光學(xué)艙外形對(duì)子彈轉(zhuǎn)速的影響數(shù)值研究*

劉文舉，趙養(yǎng)正，梁建峰，雷永信

(西安現(xiàn)代控制技術(shù)研究所，西安 710065)

0 引 言

末敏彈是典型的智能彈藥，通常為子母式結(jié)構(gòu)，當(dāng)子彈從母彈彈體拋出后，減速傘張開(kāi)減速，子彈光學(xué)艙旋出，子彈體成為幾何非對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這一轉(zhuǎn)速的大小和方向直接影響后序主旋轉(zhuǎn)傘的開(kāi)傘性能。目前對(duì)旋轉(zhuǎn)彈箭的氣動(dòng)特性的研究較多，文獻(xiàn)[1-2]分別用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值的方法對(duì)平頭圓柱體+四片翼子彈的滾轉(zhuǎn)阻尼進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[3-5]數(shù)值研究了導(dǎo)彈旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)導(dǎo)數(shù)，文獻(xiàn)[6]研究了在旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下一種異形卷弧翼彈的氣動(dòng)特性，但研究這種光學(xué)艙幾何變化對(duì)子彈轉(zhuǎn)速的影響，還未有公開(kāi)的文獻(xiàn)，因此通過(guò)數(shù)值方法研究光學(xué)艙不同幾何形狀對(duì)子彈轉(zhuǎn)速的影響規(guī)律對(duì)解決主旋轉(zhuǎn)傘可靠開(kāi)傘意義重大。

1 模型

模型結(jié)構(gòu)為臺(tái)階型彈體+旋開(kāi)式光學(xué)艙(見(jiàn)圖1)。此氣動(dòng)外形彈體完全相同，光學(xué)艙的幾何外形有外弧面+內(nèi)平面+左凸臺(tái)、外平面+內(nèi)平面+左凸臺(tái)、外弧面+內(nèi)弧面+左凸臺(tái)、外弧面+內(nèi)平面+無(wú)凸臺(tái)、外弧面+內(nèi)弧面+寬凸臺(tái)等形式。

2 數(shù)值方法

2.1 計(jì)算方法

文中使用cfx 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。具體計(jì)算方法為: 結(jié)合SST 湍流模型，并采用有限體積中心差分格式對(duì)三維雷諾平均Navier-Stokes 方程進(jìn)行求解。在計(jì)算滾轉(zhuǎn)阻尼時(shí)，采用了和文獻(xiàn)[1]相同的方法，坐標(biāo)系固定在子彈體上，隨子彈一起以固定的角速度旋轉(zhuǎn)。入口邊界采用速度和溫度；出口邊界采用靜壓和溫度；遠(yuǎn)場(chǎng)邊界采用無(wú)粘滑移邊界墻；壁面邊界采用無(wú)滑移壁面條件。

圖1 光學(xué)艙外形示意圖

轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

2.2 計(jì)算網(wǎng)格

外場(chǎng)采用四面體網(wǎng)格，附面層采用三棱柱形網(wǎng)格。模型的表面網(wǎng)格和附面層網(wǎng)格見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 表面網(wǎng)格

2.3 計(jì)算條件

1)靜態(tài)計(jì)算條件

速度：40 m/s、65 m/s、200 m/s；攻角：-7°、-2°、 3°。

2)準(zhǔn)靜態(tài)計(jì)算條件

速度：40 m/s、65 m/s、200 m/s；攻角：-7°、-2°、 3°；

轉(zhuǎn)速：0～5 r/s。

圖3 附面層網(wǎng)格和外場(chǎng)網(wǎng)格

3 結(jié)果與討論

對(duì)靜態(tài)和旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的氣動(dòng)滾轉(zhuǎn)力矩和阻尼力矩進(jìn)行了計(jì)算，通過(guò)轉(zhuǎn)速計(jì)算公式，獲得不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較分析。

3.1 轉(zhuǎn)速結(jié)果分析

規(guī)定沿彈軸從彈尾向彈頭看順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為負(fù)轉(zhuǎn)速，逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)速，由圖4負(fù)攻角7°時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線可以看出：光學(xué)艙有左凸臺(tái)的a、b、c三種模型轉(zhuǎn)速較高，而且隨速度增加，轉(zhuǎn)速逐漸增大；無(wú)凸臺(tái)的d模型和寬凸臺(tái)的e模型轉(zhuǎn)速較低，轉(zhuǎn)速在2 r/s以?xún)?nèi)，轉(zhuǎn)速的變化也較小。圖5負(fù)攻角2°時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線和圖6正攻角3度時(shí)的轉(zhuǎn)速曲線也有類(lèi)似的情況。因此在設(shè)計(jì)光學(xué)艙的幾何外形時(shí)，應(yīng)考慮外形對(duì)子彈轉(zhuǎn)速的影響，避免轉(zhuǎn)速較高引起的開(kāi)傘纏傘現(xiàn)象的發(fā)生，提高開(kāi)傘成功率。

圖4 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=-7°)

圖5 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=-2°)

圖6 不同光學(xué)艙子彈的轉(zhuǎn)速隨速度的變化曲線(α=3°)

3.2 流場(chǎng)分析

從第3.1節(jié)轉(zhuǎn)速結(jié)果分析可以看出光學(xué)艙的幾何形狀對(duì)子彈轉(zhuǎn)速有較大影響，下面從流場(chǎng)的角度對(duì)這種影響做進(jìn)一步研究。從圖7光學(xué)艙部位的壓力云圖可以看出，光學(xué)艙左凸臺(tái)內(nèi)側(cè)，壓力較大，而光學(xué)艙外圓弧面的壓力較小，因此形成了壓力差，光學(xué)艙受到由內(nèi)平面向外弧面的力，這樣，沿彈軸從彈尾向彈頭看，彈體將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從圖8無(wú)凸臺(tái)光學(xué)艙部位的壓力云圖可以看出，光學(xué)艙外弧面和內(nèi)平面的壓力幾乎相同，壓力差較小，弧面的壓力稍大于內(nèi)平面，因此光學(xué)艙受到由外弧面向內(nèi)平面的力，這樣，沿彈軸從彈尾向彈頭看，彈體將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。從這兩種外形的壓力云圖對(duì)比分析，可以進(jìn)一步說(shuō)明光學(xué)艙左凸臺(tái)對(duì)順時(shí)針轉(zhuǎn)速有較大影響，在光學(xué)艙結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮凸臺(tái)的高度不能太高，否則順時(shí)針轉(zhuǎn)速會(huì)增大。

圖7 速度200 m/s時(shí)左凸臺(tái)模型a的壓力云圖(α=7°)

圖8 速度200 m/s時(shí)無(wú)凸臺(tái)模型d的壓力云圖(α=7°)

圖9 速度200 m/s時(shí)有左凸臺(tái)模型b和c的壓力云圖(α=7°)

從圖1中模型b和c的外形比較來(lái)看，模型b內(nèi)外面均為平面形，而模型c內(nèi)外面均為圓弧形，二者均有左凸臺(tái)，從圖9的流場(chǎng)可以看出，雙弧面內(nèi)面的壓力比雙平面的內(nèi)面壓力稍小，而左凸臺(tái)對(duì)壓力影響遠(yuǎn)大于內(nèi)外面的壓差影響，因此從圖4中的轉(zhuǎn)速曲線也可以看出，模型b和模型c的轉(zhuǎn)速均較大，這種情況也和有左凸臺(tái)的模型a的轉(zhuǎn)速曲線接近。從圖10寬凸臺(tái)模型e的壓力云圖可以看出，內(nèi)外面、寬凸臺(tái)兩側(cè)的壓力差較小，與左凸臺(tái)模型c相比，從左凸臺(tái)改為寬凸臺(tái)降低了凸臺(tái)處的壓力差，因此從圖4、圖5、圖6都可以看出，寬凸臺(tái)模型e的轉(zhuǎn)速減小。

圖10 速度200 m/s時(shí)寬凸臺(tái)模型e的壓力云圖(α=7°)

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)是在CG-02低速直流開(kāi)口立式風(fēng)洞(穩(wěn)態(tài)掃描環(huán)境模擬試驗(yàn)裝置)中進(jìn)行模擬的，試驗(yàn)段見(jiàn)圖11。該風(fēng)洞收縮段出口直徑為Φ4.5 m，試驗(yàn)段射流長(zhǎng)度為6.5 m，試驗(yàn)段風(fēng)速范圍5～50.8 m/s。 本次驗(yàn)證試驗(yàn)采用文獻(xiàn)[7]的試驗(yàn)方法。

圖11 開(kāi)口式立式風(fēng)洞試驗(yàn)段

圖12展示了模型a在試驗(yàn)段試驗(yàn)的狀態(tài)，T1、T2、T3和T4代表了旋轉(zhuǎn)的時(shí)間順序，可以看出模型沿彈軸從彈尾向彈頭看順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。

圖13為風(fēng)速40 m/s時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速測(cè)量結(jié)果，可以看出轉(zhuǎn)速隨時(shí)間波動(dòng)式變化，平均值為3.36 r/s。

圖12 風(fēng)速為40 m/s時(shí)，按旋轉(zhuǎn)的時(shí)間順序展示的瞬時(shí)圖片

圖13 風(fēng)速為40 m/s時(shí)，瞬時(shí)轉(zhuǎn)速隨時(shí)間的變化曲線

表1為不同風(fēng)速下平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量值，雖然風(fēng)速不同，但平均轉(zhuǎn)速較為接近，因此在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速時(shí)，可以認(rèn)為5 m/s以?xún)?nèi)的風(fēng)速差距對(duì)轉(zhuǎn)速的影響非常小。

表1 不同風(fēng)速時(shí)平均轉(zhuǎn)速的測(cè)量結(jié)果

從表1中狀態(tài)2的測(cè)量值3.36 r/s，與圖5中模型a，風(fēng)速為40 m/s的數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)速3.65 r/s的對(duì)比可以看出，二者數(shù)值非常接近，而且轉(zhuǎn)速方向相同，只是數(shù)值計(jì)算結(jié)果稍大，因此，數(shù)值計(jì)算轉(zhuǎn)速的方法具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值。

4 結(jié)論

通過(guò)數(shù)值計(jì)算的方法研究了光學(xué)艙幾何結(jié)構(gòu)變化對(duì)子彈轉(zhuǎn)速大小及方向的影響，并通過(guò)流場(chǎng)分析和與實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速結(jié)果的對(duì)比得出結(jié)論：

1)采用文中的數(shù)值方法計(jì)算的轉(zhuǎn)速實(shí)用、可靠，與試驗(yàn)結(jié)果一致性好；

2)光學(xué)艙的幾何形狀影響子彈的轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向；

3)在設(shè)計(jì)光學(xué)艙結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)注意迎風(fēng)端左凸臺(tái)高度的增加，會(huì)引起子彈的順時(shí)針轉(zhuǎn)速增大；

4)當(dāng)光學(xué)艙采用寬凸臺(tái)結(jié)構(gòu)時(shí)，可以減小子彈的轉(zhuǎn)速；

5)當(dāng)光學(xué)艙迎風(fēng)端無(wú)凸臺(tái)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較小的轉(zhuǎn)速。