制导炮弹大攻角范围气动特性的计算分析
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第３ ３卷
第 ６期
四 川 兵 工 学 报
wk.baidu.com
２１ ０ ２年 ６月
【 武器装备理论与技术 】
制 导 炮 弹 大 攻 角 范 围气 动特 性 的计 算 分 析
赵 占龙 ， 良明 王
（ 南京 理工大学 能源与 动力 工程学院 ， 南京 ２０９ ） １０ ４
摘要 ： 分析计算 了制导炮弹大攻角 范围的气动特 性和大 攻角 范 围的流场 特性 ， 介绍 了运用 横流 比拟法 计算 弹体 、 弹
翼非 线性 气动特性 的过程 ， 并提 出一种 用等效攻 角法考 虑翼 、 间 的相 互干 扰 ， 算制 导炮 弹的大 攻角气 动特性 的 体 计
工程计算方法 。以一带 ４片尾翼 的制 导炮 弹为例进行计算 、 分析 ， 总结了大攻角非线性气 动特性 ， 出制 导炮弹在设 指 计中应注意 的大攻 角范围非对称侧力和静不 稳定性的 问题 。 关键词 ： 制导 炮弹 ； 大攻角 ； 非线性气 动特性 ； 流 比拟法 ； 横 等效攻角法
扰现象 ， 而且分离涡本 身 发展 到一定 阶段 会 出现破 裂 ， 弹身 的非对称涡会诱导 与法向力同量级 的侧力 。 绕流轴对称旋 成体的流动形态共分 为 ４种 ， 主要 与攻 角
有 关 ：
等空气动力装置提 高了炮弹的攻击距 离 。与 导弹相 比 ， 制导
炮弹可 由火炮全 天候持续 、 速发射 ， 具有使 用灵活 、 于 快 且 易 补给 、 制造 和使用 成本 低等 优点 。由此 可见 ， 导炮 弹对 现 制 代战争有很重 要的作用。 随着科学技术 的发展 ， 现代战争对武 器的机动 性有 了更 高的要求 ， 有效 的方 法是 采用 大攻 角飞 行 ， 这就 使大攻 角 气 动特性研究在 弹箭 预研阶段起着关键作 用 ， 早在 ２ 世 纪 ５ 、 ０ ０ ６ ０年代就 已经开始 了大攻角 非线性 气动 特性 的研 究 。在 几 种弹箭气 动特 性预测 方法 中， 理论 分析 计算 ， 别是 工程 计 特 算， 虽然 只能给 出气动特 性 ， 不能给 出流场情 况 ， 因其使 用 但 方便且气 动特 性的精度基本能满 足设 计要求得到广泛应用 。 目前 ， 已经有关 于细长弹体的大攻 角范 围内的气动 特性 分析 ， 其仅 限于 细长 弹体的计算分析 。本 文进一步 用等 但 效攻角法进行 带翼弹体 的气动 特性 的工程计 算 ， 并将其 用于 制导炮 弹大攻角范 围的气 动特性计 算 中。
１ 大 攻 角 弹 体 的流 场 特 性 分 析
工程 计算只能给 出气 动 特性 ， 能给 出流场 的情 况 ， 不 而 典型弹箭在 大攻角状态下 飞行 ， 使气 动力计算 由线性 问题转 到非线性 问题 。非线性气 动力 主要 由 ２方面原 因造成 ： 首先 是压缩性 影响 ， 它是 与 激波 现象 紧密 相连 的 ， 在跨 声速 和超 声速 、 小攻角时就 已经 呈现 出非 线性 特性 ； 一方 面是 黏性 另 效应 ， 特别是大攻 角 时漩 涡 带来 的非 线性 ， 是最 主要 的原 这
现 象 产 生 。 升 力 面 的 涡 流 特 性 以绕 流 三 角 翼 最 为 典 型 。对
１ ３
Ｃ ＝ ［ ｓ ｏｉｏ Ｏ ＋ｓ Ⅳ Ｃｖ ｓｎｔ Ｓ ０ ｏ Ｃ ｉ ｎ
（） ２
其 中 ： Ｃ 棚］ ［ 是零攻角 下翼 的法 向力系数 导数 ； 是 暴露 ｓ 翼 的面积。Ｃ 值在亚音速和超 音速下上 限分别限制 在 １２ ．
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ ３—０ ３
作者简 介 ： 占龙 （９ ８ ） 男 ， 赵 １８ 一 ， 硕士研究生 ， 主要从事弹箭非线性气动 特性研究 。
赵 占龙 ， ： 导 炮弹 大攻 角 范 围气动特性 的 计算 分析 等 制
在 亚跨 声 速范 围内 ， 应用 升 力 面涡 流产 生 的非 线 性升 力， 大大提高 了弹箭 的机 动性 ， 也会导 致许 多复 杂 的气动 但
因 。 本 文 针 对 大 攻 角 产 生 的 非 线 性 气 动 力 问题 进 行 讨 论 。 在亚跨音速 下 ， 离 涡 导致 的非 线 性 气动 力 占主 导地 分
图 １ 对 称 涡
图 ２ 定 常 非 对 称 涡
位 。流场中会 产生复杂 的漩 涡干扰现象 、 涡和部件 间 的干 漩
和 １５ ．。
尖前缘 的三角翼 ， 在亚声速 、 稍大攻角 的情况下 ， 迎风 面边界
层 即从翼前 缘分离 ， 在背 风面形成一对稳 定 的分 离涡 。背 风 面主要受一 对主涡的控制 ， 面产生 的非 线性升力 主要取决 翼 于主涡。主涡的分离线就是前缘线 ， 主涡 特性 以及诱 导 的涡 升力 与来 流雷诺数无关 。除 了主涡外 ， 风面还有 一对二 次 背
３ ＜ ≤６ 出现定常 非对称 涡 ， 图 ２所 示 ， ）２ ０， 如 左 右两侧漩 涡发 展到一定的轴 向长度 后撕裂 ， 因而左 右分 离涡 交替形成 ， 在弹体横剖 面上 ， 呈卡 门涡街 排列 ， 出现侧 力 。 ４ ０ ≤９ 。 出现非定 常涡迹 ， 生随机侧力 。 ）６ ＜ ０， 产
中图 分 类 号 ：Ｊ １ ． ６ Ｔ４ ３ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６— ７７ ２ １ ） ６— ０ ２— ４ １０ ０ ０ （ ０２ ０ ０ １ ０
制导炮弹是一种高 新技术炮弹 ， 与一般 炮弹 的差 别 主要 是弹丸上装有制导 系统 和可供 驱 动 的弹翼 或尾 舵等空 气 动 力装 置。制导系统使炮 弹有 了更高 的射 击精度 ， 弹翼 或尾舵
１ ）
≤４ ， 为附着流型 。边界层薄且 贴体 ， 。称 外流场 用
位流描述 ， 升力随攻角呈线性 变化 。 ２ ＜ ≤２ ， 当攻 角增大 ， 小 于头部半 顶角 ０ ）４ 即 但 的两倍时 ， 背风面附着层分离 ， 形成一对 对称 涡 ， 力随攻 角 升
呈 非 线 性 变化 ， 图 １ 示 。 如 所
第 ６期
四 川 兵 工 学 报
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２１ ０ ２年 ６月
【 武器装备理论与技术 】
制 导 炮 弹 大 攻 角 范 围气 动特 性 的计 算 分 析
赵 占龙 ， 良明 王
（ 南京 理工大学 能源与 动力 工程学院 ， 南京 ２０９ ） １０ ４
摘要 ： 分析计算 了制导炮弹大攻角 范围的气动特 性和大 攻角 范 围的流场 特性 ， 介绍 了运用 横流 比拟法 计算 弹体 、 弹
翼非 线性 气动特性 的过程 ， 并提 出一种 用等效攻 角法考 虑翼 、 间 的相 互干 扰 ， 算制 导炮 弹的大 攻角气 动特性 的 体 计
工程计算方法 。以一带 ４片尾翼 的制 导炮 弹为例进行计算 、 分析 ， 总结了大攻角非线性气 动特性 ， 出制 导炮弹在设 指 计中应注意 的大攻 角范围非对称侧力和静不 稳定性的 问题 。 关键词 ： 制导 炮弹 ； 大攻角 ； 非线性气 动特性 ； 流 比拟法 ； 横 等效攻角法
扰现象 ， 而且分离涡本 身 发展 到一定 阶段 会 出现破 裂 ， 弹身 的非对称涡会诱导 与法向力同量级 的侧力 。 绕流轴对称旋 成体的流动形态共分 为 ４种 ， 主要 与攻 角
有 关 ：
等空气动力装置提 高了炮弹的攻击距 离 。与 导弹相 比 ， 制导
炮弹可 由火炮全 天候持续 、 速发射 ， 具有使 用灵活 、 于 快 且 易 补给 、 制造 和使用 成本 低等 优点 。由此 可见 ， 导炮 弹对 现 制 代战争有很重 要的作用。 随着科学技术 的发展 ， 现代战争对武 器的机动 性有 了更 高的要求 ， 有效 的方 法是 采用 大攻 角飞 行 ， 这就 使大攻 角 气 动特性研究在 弹箭 预研阶段起着关键作 用 ， 早在 ２ 世 纪 ５ 、 ０ ０ ６ ０年代就 已经开始 了大攻角 非线性 气动 特性 的研 究 。在 几 种弹箭气 动特 性预测 方法 中， 理论 分析 计算 ， 别是 工程 计 特 算， 虽然 只能给 出气动特 性 ， 不能给 出流场情 况 ， 因其使 用 但 方便且气 动特 性的精度基本能满 足设 计要求得到广泛应用 。 目前 ， 已经有关 于细长弹体的大攻 角范 围内的气动 特性 分析 ， 其仅 限于 细长 弹体的计算分析 。本 文进一步 用等 但 效攻角法进行 带翼弹体 的气动 特性 的工程计 算 ， 并将其 用于 制导炮 弹大攻角范 围的气 动特性计 算 中。
１ 大 攻 角 弹 体 的流 场 特 性 分 析
工程 计算只能给 出气 动 特性 ， 能给 出流场 的情 况 ， 不 而 典型弹箭在 大攻角状态下 飞行 ， 使气 动力计算 由线性 问题转 到非线性 问题 。非线性气 动力 主要 由 ２方面原 因造成 ： 首先 是压缩性 影响 ， 它是 与 激波 现象 紧密 相连 的 ， 在跨 声速 和超 声速 、 小攻角时就 已经 呈现 出非 线性 特性 ； 一方 面是 黏性 另 效应 ， 特别是大攻 角 时漩 涡 带来 的非 线性 ， 是最 主要 的原 这
现 象 产 生 。 升 力 面 的 涡 流 特 性 以绕 流 三 角 翼 最 为 典 型 。对
１ ３
Ｃ ＝ ［ ｓ ｏｉｏ Ｏ ＋ｓ Ⅳ Ｃｖ ｓｎｔ Ｓ ０ ｏ Ｃ ｉ ｎ
（） ２
其 中 ： Ｃ 棚］ ［ 是零攻角 下翼 的法 向力系数 导数 ； 是 暴露 ｓ 翼 的面积。Ｃ 值在亚音速和超 音速下上 限分别限制 在 １２ ．
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ ３—０ ３
作者简 介 ： 占龙 （９ ８ ） 男 ， 赵 １８ 一 ， 硕士研究生 ， 主要从事弹箭非线性气动 特性研究 。
赵 占龙 ， ： 导 炮弹 大攻 角 范 围气动特性 的 计算 分析 等 制
在 亚跨 声 速范 围内 ， 应用 升 力 面涡 流产 生 的非 线 性升 力， 大大提高 了弹箭 的机 动性 ， 也会导 致许 多复 杂 的气动 但
因 。 本 文 针 对 大 攻 角 产 生 的 非 线 性 气 动 力 问题 进 行 讨 论 。 在亚跨音速 下 ， 离 涡 导致 的非 线 性 气动 力 占主 导地 分
图 １ 对 称 涡
图 ２ 定 常 非 对 称 涡
位 。流场中会 产生复杂 的漩 涡干扰现象 、 涡和部件 间 的干 漩
和 １５ ．。
尖前缘 的三角翼 ， 在亚声速 、 稍大攻角 的情况下 ， 迎风 面边界
层 即从翼前 缘分离 ， 在背 风面形成一对稳 定 的分 离涡 。背 风 面主要受一 对主涡的控制 ， 面产生 的非 线性升力 主要取决 翼 于主涡。主涡的分离线就是前缘线 ， 主涡 特性 以及诱 导 的涡 升力 与来 流雷诺数无关 。除 了主涡外 ， 风面还有 一对二 次 背
３ ＜ ≤６ 出现定常 非对称 涡 ， 图 ２所 示 ， ）２ ０， 如 左 右两侧漩 涡发 展到一定的轴 向长度 后撕裂 ， 因而左 右分 离涡 交替形成 ， 在弹体横剖 面上 ， 呈卡 门涡街 排列 ， 出现侧 力 。 ４ ０ ≤９ 。 出现非定 常涡迹 ， 生随机侧力 。 ）６ ＜ ０， 产
中图 分 类 号 ：Ｊ １ ． ６ Ｔ４ ３ 文 献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ：０ ６— ７７ ２ １ ） ６— ０ ２— ４ １０ ０ ０ （ ０２ ０ ０ １ ０
制导炮弹是一种高 新技术炮弹 ， 与一般 炮弹 的差 别 主要 是弹丸上装有制导 系统 和可供 驱 动 的弹翼 或尾 舵等空 气 动 力装 置。制导系统使炮 弹有 了更高 的射 击精度 ， 弹翼 或尾舵
１ ）
≤４ ， 为附着流型 。边界层薄且 贴体 ， 。称 外流场 用
位流描述 ， 升力随攻角呈线性 变化 。 ２ ＜ ≤２ ， 当攻 角增大 ， 小 于头部半 顶角 ０ ）４ 即 但 的两倍时 ， 背风面附着层分离 ， 形成一对 对称 涡 ， 力随攻 角 升
呈 非 线 性 变化 ， 图 １ 示 。 如 所