邊條翼在戰術導彈氣動外形中的應用研究*

薛 杰,李曉暉,程養民

(中國航天科技集團公司第四研究院第41研究所, 西安 710025)

0 引言

現代戰爭導彈防御技術日益進步,對戰術導彈的研制提出了新挑戰,要求其射程盡可能遠、末端機動性能(可用法向過載)盡可能高[1]。對戰術導彈的氣動設計,歸結為升阻比高、可用攻角大。

大展弦比彈翼具有升阻比高、可用法向力大的特點,在戰術導彈中的應用越來越多,但細長型的大展弦比彈翼在較大攻角下,存在翼面氣流分離現象,導致其可用攻角較小,末端可用法向過載小的問題[2]。因此為提升末端可用法向過載,多數導彈采用提高末端飛行速度,從而提升可用過載的方案[3]。但該方案卻導致導彈最大射程能力減小。因此需尋求新的解決方案。

邊條翼是在高機動戰斗飛機的機翼前方增加一細長邊條[4]。利用邊條翼在大攻角條件下產生的渦升力和對機翼流場的有利干擾,從而大幅度的提高飛機整體的升力,改善其機動性[5-7]。

文中將邊條翼引入某大展弦比導彈,通過仿真和風洞試驗驗證其對導彈法向特性的影響效果,并對其在戰術導彈氣動外形中的應用進行了有益探索。

1 某導彈外形設計情況

某小型戰術導彈的基本氣動外形采用“×-×”型正常式布局、大展弦比彈翼的方案,出于增強巡航段升力特性的考慮,其設計展弦比達到了10.2,如圖1所示。

圖1 某大展弦比導彈基本氣動外形

利用FLUENT軟件對其外流場進行仿真分析,得到導彈在主要飛行馬赫數(0.6Ma)條件下法向力隨攻角的變化曲線見圖2，升阻比特性曲線見圖3。

可見,在攻角小于8°時,導彈的法向力系數隨攻角增加基本呈線性增加趨勢；在攻角大于8°時,由于翼面氣流分離影響,其法向力系數斜率逐步降低,在15°攻角下相比直線降低了約20%,嚴重影響其在大攻角下的機動性能。在8°攻角下其升阻比最大,此后隨攻角增加其升阻比數值逐漸降低。

圖2 基本外形的法向力系數曲線(0.6Ma)

為改善基本外形在大攻角條件下的氣動性能,在4個彈翼前緣均增加了一個三角形的邊條,形成邊條翼形式的改進氣動布局。

圖3 基本外形的升阻比特性曲線(0.6Ma)

改進后的氣動外形見圖4,為增強大展弦比彈翼強度與剛度,圖中邊條翼延伸至主彈翼根部,增加了彈翼根部厚度。

圖4 改進后的大展弦比導彈氣動外形

2 帶邊條翼氣動外形的數值仿真情況

為驗證增加邊條翼后對導彈法向力特性的改善效果,采用FLUENT軟件開展了全彈外流場的仿真,并與不帶邊條翼的仿真結果進行對比分析。

2.1 網格劃分情況

利用GridgenTM軟件生成流場仿真所需的結構化網格[8]。計算網格總數為105萬。

2.2 邊界條件

對導彈彈體等部件表面采用無滑移的壁面邊界條件；對導彈的縱向對稱面采用對稱邊界條件；對于流場的外邊界,則選用遠場邊界條件。

2.3 仿真模型及初始條件

采用理想氣體模型、S-A湍流模型、基于密度的隱式耦合算法來計算導彈的流場。

計算初始條件為靜壓101 325 Pa、靜溫288.15 K、高度0 km(密度1.225 kg/m3)。

2.4 數值仿真結果

仿真得到的有無邊條翼情況下,導彈的法向力系數和升阻比特性曲線如圖5所示。

圖5 有無邊條翼的法向力和升阻比特性曲線(0.6Ma)

由圖5可見,增加邊條翼的情況下,隨攻角增加導彈法向力系數增量從小攻角的14%增加至大攻角的18%；而升阻比也有不同程度的增加,4°～8°的小攻角條件下增量達到10%左右。

可見在大攻角條件下,邊條翼的引入大幅提升了導彈的法向力系數斜率,從而大幅提升了其法向過載,改善其機動性。

有無邊條翼情況下的零阻系數和相對壓心系數曲線如圖6所示。由6圖可知,邊條翼的引入將導致導彈的零阻系數增加約5%,使導彈的相對壓心前移。

圖6 有無邊條翼的零阻系數(0°攻角)和相對壓心系數曲線(0.6Ma)

3 風洞試驗驗證情況

為進一步驗證增加邊條翼后導彈的氣動性能,采用1∶5的縮比模型開展了導彈的風洞驗證試驗。

圖7 風洞試驗模型

試驗得到的導彈法向力系數特性曲線見圖8。

由圖8可見,有邊條翼情況下導彈的法向力系數隨攻角基本呈線性變化,試驗值略大于仿真計算值,最大偏差在5%左右。

圖8 有邊條翼情況下導彈的法向力特性

圖9 零阻特性和相對壓心系數曲線

試驗得到的導彈零阻特性和相對壓心系數曲線見圖9。可見,試驗得到的零阻系數(經過雷諾數修正)略大于仿真計算值,最大偏差在10%左右；試驗得到的相對壓心系數略大于仿真計算值,最大偏差在1%以下。

4 結論

文中對邊條翼在亞音速戰術導彈氣動設計中的應用進行了探索性研究,通過數值仿真和風洞試驗的方法,對某大展弦比彈翼布局的戰術導彈在增加邊條翼前后的氣動特性進行了分析,結果表明:

1)邊條翼的增升效果對于亞音速戰術導彈有效,小攻角條件下,邊條翼可增加有效的彈翼面積,從而增大同攻角下的法向力系數；在大攻角條件下,邊條翼可大幅提升導彈的法向力系數斜率,從而提升其法向過載和機動性。

2)邊條翼的增加同時會使導彈的阻力略有增加,導彈的壓心略有前移,在氣動設計時需統一考慮。

3)風洞試驗結果驗證了文中所采用計算模型的準確性,相關氣動參數偏差在工程可接受的范圍內。