二维修正迫弹的气动特性及修正能力研究*

2019-08-22吴玉斌郝永平张嘉易

弹箭与制导学报 2019年2期

潘雷，吴玉斌，郝永平，张嘉易，陈闯

(沈阳理工大学装备工程学院，沈阳 110159)

0 引言

修正弹由于其造价低、命中精度高，能大幅提高作战效能，迅速成为了各国研究的热点[1]。迫击炮自20世纪投入战场以来，一直是伴随和支援步兵作战的有效的火力压制敌人的武器[2]。虽然近年来火炮发展迅速，但迫击炮弹由于其战术灵活性以及经济性等原因，仍然活跃在各类战争中。但是其同时也具有射程近、精度差等缺点[3-5]。所以为了让迫击炮弹具有更高的命中率，文中通过在迫击炮弹弹头处加装鸭舵式修正机构，运用气动以及动力学联合仿真的方法，对修正迫击炮弹的修正能力进行研究。

1 仿真模型的建立

现在以某型迫弹为例，分别建立了普通迫弹和加装鸭舵的二维修正迫弹，如图1所示。

其中鸭舵机构如图2所示，分为两对舵片，呈十字形分布。

其中一对为同向舵，另一对为差动舵。鸭舵机构的修正原理是[6]：弹丸在飞行过程中，由于弹丸头部的鸭舵机构存在一定的舵偏角，气动力作用在同向舵上的为方向相同的两个力F1和F2，合力产生修正力。作用在差动舵上的力为F3和F4，对鸭舵质心产生合力矩T，保证鸭舵机构产生微旋。

2 弹丸气动特性分析

弹丸气动仿真过程如下：将建立好的几何模型导入Gambit，建立外场区域，进行网格划分及边界条件的设置。再导入到FLUENT中进行求解设置，开始迭代计算。等到残差收敛曲线趋于平缓，即可进行数据的提取。

图1 弹体模型

图2 固定鸭舵三维模型图

数值模拟的计算条件为：

1)马赫数：Ma=0.25,0.5,0.75,1。

2)攻角：α=0°,2°,4°,6°,8°,10°。

分别对弹丸的阻力系数、升力系数和俯仰力矩系数进行分析，以攻角α=4°,Ma=1为例，对提取数据进行对比，其结果如下：

1)有无鸭舵对迫弹阻力系数的影响。

图3 阻力系数与马赫数的关系

如图3所示，无论有无鸭舵，弹丸的阻力系数都是随着马赫数的增加而增大，随着攻角的增大而增大，在Ma=1时，升力有着明显的提升，符合阻力系数曲线变化特点[7]。并且相同马赫数和攻角的情况下，二维修正迫弹的阻力系数始终大于普通迫弹。

2)有无鸭舵对迫弹升力系数的影响。

如图4所示，两种弹丸的升力系数均随着马赫数的增加而增大，随着攻角的增大而增大，且二维修正迫弹的升力系数始终大于普通迫弹。

图4 升力系数与马赫数的关系

3)有无鸭舵对迫弹俯仰力矩系数的影响。

图5 俯仰力矩系数与马赫数的关系

从图5可以看出，俯仰力矩系数的变化趋势是随着马赫数的增加而增大，随着攻角的增大而增大，并且普通迫弹的俯仰力矩系数始终大于二维修正迫弹。

从以上分析可以看出，安装鸭舵对弹丸的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数都存在着影响。其中二维修正迫弹的升力系数、阻力系数和俯仰力矩系数均大于普通迫弹。

3 动力学特性仿真分析

3.1 修正弹稳定性分析

迫击炮弹属于尾翼稳定的飞行方式[8]，就是利用尾翼作用使弹丸的压力中心移到质心之后，由此形成的章动力矩使章动角减小。

根据新40法得知尾翼弹的稳定性条件为[9]：

(1)

式中:xp为压力中心至弹顶的距离；xc为质心至弹顶的距离。

由外弹道学相关资料可知[10]，压力中心随着马赫数的变化而变化，其中在Ma=1时达到最前点，通过FLUENT计算得到，在Ma=1时，xp=515.5 mm，xc=353.5 mm，所以B=21.6%，符合尾翼弹稳定性的要求，因此可以认为加装鸭舵机构的二维修正迫弹可以稳定飞行。

3.2 普通迫弹与二维修正迫弹弹道分析

根据前面的气动分析可知，由于弹丸的气动力系数都发生了变化，所以弹丸的各项力矩也发生了相应的变化，其飞行轨迹也会有所不同。

已知迫击炮弹全装药时，速度V=341 m/s，最远射程的射角为45°，在此条件下分别对普通迫弹及装有鸭舵的二维修正迫弹进行动力学仿真。对于二维修正迫弹，在弹丸出炮口后通过电机作用对鸭舵进行微旋控制。仿真得到普通迫弹与二维修正迫弹弹道数据如表1所示。

表1 光弹和修正弹数据对比

射程射高变化过程如图6所示，侧偏变化如图7所示。

图6 迫弹与修正弹纵向弹道轨迹对比

由表1、图6和图7可知，在45°射角的情况下，加装鸭舵后弹丸的射程减小了330 m，最大射高减小了68 m。侧偏增加了39 m，着地速度减小了8 m/s，飞行时间减少了0.8 s。由于鸭舵机构的存在，增大了弹丸机构的受力面积，导致弹丸所受阻力的增加，使飞行距离及射高减少，考虑到微旋的鸭舵机构产生了赤道阻尼力，使弹丸的侧偏有所增加。