二維修正迫彈的氣動特性及修正能力研究*

潘 雷，吳玉斌，郝永平，張嘉易，陳 闖

(沈陽理工大學(xué)裝備工程學(xué)院，沈陽 110159)

0 引言

修正彈由于其造價低、命中精度高，能大幅提高作戰(zhàn)效能，迅速成為了各國研究的熱點(diǎn)[1]。迫擊炮自20世紀(jì)投入戰(zhàn)場以來，一直是伴隨和支援步兵作戰(zhàn)的有效的火力壓制敵人的武器[2]。雖然近年來火炮發(fā)展迅速，但迫擊炮彈由于其戰(zhàn)術(shù)靈活性以及經(jīng)濟(jì)性等原因，仍然活躍在各類戰(zhàn)爭中。但是其同時也具有射程近、精度差等缺點(diǎn)[3-5]。所以為了讓迫擊炮彈具有更高的命中率，文中通過在迫擊炮彈彈頭處加裝鴨舵式修正機(jī)構(gòu)，運(yùn)用氣動以及動力學(xué)聯(lián)合仿真的方法，對修正迫擊炮彈的修正能力進(jìn)行研究。

1 仿真模型的建立

現(xiàn)在以某型迫彈為例，分別建立了普通迫彈和加裝鴨舵的二維修正迫彈，如圖1所示。

其中鴨舵機(jī)構(gòu)如圖2所示，分為兩對舵片，呈十字形分布。

其中一對為同向舵，另一對為差動舵。鴨舵機(jī)構(gòu)的修正原理是[6]：彈丸在飛行過程中，由于彈丸頭部的鴨舵機(jī)構(gòu)存在一定的舵偏角，氣動力作用在同向舵上的為方向相同的兩個力F1和F2，合力產(chǎn)生修正力。作用在差動舵上的力為F3和F4，對鴨舵質(zhì)心產(chǎn)生合力矩T，保證鴨舵機(jī)構(gòu)產(chǎn)生微旋。

2 彈丸氣動特性分析

彈丸氣動仿真過程如下：將建立好的幾何模型導(dǎo)入Gambit，建立外場區(qū)域，進(jìn)行網(wǎng)格劃分及邊界條件的設(shè)置。再導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行求解設(shè)置，開始迭代計算。等到殘差收斂曲線趨于平緩，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的提取。

圖1 彈體模型

圖2 固定鴨舵三維模型圖

數(shù)值模擬的計算條件為：

1)馬赫數(shù)：Ma=0.25,0.5,0.75,1。

2)攻角：α=0°,2°,4°,6°,8°,10°。

分別對彈丸的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)進(jìn)行分析，以攻角α=4°,Ma=1為例，對提取數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其結(jié)果如下：

1)有無鴨舵對迫彈阻力系數(shù)的影響。

圖3 阻力系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系

如圖3所示，無論有無鴨舵，彈丸的阻力系數(shù)都是隨著馬赫數(shù)的增加而增大，隨著攻角的增大而增大，在Ma=1時，升力有著明顯的提升，符合阻力系數(shù)曲線變化特點(diǎn)[7]。并且相同馬赫數(shù)和攻角的情況下，二維修正迫彈的阻力系數(shù)始終大于普通迫彈。

2)有無鴨舵對迫彈升力系數(shù)的影響。

如圖4所示，兩種彈丸的升力系數(shù)均隨著馬赫數(shù)的增加而增大，隨著攻角的增大而增大，且二維修正迫彈的升力系數(shù)始終大于普通迫彈。

圖4 升力系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系

3)有無鴨舵對迫彈俯仰力矩系數(shù)的影響。

圖5 俯仰力矩系數(shù)與馬赫數(shù)的關(guān)系

從圖5可以看出，俯仰力矩系數(shù)的變化趨勢是隨著馬赫數(shù)的增加而增大，隨著攻角的增大而增大，并且普通迫彈的俯仰力矩系數(shù)始終大于二維修正迫彈。

從以上分析可以看出，安裝鴨舵對彈丸的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)都存在著影響。其中二維修正迫彈的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和俯仰力矩系數(shù)均大于普通迫彈。

3 動力學(xué)特性仿真分析

3.1 修正彈穩(wěn)定性分析

迫擊炮彈屬于尾翼穩(wěn)定的飛行方式[8]，就是利用尾翼作用使彈丸的壓力中心移到質(zhì)心之后，由此形成的章動力矩使章動角減小。

根據(jù)新40法得知尾翼彈的穩(wěn)定性條件為[9]：

(1)

式中:xp為壓力中心至彈頂?shù)木嚯x；xc為質(zhì)心至彈頂?shù)木嚯x。

由外彈道學(xué)相關(guān)資料可知[10]，壓力中心隨著馬赫數(shù)的變化而變化，其中在Ma=1時達(dá)到最前點(diǎn)，通過FLUENT計算得到，在Ma=1時，xp=515.5 mm，xc=353.5 mm，所以B=21.6%，符合尾翼彈穩(wěn)定性的要求，因此可以認(rèn)為加裝鴨舵機(jī)構(gòu)的二維修正迫彈可以穩(wěn)定飛行。

3.2 普通迫彈與二維修正迫彈彈道分析

根據(jù)前面的氣動分析可知，由于彈丸的氣動力系數(shù)都發(fā)生了變化，所以彈丸的各項力矩也發(fā)生了相應(yīng)的變化，其飛行軌跡也會有所不同。

已知迫擊炮彈全裝藥時，速度V=341 m/s，最遠(yuǎn)射程的射角為45°，在此條件下分別對普通迫彈及裝有鴨舵的二維修正迫彈進(jìn)行動力學(xué)仿真。對于二維修正迫彈，在彈丸出炮口后通過電機(jī)作用對鴨舵進(jìn)行微旋控制。仿真得到普通迫彈與二維修正迫彈彈道數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 光彈和修正彈數(shù)據(jù)對比

射程射高變化過程如圖6所示，側(cè)偏變化如圖7所示。

圖6 迫彈與修正彈縱向彈道軌跡對比

由表1、圖6和圖7可知，在45°射角的情況下，加裝鴨舵后彈丸的射程減小了330 m，最大射高減小了68 m。側(cè)偏增加了39 m，著地速度減小了8 m/s，飛行時間減少了0.8 s。由于鴨舵機(jī)構(gòu)的存在，增大了彈丸機(jī)構(gòu)的受力面積，導(dǎo)致彈丸所受阻力的增加，使飛行距離及射高減少，考慮到微旋的鴨舵機(jī)構(gòu)產(chǎn)生了赤道阻尼力，使彈丸的側(cè)偏有所增加。

圖7 迫彈與修正彈橫向彈道軌跡對比

4 鴨舵機(jī)構(gòu)修正能力分析

加裝鴨舵機(jī)構(gòu)以后，通過控制舵片的方向即可完成修正。鴨舵的修正能力，就是控制鴨舵修遠(yuǎn)修近和修左修右的能力。以初速為341 m/s，射角為45°的二維修正迫彈為例。

4.1 縱向修正

考慮到彈丸出炮口后存在許多飛行的不確定性，例如攻角過大等情況，所以一般選擇在彈道最高點(diǎn)時進(jìn)行修正?？刂气喍孀藨B(tài)對彈丸進(jìn)行修遠(yuǎn)和修近的控制。修正結(jié)果如表2所示。

表2 修正射程

由表2可知，在彈道頂點(diǎn)進(jìn)行修遠(yuǎn)，射程相對不修時射程增加了1.84%。在彈道頂點(diǎn)進(jìn)行修近，射程相對不修時減小了1.9%。

4.2 橫向修正

同樣對修正彈在最高點(diǎn)時修正，對鴨舵姿態(tài)進(jìn)行控制進(jìn)行向左和向右的修正。修正結(jié)果如表3所示。

表3 修正側(cè)偏

由表3可知，彈丸不修時側(cè)偏88 m。彈道頂點(diǎn)向右修，側(cè)偏修正量為105 m。彈道頂點(diǎn)向左修，側(cè)偏修正量為114 m?？梢妼τ跈M向修正，向左和向右的修正效果相差不大。

彈丸縱向飛行軌跡如圖8所示。

從圖8可以看出，進(jìn)行橫向修正的彈丸和不進(jìn)行橫向修正的彈丸的縱向軌跡基本重合，可見橫向修正幾乎不影響縱向的彈道軌跡。

圖8 迫彈與修正彈縱向彈道軌跡對比

5 結(jié)論

文中分別對普通迫彈和二維修正迫彈進(jìn)行了建模及氣動和動力學(xué)仿真分析。由氣動仿真數(shù)據(jù)可知，二維修正迫彈的升力系數(shù)、阻力系數(shù)與俯仰力矩系數(shù)均大于普通迫彈。

當(dāng)對二維修正迫彈的鴨舵機(jī)構(gòu)只進(jìn)行微旋控制，其射程相對于普通迫彈減小了330 m，側(cè)偏相對于普通迫彈增加了39 m。

對二維修正迫彈在彈道頂點(diǎn)處的修正能力進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)修正彈在修遠(yuǎn)時射程相對不修時增加了1.84%，修近時射程相對不修時減小了1.9%，修左和修右時側(cè)偏修正量分別為105 m和114 m，并且在對側(cè)偏進(jìn)行修正時，彈丸縱向軌跡基本不變。文中為迫彈二維修正技術(shù)的研究和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。