折疊方式對折疊翼氣動及展開特性的影響*

單繼祥，龔志斌，趙林東，趙 平，石運(yùn)國

(中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621000)

0 引言

彈翼折疊可有效縮小外形尺寸、減輕結(jié)構(gòu)重量，使其在箱式發(fā)射武器得到廣泛應(yīng)用。折疊翼可根據(jù)折疊方向分為橫向折疊翼和縱向折疊翼[1-2]。橫向折疊翼是在翼面根部或中部沿彈體軸向設(shè)置一分離面，安裝轉(zhuǎn)軸，在扭桿或扭簧的驅(qū)動力矩作用下，使折疊部分彈翼繞轉(zhuǎn)軸展開。折疊翼能否迅速、安全、同步地展開是折疊翼設(shè)計的重要評判標(biāo)準(zhǔn)。折疊翼所受氣動力對折疊翼展開時間、展開同步性均有重要影響，當(dāng)折疊翼所受氣動力超過一定程度時，甚至導(dǎo)致折疊翼無法展開到鎖定位置，展開失敗[3]。折疊方式是影響折疊翼氣動力的重要因素，且對折疊翼的展開性能有重要影響。目前，針對折疊方式對折疊翼氣動特性及其展開特性的研究很少，僅賈毅[4]通過地面試驗比較了戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈折疊翼兩種折疊方式的展開特性。

箱式發(fā)射導(dǎo)彈采用的橫向折疊翼普遍采用折疊翼對稱位于彈身左右兩側(cè)、上下對稱折疊的折疊方式。針對該種折疊翼展開過程，國內(nèi)外學(xué)者采用地面試驗、動力學(xué)仿真等方法進(jìn)行了大量研究。趙俊鋒、崔二巍等[5-7]對折疊翼展開運(yùn)動進(jìn)行了動力學(xué)仿真，并對展開驅(qū)動力進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。吳俊全[8]、甄文強(qiáng)[9]等對動力學(xué)計算結(jié)果及地面試驗結(jié)果進(jìn)行比較，并研究了折疊翼負(fù)載、摩擦力等參數(shù)對展開特性的影響。李真[10]采用CFD方法模擬了折疊翼展開的動態(tài)過程，研究了氣動力對折疊翼展開特性及全彈姿態(tài)的影響。

針對常規(guī)折疊方式折疊翼，本文作者此前研究了不同位置折疊翼的氣動特性，并分析了氣動效應(yīng)對折疊翼展開特性的影響[11]。在此基礎(chǔ)上，本文設(shè)計了一種新型折疊方式，分析了兩種折疊方式下折疊翼氣動特性及展開特性，研究了折疊翼方式對其氣動及展開性能的影響機(jī)制。

1 計算模型和方法

1.1 計算模型

本文采用的計算模型為彈身+ “×”型折疊彈翼模型，其外形如圖1所示。本文研究了兩種不同折疊方式下的折疊翼的氣動及展開特性。

(a)展開狀態(tài) (b)對稱折疊狀態(tài) (c)順向折疊狀態(tài)

圖1(b)為第一種折疊方式，上側(cè)折疊翼向下折疊，下側(cè)折疊翼向上折疊，沿縱向及橫向均對稱分布，本文稱之為對稱折疊方式。圖1(c)為第二種折疊翼方式，其左側(cè)兩片折疊翼逆時針折疊，右側(cè)兩片折疊翼順時針折疊，對稱分布于彈身兩側(cè)，本文稱之為順向折疊方式。兩種折疊翼方式相比，上折疊翼位置完全相同，下折疊翼位置則相對于下固定翼對稱。折疊狀態(tài)下，固定彈翼與折疊彈翼之間的夾角為45°，兩者間的夾角隨翼面的展開而增大，直至折疊翼完全展開到位，如圖1(a)所示。

1.2 數(shù)值計算方法

在折疊翼氣動特性模擬方面，控制方程采用基于雷諾平均方法的三維N-S方程，如式(1)所示：

(1)

式中Q為守恒量；F、G、H為無粘矢通量；Fv、Gv、Hv為粘性矢通量。

流場求解器采用的是基于三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的有限體積求解器，粘性項采用James中心差分，無粘項采用Roe格式。湍流模型采用Menter提出的兩方程k-ωSST模型。

1.3 折疊翼展開動力學(xué)仿真

展開過程中，折疊翼受到包括氣動力矩在內(nèi)的多種力矩作用，且部分作用力矩的大小與折疊翼展開角度相關(guān)。針對本文的計算模型，折疊翼在展開過程中主要受扭桿驅(qū)動力、慣性力、摩擦力及氣動力等的作用。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]，折疊翼展開的動力學(xué)方程如式(2)所示：

θw)+M1+Mf=0

(2)

1.4 計算方法驗證

本文對某全彈模型氣動力數(shù)值計算和試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，以研究數(shù)值計算方法的正確性和網(wǎng)格的可靠性。圖2是不同彈翼狀態(tài)下，全彈氣動力計算和風(fēng)洞試驗曲線。由兩者比較可看出，彈翼折疊、展開狀態(tài)下，全彈各縱向氣動力系數(shù)計算與試驗曲線基本吻合，表明本文采用的數(shù)值模擬方法及計算網(wǎng)格對折疊翼氣動特性的模擬結(jié)果是可信的。

(a)CD-α (b)CL-α (c)Cm-α

單片折疊翼展開角度的動力學(xué)仿真結(jié)果與試驗結(jié)果如圖3所示。從圖3中可看出，折疊翼展開角速度變化曲線與試驗結(jié)果吻合較好，采用本文的動力學(xué)仿真方法可較準(zhǔn)確地模擬折疊翼的展開特性。

圖3 折疊翼展開運(yùn)動過程計算與試驗結(jié)果比較

2 計算結(jié)果與分析

2.1 折疊方式對折疊翼氣動特性影響

本文首先對不同展開角度下對稱折疊、順向折疊時折疊翼的氣動特性進(jìn)行了數(shù)值模擬計算。由于折疊翼所受的氣動力中主要是法向力及其產(chǎn)生的扭矩對折疊翼的展開起作用，所以本文主要分析了折疊方式對彈翼法向力、扭矩的影響。法向力系數(shù)、扭矩系數(shù)的定義方式同文獻(xiàn)[11]。

圖4、圖5分別是當(dāng)v=40 m/s、側(cè)滑角β=0°、各展開角度下，上下折疊彈翼氣動力系數(shù)變化曲線。圖中方式1是指對稱折疊方式，方式2是指順向折疊方式。由圖4可看出，隨攻角的增大，兩種折疊方式下折疊翼法向力、扭矩系數(shù)均呈線性增大規(guī)律。除θ=135°外，相同展開角度下，順向折疊方式時上折疊翼所受到的法向力、扭矩均大于對稱折疊方式，且該規(guī)律隨著攻角的增大愈加顯著。這主要是由于與對稱折疊時相比，順向折疊時上翼面受到下翼面的下洗作用大幅減弱，使上翼面的氣動效率提高，氣動力系數(shù)增大，且該規(guī)律隨著攻角的增大而更加顯著。

由圖5可看出，隨攻角的增大，各折疊方式下下折疊翼法向力、扭矩系數(shù)均呈線性變化規(guī)律。相對狀態(tài)下(即折疊翼方向與水平方向夾角相同時)，除θ=135°外，順向折疊時迎風(fēng)側(cè)折疊翼所受到的法向力大小與對稱折疊時相比有所減小。這主要是由于順向折疊時折疊翼與固定翼間的流動干擾相對于對稱折疊翼時有所增強(qiáng)導(dǎo)致的。當(dāng)α>0°時，與對稱折疊時氣動力作用方向隨展開角度無變化不同，順向折疊狀態(tài)下，當(dāng)展開角度大于一定程度后，折疊翼所受氣動力反向。

總體而言，相對狀態(tài)下，與對稱折疊時相比，順向折疊時下折疊翼所受氣動力減小，上折疊翼略有增大。

(a)法向力系數(shù)

(b)扭矩系數(shù)

(a)法向力系數(shù)

(b)扭矩系數(shù)

2.2 折疊方式對折疊翼展開特性影響

無風(fēng)條件下(理想狀態(tài))，導(dǎo)彈或火箭彈在離箱后普遍以負(fù)攻角飛行。發(fā)射時的風(fēng)干擾會誘導(dǎo)出附加攻角、附加側(cè)滑角。因此，折疊翼的展開過程將面臨較為復(fù)雜的氣動載荷環(huán)境。本文對不同飛行狀態(tài)下兩種折疊方式彈翼展開運(yùn)動過程進(jìn)行了仿真，研究了折疊方式對折疊翼展開特性的影響規(guī)律。

圖6、圖7分別為當(dāng)來流速度v=20～60 m/s、α=-4°和α=4°、β=0°時，上折疊翼、下折疊翼展開角度隨時間的變化曲線。從圖6可看出，對于上折疊翼，當(dāng)α=4°時，與對稱折疊時相比，順向折疊時折疊翼展開時間有所減小，且隨著速度的增大，減小幅度逐漸增大。當(dāng)v=60 m/s時，順向折疊上折疊翼展開時間縮短0.005 s，減少3%。當(dāng)α=-4°時，兩種折疊方式的上折疊翼展開曲線基本相同。但其中值得注意的是，負(fù)攻角狀態(tài)下，氣動力對上折疊翼的展開起阻礙作用，且該作用隨著來流速度的增大而增強(qiáng)，導(dǎo)致展開時間明顯增長。當(dāng)v=60 m/s時，甚至出現(xiàn)折疊翼先展開后閉合，無法完全展開的現(xiàn)象。在折疊翼設(shè)計過程及折疊方式的研究中需重點(diǎn)關(guān)注。

對于下折疊翼，當(dāng)α=-4°時，與對向折疊時相比，順向折疊下折疊翼展開時間增大；當(dāng)α=4°時，順向折疊下折疊翼展開時間減小。同時，以上規(guī)律隨著來流速度的增大進(jìn)一步增強(qiáng)。當(dāng)v=60 m/s時，順向折疊時的下折疊翼展開時間由0.175 s縮短到0.153 s，減少了12.5%。

總之，與對向折疊時相比，順向折疊主要是使下折疊翼展開時間減小，對上折疊翼展開時間基本無影響。由于折疊翼展開時間主要是由上折疊翼決定，所以兩種折疊方式時，折疊翼展開時間基本一致。

折疊翼展開不同步是由上下折疊翼展開時間不同造成的。與對向折疊時相比，負(fù)攻角離架時，由于下折疊翼展開時間增加，導(dǎo)致折疊翼展開同步性增強(qiáng)；正攻角離架時，由于下折疊翼展開時間減少，導(dǎo)致折疊翼展開同步性減弱。

(a)α=-4° (b)α=4°

(a)α=-4° (b)α=4°

圖8是當(dāng)α=0°、β=4°、v=60 m/s時，不同折疊方式下的折疊翼展開角度曲線。由于4片折疊翼受到氣動力、重力的影響各不相同，使得各折疊翼的展開運(yùn)動過程也均不相同。與對稱折疊時相比，順向折疊時上翼面的展開特性基本相同，折疊方式對上翼面展開特性無影響；順向折疊時，下翼面迎風(fēng)側(cè)折疊翼展開時間略有增大，背風(fēng)側(cè)折疊翼展開時間減小0.01 s左右。兩種折疊方式折疊翼展開所需時間基本相當(dāng)，順向折疊時，折疊翼展開的同步性有所減弱。

2.3 折疊方式對全彈靜穩(wěn)定性影響

彈翼折疊將使彈翼有效面積減小，導(dǎo)致全彈靜穩(wěn)定性顯著降低，甚至處于靜不穩(wěn)定狀態(tài)，從而降低發(fā)射時的離架穩(wěn)定性能。因此，本文分析了折疊方式對全彈的靜穩(wěn)定性的影響。

圖9是當(dāng)v=40 m/s、不同展開角度時，兩種折疊方式下全彈的壓心系數(shù)隨攻角的變化曲線。從圖9中可看出，與對稱折疊時相比，當(dāng)展開角度為0°時，順向折疊方式下全彈的壓心系數(shù)后移5%左右，全彈靜穩(wěn)定性提高；當(dāng)展開角度θ=45°、90°時，順向折疊時全彈的壓心前移2%左右，穩(wěn)定性有所降低，但由于此時全彈靜穩(wěn)定度已經(jīng)較大，其影響較小。

由于折疊翼展開過程中，處于小展開角度狀態(tài)的時間相對較長，采用順向折疊的方式，可增強(qiáng)離架時全彈的靜穩(wěn)定性，改善發(fā)射時的離架性能。

圖8 不同折疊方式時折疊翼展開角度隨時間的變化

圖9 不同折疊方式時全彈壓心系數(shù)比較(v=40 m/s)

3 結(jié)論

(1)相對狀態(tài)下，與對稱折疊時相比，順向折疊時下折疊翼所受氣動力減小，上折疊翼氣動力略有增大。

(2)與對向折疊時相比，負(fù)攻角時，順向折疊時下折疊翼展開時間增加，同步性增強(qiáng)；正攻角時，下折疊翼展開時間減小，同步性減弱。

(3)側(cè)滑狀態(tài)下，兩種折疊方式下折疊翼展開時間基本相當(dāng)，由于背風(fēng)側(cè)下折疊翼展開時間減小，導(dǎo)致順向折疊時折疊翼展開的同步性有所減弱。

(4)與對向折疊時相比，順向折疊時，全彈的壓心系數(shù)在小展開角度下后移，使全彈靜穩(wěn)定性提高，有利于提高導(dǎo)彈發(fā)射時的離架性能。