彈箭旋轉空氣動力效應研究

《彈箭旋轉空氣動力效應研究》是依託北京理工大學，由雷娟棉擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：彈箭旋轉空氣動力效應研究
• 依託單位：北京理工大學
• 項目負責人：雷娟棉
• 項目類別：面上項目

項目摘要

由於旋轉飛行的諸多優勢，很多戰術飛彈和火箭彈都採用了這種飛行方式，但旋轉飛行會引起特殊的空氣動力效應問題。飛行過程中旋轉與攻角耦合使流場變得非常複雜，導致縱、橫向氣動交聯，產生旋轉耦合面外力和面外力矩，嚴重時可能誘發影響射程和精度的不收斂圓錐運動。彈箭旋轉飛行過程中繞流場是動態的非定常流場，不僅伴隨有彈體的多自由度運動、彈性變形，還伴隨有邊界層轉捩、流動分離等複雜的流動現象，對其流動機理及氣動特性影響規律的研究是目前空氣動力學領域尚未解決的難點。本項目擬研究由彈體旋轉引起的空氣動力學基礎問題，揭示旋轉耦合面外力、面外力矩產生的機理；研究適用於彈箭旋轉空氣動力效應非定常計算的數值模擬方法、格線技術及湍流模型，為彈箭旋轉空氣動力效應綜合分析提供技術基礎；研究外形參數、布局型式、飛行條件等對彈箭旋轉空氣動力效應的影響規律研究，為旋轉彈箭飛行特性分析提供空氣動力技術基礎。

結題摘要

由於旋轉飛行的諸多優勢，很多戰術飛彈和火箭彈都採用這種飛行方式，但旋轉飛行會引起特殊的空氣動力效應問題。飛行過程中旋轉與攻角耦合使流場變得非常複雜，導致縱、橫向氣動交聯，產生旋轉耦合面外力和面外力矩，嚴重時可能誘發影響射程和精度的不收斂圓錐運動。對其流動機理及氣動特性影響規律的研究是目前空氣動力學領域尚未解決的難題。 按照項目計畫書和申請書確定的研究內容，完成了彈箭旋轉耦合空氣動力效應機理研究，認識到了產生馬格努斯效應的物理原理；發展了旋轉彈箭非定常流場高精度數值模擬方法和湍流模型，得到了更接近於實驗值的仿真結果；給出了不同飛行條件下典型彈箭構型的旋轉空氣動力效應變化規律，分析了旋轉彈箭的飛行特性。得到的主要結果如下。 首先，對於旋成體外形，旋轉馬格努斯效應主要由小攻角時的邊界層非對稱畸變和大攻角時彈身兩側的非對稱流動分離而產生。對於彈身-尾翼組合體構型，彈身對翼根流動的阻滯和彈體背風面後脫渦將對尾翼馬格努斯效應造成明顯的貢獻；對於鴨舵-彈身-尾翼組合體構型，鴨舵誘導的波系、渦系會放大彈身馬格努斯效應，鴨舵誘導的洗流會對尾翼受力造成干擾。 其次，將完全非定常方法與時域轉化為頻域的諧波平衡方法進行了比較，發現後者針對小攻角非定常效應弱、流動周期性好的狀態，可以提高計算效率。針對不同構型和特殊的狀態，需要採用適當的湍流模型來計算馬格努斯效應。通過對湍流模型進行彎曲-旋轉效應修正、橫流轉捩修正、可壓縮性修正，提高了彈箭旋轉空氣動力特性的計算精度，縱、橫向氣動特性與實驗值的相對誤差分別保持在5%和20%以內。 再次，研究了上述典型旋轉彈箭構型在不同飛行馬赫數、攻角、高度等條件下的側向力和偏航力矩、以及動態氣動特性的變化規律，為其飛行特性分析提供空氣動力技術基礎。 通過本項目研究揭示了彈箭旋轉耦合空氣動力效應機理，發展了旋轉彈箭非定常流場數值模擬方法和湍流模型，給出了典型彈箭構型的靜態和動態氣動特性變化規律，為實際工程研製過程中飛行性能的評估提供了很好的氣動支撐，為後續各類旋轉彈箭武器的研製打下了堅實的基礎。項目的研究成果具有很好的套用前景。依託本項目共培養博士、碩士10餘人。在本項目的資助下，共發表期刊論文35篇，申請專利3項，進行國內外會議交流近20次。