無人機機載炸彈投放分離特性數值模擬研究*

周培培,郭少杰,王 斌,張桂茹

(中國航天空氣動力技術研究院,北京 100074)

無人機機載炸彈投放分離特性數值模擬研究*

周培培,郭少杰,王 斌,張桂茹

(中國航天空氣動力技術研究院,北京 100074)

通過在非結構動態重疊網格上耦合求解剛體六自由度運動方程和非定常N-S方程的方法,對無人機機載炸彈投放分離過程中的氣動特性和運動軌跡進行了數值模擬研究,獲得了炸彈運動過程中的軌跡、姿態等信息,分析了炸彈投放分離過程中的安全性問題。研究表明,在計算攻角范圍內(α=1°、5°),無橫風條件下炸彈的投放是安全的;有橫風(5 m/s、10 m/s)條件下炸彈的投放是不安全的。

武器投放;重疊網格;六自由度;數值模擬

0 引言

無人機機載外掛物的發射與投放是現代武器研制中經常遇到的一個氣動力問題,準確預測機載武器分離過程中的氣動特性和運動軌跡,對保證安全分離和有效打擊有重要意義。

隨著計算機和CFD技術的發展,目前處理多體分離問題的數值模擬方法已較為成熟,國外各航空科研機構(如英國的飛機空氣動力研究所、德國的MBB公司和美國的NASA等)都建立了數值的仿真技術[1-6]。由于經濟、技術等原因,我國對外掛物分離特性的數值模擬研究起步較晚,但發展迅速。許曉平、李孝偉、段旭鵬、朱冰和唐志共等人分別采用重疊/嵌套網格技術對機彈分離問題進行了數值模擬研究[7-15]。

文中研究中對無人機和機載炸彈分別生成帶有棱柱層的非結構網格,運用動態重疊網格技術實現炸彈與載機間的相對運動,通過耦合求解非定常N-S方程和剛體六自由度動力學方程,對某新型察打一體無人機機載炸彈投放分離特性開展數值模擬研究,綜合考慮有攻角、有橫風條件下的動態分離問題,對無人機機載炸彈投放安全性進行有效評估。

1 數值方法

1.1 方程求解

文中以三維非定常N-S方程為主控方程,數值計算采用有限體積法進行空間離散,Jameson雙時間步方法結合隱式格式推進求解,方程粘性通量采用中心格式離散,無粘通量采用Roe格式離散,湍流模型采用S-A一方程湍流模型。由于炸彈分離過程計算量很大,在子迭代求解中采用多重網格加速收斂技術,以提高計算效率。對于剛體六自由度動力學方程采用四階Runge-Kutta方法推進求解。

1.2 邊界條件

遠場邊界條件為無反射邊界,基于Riemann不變量的一維特征線法確定流動參數;物面采用無滑移絕熱邊界條件;重疊邊界上的流場信息傳遞由三線性插值得到。

1.3 重疊網格技術

文中重疊網格系統由包含整個計算域的靜止背景網格和包含運動物體的子域網格構成。網格重疊技術即實現網格域間的挖洞處理和洞邊界網格單元的確定,建立網格域間流場信息的傳遞機制。文中數值模擬中,重疊網格系統包括載機域計算網格和彈體域計算網格。載機域網格作為靜止的背景網格,彈體域網格隨彈體一起運動。隨著網格域間重疊區的時時變化,每一時間站位都需要進行網格域間挖洞處理和洞邊界網格單元的搜尋,以及流場信息的插值交換。

2 計算模型及網格生成

2.1 無人機模型及網格生成

某鴨式布局察打一體無人機模型如圖1所示,起落架形式為不可收放的前三點式,武器掛架與后起落架的縱向位置基本相同。針對全機進行了帶有棱柱層的非結構網格生成,全機網格量達到了1 900萬,圖2給出了全機及局部網格示意圖。

圖1 某察打一體無人機模型圖

圖2 無人機全機以及局部網格示意圖

2.2 制導炸彈模型及網格生成

某制導炸彈的模型如圖3所示,炸彈網格量達到了200萬,圖4給出了炸彈彈體頭部及舵附近局部網格示意圖。

圖3 制導炸彈模型圖及表面網格示意圖

圖4 炸彈彈體頭部及舵面附近間局部網格示意圖

2.3 機載炸彈與無人機的重疊網格

載機和炸彈網格子域生成后,通過重疊網格技術確定網格子域間的重疊關系。先以載機掛架為邊界進行挖洞處理,隱藏位于其內的彈體域網格,并形成新的彈體域外邊界,然后以彈體域外邊界再次進行挖洞,隱藏位于其內的載機域網格。通過網格域間的相對運動即可實現物體間的任意運動,整個運動過程中只需搜索重疊邊界和網格域間的挖洞處理,而不需要網格重新生成,因此具有很高的效率和穩定性。圖5給出了炸彈與載機重疊網格示意圖,圖6給出了空間剖面的重疊網格圖,在掛架下方炸彈運動區域進行了局部網格加密,使得重疊邊界上網格尺度相近,保證流場信息有良好的插值效果。

圖5 機載炸彈與無人機重疊網格示意圖

圖6 機載炸彈與無人機空間剖面的重疊網格

3 機載炸彈投放過程數值模擬

3.1 計算坐標系與計算狀態

文中的慣性坐標系定義為與載機固聯的靜止不動的參考坐標系,主要用來描述制導炸彈的空間位置,符合右手螺旋法則,坐標原點位于載機頭部,X向為自由來流方向,Y向垂直向上,Z向垂直載機對稱面指向右側。彈體坐標系與炸彈固聯,隨彈體一同運動,主要用來描述投放炸彈的姿態,符合右手螺旋法則,原點位于炸彈質心,X向為自由來流方向,Y向在炸彈的縱向對稱面內垂直向上。

H

Ma

α

β

圖7 機載炸彈質心軌跡隨時間變化曲線

3.2 數值模擬結果

制導炸彈投放后在重力和氣動力綜合作用下自由下落,判斷炸彈分離的安全性,要結合下落過程中質心變化和姿態變化曲線進行分析。圖7給出了炸彈質心軌跡隨時間變化曲線。計算時間內(0.5 s),6個狀態下,炸彈向下、向后運動的趨勢與規律基本一致,在展向方向的運動則不同。無側滑情況下,由于無人機產生的氣動干擾,炸彈向機翼外側小幅運動,隨攻角增大,無人機干擾產生的側向力增大,向外側運動幅度加大;有側滑角情況下,側風產生的正側向力大于無人機干擾產生的負側向力,所以炸彈向機翼內側小幅運動,且隨側滑角增大運動幅度增大。從質心運動軌跡上可以定性看出,飛行攻角增大,有利于投放安全性;側滑角的增大,不利于投放安全性。

圖8～圖10給出了炸彈姿態角與姿態角速度隨時間變化曲線。在計算時間內,6個狀態下,炸彈偏航、俯仰運動的趨勢基本一致,在滾轉通道的運動則不同。炸彈投放分離后,產生負的偏航運動(炸彈頭部向機翼外側偏轉),而且偏航角位移隨著攻角和側滑角增大而增大;俯仰通道產生正的俯仰運動,隨攻角增大,俯仰角位移略有減小,隨側滑角增大,俯仰角位移略有增大;在滾轉通道,無側滑角情況下,產生正的滾轉運動,且隨攻角增大而增強,有側滑角情況下,產生負的滾轉運動,且隨攻角增大而減弱。圖11給出了不同狀態下機載炸彈投放后的空間運動軌跡與姿態。

圖8 機載炸彈滾轉角位移與滾轉角速度隨時間變化曲線

圖9 機載炸彈偏航角位移與偏航角速度隨時間變化曲線

圖10 機載炸彈俯仰角位移與俯仰角速度隨時間變化曲線

圖11 不同狀態下機載炸彈空間運動軌跡與姿態

結合圖7～圖11的分析得出,無橫風的條件下,投放是安全的;在5 m/s級橫風和10 m/s級橫風攻角5°條件下,炸彈沿著起落架邊緣下落,極其容易發生碰撞;10 m/s級橫風攻角1°條件下,炸彈的尾翼與起落架發生了碰撞,投放是不安全的。

4 主要結論

1)文中采用的非結構重疊網格方法在處理復雜外形及具有較大運動幅度的多體分離問題時,具有較高的工程應用價值。

2)炸彈投放分離后,不同飛行狀態下,質心向下、向后運動規律一致,在展向方向則不同;炸彈低頭、外偏運動規律一致,而滾轉通道則不同。

3)在計算攻角范圍內,無橫風條件下炸彈投放是安全的;有橫風(5 m/s、10 m/s)條件下,炸彈的投放是不安全的。

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NumericalSimulationStudyoftheCharacteristicofSeparationofUAVAirborneBombRelease

ZHOU Peipei,GUO Shaojie,WANG Bin,ZHANG Guiru

(China Academy of Aerospace Aerodynamics,Beijing 100074,China)

By coupling resolving the 6-DOF motion equation of rigid body and unsteady N-S equation on unstructured dynamic overlapping grids,the numerical simulation of aerodynamic characteristics and the trajectory of UAV airborne bomb in the process of release and separation was carried out.The trajectory and attitude of airborne weapon separation in the process of the bomb movement were obtained and the security issues in the process of bomb release and sepration were analyzed.The results showed that in the calculation of angle of attack range (α=1°、5°),the bomb release was safe without crosswind,while the bomb realease was not safe when under a crosswind(5 m/s、10 m/s).

weapon release; overlapping grid; 6-DOF; numerical simulation

10.15892/j.cnki.djzdxb.2017.02.021

2016-03-03

周培培(1984-),男,河南南陽人,工程師,研究方向:飛行器設計與計算空氣動力學。

V211.3

A