超声速内埋武器分离数值研究*

杨 俊,李 骞,谢云恺,朱建辉,童明波

(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点实验室,南京 210016)

超声速内埋武器分离数值研究*

杨 俊,李 骞,谢云恺,朱建辉,童明波

(南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点实验室,南京 210016)

旨在为内埋武器的投放安全性,分析了攻角和舱门对开式武器舱流动特性的影响。结合嵌套网格方法并耦合六自由度运动方程研究了内埋式导弹在超声速条件下的分离轨迹和姿态变化,分析了不同马赫数对重力投放和弹射投放两种分离方式导弹分离轨迹的影响。计算结果表明,攻角和舱门不能改变开式武器舱的流动类型;两种分离方式都能使导弹安全分离,但是重力投放下导弹的俯仰角变化较大,不利于导弹点火发射。

内埋武器舱;分离方式;嵌套网格;六自由度

0 引言

以F-22战斗机代表的第四代战斗机集隐身、超声速巡航、超机动和超视距打击为一身,越来越受到世界各军事强国的重视。武器外挂是作战飞机普遍采用的武器装载方式,其在飞机飞行时产生的阻力大概占飞机总阻力的30%,而且外挂武器大幅增加战机的雷达散射截面(RCS),这不利于第四代战斗机实现超声速巡航能力和隐身性[1-2]。因此,为了实现超声速巡航和隐身能力,新一代战斗机普遍采用了武器内埋的装载方式。

虽然内埋式武器发射系统能成功解决飞机飞行阻力和雷达反射截面的问题,但是弹舱的空腔流场特性非常复杂,对导弹的姿态和分离轨迹都有很大的影响,稍有不当就很可能造成事故的发生[3]。因此,如何实现导弹从武器舱安全分离是亟待解决的一大难题。文中以某型飞机为参考模型,并对其合理简化,采用商业软件CFD-FASTRAN分析了不同马赫数和有无舱门对武器舱的流动特性的影响;结合嵌套网格方法并耦合六自由度运动方程,对导弹从武器舱中分离的过程进行数值仿真,对比分析了重力投放和弹射投放两种分离方式下的导弹分离轨迹,研究了不同马赫数对两种分离方式的影响。

1 数值方法

1.1 控制方程

考虑网格相对运动的N-S方程为:

(1)

(2)

式中:W为守恒变量;Fc为对流通量;Fv为粘性通量;Qc为源项;Vt为控制体边界网格法向速度。

文献[3]指出SSTk-ω模型较好的考虑了逆压梯度边界层内湍流剪切应力的输运,具有壁面受限流动k-ω模型的稳定性和自由剪切流动k-ε模型的准确性,能更好的模拟复杂的流动,特别适合内埋武器舱复杂流场的研究,因此,文中湍流模型选择SSTk-ω模型研究内埋武器舱空舱流动特性和武器分离特性。

1.2 嵌套网格方法

最近几十年来,由于各种计算技术的发展,计算流体力学在数值模拟复杂外形的流动问题方面取得了相当大的进展。重叠网格计算允许网格区块之间的重叠、嵌套或者覆盖,无需进行复杂的拓扑分区,从而能大大减少网格生成难度。其中,多区重叠网格方法以其独特的优势而备受关注[4]。文中采用Chimera方法,首先分别生成武器舱、舱门和导弹网格,然后通过“挖洞”的方式建立各块网格之间的拓扑关系。

1.3 六自由度方程

文中选择与载机相连的武器舱为惯性坐标系,用于描述导弹从武器舱分离过程中的质心运动。其中,X轴取逆来流方向为正,Y垂直于X轴取向上为正,Z轴由右手定则确定。用固连于导弹质心的弹体坐标系描述导弹质心的旋转运动,即俯仰、偏航和滚转,X轴指向弹体尾部为正,Y轴垂直于X轴取向上为正,Z轴由右手定则确定。刚体运动方程为:

(3)

式中:F为导弹所受的合力(包括气动力和重力等);M关于导弹质心的力矩;m为导弹质量;v为导弹质心线速度;h为角动量;ω关于导弹质心的角速度。

2 计算模型

研究资料表明,内埋武器舱的形状尺寸对武器投放具有很大的影响,尺寸选择不合理会出现机弹非正常分离现象[5]。国外对空舱流动和内埋武器分离的研究投入了大量资金,内容涵盖了从亚声速到跨声速再到超声速条件下的空舱流动特性、武器分离特性以及武器舱流动控制和噪声抑制技术,并取得了有价值的研究成果[6-8]。文献[9]指出武器舱的宽度对武器舱的流场性质影响不大,其流场特性主要由武器舱的长深比(L/D)决定,并依据长深比将武器舱的流动特性分为三类:1)开式流动(L/D<10);2)过渡式流动(1013)。

导弹从内埋武器舱中分离,要求武器舱内压力梯度较小、分布均匀,如果武器舱前后压力差较大,可能会导致武器突破粘性剪切层时受到很大的抬头力矩,造成导弹姿态角急剧变化,不利于导弹的点火发射,甚至导致导弹与载机相碰,从而引发安全事故。此外,在导弹与挂架解除约束之前必须打开舱门,当舱门打开的时候,会阻碍武器舱后部高压气流流出,导致后部的压力增大,增加武器舱前后部的压力差,因此会使得武器分离变得更困难,危险性增大[10]。

文中的研究模型为L/D=5的某型飞机武器舱,武器舱、导弹和舱门模型如图1所示。

图1 武器舱、舱门和导弹网格模型

3 仿真结果与分析

3.1 空舱流动

文中选择飞行高度H=25 km,Ma=3.5为计算条件,研究了攻角和舱门对武器舱空舱流动特性的影响。

长深比L/D=5,属于典型的开式流动,武器舱的来流剪切层在武器舱前部发生膨胀,但是并没有像闭式武器舱那样直接撞击武器舱底部,而是直接跨过武器舱并与武器舱后缘相撞形成高压区。舱内压力先降低然后沿武器舱长度方向单调增大,并在武器舱后壁达到最大值,整个武器舱内压力分布较均匀,如图2所示。

图2 武器舱底部压力系数随攻角变化曲线

从图2可以看出,随着来流攻角增大,武器舱底部压力系数逐渐增大,并且除攻角α=0°带舱门的情况之外,压力系数沿武器舱长度方向变化趋势基本不变。对比图2(a)和图2(b),可以看出,在同一攻角下,带舱门武器舱底部压力系数要比不带舱门武器舱压力系数大。但是攻角对带舱门的武器舱底部压力系数沿武器舱长度方向变化趋势的影响较小。图3(b)所示为考虑武器舱带舱门的情况,当高速来流流过武器舱时,会在两块舱门前部形成激波,并在武器舱下方形成一块高压区,这必然会对导弹从武器舱分离产生很大影响,可能导致导弹在突破剪切层时产生很大的俯仰角,造成导弹在大攻角情况发生失速,甚至导弹与载机发生碰撞,引发安全事故。

图3 武器舱对称面压力云图

因此,在接下来的导弹分离研究中必须考虑舱门对导弹分离的影响。

3.2 导弹分离数值模拟

内埋武器分离主要有两种方式:重力投放和弹射投放。其中,重力投放是指导弹在与挂架解除约束后依靠自身重力的作用实现导弹与载机的分离;而弹射投放是指弹射挂架在极短的时间内给予导弹一个初速度,然后导弹与挂架解除约束并在重力的作用下实现其与载机的分离。文中研究了不同的分离方式和不同马赫数对导弹分离轨迹的影响,两种分离方式均不考虑武器挂架的影响。文中根据某型弹射挂架的性能参数,采用多项式拟合出导弹在受迫运动中的位移与时间的关系以此模拟弹射挂架工作的动力学过程。

在曲线图中,X、Y、Z分别为导弹质心在相应坐标方向上的位移;pitch angle、roll angle、yaw angle分别对应俯仰角、滚转角和偏航角。

从图4和图5可以看出马赫数对两种分离方式的影响有显著区别:马赫数对弹射分离导弹的分离轨迹几乎没有影响,这是由于弹射投放赋予导弹Y方向向下一定的初速度,使得导弹能迅速突破剪切层并与载机分离,并且在这期间导弹X和Z向位移以及俯仰角、滚转角和偏航角的变化很小几乎可以忽略,在图4和图5中表现为一条直线;而随着马赫数逐渐增大,来流的动压也逐渐增大,导弹在X和Y方向所受的气动力也逐渐增大,所以随着马赫数增大同一时刻高马赫数下导弹质心X位移要比低马赫数的要大,即高马赫数下X方向的速度分量要大于低马赫数下X方向速度分量,而Y方向的导弹质心位移和速度则与之相反,如图4(a)和图4(b)所示。文中的来流条件并未考虑侧滑角的影响,然而从图4(c)可以看到导弹质心在Z方向有很小的位移,这很可能是由武器舱流动的非定常特性引起的。

图4 导弹质心位移随时间变化曲线

图5 导弹姿态角随时间变化曲线

如图5(a)所示,在0.3 s之前,导弹俯仰角受马赫数的影响很小,在图中表现为三条曲线几乎重叠在一起,而在0.3 s之后,导弹的俯仰角随马赫数的增大而增大,这是因为在0.3 s之前导弹处于武器舱内部,其受到的气动力受马赫数的影响较小。从图5(b)和图5(c)可以看出马赫数对导弹滚转角和偏航角的影响没有一般性的规律,并且相对俯仰角而言,滚转角很小,可以忽略。而且,从图5(a)和图5(b)可以看出俯仰角和偏航角随着时间增大而增大,尤其是俯仰角,所以在导弹点火之前必须对其姿态角进行控制,否则会引起导弹与载机相撞,甚至导致机毁人亡。

4 结论

文中研究了攻角和舱门对武器舱流动特性的影响,采用Chimera方法并结合6DOF方程研究了马赫数对重力投放和弹射投放两种分离方式下的分离轨迹的影响。得出了如下结论:

1)攻角和舱门不能改变开式武器舱的流动特性,舱门的引入会在武器舱底部形成一块高压区,这对武器分离的影响不可忽略;

2)马赫数对弹射投放导弹的分离轨迹影响可以忽略,马赫数对重力投放导弹的轨迹有一定影响,但

是没有改变其变化趋势;

3)两种分离方式均能使导弹安全分离,不同的是弹射分离方式能使导弹与载机快速分离,是最安全的分离方式。而重力投放下导弹俯仰角和偏航角在其离开武器舱之后是逐渐增大的,不利于导弹点火发射。而对于无人机,其通常较小,内埋武器舱也很小,没有足够的空间容纳弹射机构,而且弹射机构的反作用对无人机的影响不容忽略,重力投放应该是最优的选择,但是必须采用主/被动控制技术或者偏转导弹舵面在导弹点火之前必须对其姿态进行修正,这将是下一步工作研究方向。

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Numerical Studies on Store Separation from a Weapon Bay at Supersonic Speed

YANG Jun,LI Qian,XIE Yunkai,ZHU Jianhui,TONG Mingbo

(Key Laboratory of Fundamental Science for National Defense-Advanced Design Technology of Flight Vehicles,Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In view of separation safety of internal weapons, influence of attack angle and door on flow characteristics of an open-style weapon bay was analyzed. Overset grid method coupling with six-degree-of-freedom equation was developed to analyze trajectory and attitude variation of internal store separation from a weapon bay at supersonic speed, and the effect of Mach number on the trajectory of two different separation approaches was investigated. The results indicate that the attack angle and door are not able to change flow style of open-style weapon bay, and safe store separation can be realized in any of the two approaches. However, the attitude angle for the gravity separation approach during separation is adverse to ignite.

internal weapon bay; separation approaches; overset grid; 6DOF

2014-08-19

杨俊(1988-),男,四川雅安人,硕士研究生,研究方向:飞行器总体设计。

V222

A