巡飛彈的翼型選擇及氣動特性分析*

陶迎迎，郝永平，袁　備，李曙光，謝天祥，李東輝（1　沈陽理工大學機械工程學院，沈陽　110159；2　沈陽理工大學兵器科學技術研究中心，沈陽　110159）

巡飛彈的翼型選擇及氣動特性分析*

陶迎迎1，2，郝永平1，2，袁備1，2，李曙光1，2，謝天祥1，2，李東輝1，2
（1沈陽理工大學機械工程學院，沈陽110159；2沈陽理工大學兵器科學技術研究中心，沈陽110159）

彈翼為巡飛彈提供大部分升力，為了研究選擇高升力、高升阻比翼型的方法。利用CAD技術建立了3類圓頭尖尾翼型的二維模型，運用GAMBIT進行網格劃分，利用FLUENT軟件進行動力學仿真，采集空氣動力學數據對阻力系數、升力系數和升阻比進行了比較，對曲線存在的特殊點著重分析。結果表明，在滿足高升力、高升阻比和飛行穩定的基礎上，選擇翼型FX-63-137為巡飛彈的最佳翼型。

翼型；阻力系數；升力系數；升阻比

0　引言

縱觀軍事科技現狀，未來主戰場必將是高度信息化的戰場，巡飛彈作為無人機與彈藥技術有機結合的信息化武器，它不僅能夠對敵實施精確、有效的打擊，還能夠承擔戰場偵察監視、戰斗毀傷評估、通信以及無線電中繼等單一或多項任務，必將成為彈藥發展的重要趨勢［1-2］。巡飛彈是一種能在目標區上方進行“巡弋飛行”，“待機”執行多種作戰任務的新概念彈藥，長航時等高巡飛是其實現偵察和智能攻擊作戰使命的前提［2-3］。所謂“巡飛”是指全彈用氣動升力支撐其質量，靠發動機推動克服前進阻力，來實現近乎恒速等高狀態飛行，以完成偵察監視等任務。為達到這個要求，設計出具有高升力、高升阻比的翼型就顯得尤其重要。

1　翼型的建模

在巡飛彈的各種飛行狀態下，彈翼是其承受升力的主要部件，直接影響巡飛彈的氣動性能和飛行品質。而彈翼的主要特性取決于翼型，翼型的選擇對巡飛彈的氣動性能具有決定性的影響。由于巡飛彈巡飛時速度較低，受結構的影響研究出高升力綜合性能比較好的翼型是本課題追求的目標。翼型有千萬種型號，每種型號形狀各異，共有四大類：對稱型、雙凸型、平凸型、凹凸型。凹凸型升力比較大，但下表面內凹，不便制造，一般不用。因厚度對翼型的影響也比較大，所以文中選擇了形狀為圓頭尖尾型且厚度相差不大的對稱型naca0015（圖1）、雙凸型naca4415（圖2）、平凸型FX-63-137（圖3）進行比較，并選出最佳翼型。

采集數據利用CAD軟件分別構造翼型如圖1～圖3所示。

圖1　翼型naca0015

圖2　翼型naca4415

圖3　翼型FX-63-137

2　空氣動力學分析

文中針對3類不同翼型分別進行網格劃分，FLUENT仿真，提取數據繪制阻力系數、升力系數、升阻比曲線圖進行直觀的比較。

2.1網格生成

網格劃分是計算流體力學的基礎，網格質量往往決定著模擬的成敗或收斂的快慢，直接影響到氣動數值模擬的計算精度［4］。文中網格采用全結構化網格，網格數為50 000，數值模擬計算條件為：

1）攻角為α=0°；

2）馬赫數為Ma=0.1，0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7；

3）側滑角β=0°。

2.2不同翼型阻力系數

阻力系數是描述氣動特性的重要因素之一，選擇翼型研究阻力系數是至關重要的，如圖4描述3種翼型阻力系數（Cd）隨Ma的變化曲線。

圖4　不同翼型的阻力系數曲線

由圖4可以得出如下結論：

1）在同一Ma下Fx-63-137的阻力系數最大，其次是naca0015，naca4415最小。

亞音速下阻力系數：

式中：ζFx-63-137＞ζnaca0015＞ζnaca4415。

綜合計算可得以上結論。

根據渦流的形成原理［5］，流速一定最大斷面變化越急，漩渦區越大，渦阻也越大。

圖5　翼型Fx-63-137上表面激波

2）3種翼型的阻力系數都隨Ma的增大而增大。

3）只有Fx-63-137在Ma=0.7時阻力系數突然增大。

在Ma＜0.6時的總阻只是摩阻和底阻之和，幾乎和空氣彈性無關，隨Ma變化并不明顯，但當Ma＞0.6主要由Ma決定，因為此時可能就能出現局部激波，如圖4翼型Fx-63-137在Ma=0.7時出現了激波導致阻力迅速上升。

2.3不同翼型升力系數

升力系數對翼型選擇具有決定性的影響，所以比較不同翼型的升力系數隨Ma的變化是至關重要的，見圖6所示。

由圖6可以得出以下結論：

1）在同一Ma下Fx-63-137的升力系數最大，其次是naca4415，naca0015最小。

圖6　不同翼型的升力系數

升力來源于翼型的上下表面氣流的速度差產生的壓力差，文中列舉了同一攻角與Ma下不同翼型的上下表面的壓力系數分布線圖，如圖7～圖9。其中naca0015是對稱翼型，上下表面壓力系數分布線重合，升力為零。這是因為氣流沿上下表面流過兩股氣流，上表面上凸程度越大流管變得越細流速越快，壓力越低。而翼型下表面流管變得越粗，彎度越大流速越慢，壓力也越大，所以產生的壓力差也越大。

圖7　翼型Fx-63-137上下表面的壓力系數分布線圖

圖8　翼型naca0015上下表面的壓力系數分布線圖

圖9　翼型naca4415上下表面的壓力系數分布線圖

2）3種翼型的升力系數都隨Ma的增大而增大。

如圖10所示是翼型Fx-63-137在Ma=0.5時的上下表面的壓力系數分布圖，和圖7在Ma=0.3相比可以得出圖9的壓力差更大，產生更大的升力。根據伯努利方程：

當速度增大時，壓強減小，上表面減小的速率比下表面快，所以壓力差變大，升力增大。

圖10　翼型Fx-63-137在Ma=0.5時上下表面的壓力系數分布線圖

3）只有Fx-63-137在Ma=0.7時升力系數降低。

由于激波的存在，當氣流經過激波之后，阻力加大，流速突然下降，壓強變大，壓力差變小，升力也變小［6］，如圖11所示。

圖11　翼型Fx-63-137在Ma=0.7時上下表面的壓力系數分布線圖

2.4不同翼型的升阻比

升阻比即飛行器在某一飛行狀態下的升力與阻力的比值。此值越大說明飛行器的空氣動力性能越好，是選擇翼型的重要參數之一。

如圖12所示，3種翼型的升阻比可以直觀的得出翼型Fx-63-137的升阻比最大。為了更一目了然的比較出其3種翼型的差異，給出了3種翼型升力系數和升阻比隨Ma的比值如表1、表2所示。

圖12　不同翼型的升阻比

表1　升力系數的比值

表2　升阻比的比值

3　結論

文中通過對3種不同類翼型的比較大致可以看出：對稱翼型中弧線和翼弦重合，在所有翼型中的阻力是最小的，零攻角下升力系數也比較低，升阻比較其它翼型也比較低；平凸型翼型上弧線凸出而下弧線除前緣外幾乎趨于直線，總體而言，其性能中規中矩，甚至差強人意，但其工藝性好，便于大量生產，但對于巡飛彈翼型這一特殊翼型而言，可以根據它的特性來看并不理想；雙凸型中弧線彎曲較大可以獲得較大的升阻比，氣動性能優越。

在以上的仿真實驗的基礎上可以得出：選翼型時，主要找出中弧線，再觀察弧線兩旁厚度分布的情況，中弧線彎曲的程度確定了翼型的特性，弧度越大升力系數、升阻比就越大。所以巡飛彈翼型Fx-63-137升力系數和升阻比與其他兩種翼型相比要大得多，選出翼型Fx-63-137為最佳翼型，為之后巡飛彈整體的氣動仿真分析奠定了動力基礎。

［1］楊藝.空中主宰者：國外陸軍巡飛彈發展［J］.現代兵器，2007（8）：22-24.

［2］郭美芳，彭翠枝.巡飛彈：一種巡弋待機的新型彈藥［J］.現代軍事，2006（4）：49-52.

［3］紀秀玲，何光林.管式發射巡飛彈的氣動特點和設計［J］.北京理工大學學報，2008，15（1）：51-54.

［4］魏明，王華.巡飛器無舵偏情況下的氣動數值分析［J］.飛行力學，2010，28（2）：60-62.

［5］ 韓子鵬.彈箭外彈道學［M］.北京：北京理工大學出版社，2008：26-30.

［6］于勇，張俊明，姜連田.FLUENT入門與進程教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2008：55-76.

Airfoil Selection and Aerodynamic Characteristic Analysis of Loitering Munitions

TAO Yingying1，2，HAO Yongping1，2，YUAN Bei1，2，LI Shuguang1，2，XIE Tianxiang1，2，LI Donghui1，2
（1School of Equipment Engineering，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China；2Research Center for Ordnance Science and Technology，Shenyang Ligong University，Shenyang 110159，China）

Loitering munitions with aerodynamic surfaces includes wings and rudders，the wings are the main components which provide lift force.In order to research airfoils which have high lift force and high lift-drag ratio，three different two-dimensional models which have circular head and pointed tail were established by using CAD Technology，the models were meshed by using GAMBIT software.Then，dynamics simulation was made by FLUENT software，comparison was made among drag coefficient，lift coefficient and lift-drag ratio，the special points of date were stressed.The result shows that the FX-63-137 airfoil is more favorable in high lift force，high lift-drag ratio and stable flight.

airfoil；drag coefficient；lift coefficient；lift-drag ratio

TJ760.35

A

10.15892/j.cnki.djzdxb.2016.01.032

2015-03-13

陶迎迎（1990-），女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向：氣動力仿真分析。