自旋尾翼对导弹气动特性影响分析

刘伟 刘玉祥

摘 要： 通过对鸭式布局自旋尾翼与固定尾翼导弹的对比分析，得出了鸭式布局导弹在鸭舵副翼偏角下不仅有副翼反效现象，而且存在副翼效率放大的效果，通过分析得出了造成这种副翼放大效应的机理。通过CFD动网格技术模拟尾翼旋转的流场得出全弹压心随尾翼旋转呈现正余弦变化规律，并得出了旋转布局导弹宜采用大展弦比布局以减小这种压心随尾翼旋转角度的变化量，研究结果可为鸭式旋转尾翼导弹布局设计以及鸭式旋转弹设计提供一定的参考作用。

关键词： 鸭式；旋转弹翼；副翼效率；压心

1引言

鸭式布局是导弹常用气动布局形式之一。在控制性能上，鸭式布局导弹具有纵向操纵效率高、过载响应速度快的优点。鸭式布局的主要缺点是由于存在“副翼反效作用”，使得导弹难以进行滚动控制[1～2]。自旋尾翼是通过把尾翼安装在旋转轴承上，使得尾翼可以绕弹体纵轴自由旋转，从而有效抑制弹翼上的滚动力矩传递弹体。在要求高精度控制的战术导弹上采用自旋尾翼方式最具发展前途。

2鸭式布局导弹滚动力矩分析

2.1自旋尾翼对导弹滚动操纵力矩影响分析

如图1所示为尾翼固定与尾翼旋转情况风洞试验结果导弹滚动力矩对比图；图中给出了风洞试验中尾翼固定以及尾翼自由旋转情况下舵面滚动操纵力矩系数。可以看出当尾翼自由旋转时，导弹副翼舵偏引起的滚动力矩系数随攻角变化基本趋于平稳，导弹具有较好的滚动操纵力矩。

当尾翼固定时，导弹滚动力矩随攻角变化剧烈，在2°攻角以内导弹操纵力矩系数基本为正，即存在副翼反操纵现象。当攻角10°后固定尾翼时滚动操纵力矩却大于自由旋转尾翼情况的滚转操纵力矩，这里称这种现象为“副翼放大效应”，以下分析了一种典型的鸭式布局导弹滚动力矩特性。

2.2鸭式布局导弹流场数值模拟

为分析“副翼放大效应”现象这里采用数值模拟的方法计算了在导弹3°副翼偏角、10°攻角、固定尾翼情况下的流场。

计算结果如表1所示，分别给出了四片尾翼与四片舵面上滚动力矩系数。

表中数据显示两片有副翼偏角的舵面合成产生了较大的滚转力矩，这属于正常情况，但同时也可以看到四片尾翼合成效果也产生了一个与舵面力矩同向的滚转力矩。用小攻角鸭舵下洗的理论分析，尾翼应在舵面下洗流的作用下产生一个与舵面滚转力矩相反的滚动力矩；而实际上此时导弹在中等攻角，尾翼产生的滚动力矩却与舵面滚动力矩方向相同，从而起到了“副翼放大效应”的作用。其次与副翼舵2、舵4在同一平面内的翼2、翼4产的滚动力矩几乎是出于对称状态，并没有收到副翼舵偏下洗气流的影响。反而是处于背风面的翼1产生了一个与舵面同向的滚动力矩，在全弹滚动力矩表现上形成了圖1所示的滚动力矩系数曲线结果。为了分析处于水平面的副翼舵偏如何影响处于背风面的尾翼，图2给出了导弹局部流线图。

如图2所示，导弹在中等攻角下由于横流作用，弹体背风面出现了两个明显的分离涡。从涡核位置可以明显判断出左侧涡强度大于右侧涡强度属于非对称分离现象。一般情况下导弹背风面非对称分离涡现象出现在大攻角情况，而鸭式布局导弹由于副翼舵偏主动打破了导弹流场左右对称状态。沿舵2、舵4平面方向，舵4前缘下偏将产生上洗气流，舵2前缘上偏将产生下洗气流。这导致图中弹体左侧当地攻角增大，分离提前左侧分离涡更大；弹体右侧当地攻角减小，分离滞后右侧分离涡小，因此出现了图2所示的背风分离涡不对称现象。从图2可以看到这一对不对称的背风分离涡中，左侧分离涡在靠近弹体表面附近吸取了来自右侧分离涡的大量气流，因此在位于弹体尾部两个分离涡之间的1号尾翼上形成一个当地正向侧滑角，产生了一部分指向左侧的力，从而形成了与4号舵同向的滚动力矩。

3自旋尾翼对全弹纵向压心影响分析

本文利用CFD动网方法模拟计算了尾翼在以一定角速度旋转情况下导弹流场。结果显示

弹翼旋转对导弹压心有比较小的影响量，成周期性变化规律，类似正余弦规律。从变化的周期来看大体在90°周向角左右，这正好与弹翼旋转角度周期吻合。此时导弹在十字状态和×字状态角度差为45°，此两种状态对应于压心变化曲线的波峰与波谷。自旋尾翼压心随尾翼旋转变化范围对应于尾翼处于十字状态和×字状态的压心差别，而这种差别量的大小主要取决于尾翼展弦比、尾翼展长与弹径比以及尾翼与导弹质心距离。因此，为了抑制自旋尾翼的这种不利影响，在导弹气动外形设计过程中应充分考虑以上因素。

4结论

本文通过对鸭式布局旋转弹翼与固定弹翼导弹的对比分析，得出了鸭式布局导弹在鸭舵副翼偏角下不仅有副翼反效和副翼效率低的现象，而且存在副翼效率放大的效果。利用CFD计算的方法分析得到了造成这种放大效果的原因即：不同控制面与升力面之间交叉耦合影响。其次得出了鸭式布局导弹在下洗影响攻角以外，副翼操纵力矩开始得到恢复可以在一定副翼舵偏以内对导弹进行滚转控制。

通过CFD动网格方法模拟计算了尾翼旋转时流场，得出全弹压心随尾翼旋转会有一定的变化，且成正余弦变化规律，这种变化量的大小和尾翼展弦比、尾翼展长与弹径比以及尾翼与导弹质心距离相关，在自旋尾翼鸭式布局导弹气动外形设计过程中应充分考虑以上因素。

参考文献

[1] 祈载康. 制导弹药技术[M].北京：北京理工大学出版社，2002.

[2] 吴甲生， 雷娟棉. 制导兵器气动布局发展趋势及有关气动力技术[J].北京理工大学学报， 2003，23（6）：665-670.

[3] 吕国鑫. 飞航导弹气动设计[M].北京： 宇航出版社，1991.

[4] 雷娟棉，居贤铭.自旋尾翼鸭式布局导弹的滚转特性[J]. 北京理工大学学报，2004，24（8）657-659.