某弹箭转速-攻角闭锁数值仿真及分析

为了研究转速-攻角闭锁现象的机理和规律,利用滚转角诱导侧向力矩可引起转速-攻角闭锁这一条件,建立了可描述旋转对称弹箭转速-攻角闭锁的动力学模型,并以某弹箭为例进行了数值仿真。研究了初始转速、初始总攻角、初始总攻角方向角以及其他不同参数对转速-攻角闭锁稳态值的影响。仿真结果表明,在相同参数条件下,转速-攻角闭锁状态的稳态值由初始条件决定; 当在某参数条件下存在大小相等方向相反的2个稳态转速时,稳态转速会因初始条件的差异而稳定到不同方向,但稳态转速和初始转速方向相同的几率远大于两者相反的几率; 在各种参数的共同作用下,为使弹箭运动收敛到稳定的闭锁状态,必须对弹箭气动参数进行合理设计。     

鸭式布局双旋弹飞行动力学建模与仿真

为发展具有精确打击能力的有控旋转稳定弹,研究了一类采用双旋结构的鸭式布局旋转稳定弹。分析了该类有控弹的飞行原理,补充了其飞行动力学建模所需的坐标系;根据牛顿第二定律和动量矩定理,建立了七自由度刚体质心运动方程和绕质心运动方程;讨论了作用在弹体上的诸力和力矩。编制计算程序对鸭式布局双旋弹的弹道特性进行了仿真分析,揭示了无控条件下双旋弹前、后体的转速和全弹攻角、偏流的变化规律,得到了控制力和控制力矩作用下双旋弹体的攻角响应。仿真结果与其飞行原理吻合,符合外弹道规律,验证了所建模型的合理性,为后续研究该类有控旋转弹提供了理论基础。     

旋转稳定二维弹道修正弹在固定舵作用下的角运动特性研究

为研究旋转稳定二维弹道修正弹在固定舵作用下的攻角及速度运动特性,建立了复数形式的角运动方程。推导了固定舵匀速转动时攻角的强迫运动解及固定舵产生阶跃激励时攻角的瞬态、稳态响应解析解;推导了有控时平均速度偏角的解析解,导出了平均偏角的幅值和相位角与固定舵参数的关系;提出了旋转稳定二维弹道修正弹在固定舵作用下的飞行稳定性条件。结果表明：二维弹道修正弹无控时应避免共振,有控时应限制攻角最大增量及平衡攻角幅值;有控时平均偏角的相位角较固定舵滚转角提前一个前置角。研究结果对旋转稳定二维弹道修正弹的飞行稳定性设计及制导方法研究提供了参考。     

旋转稳定二维修正弹鸭舵法向力计算模型研究

为了研究修正组件滚转条件下二维修正弹鸭舵的法向气动力非线性规律,建立了鸭舵坐标系,考虑弹丸攻角、舵偏角、弹丸运动和迎风区与背风区等影响因素,采用多元泰勒展开理论,建立了动态鸭舵法向力计算模型; 采用数值计算分析了不同攻角、舵偏角组合的鸭舵法向力特性,得到了不同舵偏角下鸭舵法向力随攻角的变化规律,分析了滚转条件下舵偏角和攻角对4个鸭舵法向力系数的影响规律。结果表明:鸭舵法向力计算模型的计算结果与数值计算结果吻合较好,该模型为二维修正弹的气动力计算提供了参考。     

双旋弹道修正弹弹体非对称载荷的数值研究

固定鸭舵双旋弹道修正弹的弹体受到鸭舵非对称尾流的影响,其载荷具有非对称特性。为了研究该非对称特性,通过计算流体力学(CFD)仿真和风洞实验的结果对比验证CFD方法的有效性。对0°舵偏、2°舵偏、4°舵偏的双旋弹道修正弹模型在多马赫数、多攻角下进行CFD仿真,并通过绘制鸭舵尾流的流线图和弹体压力系数云图对流场进行定性分析,通过对比弹体截面压力系数和弹体法向力、侧向力系数对弹体受力的非对称性进行定量分析。结果表明： 0°舵偏模型的弹体压力系数呈面对称,2°舵偏模型、4°舵偏模型弹体压力系数呈非对称;在给定马赫数下,3种模型弹体法向力系数随攻角变化的曲线高度重合; 0°舵偏模型的弹体侧向力系数在0附近,2°舵偏模型、4°舵偏 模型的弹体侧向力随攻角近似线性变化,随马赫数先增大、后减小;给定攻角时,4°舵偏模型对应曲线峰值约为2°舵偏模型的2倍。     

二维修正弹修正组件反旋与不旋气动特性对比

为了研究修正组件反旋与不旋对弹箭气动特性的影响,在CFD软件中采用滑移网格方法对双旋二维弹道修正弹在不同攻角、马赫数下的气动特性进行了数值模拟,得到了气动特性变化规律,研究了鸭舵在不同滚转角下弹箭的修正能力,着重分析了修正组件反旋与不旋时该弹气动特性的差异。研究表明,修正组件反旋以后阻力系数与升力系数有所下降,非零攻角下该弹始终会有侧向力存在,通过控制同向舵的周向位置可以对射程和飞行方向进行修正。     

155mm固定翼双旋弹二维弹道修正引信的翼面转速特性及修正能力研究

二维弹道修正引信实现弹道修正的前提是对头部翼面部分转速进行控制。基于155 mm 固定翼双旋弹二维弹道修正引信平台,分别对双旋环境下弹体和翼面的转速特性进行了分析。建立翼面作用下双旋弹丸运动模型,采用计算流体力学软件对二维弹道修正引信进行数值模拟,计算得到了翼面各项气动力参数;通过对二维弹道修正滚转通道动力学方程展开分析,以弹丸和头部翼面部分转动惯量为基础,综合分析了翼面转动惯量、摩擦力矩、翼面滚转阻尼力矩和翼面导转力矩对全弹道转速、落点、横向偏差、攻角的影响;在转速控制基础上对155 mm 固定翼二维弹道修正引信修正能力进行了评估。研究结果表明：二维弹道修正引信导转翼面角度取5.0°~5.5°、修正翼面角度取8°~9°时可以满足控制所需的平衡转速和修正能力要求;双旋转速仿真结果可以反映弹道修正引信、精确制导组件等双旋弹丸的转速特性,为此类双旋弹丸翼面部分设计提供了理论依据。     

固定翼双旋弹动力学特性分析

固定翼双旋弹作为一种特殊的弹道修正弹,在飞行过程中其前体弹道修正引信（CCF）和后体以不同转速绕弹轴旋转。根据固定翼双旋弹气动不对称的特性,推导出固定翼双旋弹的动力学模型,经过模型简化,得到其非齐次角运动方程,根据这个角运动方程对角运动特性和飞行稳定性进行了分析。结果显示：当CCF转速固定时,转速的大小和滚转的方向都会影响弹体的角运动特性,由于弹体的共振,不合理的转速可能引起角运动的不稳定;当CCF转角固定时,弹体可以获得与CCF的鸭翼安装角近似呈正比的弹道修正能力。对固定翼双旋弹的飞行稳定性判据进行了研究,飞行稳定性判据为固定翼双旋弹前后体转速和初始射角的设计提供了参考。     

无翼式布局制导火箭弹俯仰操纵气动特性

为了研究某无翼式布局制导火箭弹进行俯仰操纵时非线性气动特性对弹箭操纵性的影响,通过模型风洞试验和数值计算相结合的方法,分析了不同马赫数、舵偏角和攻角等因素对该火箭弹气动特性的影响。对模型进行超声速风洞试验,试验结果表明,俯仰操纵负舵偏角时俯仰力矩系数导数随攻角先增大后减小,正舵偏角时俯仰力矩系数导数随攻角先减小后增大。采用ANSYS FLUENT对不同工况下该弹气动特性进行数值计算,计算结果表明,得到的俯仰力矩与风洞实验结果吻合较好,最大误差仅为4.6%。各部件气动特性分析结果表明:弹身的压心在负舵偏角时前移,正舵偏角时后移; 上尾舵受弹身干扰影响法向力效率降低; 负舵偏角时下尾舵的法向力系数导数随攻角减小,正舵偏角时下尾舵的法向力系数导数随攻角增大; 各部件共同作用下弹箭气动特性呈非线性。     

转速闭锁对远程弹箭的影响

针对远程弹箭研制过程出现的飞行不稳定现象,研究了远程弹箭诱导滚转力矩与诱导侧向力矩的形成机理,推导了在诱导滚转力矩与诱导侧向力矩作用下转速闭锁与似月运动的形成条件,对转速闭锁的形成进行了数值仿真验证.结果表明,转速闭锁的存在使火箭无法达到设计转速,使远程弹箭做较长时间的大振幅锥形运动,全弹道阻力增大、射程减小,严重时会造成飞行失稳.通过减小诱导滚转力矩和发射初始扰动、适当增大导转力矩等方法可对其进行抑制.     

近距耦合鸭式布局导弹气动特性

由于导弹在大攻角下舵面法向力会下降,导致机动性降低。在鸭舵前添加反安定面,可使之与鸭舵之间产生有利干扰,在获得机动性的同时获得高操纵性。采用数值模拟方法研究亚声速和超声速条件下双鸭式布局导弹的近距耦合效应。在验证数值方法可靠的基础上,与鸭式布局导弹进行对比分析,重点研究来流工况为Ma=0.5与Ma=2.0时在不同迎角下反安定面与鸭舵之间的涡系演变过程,并对舵面法向力和俯仰力矩进行了分析。分析结果表明：当来流处于亚声速时,在中大迎角以后产生的增升效果明显,反安定面卷起的下洗涡与鸭舵涡卷绕融合后使之得到明显增强,涡强度的增强延迟了鸭舵表面的流动分离,提高了法向力;当来流处于超声速时,相互之间的耦合作用变为使鸭舵上表面流速增加和下表面涡量减少,进而提升鸭舵升力;双鸭式布局能够增加平衡迎角,提高操纵性。     

固定鸭舵导引组件修正力模型改进及参数辨识

固定鸭舵双旋弹道修正弹通过调整固定鸭舵相位角控制修正力方向,从而改变弹体姿态,实现弹道修正。准确的导引组件修正力模型是提高修正弹修正精度的关键。本文在风洞试验基础上验证了数值计算的有效性。针对非零攻角下翼身干扰不对称现象,基于小扰动理论建立了基于4片舵片考虑翼身干扰的修正力模型。使用计算流体力学(CFD)所得数据,通过Levenberg-Marquardt算法对修正力模型进行参数辨识。辨识结果表明：基于4片舵片气动模型的y轴方向、z轴 方向修正力随相位角呈正弦规律变化;在给定马赫数情况下,所建立的气动模型弹头对舵片的干扰系数对攻角变化不敏感,干扰系数随攻角相对变化小于4.9%;所建立的修正力气动工程模型y轴 方向和z轴方向修正力的残差平方和比现有模型更小,头部修正组件的修正力模型与CFD计算结果吻合较好。     

一种基于速度方向修正的旋转稳定弹弹道跟踪制导方法研究

针对旋转稳定二维弹道修正弹的制导律设计问题,提出了一种基于速度方向修正的弹道跟踪制导方法,推导了固定舵产生阶跃激励时弹丸的攻角及速度运动规律,得到了平均偏角的相位角与固定舵滚转角的关系。通过在标准弹道上生成一个虚拟未来点,得到了速度角的指令。提出了通过修正速度方向与该指令的偏差,实现对标准弹道跟踪的原理。提出了一种当实际弹道偏离标准弹道较远时,通过落点预测实时生成新的标准弹道的方法。仿真结果表明:小射角射击时,可在全弹道采用速度方向修正来跟踪标准弹道;大射角射击时,可在降弧段在线生成标准弹道,再通过速度方向修正来跟踪该标准弹道。     

隔转鸭舵式弹道修正弹电磁执行机构工况研究

为研究隔转鸭舵式弹道修正弹执行机构的工况,对鸭舵和轴承进行动力学建模,改进基于欧拉方法的双旋弹道模型,并利用弹道参数对电磁执行机构的设计工况进行验证。以不同发射条件下弹体和鸭舵的滚转状态为基础,提取执行机构的工作转速和电磁扭矩。计算结果表明：鸭舵在出炮口后能够快速实现相对弹体的反向滚转,并逐渐达到低速的平衡状态,且平衡转速受发射条件影响小。弹体转速是引起执行机构工作转速范围较大的原因,弹丸经过弧顶后,执行机构的工况趋于平稳,转速保持在130~230 r/s范围,所需扭矩小于0.5 N·m. 从执行机构工作带宽的角度考虑,最佳启控点宜在弧顶之后。基于顶层弹道模型获取关键部件设计指标的方法为双旋弹道修正弹的工程应用提供了借鉴。     

防空制导炮弹有控弹道动态稳定性分析

简述了弹丸动态稳定性的研究状况。针对一对鸭舵、尾翼稳定式防空制导炮弹,建立了鸭舵控制作用下的有控弹道角运动模型,采用李雅普诺夫直接法导出有控炮弹自由运动动稳定条件。通过求解角运动方程,分析了舵面偏转条件下的弹丸受迫运动稳定性,分别讨论了影响自由运动和受迫运动稳定性的因素。结果表明,舵面参数与弹丸转速是影响有控弹道动稳定的主要因素,须在气动布局参数设计和弹道设计时加以合理控制。     

固定鸭舵双旋火箭弹超声速侧向气动特性

为研究加装了固定鸭舵修正组件的双旋火箭弹的气动特性,采用ANSYS Fluent软件计算弹体周围流场,采用滑移网格方法模拟弹箭旋转运动,在验证数值方法的基础上,对超声速下无鸭舵、鸭舵修正组件不旋和鸭舵修正组件反旋3种状态的双旋火箭弹进行数值模拟,重点分析了鸭舵修正组件对全弹和部件侧向力的影响.计算结果表明:加装鸭舵修正...