旋轉彈箭數值虛擬飛行研究

梁益銘,康 順

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

旋轉彈箭數值虛擬飛行研究

梁益銘,康 順

(中國兵器工業第203研究所,西安 710065)

為了抑制甚至消除陀螺不穩定性以提高旋轉彈箭的飛行穩定性和命中精度,采用耦合求解URANS方程和剛體運動方程組對M852彈丸和Basic Finner導彈模型進行了虛擬飛行的數值仿真,計算結果與試驗結果吻合。不同的初始偏航角對M852子彈俯仰/偏航的周期影響不大,但初始偏航角越大,運動幅值越大,橫向偏移越大,速度降低越快;對于低速旋轉的Basic Finner模型,不同發射速度飛行特性差異較大,體現在速度演化、位移波動和錐動幅度等方面。

旋轉彈箭;虛擬飛行;六自由度;M852;Basic Finner

0 引言

在飛行過程中以一定角速度旋轉的彈箭稱為旋轉彈箭。旋轉也可能誘發彈體發生陀螺不穩定和馬格努斯不穩定等動態不穩定現象,嚴重影響彈箭的飛行距離和命中精度。為了提高旋轉彈箭的飛行穩定性和命中精度,文獻[1-3]等采用外彈道學理論和定常氣動力參數建立了一些抑制彈體飛行不穩定性的方法。然而,在上述的動態不穩定發生與發展的過程中,必然伴隨空氣動力載荷的非定常演變。

目前,獲得彈箭非定常空氣動力學特性的技術主要有四種:1)多自由度運動風洞試驗測試技術;2)基于氣動靶道自由飛試驗的空氣動力學參數測試技術;3)基于求解URANS方程的CFD技術;4)計算流體力學(CFD)與剛體動力學(RBD)耦合數值虛擬飛行模擬技術[4]。1)、2)為實驗技術,3)、4)為數值模擬技術。第一種技術試驗成本高,周期長,而且受限于風洞試驗段的尺度,很難測試動導數、馬格努斯效應以及非定常氣動特性。第二種技術是在氣動靶道中進行自由飛試驗,彈箭實體或者模型完全處于六自由度狀態,獲得彈箭空氣動力參數最精確的方法,但高成本、高風險、周期長、效率低。第三種技術已經發展得非常成熟,多用于翼型震蕩、彈體俯仰/偏航等過程中的非定常繞流場的研究,但公開發表的文獻中少有對旋轉彈箭陀螺運動過程中非定常氣動特性的模擬。第四種是近幾年逐漸發展起來的新的CFD技術,可以獲得彈箭六自由度運動過程中詳細的非定常氣動力,雖然耗時長,但卻是一種很有應用前景的方法,隨著CFD技術的飛速發展和計算機性能的日益提高,基于CFD/RBD耦合的數值虛擬飛行模擬技術將成為研究彈箭氣動與運動規律的主流技術[5-8]。

1 數值計算方法

采用CFD++軟件及剛性動網格技術,耦合求解URANS方程與剛體運動方程,進行彈箭模型的六自由度虛擬飛行模擬。選用Batten-Goldberg混合RANS /LES湍流模型求解。遠場邊界為黎曼邊界條件,固體壁面為絕熱、粘性無滑移條件。

假設彈體為剛性體、彈道為無控無動力彈道、飛行過程中彈體的質量及質心均不發生變化、飛行大氣條件不變。

圖1為六自由度飛行的求解過程[9],假設已知n時刻流場信息Qn和彈箭的飛行姿態Pn,從n時刻到n+1時刻的求解過程為:第①步,積分Qn得到氣動力參數作為剛體運動方程的輸入;第②步,代入剛體運動方程求解得到彈箭n+1時刻的姿態Pn+1,并讓網格隨之變化;第③步,將求解得到的彈箭飛行速度、加速度、角速度和角加速度輸入流動控制方程求解;第④步,通過求解流動控制方程組獲得n+1時刻的流場信息Qn+1;第⑤步,重復前四步,繼續下一時刻的求解,直到整個飛行過程結束。

圖1 六自由度飛行的求解過程

2 M852子彈

M852子彈屬于無尾翼、無控、無動力旋轉彈丸。美國彈道研究實驗室(BRL)[10]將它定為槍彈試驗的標準模型,并且已經獲得了大量與其相關的氣動數據和靶道試驗數據。

該子彈的重量為10.89 g,彈徑為7.82 mm,質心距彈體頭部的距離為19.080 8 mm,軸向慣性矩為0.722 g·cm2,橫向慣性矩5.38 g·cm2(尺寸如圖2所示)。

圖2 M852子彈模型

計算采用結構網格,網格數目為236萬。網格整體為一個O型,法向第一層網格都是5×10-6m,網格增長率為1.2,周向網格平均分布,遠場為一球形遠場,半徑為彈長的50倍。

2.2 BRL標準工況計算

試驗工況的初始轉速為:ωx=-16 336.3 rad/s,ωy=-25 rad/s,初始歐拉角均為零,Ma=2.329。計算時間步長為0.01 ms。

靶道試驗數據[11]提供了槍口一段距離(發射后0.02 s)子彈的俯仰偏航相位圖,圖3將數值計算結果與試驗結果進行了對比,數值計算結果與試驗結果基本吻合,能很好的捕捉子彈的運動規律,整體滿足計算要求。

圖3 數值計算結果與試驗結果對比圖

2.3 不同初始偏航角飛行對比

本小節主要研究了相同的初始轉速(ωx=-16 336.3 rad/s,ωy=-25 rad/s),初始歐拉角均為0,Ma=2.329,不同初始偏航角對六自由度飛行的影響。分別對3個不同初始偏航角0°、7°以及15°進行六自由度飛行計算。計算方法、計算設置、飛行時間0.1 s和之前2.2和2.3小節選定的相同,同時考慮重力加速度。

土建工程的施工質量和人們的生命財產安全密不可分，高質量的工程會增加建筑物的壽命。因此在建筑工程施工中，應當始終嚴把建筑工程質量關不動搖，伴隨科學的日新月異，建筑施工技術也在不斷的革新，出現了很多的施工技術，大大的提升了我國土建工程的質量。

圖4為M852子彈不同初始偏航旋轉狀態的空間姿態角變化歷程對比。對于俯仰角,初始偏航角越大俯仰角振蕩的幅度越大;三種初始偏航角的幅值都在衰減,有向0收斂的趨勢;偏航角的變化規律和俯仰角一樣。

圖4 不同初始偏航角飛行俯仰/偏航角的變化歷程

通過圖5分析各個階段(每隔0.025 s)不同初始偏航角的俯仰偏航相位圖變化:三種初始偏航角的俯仰偏航相位圖形狀都如同花朵一樣,這是章動與錐動運動耦合的結果。發射角越大,章動幅值較大;錐動與章動的幅值均隨著時間的推移都有縮小的趨勢。

圖5 不同初始偏航角飛行俯仰/偏航相位的變化歷程

圖6是初始偏航角對高度和橫向位移的影響。可以發現同樣時間內,15°初始偏航角高度上升的更快、更高,0°初始偏航角高度反而下降;橫向位移方面,初始偏航角越大偏移的越大,振蕩的幅值越大。

圖6 不同初始偏航角高度和橫向偏移的變化歷程

觀察圖7,分析初始偏航角對轉速和速度的影響。轉速方面,整個過程初始偏航角7°工況轉速下降的最慢,0°初始偏航角最快,15°初始偏航角的轉速開始階段降低的最快,0.02 s后減慢并越來越接近7°初始偏航角的轉速;速度方面,初始偏航角越大速度降低的越快。

圖7 不同初始偏航角轉速和速度的變化歷程

3 Basic Finner導彈

3.1 計算模型與網格

Basic Finner導彈模型屬于有尾翼、無控、無動力旋轉導彈。由炮管發射,在膛內由高溫高壓的燃氣使其獲得出口處的速度、轉速。出口轉速很低,靠斜置尾翼提供滾轉力矩使其加速到穩定的轉速。Basic Finner為十字布局的基本帶翼導彈外形,美國ARL采用Basic Finner標模進行了大量的靜態氣動試驗和動態試驗研究,已獲得豐富的靜態和動態試驗數據以及計算數據[9-10]。尺寸如圖8所示。

圖8 Basic Finner導彈模型

該導彈的重量為1 589.4 g,彈徑為30 mm,質心距彈體頭部的距離為0.165 m,軸向慣性矩為1 924.07 g·cm2,橫向慣性矩98 743.38 g·cm2。

本次計算采用的是結構網格如圖9所示,網格數目為331萬。網格整體為一個O型,法向第一層網格都是5×10-6m,網格增長率為1.2,周向網格平均分布,遠場為一球形遠場,半徑為彈長的50倍。

圖9 Basic Finner物面及空間網格示意圖

3.2 DRDC試驗工況計算

DRDC標準工況[12-13]的飛行速度為345 m/s,在音速附近,初始歐拉角均為0,初始俯仰角速度為3.5 rad/s,初始偏航角速度為0.680 7 rad/s,初始滾轉角速度為-1.75 rad/s。

圖10描述的是俯仰/偏航角的變化歷程,計算結果和試驗結果的吻合規律基本相同,在飛行距離大于100 m以后出現小范圍的偏差,分析原因是由于誤差累積的結果。

圖10 俯仰角和偏航角隨飛行距離的變化歷程

從圖11可以看出:在0<飛行距離<200 m,Basic Finner導彈在飛行過程中俯仰偏航相位圖變化的計算結果和試驗結果的相位點吻合得很好。

圖11 俯仰偏航相位圖

3.3 不同發射速度虛擬飛行計算

為了研究不同發射速度對導彈運動飛行過程中的姿態、氣動參數帶來的影響,本小節計算了3個不同的發射速度150 m/s、345 m/s、500 m/s分別代表亞音速、跨音速、超音速三種典型的飛行狀態進行六自由度無動力飛行計算。初始歐拉角都為零,初始轉速(彈軸方向)為-1.75 rad/s,初始擾動均為0。

從圖12分析俯仰角的變化歷程:發射速度越大,俯仰角的變化的頻率越大,周期越小;在時間小于0.3 s時,發射速度越小,俯仰角的振幅越大,都有變小的趨勢,而當時間大于0.3 s后,發射速度500 m/s俯仰角的振蕩幅度開始增大,而發射速度150 m/s俯仰角的振幅依舊緩慢減小。同樣分析偏航角的變化歷程:發射速度越大,偏航角的變化的頻率越大,周期越小;第一個偏航周期,發射速度越小振幅越大;發射速度345 m/s偏航角的振幅是先增大后減小的過程,而其他兩個發射速度則一直保持增長趨勢。再看合攻角的變化:發射速度越大,變化的周期越小;150 m/s、300 m/s發射速度的合攻角呈現出減小的趨勢,而500 m/s發射速度的合攻角呈現出增大的趨勢。

圖12 不同發射速度俯仰角、偏航角以及合攻角的變化歷程

圖13給出了整個飛行過程中不同發射速度的俯仰偏航相位圖的變化歷程。150 m/s和345 m/s的形狀相似,但是150 m/s的變化范圍比345 m/s大,周期長;345 m/s發射速度,曲線的變化方向由開始的順時針變為逆時針;500 m/s工況呈現出螺旋狀增長,俯仰角的幅值逐漸增大達到了±6°,飛行開始出現失穩,彈體的馬格努斯力斜率(與馬赫數)相對較大(馬格努斯力斜率在跨音速附近的某個馬赫數區間的值非常大[10])。

圖13 不同發射速度俯仰偏航相位圖的變化歷程

圖14為導彈高度和橫向偏移的變化歷程:同樣飛行時間,不同發射速度下降的高度基本相同,差別較小;橫行偏移都是呈現出波浪式增大,發射速度越快,振蕩的頻率越大,周期越小,但整體的振蕩幅度都在增加。

圖14 不同發射速度高度、橫向偏移以及飛行距離的變化歷程

通過圖15分析不同發射速度對導彈轉速和速度帶來的影響:轉速方面,隨著飛行的進行,轉速都是先增加,然后在-60 °/m附近收斂,而且發射速度越大收斂越快;速度方面,三個發射速度受到空氣阻力都有所降低,速度越快降低的斜率越大。

圖15 不同發射速度轉速和飛行速度的變化歷程

4 結論

文中通過對M852子彈和Basic Finner導彈六自由度虛擬飛行可以得出以下結論:

1)對于高速旋轉彈丸,旋轉能幫助其飛行穩定。不同的初始偏航角對子彈俯仰/偏航的周期影響不大,但初始偏航角越大俯仰/偏航運動幅值越大,橫向偏移越大,速度降低越快。

2)高速旋轉都能幫助飛行消除初始偏航角,初始偏航角越大,消除得越慢。

3)對于低速旋轉的Basic Finner,不同發射速度飛行特性差異較大,可體現在速度演化、位移波動和錐動幅度等方面,飛行速度500 m/s時,飛行失穩。

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Research on Numerical Virtual Flight of Spinning Projectile

LIANG Yiming,KANG Shun

(No.203 Research Institute of China Ordnance Industries, Xi’an 710065, Chian)

In order to suppress or eliminate gyro instability to improve the flight stability and hit accuracy of spinning projectile, the numerical simulation of virtual flight of M852 projectile and Basic Finner missile model was carried out by using coupled URANS equation and rigid motion equations. The computation results fitted well with the test results. Different initial yaw angle had little effect on the pitching / yaw cycle of M852 bullet, but the larger the initial yaw angle was, the larger the motion amplitude, and the larger the lateral deviation, the faster the speed decreased. For Basic Finner model with low-speed rotation, the flight characteristics of different emission velocities were different, and it was embodied in the aspect of velocity evolution, displacement fluctuation and cone amplitude, etc..

spinning projectile；virtual flight；six degrees of freedom；M852；Basic Finner

2016-06-20

梁益銘(1991-),男,湖南會同人,助理工程師,碩士,研究方向:氣動力以及飛行動力學控制。

V211.3

A