航空拖曳誘餌空氣動力及動態特性

蘆艷龍 童中翔 王超哲 蔣 赟

(空軍工程大學 工程學院,西安 710038)

航空拖曳誘餌空氣動力及動態特性

蘆艷龍 童中翔 王超哲 蔣 赟

(空軍工程大學 工程學院,西安 710038)

航空拖曳式誘餌與被保護載機的相對空間位置及投放使用方法是誘餌能否成功干擾導彈的關鍵因素.針對傳統有限段法的不足,提出改進的拖纜有限段法,將拖曳式誘餌的動態運動特性問題轉變為拖曳線與拖曳飛機航跡軸系的夾角動態計算問題.通過分析拖曳飛機的速度矢量與拖曳線的幾何關系,建立了拖曳式誘餌對拖曳載機的動態跟隨模型.仿真計算了拖曳飛機機動飛行時,拖曳式誘餌的動態運動特性,結果證明算法簡單有效,較好地模擬了其動態跟隨特性.

拖曳式誘餌;動態特性;空氣動力;計算機仿真

國外拖曳式誘餌 ALE-50/55等已經裝備部隊,在對抗導彈攻擊時,發揮了重要的作用.目前,我國也處在研制和試驗該型誘餌階段.誘餌能否干擾成功,首先取決于誘餌是否位于導彈導引頭視場角內,因此,誘餌和載機的相對空間位置就顯得至關重要.計算二者的相對位置主要有以下幾種模型[1]:“直線線性彈簧模型”,只近似考慮了彈性變形因素,但沒有考慮拖曳線的重量和動力特性;“剛化柔性懸索模型”,只考慮了拖曳線的重量和彎曲變形因素,模型簡單,便于計算,但沒有考慮拖纜的伸長變形以及空氣動力的影響;“等距約束模型”,既沒有考慮拖曳線的重量及空氣動力因素,也沒有考慮拖曳線的伸長和彎曲變形因素;“剛化柔性體模型”,分析了拖曳線的自身重量及空氣動力和彎曲變形的因素,但模型較繁瑣,計算復雜,且沒有考慮拖曳線伸長變形的情況;“完全柔性體模型”,雖然最完備,但模型中出現了多種耦合因子,使得模型的建立與求解變得非常困難.文獻[2]模型以有限元法為基礎,采用有限差分法進行數值求解;文獻[3]將多體系統動力學理論直接應用于纜索,提出了有限段法,該算法應用了多剛體理論,但沒有考慮拖曳線的特點,文獻[2-3]提到的兩種方法模型復雜,計算量較大,都不滿足誘餌研制階段快速仿真要求.

另外,國內文獻著重研究水下拖纜系統的運動特性[4]以及航空拖曳誘餌的電磁干擾特性,都取得了許多成果,但在航空拖曳誘餌動態特性這一領域的研究較少,所以本文在參考以上文獻的基礎上,提出一種航空拖曳式誘餌動態運動快速準確的計算模型,來計算航空空間和臨近空間誘餌和載機的相對空間位置,最后通過仿真算例分析,證明模型的正確性和適用性.

1 總體建模思路

拖曳系統是由拖曳式誘餌、拖曳線,拖曳飛機3者組成的多體約束系統,結構如圖 1所示.

圖 1 拖曳系統示意圖

當拖曳飛機飛行時,拖曳線在誘餌氣動拉力的作用下,近似為直線,故只考慮其伸長變形即可.這是因為航空拖曳式誘餌一般質量較小,拖曳線使用光纖等質量較輕的材料.欲求拖曳式誘餌與拖曳載機的相對位置,只需求出拖曳線與拖曳飛機航跡軸系的兩個偏轉角度仰角 αT和偏角βT,這兩個角度的定義詳見文獻[5],通過這兩個角度即可算出拖曳式誘餌在拖曳飛機航跡坐標系中的坐標,進而得出該誘餌在地軸系中的坐標.為了研究方便,將拖曳飛機運動特性分為兩種,穩定直線飛行和機動飛行,其中穩定直線飛行部分(靜態特性)詳見文獻[5],下面主要研究拖曳飛機機動飛行部分(動態特性).

1.1 拖曳飛機水平面機動飛行

拖曳飛機水平面速度矢量與拖曳線幾何關系分析如圖 2[5]所示.

飛機機動前,xh軸和 AB在同一個鉛垂面內,故 βT=0.如圖 2所示,將 V′h和 α′h分別向 Oxh,Ozh軸上進行分解投影.v′hx+a′hx與機動前速度方向 xh軸重合 αT的計算見文獻[5].

則 zh軸上的等效平均速度大小[6]為

圖 2 拖曳飛機水平面速度矢量與拖曳線幾何關系

式中,L為拖曳線長度.

1.2 拖曳飛機鉛垂面機動飛行

拖曳飛機鉛垂面速度矢量與拖曳線幾何關系分析如圖 3所示.

圖 3 拖曳飛機鉛垂面速度矢量與拖曳線幾何關系

如圖 3所示 ,βT=0,v′hx+a′hx與機動前速度方向 xh軸重合,仰角 α0,α1的計算見文獻[5].

從圖2中可以看出，當沙門氏菌純培養物濃度為5.6×107CFU/g～5.6×104CFU/g時，熒光曲線出現明顯的擴增峰，儀器自動判定為陽性；當培養物濃度為5.6×103CFU/g時，熒光曲線平緩，未出現擴增峰，判定為陰性。因此，研究所建立RF-LAMP檢測人工污染肉制品的檢出限為5.6×104CFU/g。

yh軸上的平均速度大小 v-hy計算公式同式(1).由于 v-hy的方向不垂直于拖曳線 AB,則

式中,ωα為拖曳線繞 Ozh軸轉動角速度.

1.3 拖曳式誘餌動態特性

當拖曳飛機鉛垂面水平機動飛行時,對鉸接A點的俯仰力矩分析如圖 4所示.

圖 4 鉸接A點俯仰力矩分析

當拖曳飛機速度矢量改變時,誘餌力矩不再平衡,則有

式中,I=1/3mD×L2+mT×L2為拖曳線和誘餌系統的轉動慣量,mD為拖曳式誘餌質量,mT為拖曳線質量;εαT為拖曳線繞 Ozh軸轉動角加速度[6].

式中,Cq為誘餌垂直于 AB的側向氣動阻力系數;vαT為誘餌垂直于 AB的速度大小[7];S為誘餌浸潤面積.

偏轉力矩分析同理.

1.4 拖曳式誘餌地面坐標計算

設鉸接 A點在飛機航跡坐標系中坐標 rA,鉸接 A點相對飛機重心的位置如圖 5所示.

圖5 鉸接A點在飛機體軸系中位置

誘餌在拖曳飛機航跡坐標系中的坐標 r為

拖曳式誘餌在地軸系中的坐標 rg為

式中,rP為拖曳飛機重心地軸系坐標為飛機航跡軸系到地面軸系的坐標轉換矩陣.

2 仿真實驗分析

取拖曳線密度 ρT=0.2kg/m;拖曳線初始長度 L0=80m;mT=50 kg;誘餌的縱向阻力系數Cx=0.3;Cq=16.65;S=0.2m2;拖曳線彈性剛度KS=2000N/m.

算例 1 設拖曳飛機在高度1,3,5km穩定直線飛行,在誘餌實際開發中,由于拖曳線的可靠性問題很重要,所以必須計算拖曳線的拉力特性,算法見文獻[5].

圖 6中上半部分 θ=30°,a=5m/s2,在 1 km高度時,拉力從 1856N非線性增加到6458N,高度每增加 1km,拉力增大約 1150N.結果表明隨著高度的增加,拉力非線性地減小.下部分 θ=0,α=0.相比上半部分,拉力減小幅度約為 31%.

圖 6 拖曳線拉力與拖曳飛機速度關系

算例 2 當拖曳飛機水平定常盤旋飛行時,可以通過側向平均速度的計算,間接描述誘餌的動態跟隨特性,取飛機高度 5km,速度 250m/s,航向角速度分別為 1,3,6(°)/s時,計算誘餌側向動態特性.

圖 7表明隨著航向角速度的增加,速度分量在拖曳線上偏轉分量非線性增加,故拖曳線進入穩定狀態的側向平均速度和時間都呈非線性增大.側向平均速度穩定值分別為 1.5,4.1,8.4;所需的穩定時間分別為 0.8,1.2,1.5 s.

算例 3 取拖曳飛機平飛加速區間為 200～250m/s,仿真計算仰角的動態特性.

圖 8分別在加速度為 3m/s2,1m/s2時進行計算,由于加速度增大,氣動力和慣性力增大,使俯仰力矩增大,仰角能夠較快地逼近穩定值,其震蕩幅度隨著時間逐漸衰減.

圖 7 側向平均速度與時間關系

圖 8 拖曳仰角隨時間變化關系

圖 9 拖曳俯仰角速度隨時間變化關系

圖 10 拖曳俯仰角加速度隨時間變化關系

由圖9、圖10可見,拖曳仰角角速度、角加速度的震蕩幅度隨著時間逐漸衰減,氣動阻尼系數越大,衰減越快.

3 結 論

通過分析拖曳飛機的速度矢量與拖曳線的幾何關系,建立了拖曳式誘餌對拖曳載機的動態跟隨模型,并進行了仿真實驗,結果表明:①航跡俯仰角和加速度相對高度對仰角和拖曳線拉力的影響較大.②在高度 5km,速度 250m/s時,隨著航向角速度的增加,拖曳線進入穩定狀態的偏角和時間都非線性增大.航向角速度每增加 1(°)/s,偏角穩定值增加約 0.31°.③由誘餌動態擺動特性仿真得出,約 100 s后,誘餌趨于穩定,除此之外,大氣擾動的影響不能忽略,這部分研究將在以后進行.

References)

[1]Ken Norlin and Jim Murray.Simulations in support of towed flight demonstration[J].National Aeronautics and Space Administration,1998,35(103):85-89

[2]Allow C M,Schechter S.Numerical simulation of undersea cable dynam ics[J].Ocean Engrg,1983,10(6):443-457

[3]Kammen JW,Huston R L.Modeling of submerged cable dynamics[J].Computers and Structures,1985,20(103):623-629

[4]王飛,黃國木梁,鄧德衡.水下拖曳系統的穩態運動分析與設計[J].上海交通大學學報,2008,42(4):679-684 Wang Fei,Huang Guoliang,Deng Deheng.The design and steady state simulation of underwater towed system[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2008,42(4):679-684(in Chinese)

[5]蘆艷龍,童中翔,于錦祿,等.拖曳式誘餌運動特性建模與仿真計算[J].飛行力學,2010,28(5):24-26 Lu Yanlong,Tong Zhongxiang,Yu Jinlu,et al.Modeling and simulation calculation for movement characteristic of towed decoy[J].Flight Dynamics,2010,28(5):24-26(in Chinese)

[6]哈爾濱工業大學理論力學教研室.理論力學[M].北京:高等教育出版社,2002:189-193 Harbin institute of technology academic mechanics staff room.Academic mechanics[M].Beijing:Higher Education Press,2002:189-193(in Chinese)

[7]方振平,陳萬春,張曙光.航空飛行器飛行動力學[M].北京:北京航空航天大學出版社,2005:105-108 Fan Zhenping,Chen Wanchun,Zhang Shuguang.Aviation aerocraft flight dynamics[M].Beijing:Beijing Aeronautics and Astronautics Press,2005:105-108(in Chinese)

(編 輯 :李 晶)

Aerodynamic and dynamic characteristics of aeronautic towed decoy

Lu Yanlong Tong Zhongxiang Wang Chaozhe Jiang Yun

(Engineering Institute,Air Force Engineering University,Xi'an 710038,China)

The relative space position between aviation towed decoy and plane which is protected and release method of aviation towed decoy are the main factors that influence the result when missile is jammed by decoy.A new finite segment method was developed to make up the deficiencies of conventional finite segment method.Aerodynamic movement characteristics of aeronautic towed decoy were transformed to the question how tomodel and compute angles between tow and towing aircraft track coordinates.The geometry relationship between velocity vector of towing aircraft and tow was analyzed,so dynamic fallow models of tow and towing aircraft were established.The dynamic characteristics of towed decoy were calculated when towed aircraft does different flights.The result indicates that the arithmetic is simple,valid and better to simulate decoy's dynamic characteristics.

towed decoy;dynamic characteristics;aerodynamics;computer simulation

TP 391.9

A

1001-5965(2011)04-0395-04

2010-01-18

國家自然科學基金資助項目(60772162)

蘆艷龍(1982-),男,山西汾陽人,博士生,lyl_key@163.com.