一种双体导弹气动特性数值模拟*

2020-07-02申遂愿朱清华陈建炜王坤曾嘉楠朱振华丁正原

现代防御技术 2020年3期

申遂愿，朱清华，陈建炜，王坤，曾嘉楠，朱振华，丁正原

(南京航空航天大学直升机旋翼动力学国家级重点实验室，江苏南京 210016)

0 引言

随着科学技术的发展，现代战争对精确打击的要求越来越高，因此导弹的发展越来越受到各个国家的重视[1]。导弹的气动布局决定了整体气动性能[2-4]，因此为了提高导弹的某一方面性能，从气动布局方面进行改进是一种较为有效的方法。研究者们在传统导弹布局的基础上提出了多种新构型导弹布局，如偏转弹头布局导弹[5-11]，弹头只需要偏转较小角度就能够得到较大的机动过载，变后掠翼布局导弹能够较好地适应亚/跨超声速飞行[12]，为了扩大导弹的打击范围及打击效果，本文提出一种双弹体布局导弹(后文简称双体导弹)，该构型导弹具有2个独立的弹体，拥有更大的弹翼面积，能够携带更多的任务载荷且航程更大。

对导弹的气动特性研究方法主要分为风洞试验及数值模拟2种。风洞试验存在测量难度大，试验费用高的问题，同时试验装置对测量结果也存在很大的干扰[13]，而随着计算机技术的快速发展，CFD技术被广泛应用于飞行器的气动特性分析。李小林等[14]采用三维可压雷诺平均的N-S方程(Reynolds averaged Navier-Stokes,RANS方程)分析了MICA导弹各主要气动部件的作用，发现了头部小边条能够增加导弹的过载能力。于勇等[15]采用S-A(Spalart-Allmaras)湍流模型分析了可变翼飞行器在变展长过程中的非定常气动特性。纪录等[16]基于FLUENT软件及非结构网格，采用S-A湍流模型分析了一种导弹在不同马赫数和不同迎角时的升阻力系数及力矩，得到了较好的计算结果。

以上说明CFD方法在导弹气动特性计算方面得到了广泛的应用，并且能够得到较为准确的结果，因此本文在前人的研究基础上，采用非结构网格技术对模型进行网格划分，基于FLUENT软件采用S-A湍流模型分析单体导弹和双体导弹在不同马赫数及迎角状态下的气动特性，并比较2种构型的气动特性差异，为双体导弹气动特性的深入研究提供了基础。

1 双体导弹布局特点

双体导弹拥有2个独立的弹体，从图1中2种构型导弹外形示意可以看出，双体导弹的2个弹体通过中间的弹翼进行连接，同时每个弹体上均有独自的十字形尾翼，其飞行原理与单体导弹类似。双体导弹主要参数如表1所示，其中单体导弹的弹体及弹翼尺寸与双体导弹相同。

图1 2种构型导弹外形示意图Fig.1 Schematic diagram of two types of missiles

表1 双体导弹主要参数
Table 1 Main parameters of the double-body missile

参数数值全弹长度/m3.90弹径/m0.38头罩长度/m1.04弹翼弦长/m0.32弹翼展长/m0.82弹翼位置(前缘)/m1.80中间连接弹翼翼型NACA4412中间连接弹翼翼型展长/m1.12

2 数值计算方法

2.1 网格划分

本文采用ICEM网格划分软件对双体导弹进行非结构网格划分，如图2所示。翼型表面设置附面层网格，第一层为0.01 mm，层数为10层，增长率为1.2。对弹翼前缘及弹体前缘等曲率较大部位进行网格加密，同时为了减少网格数提高计算效率，只在导弹附近流动较为剧烈区域进行网格加密，整体网格数约为700万。

2.2 数值方法

研究双体导弹气动特性时，采用商用软件FLUENT求解基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程，湍流模型采用S-A湍流模型，压力-速度耦合采用simple算法，采用二阶精度的离散格式。边界条件设置为：导弹采用无滑移壁面条件，远场采用压力远场边界。计算工况包括Ma=0.5，1.0，1.5，迎角α=0°～20°。

3 气动特性分析

采用图1中2种导弹构型分析双体导弹气动特性并研究其与单体导弹的气动性能的差异。在气动性能方面，主要考虑导弹升力L，阻力D及俯仰力矩系数Cm，其计算公式为

(1)

图2 双体导弹网格Fig.2 Mesh of the double-body missile

式中：M为力矩;ρ为空气密度;v为速度;S为弹翼投影面积;Ca为弹翼特征长度。

图3～5表示了2种构型导弹不同马赫数及迎角下的气动特性。可以看出，随着迎角的增大，2种构型导弹的升力均上升，且小迎角装状态下升力较小，上升速度快，迎角较大时升力上升速度较小趋于平缓，同一状态下双体导弹的升力超过了单体导弹升力的2倍，说明2个导弹体之间的连接弹翼提供的升力超过了两侧弹翼的升力；随着迎角的增大，2种构型导弹阻力在逐渐减小，且随着马赫数的增加减小幅度在变小但整体阻力增加较大，从升阻比曲线可以看出，双体导弹的升阻比略小于单体导弹的升阻比，且随着迎角的增大差值在增大，说明双体导弹虽然能够产生更大的升力但其所增加的阻力值也较大；同时，整体俯仰力矩系数随着迎角的增大而增加较大。