鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究
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( 2) 舵面气动外形参数选择: 根据上述舵面 参数的确定原则, 为了兼顾舵面有较好的气动特 性、较小的舵面铰链力矩和舵面结构的强度和刚 度等, 选用大根梢比的梯形舵面和对称的双弧翼 型 [ 4, 5] , 其气动 外形参 数主 要包括 舵面 展长、根 弦、前缘后掠角、翼型相对厚度和对数。
2 气动外形参数优化数学模型
鸭式制导炮弹外形参数主要包括: 弹体参数 (头部长 度、头 部母 线形 式、圆 柱部 长 度和 弹径 等 )、尾翼和舵面参数 ( 一对翼展长、根弦、前缘后 掠角、平均厚度、翼面前缘至弹顶距离和对数等 ) 。
理论计算与实验均已表明 [ 6] , 当弹丸头部长 细比 n 2以后, 弹丸头部母线形式 (如圆弧、抛 物线、n 次幂曲线等 )所引起的升阻比差异不大, 故头部母线形式不作为优化设计参数, 取弹丸的 头部母线形式为圆弧, 它的加工也很方便。为了
弹的升力与阻力。由于马赫数 M a、雷诺数 R e不
参加优化, 因此在某一确定的 M a、R e值下, 式 ( 1)
可写成
K = f ( ln, x00, lc, Bw, Cw, w, lw, B d, C d, d, ld ) ( 2) 如用状态变量
X = [ x1 x2 x3 x4 x 5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 ] T = [ ln x00 lc Bw Cw w lw B d C d d ld ] T
优化目标函数升阻比的表达式为
K
=
Ry Rx
=
qSm Cx 0
qSm C y# ( 1+ k1 2 )
+ qSmC!yz# !z + qSmCx0( !z ) ( 1+
k2
!z2 )
=
C y#
+
C
#!z
y
!z
Cx0 ( 1+ k1 2 ) + Cx0( !z) ( 1+ k!2z )
( 5)
式中, q = 0. 5∀v2, Sm 为 弹 体 的 特 征 面 积, Cx 0、
表示, 则有
K = f (X )
( 3)
鸭式制导炮弹的气动外形参数优化模型为
m
in
1 K
=
m
in
f
1 (X
)
( 4)
X R ! E11
R 域为: gi (X ) 0, i= 1, 2, ∀, m。其中 gi (X )为
一些约束关系, E11为 11维欧氏空间。
3 气动外形优化设计的相关条件
在确定了鸭式制导炮弹气动外形参数优化设 计的目标函数和设计变量后, 还需要建立目标相 关函数和约束条件。 3. 1 目标相关函数
鸭式制导炮弹的气动特性包括: 升力特性、阻 力特性、升阻比、力矩特性、飞行稳定性与操纵性 等。通常希望设计出来的气动外形方案使上述性 能均为最优, 但在一般情况下是不可能实现的, 只 能在突出主要性能条件下, 选取一个或几个最为重 要的性能作为优化目标。对于制导炮弹, 通常追求 飞行过程中的机动性强、升阻比大等特性, 为此, 本 文选取鸭式制导炮弹的升阻比为优化目标函数。
弹身外形通常 包括头部、中段 和尾部外 形。 头部外形的主要参数是头部长细比 n 和头部形 状。综合考虑弹丸头部的波阻、容积、结构以及加
工难易程度等, 选择圆弧形头部外形。炮弹的中 段为主要的承载部位, 通常选择圆柱外形, 主要参 数是圆柱部长度。对于普通旋转稳定炮弹, 为减 小底阻其尾部通常为船尾形; 但对于鸭式制导炮 弹, 由于其尾部有前折或后折式尾翼, 有时还有小 型火箭发动机等部件, 故不设其船尾形尾部。因 此, 弹身的气动外形参数主要包括头部长度、头部 母线参数和圆柱部长度。 1. 3 舵面气动外形参数
对于超 声 速 飞 行 宜采 用 三 角 形 或 梯 形 尾 翼 [ 4] , 考虑到 制导炮弹出炮 口后通常速度较 高, 尾翼翼梢须保证一定的强度和刚度, 选用梯形尾 翼。由于超声速飞行翼面会出现激波和膨胀波, 使得翼面阻力显著增加, 根据超声速线化理论, 减 小翼面相对厚度是有效减小波阻的途径, 同时考 虑到翼型的强度、刚度等, 选用钝后缘的六角形超 声速翼型。因此, 尾翼的气动外形参数主要包括 展长、根弦、前缘后掠角、翼型相对厚度和对数。 1. 2 弹身气动外形参数
制导炮弹是利用探测技术、信息处理技术、控 制技术和气动力技术将各种普通炮弹制导化而形 成的精确打击武器, 其气动布局和飞行过程与常
规炮弹有较大的区别。鸭式制导炮弹的气动外形 在飞行过程中常常是变化的, 在弹道升弧段某位 置前, 鸭舵往往折插在弹体内, 此时的外形为弹身
收稿日期: 2008- 12- 04 修回日期: 2009- 09- 10 作者简介: 史金光 ( 1975- ), 男, 博士, 讲师, 主 要研究 方向: 弹 箭飞 行与 控制, 外 弹道 理论, E m a i:l sh ijg1122@
( 1. Schoo l of Pow er Eng ineering, NUST, N an jing 210094, Ch ina; 2. The N ew Concept Departm en,t N avy A rm ing A cadem y, B eijing 100073, China)
A erodynam ic Shape Optim um D esignM ethod for Guided Projectiles Equipped w ith Canards
SH I Jin guang1, W ANG Zhong yuan1, CHANG Si jiang1, ZHANG B i sheng2
当上述 11个参量给定后, 利用确定的气动力 计算方法, 在一定的马赫数和雷诺数下就可计算 出制导炮弹的升阻比, 其函数关系为
K
= Ry Rx
=F
(
ln,
x00,
lc,
Bw,
Leabharlann Baidu
Cw,
w, lw, Bd, Cd,
d, ld, M a, R e)
( 1)
式中: K 为全弹升阻比, Ry、Rx 表示飞行弹道上全
Abstract: In order to obtain optim al aerodynam ic shape param eters of gu ided pro jectiles equipped w ith canards( GPEC), an optim ization m odel of aerodynam ic shape for GPEC is established. An aero dynam ic shape optim um design m ethod is proposed for GPEC based on som e aerodynam ic param eters requ irem ents. By optim izing the aerodynam ic shape param eters o f an exam ple, the results show tha:t the GPEC has proper stab ility w ith opt im al aerodynam ic shape; the stability m atches the m aneuver ability very we l,l and the ang le o f the canard def lection m atches the balance ang le o f the attack. T his m ethod can be used as a pow erful too l of the aerodynam ic shape design for th is kind of pro jectile. K ey w ord s: gu ided projectiles equ ipped w ith canards; aerodynam ic shape; optim ization design; stability; m aneuverability
鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究
史金光1, 王中原 1, 常思江 1, 张比升2
( 1. 南京理工大学 动力工程学院, 江苏 南京 210094; 2. 海军装备研究院 新概念室, 北京 100073)
摘 要: 为了获得鸭式制导炮弹的最佳气动外形参数, 建立了鸭式制导炮弹的气动外形参数优 化数学模型, 以气动性能参数要求为设计依据, 提出一种鸭式制导炮弹气动外形参数的优化设 计方法。对某鸭式制导炮弹算例的气动外形参数进行优化, 结果表明: 优化得到的气动外形参 数能够保证该弹在飞行过程中稳定性适当, 稳定性与操纵性匹配, 舵偏角和平衡攻角匹配较好。 该方法可作为此类弹箭气动外形设计的工具。 关键词: 鸭式制导炮弹; 气动外形; 优化设计; 稳定性; 操纵性 中图分类号: T J 012. 3 文章编号: 1005- 9830( 2009) 05- 0555- 05
舵面是鸭式制导炮弹的主要气动力操纵面, 以往常规弹箭并没有该部件, 舵面的气动外形参 数要根据舵面张开飞行段的速度范围进行选择。 通常鸭式制导炮弹的机动飞行在亚声速范围内。
( 1) 舵面参数确定原则: ( a) 舵面效率高, 对 控制信号响应快, 在舵面升力确定的条件下铰链 力矩要小; ( b)操纵力矩线性好, 便于控制系统工 作; ( c) 外 形 简 单, 易 于 加 工, 安 置 转 轴 方 便; ( d)在飞行马赫数范围内, 舵面效率变化小。
1 鸭式制导炮弹气动外形参数选择
鸭式制导炮弹的气动外形参数包括尾翼、弹 身和舵面参数, 根据飞行弹道上各部件所承受的 主要飞行环境、总体设计要求等进行设计参数的 选择。 1. 1 尾翼气动外形参数
尾翼的作用主要是产生升力, 其大小取决于 尾翼的平面和剖面形状等。由于它在全弹道上均 起作用, 对尾翼的设计主要根据翼面的超声速特 性进行。
以往对该问题的研究常常是根据总体设计的 鸭式制导炮弹外形进行气 动力参数的计 算与分 析, 通过不断地调整其气动外形参数, 获得期望的 气动性能。如文献 [ 1 - 3] 对增 程制导炮弹的气 动力参数进行了数值计算, 并通过风洞实验验证, 获得该制导炮弹气动外形较为准确的气动参数。 事实上, 常希望根据总体设计提出的气动性能要 求, 通过一定的优化设计方法得到较佳的气动外 形参数, 为鸭式制导炮弹气动外形的设计提供依 据。为此, 本文以某些气动性能参数的要求为设 计依据, 对鸭式制导炮弹气动外形参数的优化设 计方法进行研究, 以期该方法可作为此类弹箭气 动外形设计的工具。
163. com。
55 6
南京理工大学 学报 (自然科学版 )
第 33卷第 5期
- 尾翼组合体; 在弹道上某位置后, 鸭舵张开进行 机动飞行, 实现调节弹道的目的。在此飞行过程 中制导炮弹外形的变化将 引起其气动特 性的变 化, 为此, 需要对制导炮弹在无控飞行时的稳定 性、有控飞行时的稳定性与操纵性、舵偏角和平衡 攻角的匹配和优化等问题进行研究。
总第 168期
史金光 王中原 常 思江 张比升 鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究
557
减小舵面对尾翼的下洗影响, 取尾翼对数为 3对 或 4对, 舵面对数 2对。另外, 减小尾翼与舵面的 相对厚度是有效减阻的途径, 从翼型的强度、刚度 等方面考虑确定出尾翼与舵面的平均厚度。
纵上所述, 当炮弹的头部长度 ln、弹丸头部圆 弧母线中心至弹 顶的水平 距离 x00、圆柱部 长度 lc、一对尾翼展长 Bw、尾翼根部弦长 Cw、尾翼前缘 后掠角 w、尾翼前缘至弹顶距离 lw、一对舵面展 长 Bd、舵面根部弦长 C d、舵面前缘后掠角 d 和舵 面前缘至弹顶距离 ld 确定以后, 鸭式制导炮弹的 外形也就大致确定, 这 11个参量互相独立, 是影 响制导炮弹升阻比的主要参数, 因此以这 11个参 量为优化设计变量。
第 33卷 第 5期 2009年 10月
南京理工大学学报 ( 自然科学版 )
Journa l of N anjing U n ive rsity o f Sc ience and T echno logy ( N a tura l Sc ience)
Vo .l 33 N o. 5 Oc.t 2009
2 气动外形参数优化数学模型
鸭式制导炮弹外形参数主要包括: 弹体参数 (头部长 度、头 部母 线形 式、圆 柱部 长 度和 弹径 等 )、尾翼和舵面参数 ( 一对翼展长、根弦、前缘后 掠角、平均厚度、翼面前缘至弹顶距离和对数等 ) 。
理论计算与实验均已表明 [ 6] , 当弹丸头部长 细比 n 2以后, 弹丸头部母线形式 (如圆弧、抛 物线、n 次幂曲线等 )所引起的升阻比差异不大, 故头部母线形式不作为优化设计参数, 取弹丸的 头部母线形式为圆弧, 它的加工也很方便。为了
弹的升力与阻力。由于马赫数 M a、雷诺数 R e不
参加优化, 因此在某一确定的 M a、R e值下, 式 ( 1)
可写成
K = f ( ln, x00, lc, Bw, Cw, w, lw, B d, C d, d, ld ) ( 2) 如用状态变量
X = [ x1 x2 x3 x4 x 5 x6 x7 x8 x9 x10 x11 ] T = [ ln x00 lc Bw Cw w lw B d C d d ld ] T
优化目标函数升阻比的表达式为
K
=
Ry Rx
=
qSm Cx 0
qSm C y# ( 1+ k1 2 )
+ qSmC!yz# !z + qSmCx0( !z ) ( 1+
k2
!z2 )
=
C y#
+
C
#!z
y
!z
Cx0 ( 1+ k1 2 ) + Cx0( !z) ( 1+ k!2z )
( 5)
式中, q = 0. 5∀v2, Sm 为 弹 体 的 特 征 面 积, Cx 0、
表示, 则有
K = f (X )
( 3)
鸭式制导炮弹的气动外形参数优化模型为
m
in
1 K
=
m
in
f
1 (X
)
( 4)
X R ! E11
R 域为: gi (X ) 0, i= 1, 2, ∀, m。其中 gi (X )为
一些约束关系, E11为 11维欧氏空间。
3 气动外形优化设计的相关条件
在确定了鸭式制导炮弹气动外形参数优化设 计的目标函数和设计变量后, 还需要建立目标相 关函数和约束条件。 3. 1 目标相关函数
鸭式制导炮弹的气动特性包括: 升力特性、阻 力特性、升阻比、力矩特性、飞行稳定性与操纵性 等。通常希望设计出来的气动外形方案使上述性 能均为最优, 但在一般情况下是不可能实现的, 只 能在突出主要性能条件下, 选取一个或几个最为重 要的性能作为优化目标。对于制导炮弹, 通常追求 飞行过程中的机动性强、升阻比大等特性, 为此, 本 文选取鸭式制导炮弹的升阻比为优化目标函数。
弹身外形通常 包括头部、中段 和尾部外 形。 头部外形的主要参数是头部长细比 n 和头部形 状。综合考虑弹丸头部的波阻、容积、结构以及加
工难易程度等, 选择圆弧形头部外形。炮弹的中 段为主要的承载部位, 通常选择圆柱外形, 主要参 数是圆柱部长度。对于普通旋转稳定炮弹, 为减 小底阻其尾部通常为船尾形; 但对于鸭式制导炮 弹, 由于其尾部有前折或后折式尾翼, 有时还有小 型火箭发动机等部件, 故不设其船尾形尾部。因 此, 弹身的气动外形参数主要包括头部长度、头部 母线参数和圆柱部长度。 1. 3 舵面气动外形参数
对于超 声 速 飞 行 宜采 用 三 角 形 或 梯 形 尾 翼 [ 4] , 考虑到 制导炮弹出炮 口后通常速度较 高, 尾翼翼梢须保证一定的强度和刚度, 选用梯形尾 翼。由于超声速飞行翼面会出现激波和膨胀波, 使得翼面阻力显著增加, 根据超声速线化理论, 减 小翼面相对厚度是有效减小波阻的途径, 同时考 虑到翼型的强度、刚度等, 选用钝后缘的六角形超 声速翼型。因此, 尾翼的气动外形参数主要包括 展长、根弦、前缘后掠角、翼型相对厚度和对数。 1. 2 弹身气动外形参数
制导炮弹是利用探测技术、信息处理技术、控 制技术和气动力技术将各种普通炮弹制导化而形 成的精确打击武器, 其气动布局和飞行过程与常
规炮弹有较大的区别。鸭式制导炮弹的气动外形 在飞行过程中常常是变化的, 在弹道升弧段某位 置前, 鸭舵往往折插在弹体内, 此时的外形为弹身
收稿日期: 2008- 12- 04 修回日期: 2009- 09- 10 作者简介: 史金光 ( 1975- ), 男, 博士, 讲师, 主 要研究 方向: 弹 箭飞 行与 控制, 外 弹道 理论, E m a i:l sh ijg1122@
( 1. Schoo l of Pow er Eng ineering, NUST, N an jing 210094, Ch ina; 2. The N ew Concept Departm en,t N avy A rm ing A cadem y, B eijing 100073, China)
A erodynam ic Shape Optim um D esignM ethod for Guided Projectiles Equipped w ith Canards
SH I Jin guang1, W ANG Zhong yuan1, CHANG Si jiang1, ZHANG B i sheng2
当上述 11个参量给定后, 利用确定的气动力 计算方法, 在一定的马赫数和雷诺数下就可计算 出制导炮弹的升阻比, 其函数关系为
K
= Ry Rx
=F
(
ln,
x00,
lc,
Bw,
Leabharlann Baidu
Cw,
w, lw, Bd, Cd,
d, ld, M a, R e)
( 1)
式中: K 为全弹升阻比, Ry、Rx 表示飞行弹道上全
Abstract: In order to obtain optim al aerodynam ic shape param eters of gu ided pro jectiles equipped w ith canards( GPEC), an optim ization m odel of aerodynam ic shape for GPEC is established. An aero dynam ic shape optim um design m ethod is proposed for GPEC based on som e aerodynam ic param eters requ irem ents. By optim izing the aerodynam ic shape param eters o f an exam ple, the results show tha:t the GPEC has proper stab ility w ith opt im al aerodynam ic shape; the stability m atches the m aneuver ability very we l,l and the ang le o f the canard def lection m atches the balance ang le o f the attack. T his m ethod can be used as a pow erful too l of the aerodynam ic shape design for th is kind of pro jectile. K ey w ord s: gu ided projectiles equ ipped w ith canards; aerodynam ic shape; optim ization design; stability; m aneuverability
鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究
史金光1, 王中原 1, 常思江 1, 张比升2
( 1. 南京理工大学 动力工程学院, 江苏 南京 210094; 2. 海军装备研究院 新概念室, 北京 100073)
摘 要: 为了获得鸭式制导炮弹的最佳气动外形参数, 建立了鸭式制导炮弹的气动外形参数优 化数学模型, 以气动性能参数要求为设计依据, 提出一种鸭式制导炮弹气动外形参数的优化设 计方法。对某鸭式制导炮弹算例的气动外形参数进行优化, 结果表明: 优化得到的气动外形参 数能够保证该弹在飞行过程中稳定性适当, 稳定性与操纵性匹配, 舵偏角和平衡攻角匹配较好。 该方法可作为此类弹箭气动外形设计的工具。 关键词: 鸭式制导炮弹; 气动外形; 优化设计; 稳定性; 操纵性 中图分类号: T J 012. 3 文章编号: 1005- 9830( 2009) 05- 0555- 05
舵面是鸭式制导炮弹的主要气动力操纵面, 以往常规弹箭并没有该部件, 舵面的气动外形参 数要根据舵面张开飞行段的速度范围进行选择。 通常鸭式制导炮弹的机动飞行在亚声速范围内。
( 1) 舵面参数确定原则: ( a) 舵面效率高, 对 控制信号响应快, 在舵面升力确定的条件下铰链 力矩要小; ( b)操纵力矩线性好, 便于控制系统工 作; ( c) 外 形 简 单, 易 于 加 工, 安 置 转 轴 方 便; ( d)在飞行马赫数范围内, 舵面效率变化小。
1 鸭式制导炮弹气动外形参数选择
鸭式制导炮弹的气动外形参数包括尾翼、弹 身和舵面参数, 根据飞行弹道上各部件所承受的 主要飞行环境、总体设计要求等进行设计参数的 选择。 1. 1 尾翼气动外形参数
尾翼的作用主要是产生升力, 其大小取决于 尾翼的平面和剖面形状等。由于它在全弹道上均 起作用, 对尾翼的设计主要根据翼面的超声速特 性进行。
以往对该问题的研究常常是根据总体设计的 鸭式制导炮弹外形进行气 动力参数的计 算与分 析, 通过不断地调整其气动外形参数, 获得期望的 气动性能。如文献 [ 1 - 3] 对增 程制导炮弹的气 动力参数进行了数值计算, 并通过风洞实验验证, 获得该制导炮弹气动外形较为准确的气动参数。 事实上, 常希望根据总体设计提出的气动性能要 求, 通过一定的优化设计方法得到较佳的气动外 形参数, 为鸭式制导炮弹气动外形的设计提供依 据。为此, 本文以某些气动性能参数的要求为设 计依据, 对鸭式制导炮弹气动外形参数的优化设 计方法进行研究, 以期该方法可作为此类弹箭气 动外形设计的工具。
163. com。
55 6
南京理工大学 学报 (自然科学版 )
第 33卷第 5期
- 尾翼组合体; 在弹道上某位置后, 鸭舵张开进行 机动飞行, 实现调节弹道的目的。在此飞行过程 中制导炮弹外形的变化将 引起其气动特 性的变 化, 为此, 需要对制导炮弹在无控飞行时的稳定 性、有控飞行时的稳定性与操纵性、舵偏角和平衡 攻角的匹配和优化等问题进行研究。
总第 168期
史金光 王中原 常 思江 张比升 鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究
557
减小舵面对尾翼的下洗影响, 取尾翼对数为 3对 或 4对, 舵面对数 2对。另外, 减小尾翼与舵面的 相对厚度是有效减阻的途径, 从翼型的强度、刚度 等方面考虑确定出尾翼与舵面的平均厚度。
纵上所述, 当炮弹的头部长度 ln、弹丸头部圆 弧母线中心至弹 顶的水平 距离 x00、圆柱部 长度 lc、一对尾翼展长 Bw、尾翼根部弦长 Cw、尾翼前缘 后掠角 w、尾翼前缘至弹顶距离 lw、一对舵面展 长 Bd、舵面根部弦长 C d、舵面前缘后掠角 d 和舵 面前缘至弹顶距离 ld 确定以后, 鸭式制导炮弹的 外形也就大致确定, 这 11个参量互相独立, 是影 响制导炮弹升阻比的主要参数, 因此以这 11个参 量为优化设计变量。
第 33卷 第 5期 2009年 10月
南京理工大学学报 ( 自然科学版 )
Journa l of N anjing U n ive rsity o f Sc ience and T echno logy ( N a tura l Sc ience)
Vo .l 33 N o. 5 Oc.t 2009