微氣泡尾翼彈丸流場主動流控制研究*

郭亞超,吳玉斌,郝永平,趙　達,喬　磊

(沈陽理工大學裝備工程學院,沈陽　110168)

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微氣泡尾翼彈丸流場主動流控制研究*

郭亞超,吳玉斌,郝永平,趙達,喬磊

(沈陽理工大學裝備工程學院,沈陽110168)

摘要:面向主動流控制研發了基于硅酮橡膠材料的氣泡型微致動器及其陣列技術。首先分析了微氣泡薄膜變形高度與壓力的關系,并對微致動器陣列下的尾翼彈丸進行了空氣動力學仿真。結果表明:該微致動器擾動彈丸流場邊界層的分離;在彈丸上對微致動器進行合理陣列布置,能夠有效增大射程和減小橫向偏移。因此,通過微致動器對彈丸的致動作用,可以實現對彈丸飛行流場的有益主動控制,達到增升減偏等控制目的。

關鍵詞:硅酮橡膠;主動流控制;氣泡型微致動器;增升減偏

0引言

當今世界各國彈箭發展的總趨勢是增大射程,提高命中精度和打擊效果。快速發展的微機電系統為主動流控制提供了新的方向。基于MEMS的主動流動控制技術在飛行器的增升減阻、改善氣動性、提高機動能力、降低噪聲等方面都具有重要應用潛力[1]。MEMS之所以成為人們廣泛關注和研究的新熱點,是因為結構復雜、體積龐大、質量大、代價高、耗能高的傳統主動流控制已經不能滿足當今精確打擊彈藥高速發展的世界現狀。而文中微型氣泡致動器嚴格按照MEMS工藝制作,質量輕、變形大、響應速度快、功耗小是該新型致動器的顯著特點[2-3]。在彈丸上對微致動器進行合理陣列布置,對彈丸附近的繞流流場會產生不同的影響,由于彈丸在飛行過程中受空氣動力的影響會偏離預定的彈道軌道,通過相應位置的微氣泡對飛行彈丸工作,可對偏離軌道有效修正[4]。因此,該微型致動器通過影響彈丸的繞流流場,可實現對彈丸的增升減偏,從而提高彈丸的射程和打擊精度。

1氣泡型微致動器工作原理

彈丸在空氣中飛行時,空氣與彈丸之間存在相互作用力。在速度坐標系中,彈丸受到空氣作用力時,垂直于氣體來流方向的力稱之為升力,平行于氣體來流方向的力稱之為阻力。因此,增升減偏是提高彈丸的打擊射程和打擊精度的有效途徑,這就要求我們要打破彈丸附近原有的流場狀態。文中采用的氣泡薄膜材料是具有較好的耐腐蝕性、低模量、氣密性良好、高延展率的硅酮橡膠,且該微型致動器利用MEMS技術工藝制作,并將不同尺寸和不同個數的氣泡型微致動器陣列排布于彈丸前緣位置。在其非工作狀態即未充入氣體時,具有與彈丸前緣表面平齊一致的外形;當其在工作狀態下即充入一定壓力的氣體時,氣泡薄膜會因氣體壓力作用產生凸起變形，如圖1所示。

圖1　薄膜在氣體壓力作用下產生凸起變形

2薄膜受載荷變形仿真計算

利用ANSYS有限元分析軟件,設計尺寸長8.0mm×寬2.5mm的微氣泡致動器,對該尺寸薄膜進行靜力仿真測試,薄膜材料硅酮橡膠的性能參數[5]如表1所示。

表1　MRTV-1的性能參數

通過對該薄膜輸入不同的壓力載荷,得到不同壓力載荷下的薄膜鼓起高度,仿真結果如表2所示。

表2　微氣泡薄膜不同壓力條件下變形位移

根據上表數據繪制微氣泡致動器壓力-變形位移曲線如圖2所示。

圖2　微氣泡致動器壓力-變形位移曲線

通過表2和圖2可知:微氣泡薄膜隨輸入壓力的增大,其薄膜鼓起高度即變形位移也隨之增大,且在11Psi時,薄膜鼓起高度達到1.55mm。

3彈丸的空氣動力學特性分析

3.1致動彈丸的氣動特性分析

將12個尺寸長8.0mm×寬3.0mm的微氣泡致動器陣列排布在彈丸前緣的一定位置,利用FLUENT流體動力學仿真軟件,分別在超音速(見圖3)、跨音速(見圖4)、亞音速(見圖5)條件下進行仿真計算。

圖3　致動彈丸超音速壓力云圖

超音速時,氣流流經彈體時,彈丸主要受到波阻的作用,微氣泡在非工作狀態下,超音速氣流與彈丸的表面呈現平行狀態;而當微氣泡工作時,鼓起的微氣泡會對彈丸流場產生一定擾動,會產生擾動壓縮波,使附近氣流速度下降,溫度升高。且附體激波在彈體頭部有所增強,微氣泡迎風面有壓力集中。

圖4　致動彈丸跨音速壓力云圖

跨音速時,彈丸受到摩阻、渦阻、波阻的作用,并且跨音速氣流中會出現局部超音速區,因此會產生激波的作用。一般情況下,在彈丸的附面層內總存在一個亞音速底層,激波的壓強能在亞音速中傳播。當微氣泡致動器工作時,會引起附面層的分離,從而影響彈丸的流場狀態。

圖5　致動彈丸亞音速壓力云圖

亞音速時,彈丸所受到的阻力主要是摩阻和渦阻,微致動器作用時,彈丸附近的邊界層提早與彈體分離,從而對彈丸的摩阻產生一定的影響;而將微致動器陣列排布于彈丸尾部分離區,通過其致動作用,可有效減小彈丸前后壓差阻力即減小渦阻。

3.2致動彈丸的動力學仿真分析

為了分析致動彈丸彈道特性,以某尾翼炮彈為例,炮彈按照初速度540m/s、角速度15r/s、射角為45°,設計氣泡厚度為0.1mm,長度為8mm,寬度為2.5mm、3.5mm、3.0mm,鼓起高度為0.8mm、1.0mm、1.2mm,個數為4、8、12,將其安裝在彈丸前緣部分的一定位置,進行了外彈道動力學仿真,得出射程增量,以及橫偏變化的近似整數數據。其中,橫偏變化均為向左橫偏,結果如表3所示。微氣泡不同鼓起高度、不同個數、不同寬度致動下彈丸射程、橫向偏移量的變化情況如圖6、圖7所示。

表3　致動彈丸的彈道數據統計表

圖6　不同致動情況下彈丸射程變化

圖7　不同致動情況下彈丸橫偏變化

通過對有、無微氣泡致動彈丸的動力學仿真計算,從其結果(表3、圖6、圖7)可以看出:

1)由圖6可知:致動彈丸隨氣泡鼓起高度和個數的增大,其射程也隨之增大;致動彈丸隨氣泡寬度的增大,射程隨之先增大后減小。

2)由圖7可知:致動彈丸隨氣泡鼓起高度和個數的增大,其橫向偏移也隨之減小;致動彈丸隨氣泡寬度的增大,橫向偏移隨之先減小后增大。

3)由表3可知:基于微氣泡致動彈丸的彈道數據統計,彈丸的射程均得到增大,且彈丸的橫向偏移也明顯的減小。

4結論

文中重點探討了有、無微氣泡致動彈丸氣動和動力特性影響以及不同尺寸和個數微氣泡致動彈丸氣動和動力特性影響,建立了8個氣動模型。經仿真計算得知:在一定輸入壓力范圍內,薄膜鼓起高度隨輸入壓力的增大而增大;在彈丸的前緣部分陣列排布氣泡型微致動器會對彈丸附近流場產生擾動,從而打破原有的流場狀態,進而改變了彈丸的空氣動力學特性;致動彈丸的射程均相對于原彈丸有一定程度的增大,且其橫向偏移也相對于原彈丸明顯的減少。微氣泡個數為12,鼓起高度為1.2mm、寬度為3.0mm時其射程增大最多為1 004m,且其橫向偏移量最小,橫向偏移3m相比于原彈丸減少了39m,明顯的提高了彈丸的精確度;微氣泡個數為12,鼓起高度為1.2mm、寬度為2.5mm時其射程增大最小為220m,但其橫向偏移減少了28m;微氣泡個數為12,鼓起高度為0.8mm、寬度為3.0mm時其射程增大為456m,但其橫向偏移減少最小為3m。因此,在滿足全彈氣動布局、飛行穩定的基礎上,通過將不同尺寸、不同個數的微氣泡合理的排布在彈丸頭部,可以增加彈丸的射程,減小彈丸的橫偏。也可以通過致動彈丸上不同位置的氣泡,改變彈丸的軌道,從而精確的命中目標。

參考文獻:

[1]馬炳和, 王艷, 鄧進軍, 等. 一種用于主動流動控制的氣泡致動器 [J]. 航空學報, 2007, 28(5): 1242-1246.

[2]HOCM,HUANGPH,LEWJ,etal.MEMS:anintelligentsystemcapableofsensing-computing-actuating[C]∥Proceedingsof4thInternationnalConferenceonIntelligentMaterials, 1998: 300-303.

[3]LEUTS,CHANGJR,LUPJ.Experimentalinvestigationofsideforcecontroloncone-cylinderslenderbodieswithflexiblemicroballoonactuators[J].ExperimentalThermalandFluidScience, 2005, 29(8): 909-918.

[4]鄧進軍, 馬炳和, 苑偉政, 等. 用于三角翼氣動控制的MEMS微致動器 [J]. 西北工業大學學報, 2004, 22(2): 217-220.

[5]GROSJEANC,LEEGB,HONGW,etal.Microballoonactuatorsforaerodynamiccontrol[C]∥ProceedingsoftheEleventhAnnualInternationalWorkshoponMicroElectroMechanicalSystems, 1998: 166-171.

*收稿日期:2015-05-27

作者簡介:郭亞超(1990-),男,山東濟寧人,碩士研究生,研究方向:彈藥新概念和新原理。

中圖分類號:TJ432.1

文獻標志碼:A

ResearchonMicrobubble-tailProjectileFlowFieldFlowControl

GUOYachao,WUYubin,HAOYongping,ZHAODa,QIAOLei

(SchoolofEquipmentEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China)

Abstract:In term of active flow control, a bubble-type micro-actuator based on silicone rubber material and its array technology were studied. Firstly, the relationship between micro-bubble membrane deformable height and pressure were analyzed, and the projectiles at empennage in the array were made aerodynamic simulation. The results show that the micro-actuator disturbance flow field boundary layer separates the projectile; the projectile in the micro actuator array arrangement is reasonable, can effectively increase the range and reduce the lateral offset. Therefore, actuation generated by micro actuators on projectile can achieve active control of projectile’s flight flow field so as to realize lift eccentricity and other control purposes.

Keywords:silicone rubber; active flow control; bubble-type micro actuator; rising minus partial