非對稱氣動布局彈箭的耦合運動機理及運動穩定性研究

《非對稱氣動布局彈箭的耦合運動機理及運動穩定性研究》是依託南京理工大學，由劉榮忠擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：非對稱氣動布局彈箭的耦合運動機理及運動穩定性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉榮忠
• 依託單位：南京理工大學

項目摘要

非對稱氣動布局彈箭能夠形成複雜的掃描運動，在空間探測和新型智慧型彈藥領域有廣泛的套用前景，但其非線性耦合運動機理及穩定性研究尚未深入。本項目以非對稱雙翼氣動布局彈箭為對象，圍繞其非線性耦合動力學和運動穩定性問題展開研究。通過風洞實驗研究彈箭流場變化和非定常渦的產生、脫落過程。充分考慮系統質量分布和氣動布局的非對稱性、力和力矩的非線性以及彈-翼剛柔耦合等因素，建立非對稱氣動布局彈箭的非線性多體系統動力學模型，闡明非對稱布局彈箭的掃描運動機理。建立非線性運動的擾動模型，推導非對稱氣動布局彈箭運動穩定性判據，給出參數化形式的運動穩定區間，揭示氣動布局參數及彈體參數對其穩定域的影響規律。通過自由飛行試實驗，研究結構布局與氣動特性、運動規律和穩定性之間的定量關係，最佳化非對稱氣動布局彈箭的最優結構參數。本課題研究成果有助於全面揭示非對稱氣動布局彈箭運動機理和對其進行穩定性控制，指導同類飛行器總體設計。

結題摘要

採用理論建模、數值模擬和試驗研究相結合的方法，以非對稱雙翼氣動布局彈箭為對象，圍繞其尾翼氣動彈性、非線性耦合動力學和運動穩定性問題進行了系統的研究，研究成果可為該類彈箭的結構最佳化設計和推廣套用提供了理論依據和技術支持。 （1）基於雙向流固耦合方法，建立了非對稱氣動布局彈箭尾翼氣動彈性問題的數值仿真方法，對帶有剛性尾翼和柔性尾翼非對稱氣動布局彈箭進行了建模仿真，得到了不同邊界條件下，尾翼撓曲變形情況，以及撓曲變形對彈箭氣動特性的影響規律，得到了尾翼結構參數，對無彈箭氣動特性的影響。 （2）在前期研究工作基礎上，提出了基於功的互等定理的翼片撓曲變形的理論計算方法。對三種尾翼結構（平板翼片、S型翼片和C型翼片）在均布氣動力載荷作用下的撓曲變形進行了求解，得到了三種尾翼結構撓曲度隨來流速度的變化規律，理論計算結果與仿真計算結果吻合良好。 （3）結合氣動特性研究結果，建立了非對稱氣動布局彈箭的多剛體動力學方程，通過坐標變換求解了掃描線方程，根據奇點理論，得到了運動穩定性判據，獲得了明確以參數化方式表示的運動穩定區間，闡明各結構參量對非對稱氣動布局彈箭運動穩定性的影響規律。為其穩態掃描設計及參數提供了重要的理論支持。 （4）針對不同的最佳化目標，採用正交實驗方法和多目標遺傳算法對兩片翼和四片翼的非對稱氣動布局彈箭進行了氣動外形最佳化設計。基於正交試驗方法，得到了S-S型及S-C型無傘末敏彈最佳化模型，並通過高塔自由飛行試驗驗證了最佳化效果。採用基於多目標遺傳算法的最佳化方法，對四片翼非對稱氣動布局彈箭，彈箭開展了以增旋、減阻為目標的氣動外形多目標最佳化設計，獲得了兼顧減小阻力係數和提高平衡轉速的尾翼結構最佳化方案。 除此之外，繼續深入分析課題中的學術亮點及制約本項技術發展的關鍵技術，進一步開展了帶有扭曲尾翼結構的新型掠飛末敏彈氣動特性、飛行穩定性、穩態掃描特性以及命中機率等研究。