. 北京: 人民邮电出版社, 2012: 170-171.

[8]兵器工业部第三管理局. 炮弹火箭弹手册: 第二分册 [M]. 北京: 兵器工业部第三管理局, 1984: 154-158.

*收稿日期:2015-04-08

作者简介:沈晓军(1989-),男,江苏如皋人,硕士研究生,研究方向:弹药系统工程。

中图分类号:TJ011.2

文献标志码:A

SimulationofInfluenceofFuzeShapeonAerodynamicCharacteristicsofHypersonicProjectile

SHENXiaojun1,WANGYushi1,WENQuan1,XULulin2,LIUYanzhong2

(1SchoolofMechanicalEngineering,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094,China;2JiangjiMinkeIndustryCo.Ltd,JilinJilin132021,China)

Abstract:In order to research the influence of fuze shape on aerodynamic characteristics of hypersonic projectile, Fluent software was used to calculate coefficient of resistance of 57 mm caliber weather modification projectiles with point fuzes and base fuzes of different shapes. The curve of coefficient of resistance and Mach number with different shapes was got. The result shows that the shape of point fuze of 57 mm caliber weather modification projectiles has little influence on the coefficient of resistance; The coefficient of resistance has some difference when the top shape changes, but the influence is small overall. The coefficient of resistance increases when the length of the exposed parts of the base fuze reduces. When the base fuze has a prominent position, the coefficient of resistance of the projectile is close to the projectile whose length is equal to its full length.

Keywords:ammunition engineering; design theory; simulation; resistance coefficient; aerodynamic characteristic; fuze shape; computational fluid dynamics