舵片修正彈丸氣動特性仿真研究

汪亞利，邵偉平，郝永平，許　巍，郝　啟，趙建斌

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽　110159)

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舵片修正彈丸氣動特性仿真研究

汪亞利，邵偉平，郝永平，許巍，郝啟，趙建斌

(沈陽理工大學 機械工程學院，沈陽110159)

摘要：為了研究舵片修正彈丸的氣動特性，建立了不同舵高和舵偏修正彈丸的三維模型，利用有限元分析和動力學仿真軟件對彈丸模型進行分析和仿真，得出舵片不同高度、不同舵偏的彈丸在不同攻角、不同馬赫數下的氣動特性和不同舵片高度和不同舵偏角彈丸的氣動特性變化規律，彈丸的氣動力特性隨舵片高度和舵偏角的變化而變化，其中50 mm高的舵片較其他舵片對彈丸阻力以及升力的影響較大，而8°舵偏角較其他舵偏角對偏航特性的影響較大。

關鍵詞：舵高；舵偏角；舵片修正；氣動特性

本文引用格式：汪亞利，邵偉平，郝永平，等.舵片修正彈丸氣動特性仿真研究[J].兵器裝備工程學報，2016(6):65-68.

Citation format:WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, et al.Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(6):65-68.

在現代化戰爭中精確打擊彈藥越來越發揮其強大的作用并且占有絕對的優勢，但是以導彈為代表的精確打擊武器以其造價昂貴等特點無法大規模裝備使用，而二維彈道修正彈以其成本低且精度高的特點被世界各國追捧[1]。彈道修正彈最早由美國在20世紀70年代中期提出，這種炮彈當時被稱作“末端修正旋轉穩定彈(TCSP)”，隨著導航與微電子技術的發展，GPS接收機和數據傳輸設備的小型化程度不斷提高，彈道修正彈也得到了長足的發展[2,11]。目前，美國、英國、法國、瑞典等國家都在進行彈道修正引信的研制，研制成功后可將大量的現役常規炮彈轉化為“靈巧”炮彈，射擊精度提高3倍以上[3]。國內，一維彈道修正技術已經相當成熟，二維彈道修正技術也在不斷的發展與完善，已經提出了完善的基于鴨舵技術的二維彈道修正引信方案，在氣動力方面有些采用鴨舵修正引信的旋轉穩定炮彈修正能力，有些采用可旋轉鴨舵影響旋轉彈丸縱向氣動特性，有些則采用阻力環和鴨舵來改變二維彈道修正彈的氣動特性[4-5]。

微小型推進器修正和鴨舵式修正是兩種主要的二維彈道修正方式，其中微小型推進器的集成技術較復雜、集成難度系數較大，所以鴨舵修正技術成為了二維彈道修正技術的主導方式[6]。在彈丸進行修正時，其整體彈丸的氣動特性對彈丸飛行穩定性和修正能力具有較大的影響，所以在進行修正之前必須先對其整體氣動特性進行分析。

本文以某高速旋轉彈丸為研究對象，使用固定式鴨舵對其進行二維彈道修正。分析了不同舵高時修正彈丸的氣動特性，包括阻力系數、升力系數在不同攻角、不同馬赫數下的變化規律，以及不同舵偏角對彈丸修正特性的影響，然后根據不同情況下的彈丸壓力云圖更直觀地分析了彈丸的氣動特性，最后將仿真數據進行后處理，得出三維后處理結果圖驗證仿真結果的合理性。

1　舵片修正彈丸工作原理

二維彈道修正彈的修正機構主要包括四大部分，分別是舵翼、探測系統、控制系統和引信激發裝置[7]。對修正起執行作用的為兩對舵片，其為非對稱的兩對翼片，帶有一定的舵偏角，其中一對為減旋舵，另一對為修正舵[8]。在彈丸發射之前將目標點的相關參數輸入彈丸引信。當彈丸發射后，結合目標參數和發射的初始條件彈載系統計算出理想彈道；在彈丸飛行過程中，探測裝置將實際的彈道參數發送至彈載系統，從而計算出實際彈道并與理想彈道進行對比；當實際彈道偏離理想彈道一定距離時，修正機構將控制舵片進行減旋，當減旋舵受到空氣動力作用時使得引信的滾轉力矩與彈體旋轉方向相反，為控制引信提供部分動力；然后將舵片固定在某特定位置，這時由于風吹向舵片給修正舵片一定的力，所以修正舵會為修正提供部分動力，從而使得彈丸飛行軌跡得以修正。通過改變舵片固定時的位置進行彈道的橫向和縱向的修正[9-10]。圖1為二維彈道修正原理圖。

圖1　為二維彈道修正原理圖

可見修正舵片主要是靠空氣動力提供修正力，而不同高度的舵片飛行過程中迎風面積不同，所受空氣動力不同，導致不同舵高對彈道的修正能力不同，所以對不同舵高的修正彈丸進行氣動性分析、研究其變化規律并合理選擇舵片高度是保證打擊精度的一個重要因素。

2　不同舵高彈丸氣動特性分析

當二維修正彈的修正鴨舵舵偏相同而舵高不同時，會對修正彈的氣動特性產生一定的影響，并且不同舵高產生的影響也是不同的，直接影響著彈丸阻力系數、升力系數的變化規律。由于整體修正彈丸的氣動特性變化，可能導致彈丸在飛行過程中出現翻轉不穩定、過穩定甚至掉彈等情況，影響彈丸的打擊精度和打擊能力。所以，選擇合理的舵高也是保證彈丸整體氣動布局設計合理的重要條件。

為了分析固定式鴨舵舵片高度對彈丸的整體氣動特性的影響并確定合理的舵片高度，本文以某高速旋轉彈為研究對象，設計了舵片形狀、位置、偏角等相同但舵片高度不同的幾組仿真模型。以下為舵片(圖2)及整體彈丸(圖3)模型圖。

圖2　舵片模型圖

圖3　彈丸整體模型圖

現建立舵偏角為6°，舵片高度分別為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm、65 mm的仿真模型進行氣動仿真，得到圖4～圖11。

圖4　0°攻角不同馬赫數下舵片高度與升力系數的關系

由圖4可以看出除了60 mm及65 mm的彈丸，其他舵高的彈丸整體升力系數均隨馬赫數增大先迅速下降然后再緩慢上升；在0.5～1 Ma時舵高為50 mm的彈丸升力系數最高而65 mm舵高的彈丸升力系數最低，在1.5 Ma時彈丸升力最低(除60 mm舵高彈丸)。

圖5　2.75 Ma不同攻角下舵高與升力系數的關系

由圖5可以看出不同舵高彈丸的升力系數均隨攻角的增大而增大，在0～8°攻角下所有舵高彈丸的升力系數基本相同，而10°攻角下的升力系數不同，其中65 mm舵高彈丸最高、45 mm舵高彈丸最低。

圖6　0°攻角不同馬赫數下舵片高度與阻力系數的關系

由圖6可以看出不同舵高彈丸的阻力系數均隨馬赫數的增大先迅速增大然后再緩慢減小，在1.5～3 Ma時65 mm舵高彈丸的阻力系數最大而50 mm舵高的阻力系數最小。

圖7　2.75 Ma不同攻角下舵高與阻力系數的關系

由圖7可以看出不同舵高彈丸的阻力系數均隨攻角的增大而增大，0～10°攻角下65 mm舵高彈丸的阻力系數最大，2～8°攻角下55 mm舵高彈丸的阻力系數最小。

45 mm、55 mm、65 mm舵高彈丸的壓力云圖如圖8，從圖8可以看出：不同舵高對彈丸周圍整體壓力變化影響是很明顯的:

圖8　45 mm、55 mm、65 mm舵高時壓力云圖

3　不同舵偏彈丸偏航特性分析

由于舵片為修正彈的修正機構，而本文研究的是非對稱的固定鴨舵式旋轉彈，所以不僅舵片高度對彈丸的氣動特性和修正能力有一定影響，舵片的偏轉角度也是影響彈丸氣動特性和修正能力的一大重要因素。現以舵高均為55 mm舵偏角分別為4°、6°、8°的修正彈丸為研究對象，重點分析舵片的偏轉角度對彈丸偏航特性的影響。圖9為0°攻角不同馬赫數下不同舵偏角彈丸的偏航系數的變化規律，圖10為2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角彈丸的偏航系數的變化規律。

圖9　0°攻角不同馬赫數下不同舵偏角彈丸的偏航系數

由圖9可以看出4°、6°偏角的變化規律基本相同，偏航系數也相差不大，而8°舵偏彈丸的偏航系數較4°、6°舵偏的彈丸相差甚大且變化規律不也相同。也就是說，當舵偏角大到一定范圍時，對彈丸偏航特性的影響非常大，這也是造成彈丸彈道偏航距離過大和打擊精度不高的一個重要原因。

圖10　2.75 Ma不同攻角下不同舵偏角彈丸的偏航系數

由圖10可以看出同一舵高不同舵偏彈丸的偏航系數均隨著攻角的增大而增大，0～2°攻角時速度增大幅度大于4～6°攻角時的速度增大。4°、6°攻角的偏航系數較6°攻角的偏航系數很小，所以大攻角對彈丸的偏航特性的影響是非常大的，所以選擇合理的舵偏角可以提高彈丸的打擊精度。

以下為同一舵高舵偏4°、6°、8°彈丸的壓力云圖(圖11)，從圖中可以看出舵片偏角越大對彈丸周圍整體壓力的影響越大。

圖11　同一舵高舵偏4°、6°、8°的壓力云圖

從以上分析可以看出，舵片高度和舵偏角對彈丸整體氣動特性的影響非常明顯，舵片高度主要影響彈丸的升力、阻力，而舵片偏角主要對彈丸的偏航特性影響較大，偏角越大偏航系數越大，彈丸的打擊精度越低。結合彈丸整體的壓力云圖更直接清晰地分析了不同舵片高度對彈丸氣動特性的影響以及不同舵偏對彈丸偏航特性的影響。

4　仿真結果后處理

現以6°偏角55 mm高舵片彈丸為列，對彈丸仿真數據進行后處理，并將得出的數據與理論值進行對比，圖12～圖14分別為彈丸阻力、升力以及偏航力的三維后處理圖。

圖12　阻力的三維后處理圖

圖13　升力的三維后處理圖

圖14　偏航力的三維后處理圖

從圖12～圖14可以看出，經過氣動力仿真得到的數據基本符合彈丸氣動力的計算數值。

4　結論

本文重點探討了鴨舵式修正機構二維修正彈的氣動特性，首先建立了不同舵片高和不同舵片偏角的三維模型，然后對所建的三維模型進行了氣動力仿真分析，得出彈丸在不同攻角和不同馬赫數下的氣動特性數據。通過對數據的處理和分析得出了彈丸在不同修正機構下的氣動特性變化規律。

綜上得出，彈丸的氣動力特性隨舵片高度和舵偏角的變化而變化，其中,亞音速下50 mm高的舵片彈丸的升力系數最大，超音速下60 mm高的舵片彈丸的升力系數最小；超音速下65 mm高的舵片彈丸阻力系數最大而50 mm高的舵片彈丸最小；較其他舵偏角的彈丸，8°舵偏角的彈丸的偏航系數遠大于其他偏角，即舵片偏角越大彈丸的打擊精度越低。

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(責任編輯周江川)

doi:10.11809/scbgxb2016.06.015

收稿日期：2015-12-10；修回日期：2016-01-20

作者簡介：汪亞利(1990—)，女，碩士研究生，主要從事彈道修正技術研究。

中圖分類號：TJ760.35

文獻標識碼：A

文章編號：2096-2304(2016)06-0065-05

Simulation Study of Pneumatic Character About the Steering-Corrected Projectile

WANG Ya-li, SHAO Wei-ping, HAO Yong-ping, XU Wei, HAO Qi, ZHAO Jian-bin

(School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang 110159, China)

Abstract:For studying the pneumatic character of the steering-corrected projectile, 3D model of different height and rudder angle of steering was established. The model of projectile was analyzed and simulated by using finite element analysis software and dynamics simulation software and resulted the pneumatic character about the projectile of different height and different rudder angle under different deflected angle and different velocity, and variational law of pneumatic character. The resistance is obtained and that the lift force is mainly influenced by the 50 mm height of steering, and the character of deviation is mainly influenced by the 8 degree deflected angle.

Key words:height of steering; rubber angle; steering-correction; pneumatic character