花瓣型一維阻力修正機構設計及外彈道仿真

李素云,吳國東,徐永杰,尹建平,鄭娜娜,魏 波

(1.中北大學機電工程學院， 太原 030051； 2.長治清華機械廠，山西 長治 046012；3.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

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【裝備理論與裝備技術】

花瓣型一維阻力修正機構設計及外彈道仿真

李素云1,吳國東1,徐永杰1,尹建平1,鄭娜娜2,魏 波3

(1.中北大學機電工程學院， 太原 030051； 2.長治清華機械廠，山西 長治 046012；3.海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018)

為了提高小口徑榴彈的射擊精確度和射擊密集度，設計了一種花瓣形一維阻力修正執行機構，以35mm口徑榴彈為彈丸平臺設計一維彈道修正彈；利用流體力學軟件ANSYS Fluent進行彈丸飛行流場數值仿真，獲得了不同馬赫數情況下各彈丸模型的氣動參數；通過質點彈道模型對彈丸外彈道進行仿真計算；結果表明：阻力執行機構展開過程耗時0.006 s，可以提供平均阻力系數比為3.01；彈道仿真得出：在給定的條件下，修正彈可以提供最大140 m射程修正量。

阻力執行機構；彈道修正；氣動仿真；彈道模型

model

相對火箭彈等造價昂貴的高精度導彈，具備彈道修正能力的彈藥，因其成本低的優點而得到發展[1-5]。國外彈道修正技術起步較早，對阻力機構的研究也有諸多創新，如美國的“STAR”、法國的“SAMPRASS”及“SPACIDO”，原理相對簡單，對尺寸精度要求也比較低，便于實現。相對于歐美的技術發展，國內的彈道修正起步較晚，具有廣闊的發展空間[6-8]。修正機構通過彈丸在外彈道飛行過程中增加彈丸受阻面積進行彈道修正。現有的彈道修正機構，大部分是針對大口徑彈藥設計，而在小口徑彈藥的發展中，該類機構應用較少。本文以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺，設計花瓣型一維阻力修正執行機構，并建立修正彈模型；利用ANSYS Fluent 軟件進行流場數值仿真；最后利用質點彈道程序對外彈道進行數值仿真計算。

1 模型建立

1.1 阻力執行機構建模

通過Solidworks建模進行機構設計。以35 mm口徑榴彈作為彈道修正彈的改造原型，在設計過程中考慮到彈丸高速旋轉，充分利用其產生的離心力。在基本不改變彈丸外形的基礎上，安裝頭部引信彈道修正組件。彈頭部的彈道修正機構剖視圖如圖1。從圖1可以看出，彈道修正機構是通過利用彈體的頭部部分空間安裝整個彈道修正組件。阻力片張開后，彈丸飛行阻力增加，會對彈丸的縱向射程進行一定的修正。

1.阻力片; 2.圓臺; 3.彈簧; 4.拔銷器; 5.彈頭部殼; 6.銷

彈頭部安裝彈道修正機構后，頭部形狀不變。機構動作后，6片阻力片彈出，并在彈丸高速旋轉中迅速張開，增加了彈丸空氣阻力。

彈道修正機構的工作原理為：當拔銷器拔銷后，壓縮的彈簧將圓臺彈出。由銷固定在圓臺上阻力片，由于向前彈出的距離而解鎖，受彈丸旋轉離心力的作用慢慢張開。同時由于受到阻力，阻力片逐漸張開到最大，其展開過程如圖2所示。對阻力片展開過程的動力學仿真，如圖3所示，各阻力片在0.006 s時刻全部展開到位。

圖2 彈道修正執行機構工作過程示意圖

圖3 阻力片展開過程中質心位置變化規律

1.2 修正彈模型建立

以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺進行修正彈設計，如圖4～圖6所示。

圖4 修正彈模型前視圖

圖5 阻力機構展開的修正彈模型前視圖

圖6 修正彈模型3D效果圖

2 氣動力仿真

2.1 CFD有限元模型

彈丸模型的建立使用Solidworks軟件，利用Gambit軟件進行網格劃分。設計算域為高1 000 mm直徑300 mm的圓柱形區域，設置網格間距尺寸為0.6 mm，修正彈彈表網格劃分如圖7所示。在劃分過程中采用Size Function來控制網格的疏密程度。進行邊界設置，圓柱外表面定義為PRESSURE-FAR-FIELD,彈表面定義為wall,對稱面定義為SYMMETRY[9]。

圖7 計算域網格剖面圖

2.2 氣動力數值仿真

應用Fluent軟件進行氣動仿真計算。此次仿真選擇了密度顯式求解法[10-11]。為了精度要求，選擇高斯克林函數求解梯度，此函數適合圖7所劃的非結構化網格。湍流模型采用S-A模型，該湍流模型比較適合具有壁面限制的流動問題，對有逆壓梯度的邊界層問題能夠給出很好的計算結果。定義流體的物理屬性為理想氣體，Viscosity為Sutherland，參考壓力為0。邊界條件設置中，選擇來流壓力為一個大氣壓，并選擇攻角為0。求解時，設置6個層次的網格加速收斂，設置Modified Turbulent Viscosity方程為二階迎風格式。

2.3 計算結果及分析

選取速度的范圍從馬赫數M=0.3、M=0.4、M=0.5、M=0.6、M=0.7五組數據。本試驗主要從阻力器對于彈體的阻力系數影響來做對比，同時輔助以彈體的壓力分布云圖和在X軸方向上的速度分布云圖作對比，圖8、圖9為了在馬赫數0.6的情況下阻力器安裝前后的速度云圖和壓力云圖。通過計算，最后阻力曲線在收斂，取最后200項求其平均值，取小數點之后4位，得到的即是全彈的阻力系數，如表1。阻力系數變化規律如圖10所示。

圖8 阻力器安裝前后馬赫數0.6時X方向速度云圖

圖9 阻力器安裝前后馬赫數0.6時彈體表面壓力分布

Ma原彈模型Cd修正彈Cd阻力系數比0.30.19010.57713.040.40.19200.57783.010.50.19300.57802.990.60.19280.57843.000.70.19310.57822.99

圖10 阻力機構展開前后阻力系數對比

3 修正能力評估

由于主要考慮亞音速環境，阻力系數隨馬赫數變化不大。但如果考慮在跨音速和超音速飛行狀態，就要重新確定阻力定律。在修正機構工作前，外彈道模型及解算和一般榴彈相同。當彈丸飛行到展開時候，伴隨阻力機構展開，阻力系數瞬間增大，以增大后的阻力系數繼續解算彈道方程。

本文所設計的35 mm口徑榴彈的參數為：彈丸初速190 m/s，彈丸質量0.240 kg，射角43°，彈道系數1.11，橫風0.000，縱風0.000。將所設計的參數輸入軟件計算，選擇彈丸出槍口10 s后不同時刻進行阻力器張開，時間間隔為1 s。張開時刻與射程關系如表2所示，展開時刻與修正量關系如圖11所示。

圖11 修正機構張開時間與修正量的關系

時間/s射程/m修正距離/m101610.615140.439111639.966111.088121665.33385.721131687.06863.986141705.39745.657151720.44030.614161732.25918.795171740.92810.126181746.6264.428191749.7331.321201750.9100.153211751.0540221751.054—

由圖11可以看出，同是1 s的間隔時間，產生的修正量呈非線性變化，這與彈丸實際的飛行彈道及張開時刻有關。在現實應用中，可以根據目標的不同距離而選擇恰當的張開時間，以達到期望的修正結果。

4 結論

為了提高榴彈的設計精確度和射擊密集度，以35 mm口徑榴彈為彈丸平臺，設計花瓣型一維阻力機構并建立修正彈模型。利用氣動力數值仿真獲得的氣動力參數，通過質點彈道模型對彈丸模型的外彈道進行仿真計算。仿真結果表明，在亞音速條件下，阻力片在0.006 s內展開到位，可以提供平均3.01的阻力系數比；修正彈模型可以提供有效的射程修正距離。研究結果可以為一維彈道修正彈的設計及工程應用提供參考。

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(責任編輯 周江川)

Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation

LI Su-yun1, WU Guo-dong1, XU Yong-jie1,YIN Jian-ping1, ZHENG Na-na2, WEI Bo3

(1.College of Mechatronic Engineering, North University of China, Taiyuan 030051, China; 2.Changzhi Qinghua Machinery Factory, Changzhi 046012, China; 3.PLA Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

In order to improve the firing accuracy of small-bore grenades and the fire intensity, we designed a petal shaped one-dimensional resistance correction actuator, and designed one dimensional trajectory correction projectile with 35 caliber shrapnel; Using fluid mechanics software ANSYS Fluent for flow field numerical simulation, the projectile flying was obtained under different Mach number of the projectile aerodynamic parameters of the model; Through the particle trajectory model, the projectile outside ballistic simulation calculation was processed. The results show that the resistance of actuator takes 0.006 seconds, and the process can provide the average drag coefficient ratio is 3.01; Trajectory simulation show that under the given conditions, correct projectile can provide maximum 140 m range correction.

correction executive mechanism; ballistic correction; aerodynamic simulation; trajectory

2016-05-22；

2016-06-25

國家自然科學基金(11572291)

李素云(1991—)，女，碩士研究生，主要從事兵器科學與技術研究。

10.11809/scbgxb2016.10.007

李素云,吳國東,徐永杰，等.花瓣型一維阻力修正機構設計及外彈道仿真[J].兵器裝備工程學報，2016(10):35-38.

format:LI Su-yun, WU Guo-dong, XU Yong-jie,et al.Design of Petal-Like One-Dimensional Trajectory Correction Mechanism and Exterior Ballistic Simulation[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):35-38.

TJ410.3

A

2096-2304(2016)10-0035-05