导弹总体结构设计教育课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,导弹总体结构设计PPT讲座,第四章 导弹外形设计,4.1,导弹外形设计的基本要求,4.2,气动布局,4.3,导弹外形几何参数的选择,一、外形设计任务,对于有翼导弹：,（,1,）选择导弹的气动布局，即正确选择弹体各部件（弹翼、尾翼、舵面、发动机或进气道等）的相互位置；,（,2,）从导弹具有良好的,气动力特性,以及,机动性,、,稳定性,和,操纵性能,出发，并考虑导弹,制导系统特性,及,弹体结构,等因素，确定弹体各部件的外形参数和几何尺寸。,对于弹道导弹：,最重要的是进行头部外形设计，使导弹具有适当的静稳定度并减小气动载荷。,4.1,导弹外形设计的基本要求,二、外形设计过程,对导弹外形设计有重要影响的战术技术指标有动力航程、巡航速度、飞行空域以及战斗部威力等。,（1）在选定了推进系统、战斗部等弹上主要设备，初步确定导弹总体主要参数之后；,（2）外形设计是与导弹主要参数的选择、部位安排及导弹质心定位等工作紧密联系交错进行的。,4.1,导弹外形设计的基本要求,三、外形设计基本要求,（1）满足导弹战术技术指标和弹上各分系统的工作要求；,（2）充分利用最佳翼身干扰、翼面间干扰以及外挂物与翼身的干扰；,（3）应使总体结构布局合理，减小弹体上的脉动压力及横滚力矩；,（4）满足导弹机动性、稳定性与操作性的要求；,（5）保证在最大使用攻角范围内，空气动力特性特别是力矩特性尽可能 处于线性范围，减小非线性对系统带来的不利影响；,（6）外形设计应满足隐身要求，使雷达散射面积最小；,（7）便于发射、运输、贮存与实战使用。,（8）对于高超声速导弹，外形设计要保证气动加热最低。,4.1,导弹外形设计的基本要求,气动布局：,导弹的气动外形及各部件相对位置的布置。,具体来说就是研究两个问题：,翼面（包括弹翼、舵面等）数目及其在,弹身周向,的布置方案；,翼面之间（如弹翼与舵面之间）沿,弹身纵向,的布置方案。,4.2,气动布局,衡量气动布局优劣的标准：,对于不同类型的导弹是不同的。,地对空导弹和空对空导弹：首先是导弹应具有良好的机动性、操纵性和稳定性，这是由于这类导弹是攻击机动性较大的飞机；其次是使导弹具有良好的空气动力特性和部位安排的方便性等。,中远程导弹：要求导弹具有良好的空气动力特性，升阻比大，横向稳定性好，发动机要有良好的进气与工作条件等。,4.2,气动布局,一、翼面在弹身周侧的布置型式,1、面对称布置方案,特点：,（1）迎面阻力小、质量小,（2）倾斜稳定性好。,（3）载机上悬挂方便。,（4）侧向机动性差。,转弯方式：,（1）平面转弯,（2）倾斜转弯,4.2,气动布局,4.2,气动布局,平面转弯,：,导弹不作滚转动作，转弯所需的向心力，由侧滑角 产生，同时推力在,Z,方向也有一分量。此种翼面提供的侧向过载较小。,此时，同时存在 及 ，这两个角度可由方向舵及升降舵的偏角来保证。,4.2,气动布局,倾斜转弯：,导弹转弯前先作滚转动作，即通过副翼，产生一个滚转力矩，导弹滚转一个 角之后，使升力,Y,偏转的同时产生侧向力,Z,，至于升力的大小，则可以由攻角 来调整。这种转弯是通过副翼和升降舵同时协调动作来实现的，故称之为协调转弯。,4.2,气动布局,面对称布置方案,增大导弹侧向力的方法。,4.2,气动布局,有翼导弹外形的发展,气动、推进系统一体化外形,4.2,气动布局,2、轴对称布置方案,布置,型式,-型,-型,4.2,气动布局,2、轴对称布置方案,特点：,（,1,）各个方向均能产生最大的机动过载。,（,2,）升力的大小和作用点与导弹绕纵轴的旋转无关。,（,3,）在任何方向产生升力都具有快速响应的特性，大大简化了控制与制导系统的设计。,（,4,）在大攻角情况下，将引起大的滚动干扰，这就要求滚动通道控制系统快速性好。,（,5,）由于翼面数目多，必然质量大，阻力大，升阻比小，雷达反射面积大。,4.2,气动布局,3尾翼或舵面的布置方案,（,a）,和（,b）,是轴对称形式，与,字形及字形弹翼具有完全相同的特性，多用于地对空和空对空导弹上。,（,c）,是人字形尾翼，三个尾翼互成,120,布置，这种布局可以提供足够的航向稳定性。另外，当有侧滑角时，尾翼所产生的滚转力矩导数近似等于零。这样可以减轻弹翼上副翼的负担。,（,d）,和（,e），,将水平尾翼固定在弹身两侧或垂直尾翼上，这是为了保证水平尾翼在任何飞行状态下具有足够的效率。由于它们的布置是非对称的，当攻角和测滑角存在时，会造成较显著的滚转力矩。,4.2,气动布局,二、翼面沿弹身纵轴的布置型式,舵面在后,正常式：苏联的萨姆2（地对空），,法国的玛特拉530（空对空）；,无尾式：美国的奈克II（地对空）。,4.2,气动布局,二、翼面沿弹身纵轴的布置型式,舵面在前,鸭式：如美国的奈克1（地对空）、响尾蛇（空对空）旋转弹翼式：如苏联的萨姆6（地对空），美国的麻雀III（空对空）。,4.2,气动布局,二、翼面沿弹身纵轴的布置型式,衡量气动布局标准：,导弹的稳定性、机动性和操纵性；,气动特性；,导弹部位安排的方便性；,对制导系统和发动机等工作条件适合程度等方面加以衡量。,4.2,气动布局,三、横滚稳定性分析,斜吹力矩：,是一种滚转力矩（横滚力矩），它是当攻角、侧滑角不等于零时而产生的。,4.2,气动布局,三、横滚稳定性分析,斜吹产生原因：,1翼尖影响,当侧滑角不等于零时，翼尖的马赫锥也将随之倾斜，使得导弹受到一个正的横滚力矩。,2翼根影响,其原因同上，它使导弹受到一个负的横滚力矩。,3左右两翼后掠效应不对称,当M数由小变大时（如M3），横滚力矩的符号由负值变为正值。,4弹翼被弹身挡住的阴影区内,升力要相应地减少，则产生负的横滚力矩。,4.2,气动布局,5因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性,正常式：,当侧滑角不大时的下洗分布 当侧滑角较大时的下洗分布,4.2,气动布局,5因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性,正常式：,随侧滑角的滚转力矩变化曲线,4.2,气动布局,5因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性,鸭式：,当侧滑角不等于零时的下洗分布 随侧滑角的滚转力矩变化曲线,4.2,气动布局,5因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性,鸭式：,当有迎角、侧滑角，升降舵和方向舵都偏转时，产生的斜吹力矩系数可表示为下式：,对于鸭式“”型弹翼，因为导弹是轴对称的，在平衡状态下则有：,所以斜吹力矩系数,正因为“,-,”型或“,X-X,”型鸭式布局在定态飞行中的横滚力矩等于零，故这种气动布局还经常被采用。,4.2,气动布局,5因前翼存在而引起的洗流影响的不对称性,鸭式：,当 ，不在平衡状态时，则仍会产生横滚力矩，故这种型式的导弹通常有绕纵轴的振荡运动，从而增大了,控制误差。从横滚稳定性来说，在所有气动,布局中，鸭式是最不利的。由于横滚稳定性,不佳，滚动力矩较大，而鸭式的舵面面积较,小，因此，,鸭式导弹不能用舵面差动来起,副翼作用。,4.2,气动布局,三、横滚稳定性分析,鸭式布局：,横滚稳定性差,正常式：,横滚稳定性优于鸭式,无尾式：滚动力矩与正常式相近似，但由于其舵面紧靠近弹翼后缘，故下洗影响更为微弱。,旋转弹翼式与鸭式横滚特性类似，但由于旋转弹翼面积大，而尾翼面积小，且其攻角较小，故其洗流不对称的影响远远没有鸭式严重，所以通常旋转弹翼也可作为差动舵来起副翼作用。,4.2,气动布局,四、机动性分析,提高机动性的措施：,提高导弹的飞行速度,增大弹翼面积,采用良好的弹翼形状,增大导弹可用攻角,增加导弹,可用攻角,是提高机动性的比较简便方法。,，,，,，,4.2,气动布局,四、机动性分析,增大攻角受到下列因素的限制：,俯仰力矩性能的非线性。,，,，,在攻角 后，曲线的斜率逐渐增大，线性关系遭到破坏。所以导弹不能在 的条件下飞行。攻角 称为导弹的极限攻角。,4.2,气动布局,四、机动性分析,，,，,，,线性关系和,与以下参数有关：,4.2,气动布局,四、机动性分析,，,，,，,无尾式：及 均最小，故最有利于提高 ；,鸭式布局：最大，故最不利；,正常式：介于两者之间。,4.2,气动布局,五、升阻比特性分析,升阻比,，,，,，,当攻角不大时，,，可得：,4.2,气动布局,五、升阻比特性分析,鸭式和正常式：,从这两种气动布局来看，在导弹平衡状态，由于鸭式舵面偏转角与弹翼攻角同向，而正常式则相反，所以鸭式的总升力较正常式的大。而总的阻力则与舵面偏转角的方向关系不大，,所以鸭式的升阻比比正常式的大,。,，,，,4.2,气动布局,五、升阻比特性分析,，,，,进行导弹气动外形设计时除考虑稳定性和操纵性外，还应把提高升阻比作为一个重要因素予以考虑。在导弹总体设计时，除合理选取气动布局和弹翼参数之外，还可以采取如下增升措施：,（）采用非旋成体剖面的弹身；,（）采用前缘弯曲的弹翼；,（）采用翼身融合体，改善横向流的绕流特性，提高翼身组合体的非线性升力。,六、部位安排方便性分析,，,，,1.发动机为液体火箭发动机,当发动机采用液体火箭发动机时，鸭式的部位安排无甚困难，如右图所示。当采用正常式时，舵机舱常受发动机喷管的制约，对舵机的尺寸要求较严。随着舵机尺寸的小型化，若弹身直径较大，舵机安排比较容易；若弹身直径较小时，舵机的安排就比较困难。,采用液体火箭发动机时舵机的布置方案,4.2,气动布局,六、部位安排方便性分析,，,，,2.发动机为固体火箭发动机,固体火箭发动机鸭式导弹的（a）形式较简单，但质心位置移动较大；而（b）形式将固体火箭发动机移至质心附近，但使推力的轴向分量降低了。,正常式，（a）形式的操纵性及稳定性将受到影响，故很少用；（b）形式采用延长尾喷管，舵面的操纵机构将做得较复杂，特别是当舵面需差动时；另一方面是弹身容积利用很不好。,鸭式导弹舵机的布置方案,(a)正常式导弹舵机的布置方案,4.2,气动布局,(b)采用长喷管时，舵机的布置方案,，,，,3.发动机为吸气式发动机,随着导弹技术的发展，对射程和速度不断提出更远更快的要求。为此有翼导弹越来越多地采用各种吸气式发动机作为推进装置，因此在导弹外形布局中就出现了发动机或进气道的布置问题。,采用吸气式发动机的导弹，在外形布局上有两种情况，一是一个或二个发动机外挂在弹体上，发动机（带进气道）成为弹体外形的一部分；二是发动机在弹体内，作为发动机重要部件的进气道外露在弹体表面，成为弹体外形的一部分。随着“整体式”技术的发展，导弹与吸气式发动机更多的是采用一体化布局，有关发动机进气道布置方案将在后面讲述。,4.2,气动布局,六、部位安排方便性分析,，,，,4.起飞段的操纵问题,4.2,气动布局,六、部位安排方便性分析,鸭式：纵向操纵由前舵来担任，滚动操纵由弹翼上的副翼来担任。,正常式：因联合质心位置很靠近舵面，故舵面已不能用以纵向操纵。一般在起飞段上导弹不操纵其俯仰运动，只操纵其滚动运动。,正常式导弹 鸭式导弹,，,，,5.横滚运动的操纵,鸭式气动布局：,前舵的下洗作用影响很大，故此种型式中不能采用差动舵面来操纵横滚运动，而只能在弹翼上安装副翼，如导弹弹身尾部装有固体火箭发动机，则副翼操纵机构的安装就较困难。,鸭式导弹的横滚操纵,4.2,气动布局,，,，,5.横滚运动的操纵,正常式气动布局：,无论利用差动舵面或副翼，问题的解决并无困难。,正常式导弹的横滚操纵,4.2,气动布局,，,，,七、四种气动布局的综合分析,1.鸭式的特点,（1）舵面安置在弹身头部，纵向操纵力臂长，舵的效率高，故舵面面积可小些，所需的舵机功率也可小些。,（2）升阻比较正常式稍大。,（3）易于进行部位安排。,（4）舵面偏转角与导弹攻角方向相同，可以使用的最大攻角受到限制。,（5）具有较大的斜吹力矩，横向稳定性不好。一般来讲，舵面不宜用来作差动副翼，需要有单独副翼来进行滚动控制。,4.2,气动布局,，,，,七、四种气动布局的综合分析,2.正常式的特点,（1）由于弹翼位于舵面之前，不存在因舵面偏转对弹翼引起的下洗，纵向和横向稳定性较好。,（2）舵面差动可同时用作副翼，不必在弹翼上安置副翼，操纵机构和弹翼结构比较简单。,（3）舵面偏转角与导弹攻角方向相反，可以增大可用攻角。,（4）升阻比稍低于鸭式。,（5）舵面位于弹翼洗流区，当采用全动舵时舵面升力被下洗掉很多，因此，舵的操纵效率比鸭式低，舵面面积比鸭式大。,（6）由于舵面产生控制力的方向始终与弹体攻角产生的升力方向相反，因此导弹的响应特性较慢。,（7）气动布局在某些情况下部位安排较困难。,4.2,气动布局,，,，,七、四种气动布局的综合分析,3.无尾式的特点,（1）升阻比高。无尾式布局减少了翼面数量，从而减小了导弹的零升阻力。当翼展受到限制时，增加弦长可以获得所需的升力，使升阻比提高，弹翼结构性能也较好。,（2）操纵效率高。由于翼弦加长，可使舵面至导弹质心的力臂长些，因而操纵力矩也可大些。,（3）具有最大的极限攻角。,（4）常采用反安定面，既保证了需要的静稳定性，又可增大舵面至导弹质心之间的距离和便于弹翼与弹身承力构件的布置。,（5）舵面常与弹翼后缘有一定间距，这样做的目的是使铰链力矩随攻角和舵偏角的变化更趋近于线性变化，便于自动驾驶仪的工作。,4.2,气动布局,，,，,七、四种气动布局的综合分析,4.旋转弹翼式的特点,（1）动态特性好，系统响应快。,（2）便于部位安排。,（3）弹身的攻角可保持较小的值，有利于吸气式发动机进气道设计和采用自动寻的制导导弹的布局设计。,（4）因为弹身攻角小，横滚力矩也要小些，可利用弹翼的差动作副翼。,（5）过载波动可以减小,（6）弹翼面积大，故铰链力矩很大，通常可以达到其他型式的10倍以上。,（7）迎风阻力大，且空气动力存在明显的非线性，给控制系统设计带来高的要求。,（8）当弹翼偏转时，弹身与弹翼间有间隙，这会使升力稍为降低。,4.2,气动布局,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,1展弦比的选择,（1）展弦比对升力特性的影响,增大 展弦比，会使翼面升力线斜率增加。在低速时（如 ）这种影响越明显，而在高速时，展弦比对升力的影响就比较小，且随数的增加，越来越不明显.,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,1展弦比的选择,（2）展弦比对阻力特性的影响,对一定根弦长度，展弦比增加会使翼展增加，这往往会受到使用上的限制。而对于一定的翼展，展弦比增加会使平均几何弦长减小，从而使摩擦阻力有所增加；同样增加 ，也会使波阻增加，特别是低Ma数时更为明显。,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,1展弦比的选择,（3）综合影响,正常式或鸭式,1.2,无尾式,0.6,旋转弹翼式,24,亚声速飞行器,46,亚声速反坦克弹,2,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,2后掠角 的选择,翼面后掠角主要对阻力特性有影响。采用后掠翼的主要作用有两个，一是提高弹翼的临界数，以延缓激波的出现，使阻力系数随数提高而变化平缓；二是降低阻力系数的峰值，两者的综合影响见图所示。,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,2后掠角 的选择,弹翼的后缘的选择：,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,3,尖削比（梢根比）的选择,对气动特性影响较小，但三角翼（）的升阻比要较矩形翼（）稍高些。,对弹翼质量的影响却较大，其减小可使弹翼质量减小。但为了保证弹翼翼尖有一定的结构刚度，并有利于部位安排，一般并不采用三角弹翼，而采用小尖削比的梯形弹翼。,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,一、翼面几何参数的选择与确定,4,相对厚度 的选择,弹翼阻力与 密切相关。随着 的增加，阻力增大。相对厚度对阻力的影响在高速时要比低速时严重，高速时，的增加，使临界数降低，激波出现较早，波阻增加。因此，高速导弹的翼面在结构强度及刚度允许情况下，值应尽量小，而低速导弹翼面的相对厚度可大些。,4.3,导弹外形几何参数的选择,5翼型的选择,常用的超声速翼型有：,（a）菱形,（b）六边形,（c）双弧形,（d）钝后缘形,常用的亚声速翼型有：,（e）不对称双弧翼型,（f）对称双弧翼型,（g）层流翼型,4.3,导弹外形几何参数的选择,6弹翼平面形状的选择,常见的弹翼平面形状有：,平直翼；（,b,）,梯形翼；,(,c),后掠翼；（,d,）,三角翼；,(,e),切尖三角翼；（,f,）,拱形翼；,(,g)S,形翼。,选择原则：,飞行速度大小是选择弹翼外形的主要依据,4.3,导弹外形几何参数的选择,6弹翼平面形状的选择,在确定弹翼平面形状及其几何参数 时，还必须考虑到其他的因素。,4.3,导弹外形几何参数的选择,切去弹翼根部前缘部分 翼梢固定发动机时两种方案的比较,，,，,二、弹身外形及其几何参数的选择,弹身由头部、中部和尾部组成，故弹身外形设计，就是指头部、中部和尾部的外形选择和几何参数确定。,1弹身外形的选择,（1）头部外形,有翼导弹的头部外形通常有：圆锥,形、抛物线形、尖拱形、半球形和球,头截锥形等数种，其外形如右图所示。,有翼导弹的几种头部外形示意图,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,二、弹身外形及其几何参数的选择,1弹身外形的选择,（1）头部外形,弹道导弹常用的头部外形有单锥,形、组合锥形、曲线母线形和锥,柱裙形等，如右图所示。,弹道导弹常用的头部外形,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,二、弹身外形及其几何参数的选择,头部外形选择的原则：,综合考虑空气动力性能（主要是阻力）、容积、结构、有效载荷及制导系统要求。对弹道导弹来说，战斗部的类型和威力大小决定了头部形状，而对有翼导弹来说，制导系统往往成了决定因素。,从,空气动力性能看，当头部长度与弹身直径比一定时，在不同数时，锥形头部阻力最小，抛物线头部次之，而半球形头部阻力最大。,从容积和结构要求看，半球形、球头截锥形和曲线母线头部较好，抛物线形和尖拱形头部一般，而锥形头部较差。,从制导系统要求看，半球形与球头截锥形头部比较适合红外导引头或电视导引头工作要求，抛物线头部与尖拱形头部较适用于雷达导引头工作要求。,4.3,导弹外形几何参数的选择,1弹身外形的选择,（2）尾部外形,尾部形状通常有平直圆柱形、锥台形和抛物线形三种，为满足特殊需要，也有倒锥形尾部等。,尾部外形选择主要考虑内部设备的安排和阻力特性，在满足设备安排的前提下，尽可能选用阻力小，加工简单的尾部外形，如锥台形尾部。,4.3,导弹外形几何参数的选择,1弹身外形的选择,（3）中段外形,弹身中段常采用圆柱形，其优点是阻力小，容积大，且制造方便。但有的有翼导弹弹身中段采用台锥形和非圆截面，以提高升阻比和减小弹身压心的变化量。,弹身直径越大阻力越大，所以设计时要尽量减小弹身直径。必要时可增加腹鳍和局部鼓包以缩小弹体的最大直径。,4.3,导弹外形几何参数的选择,二、弹身外形及其几何参数的选择,2弹身几何参数确定,，,弹身长细比,，,，,头部长细比,尾部长细比,尾部收缩比,4.3,导弹外形几何参数的选择,2弹身几何参数确定,（1）头部长细比 的确定,头部长细比对头部波阻影响较大，如下图所示，越大，阻力越小，但当 时，减小趋势不太明显。,，,，,4.3,导弹外形几何参数的选择,2弹身几何参数确定,（2）尾部长细比 和收缩比 的确定,在设备安置允许的条件下，按阻力最小的要求来确定。,随着 和 的增加，尾部收缩越小，气流分离和膨胀波强度越弱，尾部阻力,就越小。同样 的增加，尾部阻力也相应减小，阻力系数随马赫数的变化见图。,，,，,4.3,导弹外形几何参数的选择,2弹身几何参数确定,（2）尾部长细比 和收缩比 的确定,随着 和 的增加，底部阻力也增加。底部压力与收缩系数的变化曲线见,下图。由此可见，当采用收缩尾部时，增加了一部分尾部阻力，但减少了一部,分底阻。所以，如何采用收缩尾部参数，要综合考虑各方面因素。,，,，,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,4.3,导弹外形几何参数的选择,2弹身几何参数确定,（,3,）弹身长细比 的确定,弹身阻力 和 随 变化曲线见右图。弹身 越大，其波阻系数 越小，而摩擦阻力 系数越大，故从合成阻力角度看，一定有一个最优，此时对应的阻力最小。,，,，,4.3,导弹外形几何参数的选择,2弹身几何参数确定,（,3,）弹身长细比 的确定,确定 时，,气动阻力只是一个方面，更要考虑弹身内各种设备的安排及某些结构的需要。在实际应用中可取：,地空导弹 ；,空空导弹 ；,飞航导弹 ；,反坦克导弹 。,，,，,2弹身几何参数确定,（4）弹直径D的确定,保证弹身的最小容积,对于尖头 对于钝头,4.3,导弹外形几何参数的选择,，,，,2弹身几何参数确定,（4）弹身直径 D 的确定,b.,根据以下几个主要因素之一来确定：战斗部直径；导引头直径；发动机直；气动性能要求；系列化和标准化要求。从中选取要求最大的一个因素，作为弹身直径。,4.3,导弹外形几何参数的选择,