優化彈頭引信外形提高人工防雹增雨炮彈射高*

周國威,聞 泉,王雨時,張志彪

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

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優化彈頭引信外形提高人工防雹增雨炮彈射高*

周國威,聞 泉,王雨時,張志彪

(南京理工大學機械工程學院,南京 210094)

為增大某37 mm口徑人工防雹增雨炮彈最大射高,在原榴-1引信外形基礎上提出了4種外形優化方案,利用Flunet軟件對配用這5種方案引信的彈丸阻力系數進行仿真,并將所得數據擬合成有理式函數,再進行其質心外彈道計算,得到各方案最大射高。引信頭部外形以拋物面方案減阻增高效果最佳(增高約4%)。通過彈體和引信改進設計將彈重由現0.70 kg增大到原軍用制式彈的0.732 kg,最大射高還會增大約3%。

彈藥;數值仿真;設計方案;引信外形;減阻;外彈道學

0 引言

彈頭引信頭部形狀會對彈丸氣動特性產生影響,通過研究彈頭引信頭部形狀對彈丸氣動特性的影響,有助于尋求低阻的引信外形,從而實現增大彈丸射高的目的。研究氣動特性通常有3種手段:理論計算、風洞試驗和飛行試驗。文獻[1]應用Fluent仿真軟件研究了彈頭引信外形對小口徑亞音速彈丸氣動力特性的影響,得到了頭部形狀為單一圓臺形、組合圓臺形和半球形的3種彈丸在不同攻角、不同馬赫數下的阻力系數、升力系數、俯仰力矩系數和壓力中心變化規律;文獻[2]通過Fluent軟件對裝配不同外形引信的57 mm口徑人工防雹增雨彈的彈丸空氣阻力特性進行仿真,得到了不同外形下阻力系數與馬赫數的關系曲線。

文中以37 mm口徑人工防雹增雨炮彈彈丸為例,利用Fluent軟件對5種不同引信頭部形狀的彈丸以不同馬赫數飛行時的零攻角阻力系數進行仿真,研究了引信頭部形狀對彈丸阻力系數的影響。通過對比分析這5種彈丸的氣動力特性以得到其中低阻力的引信外形，為彈丸增大射高提供參考方案。

1 建模仿真

1.1 模型方案

彈頭部形狀一般分錐形、圓弧形(或稱卵形)、拋物線和桿形頭部等4種[3]。文中在彈頭引信原始外形(方案1,即原榴-1引信外形,以往37 mm口徑高炮降雨彈引信幾乎均為此外形)的基礎上同時考慮引信內部結構設計提出了4種改進方案(即方案2～方案5),其形狀如圖1所示。各方案外形尺寸所對應尺寸及其數值如表1所列。

由于結構尺寸所限,方案5的拋物面并不是嚴格意義上的拋物面,建模時保證尺寸h處相切,導致引信體頂部拋物面無法封閉,產生了一個直徑約0.34 mm的圓平面。5種頭部外形引信配用的彈丸相同。方案3全彈長L′=160.43 mm,另4種方案全彈長L=167.66 mm。

圖1 5種引信頭部方案

表1 5種引信頭部方案外形尺寸符號和數值

1.2 仿真過程

利用ANSYS Workbench下的Fluent模塊進行數值仿真,選用單精度、基于密度的求解器。計算域呈圓柱形,長度為彈丸長度的20倍、直徑為彈徑的40倍,邊界條件設置為遠場壓力條件。選用Cutcell網格。馬赫數和攻角情況都屬于定常流動范圍,采用相對運動條件模擬彈丸外流場,即假設彈丸靜止、來流為理想氣體,空氣以反向相同速度流動。選擇薩蘭德定律計算氣體粘性,湍流模型采用Spalart-Allmaras模型[4]。因求解的是可壓縮氣體,涉及總壓和靜壓等多種壓力,故為便于設置邊界條件和計算結果的后處理,將參考壓力置為零[5]。為提高精度,建模時還考慮了彈丸受膛線擠壓后的彈帶變形。圖2和圖3為方案1仿真時的流場模型和彈丸表面網格劃分情況。

仿真時彈丸置于空氣流場計算域中心,假設彈丸表面絕熱,設置阻力系數為監視對象。

圖2 方案1仿真時的流場模型

圖3 方案1仿真時彈丸表面網格

2 仿真結果

炮兵標準氣象條件所規定的地面聲速標準值為341.2 m/s[3],文中所用Fluent軟件中默認的聲速值為347.1 m/s,國際標準大氣狀態下海平面聲速標準值為340.3 m/s[6]。由于三者差異較小,故在此不予區分。

2.1 模型驗證

為驗證仿真結果正確性,在來流速度為866 m/s、攻角α=0°條件下對某37 mm高炮曳光殺傷榴彈的氣動特性在不考慮曳光效應的前提下進行了仿真,得其零升阻力系數Cx0=0.285 2。查文獻[7]知該彈丸i43=1.0。又由文獻[3]中1943年阻力定律函數表查得當來流速度分別為860 m/s和870 m/s時,其對應的零升阻力系數分別為0.287和0.285。現0.285<0.285 2<0.287,故認為該仿真模型和方法可信。

2.2 阻力特性

文中計算了上述5種頭部外形的彈丸在零攻角情況下,Ma分別為0.173～2.495時的運動情況,得到各自對應的阻力系數見表2。

由表可知,在亞音速段,5種方案在同一攻角下阻力系數的大小排序為:方案3<方案5<方案2<方案4<方案1;在跨音速段,5種方案阻力系數基本相同;在超音速段,5種方案在同一攻角下阻力系數的大小排序為:方案5<方案4<方案2<方案1<方案3。初步看來,方案5(即拋物面頭部)在超音速段具有較好的減阻特性。

表2 5種方案對應于不同馬赫數時的零升阻力系數值

2.3 阻力系數擬合

為進一步分析彈丸阻力系數的變化,現利用Origin Lab數據分析和繪圖軟件對零攻角下5種方案的阻力系數進行擬合。為提高擬合結果的精度,當馬赫數在0.749～1.268范圍內時對模型作進一步細化仿真。進行曲線擬合時參考文獻[8]中介紹的方法,根據仿真結果,以跨音速段阻力系數的最大值(對應馬赫數1.095)為界分亞音速段(馬赫數0.173～1.095)和超音速段(馬赫數1.095～2.495)兩段。在亞音速段利用Logistic曲線擬合,在超音速段利用三次拋物線擬合。

當馬赫數在0.173～2.495范圍內時,方案1(即引信頭部外形為原始頭部)所對應的零升阻力系數如圖4所示。

圖4 方案1(原始頭部)對應的零升阻力系數隨馬赫數的

經分段擬合后可得其亞音速段Logistic擬合曲線[9]對應的函數表達式為:

超音速段三次拋物線擬合曲線對應的函數表達式為

Cx0=0.047 77Ma3-0.245 31Ma2+

0.259 24Ma+0.455 06

其余4種方案的阻力系數曲線擬合方法與此相同,所得結果與此類似,在此不再詳述。

2.4 外彈道數值計算

為對比這5種方案的引信頭部外形對彈丸射高的影響,對這5種方案的彈丸,利用阻力系數擬合函數進行零攻角下的質心外彈道數值解算。采用Matlab軟件中變步長的ode45算法,最小步長據時間精度調節。初始條件t=0,v=v0=866 m/s,θ=θ0=85°,x=0,y=0。

文中所述37 mm口徑人工防雹增雨彈出廠平均質量m=0.70 kg,某37 mm高炮曳光殺傷榴彈彈丸圖定平均質量m=0.732 kg。以這兩種彈重數據進行外彈道計算。

上述5種方案彈丸最大射高計算結果如表3所示。其中方案5(即拋物面頭部)對彈丸射高的增幅最大,這與阻力特性分析結果一致。表3中最大射高數值后面括弧內的數字為各方案對比時最大射高從大到小的排序。

表3 5種方案最大射高ymax對比

經典外彈道學理論認為:對于彈丸頭部形狀,從阻力觀點來看,以拋物線型母線最有利,而以橢圓型母線最差。但當彈丸速度較小時,母線形狀對阻力沒有顯著影響[10]。文中仿真結果與該論述一致。

由表3可見,對于不同方案,彈丸最大射高變化程度排序為:方案3<方案1<方案2<方案4<方案5,與5種方案在超音速段的阻力特性吻合。當彈丸由原始頭部變為拋物面頭部,m=0.70 kg時,最大射高由5 845 m增加到6 083 m,增量為238 m,增幅為4.07%;m=0.732 kg時,最大射高由6 046 m增加到6 269 m,增量為223 m,增幅為3.69%。

文獻[11]給出1965年式雙管37 mm高射機關炮最大射高為6 700 m,與文中結果(6 046 m)存在10.8%的誤差。其原因在于文中所研究的37 mm人工降雨彈相對于制式37彈丸底部結構進行了簡化,取消了曳光管,因而就不再具有曳光管結構所帶來的底排減阻效應和底凹減阻效應。一般旋轉彈丸在超音速下的底阻約占總阻的30%～40%;細長頭部的遠程形彈丸,因頭阻減小,故底部阻力所占的比重更大,一般可達總阻的40%～50%甚至更多[10]。因此,文中彈丸與制式彈丸在射高上存在10.8%的差異是可信的。這也說明取消底部曳光管之后,新設計的人工防雹增雨彈不可能與原軍用制式榴彈實現外彈道一致進而通用射表。

83-I型、83-II型、92型和JD89型是已裝備的幾種無曳光管結構的人工降雨彈,文獻[11]給出的其射高與文中參照2.3節給出的阻力特性進行外彈道計算所得射高對比如表4所示。

表4 幾種人工降雨彈文獻[11]給出的射高與計算結果對比

由表中數據可知,利用文中外彈道計算方法所得的幾種人工降雨彈的射高與文獻[11]給出的實際射高是吻合的,由此證明文中外彈道計算分析結果可信。

3 結論

在5種引信頭部外形方案中,以拋物面頭部為最優,減阻增高效果明顯(增高約4%)。具體實施時,可在現有引信外形基礎上,將引信頭部約前1/3處外輪廓加工成拋物面即可。

為盡可能提高射高,應在保證彈丸和引信高破片破碎率和低制造成本特性的前提下,在已有制式火炮炮口動量或炮口動能限制條件下,應盡可能增大彈重(包括引信質量)或初速。如彈重按原制式軍用榴彈彈重0.732 kg,則射高又可增高約3%。

[1] 王洪超, 聞泉, 劉治旺, 等. 彈頭引信外形對小口徑亞音速彈氣動特性影響 [J]. 彈箭與制導學報, 2014, 34(6): 113-118.

[2] 沈曉軍. 57 mm口徑人工增雨防雹彈時間引信相關技術研究 [D]. 南京: 南京理工大學, 2013.

[3] 浦發, 芮筱亭. 外彈道學 [M]. 修訂本. 北京: 國防工業出版社, 1989: 20-55.

[4] 鄭健, 周長省, 鞠玉濤, 等. Spalart-Allmaras湍流模型在弧形翼超音速流場數值模擬中的應用 [J]. 重慶工學院學報, 2008, 22(12): 34-39.

[5] 于勇. FLUENT入門與進階教程 [M]. 北京: 北京理工大學出版社, 2008: 102-103.

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[10] 魏惠之, 朱鶴松, 汪東暉, 等. 彈丸設計理論 [M]. 北京: 國防工業出版社, 1985: 20-22.

[11] 馬官起, 王洪恩, 王金民, 等. 人工影響天氣三七高炮實用教材 [M]. 北京: 氣象出版社, 2006: 1, 208-209.

Optimization of Nose Fuze Contour to Increase Firing Height of Artificial Hail-suppression and Rainfall Projectile

ZHOU Guowei,WEN Quan,WANG Yushi,ZHANG Zhibiao

(School of Mechanical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

In order to increase the maximum firing height of a 37 mm caliber artificial hail-suppression and rainfall projectile, the other 4 kinds of contour optimization schemes were put forward on the basis of the contour of origin Liu-1 fuze, drag coefficients of projectiles equipped with these 5 schemes of fuze were simulated by using Flunet, and the data obtained would be fit to rational functions, then the centroid trajectory was calculated and the maximum firing height of each scheme was obtained. The fuze head contour has the best effect with the parabolic scheme in reducing drag and increasing height (increasing by about 4%). It increases the mass of projectile from the current 0.70 kg to 0.732 kg of the military standard projectile by the improved design of projectile and fuze, the maximum firing height will increase by about 3%.

ammunition; numerical simulation; design scheme; fuze contour; reducing drag; exterior ballistics

2015-08-13

周國威(1990-),男,江蘇金壇人,碩士研究生,研究方向:引信總體技術。

TJ431.3

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