二維彈道修正彈鴨舵修正機(jī)構(gòu)氣動(dòng)特性研究*

張嘉易，王 廣，郝永平

(沈陽理工大學(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開發(fā)中心，沈陽 110159)

0 引言

二維彈道修正彈是近年來國內(nèi)外重點(diǎn)研究的項(xiàng)目之一，其目的是以較低的成本把現(xiàn)有制式彈藥(也稱“笨”彈)改變?yōu)橐环N靈巧彈藥，可以大幅度提高命中目標(biāo)的精度和毀傷效果。

實(shí)現(xiàn)彈的二維彈道修正主要由兩種實(shí)現(xiàn)方式，一是利用鴨舵式修正機(jī)構(gòu)，另一種是利用脈沖修正機(jī)構(gòu)。這兩者各有利弊，脈沖修正形式具有結(jié)構(gòu)簡便，執(zhí)行效率高的優(yōu)點(diǎn)，但需要改變?cè)瓘椥偷慕Y(jié)構(gòu)，且對(duì)安裝位置要求較高。而鴨舵修正形式也存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于控制等缺點(diǎn)，但因?yàn)榭稍诂F(xiàn)有制式炮彈基礎(chǔ)上稍作改動(dòng)，就可較大提高命中精度，從而成為近年來國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。其中鴨舵機(jī)構(gòu)是二維彈道修正的主要組成部分之一，安裝了鴨舵式修正機(jī)構(gòu)的彈丸的空氣阻力特性比普通制式彈丸有顯著增加，對(duì)彈丸的飛行彈道、射程及方位修正能力以及炮彈的射擊精度都有著重要影響[1]。所以研究和分析其空氣動(dòng)力特性就顯得十分必要。探討不同鴨舵結(jié)構(gòu)的空氣阻力特性對(duì)二維彈道修正彈的射擊具有重要意義。

1 鴨舵式修正機(jī)構(gòu)的組成及修正原理

基于鴨舵式的二維彈道修正系統(tǒng)是在原有引信位置加裝一個(gè)修正控制結(jié)構(gòu)，利用測(cè)量裝置來獲得飛行過程中的實(shí)際飛行參數(shù)，與理想彈道相比較計(jì)算射程和方向偏差，形成控制系統(tǒng)所需要的修正量，對(duì)彈道進(jìn)行修正，提高射擊散布精度，其原理如圖1所示。

圖1 鴨舵式二維彈道修正彈修正系統(tǒng)原理圖

鴨舵式二維彈道修正彈的修正機(jī)構(gòu)主要由舵翼、約束機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、激發(fā)裝置等組成。其中舵翼是彈體改變自身彈道的執(zhí)行元件，不同的舵翼形狀會(huì)直接影響到全彈的氣動(dòng)特性。對(duì)于二維彈道修正彈而言，較高的落點(diǎn)精度是設(shè)計(jì)所要達(dá)到的最終目的，所以不但要滿足彈丸射程上的精度要求，同時(shí)也要提高在橫向方位上的落點(diǎn)精度。鴨舵式修正機(jī)構(gòu)通常采用一字舵、十字舵或是 ×型舵，無論哪種類型的修正舵，都要依靠舵翼提供的升力值來改變彈體的飛行姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)彈體的二維修正，因此研究舵翼對(duì)全彈升力效果的影響也就變得十分必要。

2 舵翼氣動(dòng)特性分析

2.1 相同面積、不同形狀的舵翼升力特性分析

為了觀察鴨舵式二維修正機(jī)構(gòu)對(duì)全彈空氣氣動(dòng)特性的影響，以XXX炮彈為研究背景設(shè)計(jì)了以下五種具有相同面積、不同形狀的舵翼結(jié)構(gòu)，如圖2所示。為了便于研究不同形狀下舵翼產(chǎn)生的升力效果，在下述幾種形狀中均設(shè)定了一個(gè)相同特征尺寸h。

圖2 不同形狀的舵翼結(jié)構(gòu)

通過對(duì)上述舵翼的氣動(dòng)力分析仿真[3－4]，得到如圖3的結(jié)果。從圖上可以看出，舵翼面積相同時(shí)，各舵翼偏轉(zhuǎn)相同舵偏角所產(chǎn)生的升力值與翼展長度有較大關(guān)系。翼展長的舵翼形狀如A5，其升力值最大，而相同翼展的不同舵翼形狀升力值相近似。另外，各舵翼產(chǎn)生的升力隨舵偏角的增加成線性遞增趨勢(shì)。

圖3 相同面積、不同形狀舵翼升力隨舵偏角的變化

2.2 相同形狀、不同面積的舵翼升力特性分析

圖4 相同形狀、不同面積舵翼升力隨舵偏角的變化

根據(jù)炮彈飛行動(dòng)力學(xué)可知，不同面積的舵片對(duì)彈丸飛行時(shí)的氣動(dòng)力影響也起著十分重要的作用。以A1 形狀為例，分別建立 S1、S2、S3、以 4∶5∶6 比例的三種不同面積的舵片模型，用以分析對(duì)同種炮彈升力特性的影響，仿真結(jié)果如圖4所示。其中上圖為不同面積舵翼升力值隨舵偏角變化曲線，下圖為升力與面積比值隨舵偏角變化曲線。由圖中不難看出，當(dāng)舵片面積越大時(shí)，所提供的升力也越大，并且隨攻角的增加，舵片產(chǎn)生的升力也成線性遞增趨勢(shì)。但當(dāng)與面積做比時(shí)，隨舵偏角的變化幾乎一致，這說明升力值與舵片面積具有相同的比例關(guān)系，可表示為:F1/F2=S1/S2。

2.3 前置舵片對(duì)彈丸氣動(dòng)特性影響效果分析

圖5 阻力系數(shù)、升力系數(shù)隨攻角的變化

為了觀察前置舵片對(duì)全彈氣動(dòng)效果的影響，以A1舵片形狀為例建立彈體三維模型。通過對(duì)彈丸的氣動(dòng)特性分析得到如圖5、圖6的結(jié)果。當(dāng)一對(duì)舵面偏轉(zhuǎn)5°后，隨攻角的增加阻力及阻力系數(shù)變化不明顯，而升力及升力系數(shù)卻隨攻角增加成線性遞增趨勢(shì)。側(cè)向力系數(shù)、x向力矩系數(shù)、y向力矩系數(shù)變化不明顯，而z向力矩系數(shù)隨攻角的增加變化較明顯，成線性遞減趨勢(shì)。也就是說當(dāng)水平對(duì)舵偏轉(zhuǎn)5°時(shí)，攻角的增加對(duì)彈丸的翻轉(zhuǎn)力矩起到明顯作用，攻角增大翻轉(zhuǎn)力矩增強(qiáng)，這對(duì)彈丸飛行過程的穩(wěn)定性具有較大影響。而當(dāng)豎直對(duì)舵偏轉(zhuǎn)5°時(shí)，則對(duì)側(cè)向偏轉(zhuǎn)具有較大影響。

圖6 其他氣動(dòng)系數(shù)隨攻角的變化

3 彈道修正能力分析

3.1 彈丸飛行彈道模型

無論選擇哪種形狀的舵片進(jìn)行二維彈道修正，都需要讓前置舵片在彈丸飛行過程中對(duì)修正組件部分做減旋處理。由于采用修正機(jī)構(gòu)對(duì)常規(guī)旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈進(jìn)行二維彈道修正，在信息的獲取，控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)等，都需要在相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境下才能具備較高的執(zhí)行效率。所以為了便于捕捉GPS信號(hào)或是測(cè)量彈體實(shí)時(shí)彈道參數(shù)，并滿足彈丸姿態(tài)控制要求，就需要對(duì)彈體二維修正部分進(jìn)行減旋處理。通常情況下利用減旋裝置進(jìn)行減旋，炮彈修正部和彈體部會(huì)出現(xiàn)兩種不同轉(zhuǎn)速，這樣既可以對(duì)修正部分進(jìn)行較好的控制，而且彈體的高轉(zhuǎn)速仍可以保證全彈的飛行穩(wěn)定性。

為了研究二維修正彈的彈道特性，建立合適的彈道模型也尤為重要。當(dāng)忽略其他外界小量影響因素，根據(jù)對(duì)各個(gè)力及力矩的分析及影響，建立彈道模型[5]如下:

式中:(Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z)為作用在彈丸上的合力F在彈道系o-xyz中的投影，(Mξ，Mη，Mζ)為作用在彈丸質(zhì)心處的合力矩M在彈軸系o-ξηζ中的投影。其中，阻力值、升力值和側(cè)向力值均包含兩個(gè)部分，F(xiàn)x，y，z=F體+F減。

由于炮彈增加了減旋修正功能，所以也就相應(yīng)增加了由滾轉(zhuǎn)舵產(chǎn)生的力和力矩。以修正橫偏為例，設(shè)τ為一對(duì)滾轉(zhuǎn)舵的舵偏角，則在彈體坐標(biāo)系下產(chǎn)生的作用力為:

3.2 不同舵片形狀下彈體修正能力分析

以某彈為例，炮彈按照射角45°，初速950m/s發(fā)射，得到未經(jīng)修正時(shí)的炮彈射程為28km，橫偏200m。文中選取t=45s處作為修正時(shí)間點(diǎn)，用以觀察不同形狀舵片的一次彈道修正效果。如圖7所示，提供升力越大的舵片，相應(yīng)的修正效果越明顯。通過算例分析，得到5種舵片偏轉(zhuǎn)10°時(shí)的修正量的對(duì)比，如表1所示。

表1 修正量對(duì)比

可見A5的修正效果要大于其他舵片，但需要注意的是，在設(shè)計(jì)舵片形狀時(shí)還需考慮氣動(dòng)外形的合理性以及結(jié)構(gòu)中滾轉(zhuǎn)力矩控制部件是否能滿足性能要求等問題，所以并非展弦比越大的舵片形狀就是最優(yōu)的，這仍需要進(jìn)一步加以驗(yàn)證。

圖7 不同形狀舵片的修正效果對(duì)比

4 結(jié)論

文中提出了基于鴨舵修正機(jī)構(gòu)的修正方法，該方法通過鴨舵的偏轉(zhuǎn)改變?nèi)珡棜鈩?dòng)外形，產(chǎn)生二維彈道修正所需的修正力及力矩，達(dá)到控制修正彈道落點(diǎn)的目的。首先建立了幾種不同形狀的鴨舵進(jìn)行氣動(dòng)特性仿真，仿真結(jié)果表明:舵翼面積相同時(shí)，各舵翼偏轉(zhuǎn)相同舵偏角所產(chǎn)生的升力值與翼展長度有較大關(guān)系，展弦比越大，鴨舵所提供的升力和偏航力越大。另外，各舵翼產(chǎn)生的升力隨舵偏角的增加成線性遞增趨勢(shì)。然后建立了舵片實(shí)現(xiàn)減旋后的彈道模型，分析了不同形狀舵片在相同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行彈道修正后的修正能力。通過對(duì)結(jié)果的分析，證明了在保證較好舵翼氣動(dòng)外形的基礎(chǔ)上，盡量選擇大展弦比的舵翼，這樣能更好的提供較大升力和偏航力。這為二維彈道修正理論的進(jìn)一步研究奠定基礎(chǔ)。

[1]譚鳳崗.彈道修正彈的概念研究[J].彈箭技術(shù)，1998(4):1－10.

[2]徐明友.火箭外彈道學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004:10－15.

[3]江帆，黃鵬.Fluent高級(jí)應(yīng)用與實(shí)例分析[M].北京:清華大學(xué)出版社，2008:11－16.

[4]李進(jìn)良，李承曦，胡仁喜.精通 FLUENT 6.3流場(chǎng)分析[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009:7－10.

[5]韓子鵬.彈箭外彈道學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社，2008:141－143.