制導炮彈總體氣動設計和性能計算概述

韓立斌 劉士偉

摘要：精確制導技術，增程技術、小型化與模塊化技術的應用以及低成本控制等未來戰爭對制導炮彈的技術要求。針對增程型制導炮彈，概述了目前總體氣動設計和性能計算方面的研究現狀，以期為制導炮彈的研究提供參考。

關鍵詞：制導炮彈;增程技術;總體設計

一、制導炮彈發展歷程

制導炮彈是在制導技術、微電子技術以及空氣動力學等基礎上發展而來的新型炮彈。相對于常規炮彈，制導炮彈具有命中率高、可打擊靜態和動態目標的優點，相對于制導導彈，則具有攜彈量大、布置靈活以及低成本等優點[1]。根據應用情景不同，制導炮彈分為陸軍火炮制導炮彈、制導迫擊炮彈[2]、制導火箭彈以及艦炮制導炮彈[3]等。美國和前蘇聯最初研發陸軍火炮制導導彈，分別研發出采用激光半主動制導的“銅斑蛇”和“紅土地”。后續采用INS/GPS復合制導方式，涌現出“神劍”火炮制導炮彈以及“ERGM”、“鵜鶘”和“火山”等艦炮制導炮彈，射程由早期激光半主動制導炮彈的20公里提高到50公里以上。美國、俄羅斯、瑞典和以色列將不同的制導技術應用在常規迫擊炮彈上，研發出光電/ 紅外制導的“XM386”迫擊炮彈、半主動激光制導的“晶面”、“勇敢者”和“LGMB”迫擊炮彈等[2]。為了適應未來高科技戰爭的需求，對制導炮彈提出了更高技術要求，包括精確制導技術，增程技術、小型化與模塊化技術以及低成本控制等。

目前常用的增程技術包括底排增程、沖壓增程、滑翔增程以及復合增程等。以沖壓- 滑翔復合增程技術為例，炮彈以超聲速發射出炮口，尾翼展開穩定彈體，流入進氣道的氣流與燃燒室燃料混合燃燒，產生的高溫、高壓氣體由尾噴口噴出，從而彈體迅速加速，為沖壓階段;燃料燃燒結束后，頭部進氣口封閉，炮彈像常規炮彈一樣爬升，為爬升飛行階段;在炮彈到達彈道頂點附近，鴨翼彈出用來修正飛行彈道，為滑翔階段。彈體總體氣動設計、進氣道流場特性和鴨翼氣動效率等直接決定制導炮彈性能，下面概述增程制導炮彈設計和計算方面的研究現狀。

二、總體氣動設計

鴨翼對于制導炮彈滑翔階段至關重要，史金光[4-5]進行了滑翔增程彈舵面的氣動設計，研究了鴨式舵的幾何參數選擇、舵面尺寸確定的方法，采用該方法確定的舵面具有較好的穩定性和操縱性。另外還建立了鴨式制導炮彈氣動外形優化參數數學模型進行了氣動外形優化設計。雷娟棉[6]對鴨式布局增程制導炮彈進行了總體設計，采用6葉片大展弦比無后掠尾翼提高靜穩定性，鴨舵采用無彎度NACA層流翼型提高氣動控制效率，彈體頭部采用卡門曲線降低壓差阻力。風洞試驗證實設計的制導炮彈具有較高的升阻比和滑翔增程能力，以及較小的雷達散射面積。孫世巖[7]將基于CAD系統的制導炮彈參數化建模與基于面元法氣動性能評估方法相結合，建立了一種能夠滿足制導炮彈復雜氣動外形的設計方法。朱胤[8]通過對頭部、彈身彈尾、尾翼和鴨翼設計，設計了一種采用“一”字平面鴨舵的尾翼式制導炮彈氣動布局，計算表明可控性良好。

三、氣動性能計算

制導炮彈氣動性能計算為外形設計提供依據和驗證，目前常用的計算流體數值模擬方法具有較好的可靠性。符蓓蓓[9]用數值模擬方法研究了不同船尾和尾翼剖面形狀對超遠程制導炮彈阻力的影響，計算結果表明尾翼厚度及剖面前后緣鈍度對阻力影響較大。杜韓東[10]數值模擬了翼型對舵翼氣動特性的影響，得到了不同翼型的舵翼氣動參數隨馬赫數的變化規律。張寧[11]數值研究了沖壓增程制導炮彈在沖壓助推、爬升飛行和滑翔三種狀態下的氣動特性，計算結果具有良好的精度，在相同條件下沖壓助推、滑翔以及爬升飛行對應的氣動外形阻力依次遞減。黃玉才[12]采用SST湍流模型和AUSM+格式對高超聲速炮彈進行非定常數值模擬，計算結果與工程計算結果吻合較好，數值模擬能夠較好的再現高超聲速條件下彈體周圍復雜的流動現象，便于揭示流場的分布規律。馬曄璇[13]對鴨式布局沖壓增程制導炮彈進行了數值模擬，獲取升阻系數和激波結構，相對于無

沖壓無鴨翼同外形參考彈，鴨式沖壓制導炮彈在沖壓工作狀態和被動飛行狀態下的阻力增大，升力減小，阻力的增大幅度大于升力的減小幅度。另外，與沖壓工作狀態相比，被動飛行狀態下炮彈的阻力系數更小，升力系數更大。趙占龍[14]運用橫流比擬法和等效攻角法計算彈體、彈翼非線性氣動特性，考慮兩者之間的氣動干擾，指出制導炮彈在設計中應注意的大攻角非對稱側向力以及靜不穩定性問題。劉亞杰[15]采用動網格技術非定常數值模擬了艦炮制導炮彈彈托分離過程，分離初始階段，彈托和彈體存在明顯的氣動干擾，彈托前的激波打到彈體，使得彈體氣動特性振蕩變化，隨后分離距離增大，兩者的氣動干擾逐漸消失。程誠[16]對某制導炮彈內彈道性能進行了二維兩相流數值模擬，數值結果能夠準確反映整個內彈道循環膛內兩相流的流動特性及動態發展過程。

四、總結

隨著科技發展以及未來戰場需求，制導炮彈將成為應對未來戰爭的途徑之一。空氣動力學在制導導彈的氣動總體設計，尤其是在增程技術方面起著先導作用。

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