舵片修正弹丸气动特性仿真研究

汪亚利，邵伟平，郝永平，许　巍，郝　启，赵建斌

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳　110159)



舵片修正弹丸气动特性仿真研究

汪亚利，邵伟平，郝永平，许巍，郝启，赵建斌

(沈阳理工大学 机械工程学院，沈阳110159)

摘要：为了研究舵片修正弹丸的气动特性，建立了不同舵高和舵偏修正弹丸的三维模型，利用有限元分析和动力学仿真软件对弹丸模型进行分析和仿真，得出舵片不同高度、不同舵偏的弹丸在不同攻角、不同马赫数下的气动特性和不同舵片高度和不同舵偏角弹丸的气动特性变化规律，弹丸的气动力特性随舵片高度和舵偏角的变化而变化，其中50 mm高的舵片较其他舵片对弹丸阻力以及升力的影响较大，而8°舵偏角较其他舵偏角对偏航特性的影响较大。

关键词：舵高；舵偏角；舵片修正；气动特性

本文引用格式：汪亚利，邵伟平，郝永平，等.舵片修正弹丸气动特性仿真研究[J].兵器装备工程学报，2016(6):65-68.

Citation format:WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, et al.Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):65-68.

在现代化战争中精确打击弹药越来越发挥其强大的作用并且占有绝对的优势，但是以导弹为代表的精确打击武器以其造价昂贵等特点无法大规模装备使用，而二维弹道修正弹以其成本低且精度高的特点被世界各国追捧[1]。弹道修正弹最早由美国在20世纪70年代中期提出，这种炮弹当时被称作“末端修正旋转稳定弹(TCSP)”，随着导航与微电子技术的发展，GPS接收机和数据传输设备的小型化程度不断提高，弹道修正弹也得到了长足的发展[2,11]。目前，美国、英国、法国、瑞典等国家都在进行弹道修正引信的研制，研制成功后可将大量的现役常规炮弹转化为“灵巧”炮弹，射击精度提高3倍以上[3]。国内，一维弹道修正技术已经相当成熟，二维弹道修正技术也在不断的发展与完善，已经提出了完善的基于鸭舵技术的二维弹道修正引信方案，在气动力方面有些采用鸭舵修正引信的旋转稳定炮弹修正能力，有些采用可旋转鸭舵影响旋转弹丸纵向气动特性，有些则采用阻力环和鸭舵来改变二维弹道修正弹的气动特性[4-5]。

微小型推进器修正和鸭舵式修正是两种主要的二维弹道修正方式，其中微小型推进器的集成技术较复杂、集成难度系数较大，所以鸭舵修正技术成为了二维弹道修正技术的主导方式[6]。在弹丸进行修正时，其整体弹丸的气动特性对弹丸飞行稳定性和修正能力具有较大的影响，所以在进行修正之前必须先对其整体气动特性进行分析。

本文以某高速旋转弹丸为研究对象，使用固定式鸭舵对其进行二维弹道修正。分析了不同舵高时修正弹丸的气动特性，包括阻力系数、升力系数在不同攻角、不同马赫数下的变化规律，以及不同舵偏角对弹丸修正特性的影响，然后根据不同情况下的弹丸压力云图更直观地分析了弹丸的气动特性，最后将仿真数据进行后处理，得出三维后处理结果图验证仿真结果的合理性。

1　舵片修正弹丸工作原理

二维弹道修正弹的修正机构主要包括四大部分，分别是舵翼、探测系统、控制系统和引信激发装置[7]。对修正起执行作用的为两对舵片，其为非对称的两对翼片，带有一定的舵偏角，其中一对为减旋舵，另一对为修正舵[8]。在弹丸发射之前将目标点的相关参数输入弹丸引信。当弹丸发射后，结合目标参数和发射的初始条件弹载系统计算出理想弹道；在弹丸飞行过程中，探测装置将实际的弹道参数发送至弹载系统，从而计算出实际弹道并与理想弹道进行对比；当实际弹道偏离理想弹道一定距离时，修正机构将控制舵片进行减旋，当减旋舵受到空气动力作用时使得引信的滚转力矩与弹体旋转方向相反，为控制引信提供部分动力；然后将舵片固定在某特定位置，这时由于风吹向舵片给修正舵片一定的力，所以修正舵会为修正提供部分动力，从而使得弹丸飞行轨迹得以修正。通过改变舵片固定时的位置进行弹道的横向和纵向的修正[9-10]。图1为二维弹道修正原理图。

图1　为二维弹道修正原理图

可见修正舵片主要是靠空气动力提供修正力，而不同高度的舵片飞行过程中迎风面积不同，所受空气动力不同，导致不同舵高对弹道的修正能力不同，所以对不同舵高的修正弹丸进行气动性分析、研究其变化规律并合理选择舵片高度是保证打击精度的一个重要因素。

2　不同舵高弹丸气动特性分析

当二维修正弹的修正鸭舵舵偏相同而舵高不同时，会对修正弹的气动特性产生一定的影响，并且不同舵高产生的影响也是不同的，直接影响着弹丸阻力系数、升力系数的变化规律。由于整体修正弹丸的气动特性变化，可能导致弹丸在飞行过程中出现翻转不稳定、过稳定甚至掉弹等情况，影响弹丸的打击精度和打击能力。所以，选择合理的舵高也是保证弹丸整体气动布局设计合理的重要条件。

为了分析固定式鸭舵舵片高度对弹丸的整体气动特性的影响并确定合理的舵片高度，本文以某高速旋转弹为研究对象，设计了舵片形状、位置、偏角等相同但舵片高度不同的几组仿真模型。以下为舵片(图2)及整体弹丸(图3)模型图。

图2　舵片模型图

图3　弹丸整体模型图

现建立舵偏角为6°，舵片高度分别为45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm的仿真模型进行气动仿真，得到图4～图11。

图4　0°攻角不同马赫数下舵片高度与升力系数的关系

由图4可以看出除了60 mm及65 mm的弹丸，其他舵高的弹丸整体升力系数均随马赫数增大先迅速下降然后再缓慢上升；在0.5～1 Ma时舵高为50 mm的弹丸升力系数最高而65 mm舵高的弹丸升力系数最低，在1.5 Ma时弹丸升力最低(除60 mm舵高弹丸)。

图5　2.75 Ma不同攻角下舵高与升力系数的关系

由图5可以看出不同舵高弹丸的升力系数均随攻角的增大而增大，在0～8°攻角下所有舵高弹丸的升力系数基本相同，而10°攻角下的升力系数不同，其中65 mm舵高弹丸最高、45 mm舵高弹丸最低。

图6　0°攻角不同马赫数下舵片高度与阻力系数的关系

由图6可以看出不同舵高弹丸的阻力系数均随马赫数的增大先迅速增大然后再缓慢减小，在1.5～3 Ma时65 mm舵高弹丸的阻力系数最大而50 mm舵高的阻力系数最小。

图7　2.75 Ma不同攻角下舵高与阻力系数的关系

由图7可以看出不同舵高弹丸的阻力系数均随攻角的增大而增大，0～10°攻角下65 mm舵高弹丸的阻力系数最大，2～8°攻角下55 mm舵高弹丸的阻力系数最小。

45 mm、55 mm、65 mm舵高弹丸的压力云图如图8，从图8可以看出：不同舵高对弹丸周围整体压力变化影响是很明显的:

图8　45 mm、55 mm、65 mm舵高时压力云图

3　不同舵偏弹丸偏航特性分析

由于舵片为修正弹的修正机构，而本文研究的是非对称的固定鸭舵式旋转弹，所以不仅舵片高度对弹丸的气动特性和修正能力有一定影响，舵片的偏转角度也是影响弹丸气动特性和修正能力的一大重要因素。现以舵高均为55 mm舵偏角分别为4°、6°、8°的修正弹丸为研究对象，重点分析舵片的偏转角度对弹丸偏航特性的影响。图9为0°攻角不同马赫数下不同舵偏角弹丸的偏航系数的变化规律，图10为2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角弹丸的偏航系数的变化规律。

图9　0°攻角不同马赫数下不同舵偏角弹丸的偏航系数

由图9可以看出4°、6°偏角的变化规律基本相同，偏航系数也相差不大，而8°舵偏弹丸的偏航系数较4°、6°舵偏的弹丸相差甚大且变化规律不也相同。也就是说，当舵偏角大到一定范围时，对弹丸偏航特性的影响非常大，这也是造成弹丸弹道偏航距离过大和打击精度不高的一个重要原因。

图10　2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角弹丸的偏航系数

由图10可以看出同一舵高不同舵偏弹丸的偏航系数均随着攻角的增大而增大，0～2°攻角时速度增大幅度大于4～6°攻角时的速度增大。4°、6°攻角的偏航系数较6°攻角的偏航系数很小，所以大攻角对弹丸的偏航特性的影响是非常大的，所以选择合理的舵偏角可以提高弹丸的打击精度。

以下为同一舵高舵偏4°、6°、8°弹丸的压力云图(图11)，从图中可以看出舵片偏角越大对弹丸周围整体压力的影响越大。

图11　同一舵高舵偏4°、6°、8°的压力云图

从以上分析可以看出，舵片高度和舵偏角对弹丸整体气动特性的影响非常明显，舵片高度主要影响弹丸的升力、阻力，而舵片偏角主要对弹丸的偏航特性影响较大，偏角越大偏航系数越大，弹丸的打击精度越低。结合弹丸整体的压力云图更直接清晰地分析了不同舵片高度对弹丸气动特性的影响以及不同舵偏对弹丸偏航特性的影响。

4　仿真结果后处理

现以6°偏角55 mm高舵片弹丸为列，对弹丸仿真数据进行后处理，并将得出的数据与理论值进行对比，图12～图14分别为弹丸阻力、升力以及偏航力的三维后处理图。

图12　阻力的三维后处理图

图13　升力的三维后处理图

图14　偏航力的三维后处理图

从图12～图14可以看出，经过气动力仿真得到的数据基本符合弹丸气动力的计算数值。

4　结论

本文重点探讨了鸭舵式修正机构二维修正弹的气动特性，首先建立了不同舵片高和不同舵片偏角的三维模型，然后对所建的三维模型进行了气动力仿真分析，得出弹丸在不同攻角和不同马赫数下的气动特性数据。通过对数据的处理和分析得出了弹丸在不同修正机构下的气动特性变化规律。

综上得出，弹丸的气动力特性随舵片高度和舵偏角的变化而变化，其中,亚音速下50 mm高的舵片弹丸的升力系数最大，超音速下60 mm高的舵片弹丸的升力系数最小；超音速下65 mm高的舵片弹丸阻力系数最大而50 mm高的舵片弹丸最小；较其他舵偏角的弹丸，8°舵偏角的弹丸的偏航系数远大于其他偏角，即舵片偏角越大弹丸的打击精度越低。

参考文献：

[1]吴萍，陈少松，杨晋伟，等，杜学伟.旋转控制固定鸭舵二维弹道修正弹气动特性[J].弹道学报，2014,26(3):63-68.

[2]张民权，刘东方，王冬梅，等.弹道修正弹发展综述[J].兵工学报，2010，31(12)：127-130.

[3]李岩，王中原，易文俊，等.基于鸭式布局的有控弹药攻角运动仿真研究[J].南京理工大学学报，2009,33(2):25-29.

[4]杨慧娟，霍鹏飞，黄峥.弹道修正弹修正执行构综述[J].四川兵工学报，2011,32(1)：7-9.

[5]邵盼，郭煜洋，郝永平，等.鸭舵修正机构舵偏角选择方法[J].弹箭与制导学报，2014,34(6):101-105.

[6]陈健，凌有铸.矢量细分的双控制器永磁同步电机直接转矩控制系统研究[J].重庆工商大学学报(自然科学版)，2015(10):68-72.

[7]郝永平，郭煜洋，张嘉易.二维弹道修正弹修正机构气动布局研究[J].弹箭与制导学报，2013,33(6):121-124.

[8]史金光，王中原，常思江，等.二维弹道修正弹修正方法[J].海军工程大学学报，2010,22(4).

[9]WILLIAMB,ETANB,KARNID.ACamberedBodyMethodforMissileDatcom.AIAA-2005-4971[R].2005.

[10]GLEISSLR,DESLANDESR,BAETENA.AssessmentofMissilePlumeImpactCharacteristics,AIAA2007-675[R].2007.

[11]CURTISPM,BRETTRD.OptimalControlSolutionforDual(tailandcanard)ControlledMissiles[R].AIAA,2006-6569.

[12]MICHAELS,HOLLISL.DesignandAnalysisofaPrototypeRangeCorrectionDeviceforaMortarProjectile[R].ARL-MR-411,1998.

(责任编辑周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.015

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-01-20

作者简介：汪亚利(1990—)，女，硕士研究生，主要从事弹道修正技术研究。

中图分类号：TJ760.35

文献标识码：A

文章编号：2096-2304(2016)06-0065-05

Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile

WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, XU Wei, HAO Qi, ZHAO Jian-bin

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:For studying the pneumatic character of the steering-corrected projectile, 3D model of different height and rudder angle of steering was established. The model of projectile was analyzed and simulated by using finite element analysis software and dynamics simulation software and resulted the pneumatic character about the projectile of different height and different rudder angle under different deflected angle and different velocity, and variational law of pneumatic character. The resistance is obtained and that the lift force is mainly influenced by the 50 mm height of steering, and the character of deviation is mainly influenced by the 8 degree deflected angle.

Key words:height of steering; rubber angle; steering-correction; pneumatic character