采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报J o u r n a l o fD e t e c t i o n&C o n t r o lV o l N o A u g 收稿日期:作者简介:张英(),男,陕西富县人,副研究员.采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真张英,李曼,杨小会,肖晨星(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 )摘要:针对小口径枪榴弹尺寸小,舵面和舵机执行机构进行弹道修正存在困难这一问题,采用基于合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正.首先采用计算流体力学软件对单个合成射流激励器模型进行数值模拟,获取合成射流激励不同时刻振动膜的外形变化及对应的喷口流速分布;在此基础上,将合成射流激励器布置在枪榴弹弹体内,指定振动膜的振动方式,通过网格重构算法计算合成射流 弹体绕流 体化流场,获取合成射流激励器作用下弹体表面射流喷口速度与弹体法向力;最后通过 D弹道模型计算小口径枪榴弹的弹道,评估修正弹的修正能力.仿真结果表明,合成射流激励器作用时能够影响小口径枪榴弹尾部局部流场,改变弹体表面压力分布并产生法向力,该力能够满足小口径枪榴弹在射程和横偏方向修正能力需求.关键词:合成射流;弹道修正;流场;枪榴弹中图分类号:T J 文献标志码:A文章编号:()S m a l lC a l i b e rG r e n a d eT r a j e c t o r yC o r r e c t i o nS i m u l a t i o nB a s e do nS y n t h e t i cJ e tA c t u a t o rZ HANGY i n g,L IM a n,YAN GX i a o h u i,X I AOC h e n x i n g(X i a nI n s t i t u t eo fE l e c t r o m e c h a n i c a l I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B e c a u s eo f t h es m a l l s i z eo f t h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e,i t i sd i f f i c u l t t oc o r r e c t t h e t r a j e c t o r yb a s e do nt h er u d d e ra n da c t u a t o r,s ow e t r yt ou s e t h es y n t h e t i c j e t a c t u a t o r t oc o r r e c t t h e t r a j e c t o r yo f t h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e F i r s t l y,as i n g l es y n t h e t i c j e t a c t u a t o rm o d e lw a s s i m u l a t e db yc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e,a n dt h es h a p ec h a n g e so ft h ev i b r a t i n gf i l ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h en o z z l ew e r eo b t a i n e d,t h es y n t h e t i cj e ta c t u a t o ri sa r r a n g e di nt h eb o d yo ft h eg r e n a d e,t h ev i b r a t i o nm o d eo ft h ev i b r a t i n gm e m b r a n e i ss p e c i f i e d,a n dt h ei n t e g r a t e df l o wf i e l do ft h es y n t h e t i cj e ta n dt h ep r o j e c t i l ei sc a l c u l a t e db yt h em e s hr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m,t h ev e l o c i t yo f j e t n o z z l e a n dn o r m a l f o r c eo f p r o j e c t i l e a r eo b t a i n e du n d e r t h e a c t i o no f s y n t h e t i c j e t a c t u a t o r F i n a l l y,t h e t r a j e c t o r yo f s m a l l c a l i b e rg r e n a d e i s c a l c u l a t e db y dt r a j e c t o r ym o d e l,a n dt h ec o r r e c t i o na b i l i t yo f c o r r e c t i o np r o j e c t i l e i se v a l u a t e d T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e s y n t h e t i cj e t a c t u a t o r c a na f f e c t t h e l o c a l f l o wf i e l da t t h e r e a r o f s m a l l c a l i b e rg r e n a d e,c h a n g e t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h ep r o j e c t i l es u r f a c ea n dg e n e r a t en o r m a l f o r c e,t h ef o r c ec a nm e e tt h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e i nt h er a n g ea n dl a t e r a l d i r e c t i o nc o r r e c t i o nc a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:s y n t h e t i c j e t;t r a j e c t o r yc o r r e c t i o n;f l o wf i e l d;r i f l eg r e n a d e 引言打击精确化是陆军在未来信息化战争中立足的基础,精确制导弹药的发展、列装及实战使用受到越来越多的重视,“非接触”、“首发命中”、“精确打击”等多种作战模式的提出,对武器系统的作战使命提出了全新的要求.作为陆军武器的重要组成部分,单兵榴弹武器弹药功能已经由最初的单一碰炸杀伤发展为目前较为流行的空炸“非接触式面杀伤”模式.近年来的战场表明,现代各种强大的火力支援体系中,榴弹发射器已成为士兵身边最直接、最可信赖的支援火力之一.在我国微小型武器系列弹药中,小口径枪榴弹作为典型的线膛发射无控弹药,受其内、外弹道等诸多因素影响,该类型空炸杀伤榴弹远距离密集度散布较大,无法实现对远距离目标的有效杀伤,远距离散布已成为制约小口径枪榴弹发展的主要因素.近年来,依靠数值模拟和实验方法,合成射流在流动分 离 控 制 和 射 流 矢 量 控 制、抑 制 振 动 噪声、强化传热 等方面取得了许多重要的研究成果,与实验相比,数值模拟 方法不仅能够获取结构参数及运行参数对合成射流激励器性能的影响,还可以获取射流全流场的流动参数分布,为合成射流的设计及应用提供参考.不同应用领域的研究结果表明,合成射流的形成机理及射流对流场特性的影响既有共性也有特性,合成射流对流场的影响可控.基于此,将其应用于小口径枪榴弹弹道修正,可以克服小口径枪榴弹因本身尺寸小布置舵面进行弹道修正存在的困难,通过合成射流对小口径枪榴弹绕流流场的影响,产生合成射流激励器作用下弹体的气动力,对弹道进行横纵向的修正,减小落点散布.枪榴弹弹道修正原理合成射流激励器二维弹道修正枪榴弹气动布局如图所示.图中G为弹体的质心,P为弹体的压心,C为合成射流激励器修正力的作用点,XB为弹体压心到质心的距离,XC为修正力的作用点到质心的距离,NB为弹体升力,NC为修正力,MT为修正弹整体受到的合力矩.由于合成射流激励器安装在弹体尾部,因此,修正力的作用点C在弹体质心G之后,弹体的质心G在压心P和修正力作用点C之间.图合成射流激励器二维弹道修正枪榴弹示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f as y n t h e t i c j e t f o r Db a l l i s t i cc o r r e c t i o no f r i f l eg r e n a d e二维弹道修正弹在工作时,通过合成射流激励器产生控制力和力矩,如果忽略高旋弹横向和纵向运动的交叉影响,在合成射流激励器作用力和来流所形成的平面内分析修正弹上的法向力,由图可知,作用在修正弹上的合力矩可以表示为MTXBNBXCNC.()弹丸在飞行过程中,保持稳定飞行,弹体处于瞬态平衡状态,此时修正弹上的合力矩MT为零,即弹体所受力矩与合成射流激励器产生控制力达到平衡,可得XBNBXCNC,()NCXCNBXB.()作用在弹体上的合法向力NT可表示为NTNBNC(XBXCXB)NC.()由此可以看出合成射流激励器控制力作用点位置和方向对弹道的影响,见表.表控制力作用点位置和方向对弹道的影响T a b I n f l u e n c eo fp o s i t i o na n dd i r e c t i o no f c o n t r o l f o r c eo nb a l l i s t i c t r a j e c t o r y控制力作用点位置控制力作用点与质心的相对位置弹道修正力的关系控制力与弹道改变方向的关系作用点在质心后XCNCNT同向作用点与质心重合XCNCNT同向作用点在质心与弹体压心之间XCXBNTNC同向作用点与弹体压心重合XCXBNT没有修正能力作用点在弹体压心前XBXCNT反向由表可以看出:对于高旋弹,由于合成射流激励器安装在弹尾,位于弹体质心之后,则XC、XC/XB,可知弹道修正力NT和控制力NC方向相同,即控制力向上时,弹体矢量向上,弹道改变的方向和控制力方向相同.要增大合成射流激励器对弹道的影响,可以通过增大控制力NC和增大探 测 与 控 制 学 报XC/XB的绝对值来实现.由于改变弹体压心位置难度大,所以可通过增大控制力作用点到质心的距离XC或增大控制力NC使弹道变化增大.采用合成射流激励器的修正弹气动力数值模拟 单个合成射流激励器计算模型合成射流激励器计算模型见图.模型由腔体、振动膜、狭缝、喷口和外部流场空间组成,振动膜与喷口外部流场空间通过狭缝进行连通.外部空间流场空间直径D是振动膜所在的腔体直径d的倍,外部空间流场静止.腔体、狭缝及外部流场空间均为圆柱体,圆柱体边界为固体边界,内部区域为流场区域.图合成射流激励器几何模型F i g S y n t h e t i c j e t a c t u r a t o rg e o m e t r ym o d e l振动膜振动时,设电压驱动信号频率为f,振动膜振幅为A,初相为,则振动膜的位移为xAc o s(f).()对式()进行求导,可得振动膜上各位置处的速度分布规律为uJ(t)f As i n(f).()由此可知,简化后的合成射流激励器的流速分布为正弦函数分布.在进行数值模拟振动膜引起的流场变化时,可以将振动膜简化为正弦变化的速度入口,在一个吹、吸周期内,合成射流激励器喷口也应具有周期性的合成速度.计算方法单个合成射流激励器的流场计算通过有限体积法进行求解,积分形式的三维可压缩黏性流动N S(N a v i e r S t o k e s)方程如下:tVWdVFG()dAVHdV,()式()中,A为表面面积矢量,矢量H为源项,W、F、G为通量项,分别定义为WuvwE,Fvv upiv vpjv wpkv Ep v,Gx iy iz ii jvjq,()式()中,为密度,u、v、w分别为沿坐标轴x、y、z方向上的流动速度,E为单位质量总能,p为单位质量压力,为黏性应力张量,q为热流通量.仿真结果外部流场空间边界及振动膜所在腔体周围作为固体壁面,选用无滑移边界条件,该区域中的流场静止.图图分别为振动膜在不同时刻的位移变化情况.截取振动膜在起始时刻t及上下两个极限位置(即最大位移处)的振动膜变形后的外形图.可以看出,起始时刻,振动膜呈平面状态,随着计算时间的增加,振动膜发生变形,不同时刻振动膜的外形与计算时间相关.随着振动膜形状随时间的不断变化,腔体的体积也不断发生改变,将腔体内的气体吸入和排出.与振动膜的外形相对应,图图分别为振动膜在tT/、tT/及tT/时刻全计算域内的流场速度分布云图.可以看出,随着计算时间的增长,射流喷口区域的流场影响范围逐渐加大.从合成射流喷口外流速分布云图可以看出,射流速度分布关于喷口中心线对称,随着离喷口处的位置距离增加,喷口速度逐渐下降,中心线上的速度最大.图振动膜处于平衡位置(t)F i g T h ev i b r a t i n gf i l mi ne q u i l i b r i u mp o s i t i o n(t)张英等:采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真图振动膜最大正向位移(tT/)F i g M a x i m u mp o s i t i v ed i s p l a c e m e n to fv i b r a t i n gf i l m(tT/)图振动膜最负向位移(tT/)F i g M a x i m u mn e g a t i v ed i s p l a c e m e n to fv i b r a t i n gf i l m(tT/)图流速分布(tT/)F i g V e l o c i t yd i s t r i b u t i o n(tT/)图流速分布(tT/)F i g V e l o c i t yd i s t r i b u t i o n(tT/)图流速分布(tT/)F i g V e l o c i t yd i s t r i b u t i o n(tT/)在振动膜向上运动的初始时刻,喷口射流对周围流场影响范围很小,随着时间的推移,随着流速增大影响范围逐渐加大,射流中心射流速度变长,呈伞状,对周围流场的卷吸增强.在振动膜振动的全周期,喷口外部空间射流速度关于中心线对称分布.随着振动膜的不断振动,依靠不间断的“吸 排”过程,实现向腔体外部流场注入动量,改变流场状态.改变振动膜的振动频率,喷口速度也会发生改变,随着振动频率的增加,喷口中心线上同一点处的射流速度加大,与外部流场的动量交换也会增强,改变喷口的方向,就可以改变射流对主流的影响区域,改变流场的参数分布.小口径枪榴弹修正弹流场数值模拟小口径枪榴弹气动外形为典型榴弹旋成体外形,头部为弧形,中间为圆柱段,尾部为收缩船尾.装有合成射流激励器的小口径枪榴弹模型见图.合成射流激励器安装于弹体内靠近船尾处,喷口方向沿弹轴方向指向弹体后方.布置两个合成射流激励器是为了消除弹体的气动及质量分布不对称,只仿真其中一个作 用时对流场 的 影 响 及 产 生 的 法向力.图枪榴弹弹体及合成射流激励器位置F i g R i f l eg r e n a d eb o d ya n ds y n t h e t i cj e t a c t u a t o rp l a c e m e n t枪榴弹内部合成射流激励器是一个圆弧形的长探 测 与 控 制 学 报方形腔体,在腔体外部腔体表面的一侧设置等间距的三个喷口,分别标记为喷口、喷口及喷口.腔体内部布置有一个圆环形状的振动膜,振动膜通过向左向右振动变形使腔体内部的气流吸入和排出.图 和图 分别为合成射流激励器的主视图和俯视图.图 合成射流激励器F i g S y n t h e t i c j e t a c t u r a t o r图 合成射流激励器喷口位置F i g S y n t h e t i c j e t a c t u r a t o rm o z z l ep o s i t i o n来流采用压力远场,弹体选用无滑移固体壁面边界条件,单方程S A湍流模型,合成射流激励器振动膜振动周期为 s,弹体无旋转,攻角,马赫数 .数值模拟结果图 为弹体周围流场纵向对称面内压力云图(M a ,AOA),从图中可以看出,整个弹体在合成射流激励器安装位置之前压力分布基本对称.在船尾处,由于合成射流激励器的作用使该区域的压力分布发生变化,沿弹轴方向上下流场区域不再对称,进一步观察尾迹区的流动,可以看出,合成射流使来流流经弹体船尾台阶后,附着在弹体表面,推迟了气流的分离和再附长度,改变了回流区的范围,改善了弹体尾部的压力分布,形成附加的法向力.图 流场纵向对称面弹体附近压力分布云图(M a ,A OA)F i g P r e s s u r e c o n t o u rn e a rg r e n a d eb o d yo n l o n g i t u d i n a ls y mm e t r i cp l a n eo f f l o wf i e l d(M a ,A OA)图 为振动膜在合成射流激励器一个完整周期后在平衡位置(t)和最大位移处(tT/)的外形图.从图中可以看出,振动膜在T/时刻达到最大位移,外形发生了显著变化.在振动膜两侧边界节点没有发生位移,而在振动膜的中心位置处,振动膜上单元的位移量最大.经过T/周期后,振动膜运动到一个周期内的最大位移处,随着时间的继续推进,振动膜从最大位移处往平衡位置运动,之后又从平衡位置向相反方向运动到最大负位移处,即T/时刻对应的最大位移处,然后又从该最大负位移处运动至平衡位置.图 为喷口射流速度随计算时间的变化,振动周期m s.振动膜开始动作时,喷口速度不稳定,速度波动变化范围较大,约个周期后,从 s开始,喷口射流速度呈规则的周期性变化,速度变化趋于稳定值.在一个周期内,速度随时间的变化与振动膜的变化规律一致,最大速度 m/s,最小速度 m/s,分别对应振动膜正向最大位移和负向最大位移处.振动过程中,喷口处射流速度不改变方向,都是向喷口外流场方向流动.图 为对应的弹体法向力变化图,在射流速度稳定时,弹体法向力也趋于稳定,数值上略有变化,但幅度很小.弹体法向力与合成射流激励器的结构参数和运行参数有关,进一步的研究表明,还与弹体船尾表面形状,特别是弹体台阶高度有重要的关系.对于绕后台阶流动(B F S),在射流作用时,存在康恩大(C o n d a)效应,来流经台阶后不再分离,而是偏转方向沿着壁面向后流动,弹体船尾的这种局部流动现象使后体的流场分布不再对称,产生附加的法向力.张英等:采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真图 环形振动膜外形变化(左t,右tT/)F i g A n n u l av i b r a t i o nm e m b r a n es h a p ec h a n g e(l e f tt,r i g h ttT/)图 喷口射流速度F i g N o z z l e j e tv e l o c i t y图 弹体法向力F i g G r e n a d en o r m a l f o r c e 弹道修正仿真弹道最大修正能力由无控弹丸的射击精度决定.弹丸的射击精度由射击准确度和射击密集度两部分组成,影响射击准确度的因素主要包括测地准备误差、目标位置误差、弹道准备误差、气象准备误差、技术准备误差及模型误差等,影响射击密集度的因素主要包括初速误差、射角误差、弹丸气象散布误差及气象误差等.弹丸的纵向射击精度和横向射击精度为EX EXEXEZ EZEZ.()对应的纵向和横向最大修正能力要求为Xm a xEX Zm a xEZ.()按无控弹丸纵向射击准确度小于射程,射击密集度/,射程 m时,纵向射击精度为 m,横向射击精度m,则纵向和横向最大修正量分别不低于 m和 m.基于六自由度弹道模型,标准气象条件,对小口径枪榴弹初速 m/s,射角 ,射程k m,出炮口s后合成射流激励器作用,进行了弹道仿真,验证合成射流激励器作用下的二维弹道修正能力.不同修正控制力方向的弹道修正能力见表,弹道曲线见图 图,可以看出合成射流激励器作用后,弹道方向发生明显改变,弹道修正能力满足横纵向修正能力的要求.表不同方向弹道修正能力T a b B a l l i s t i cc o r r e c t i o nc a p a b i l i t y i nd i f f e r e n td i r e c t i o n s方向需求/m向上/m向下/m向左/m向右/mX Z 图 弹道对比(控制力向上)F i g B a l l i s t i c t r a j e c t o r yc o m p a r i s i o n(c o n t r o l f o r c eu p w a r d)图 弹道对比(控制力向下)F i g B a l l i s t i c t r a j e c t o r yc o m p a r i s i o n(c o n t r o l f o r c ed o w n w a r d)探 测 与 控 制 学 报图 弹道对比(控制力向左)F i g B a l l i s t i c t r a j e c t o r yc o m p a i s i o n(c o n t r o l f o r c e l e f t)图 弹道对比(控制力向右)F i g B a l l i s t i c t r a j e c t o r yc o m p a r s i o n(c o n t r o l f o r c er i g h t)结论本文通过建立基于合成射流激励器的小口径枪榴弹计算模型,数值模拟了射流作用下的绕流流场,获取了在不改变现有气动外形下,合成射流激励器作用后对弹体的法向力,并采用 D弹道模型对弹道修正能力进行了评估.主要结论如下:)单独合成射流激励器振动膜的周期振动会在出口产生周期性流场,吹吸过程中,喷口中心线速度大小周期性变化,但方向始终不变.)在小口径枪榴弹合成射流激励器作用后,合成射流与来流相互作用后在弹体表面局部产生喷口速度,改 变附近的压 力分布,形成 基本恒定的 法向力.)合成射流激励器作用后,不破坏弹体原有的稳定性,并能产生弹道横、纵向所需的修正能力.参 考 文 献:赵国庆,招启军,顾蕴松,等八字形出口合成射流激励器机翼 分 离流 动控 制J实验 流 体 力 学,():赵国庆,招启军,顾蕴松,等合成射流对失速状态下翼型大分离流动控制的试验研究J力学学报,():陆连山,李栋,郑杰,等基于狭缝合成射流的湍流边界层流动控制实验研究J航空工程进展,():孙圣舒,顾蕴松,陈勇亮,等低雷诺数自由翼斜出口合成射流分离 流动 控 制 J空 气 动 力 学 学 报,():黄广靖,戴玉婷,杨超低雷诺数俯仰振荡翼型等离子体流动控制 J力学学报,():朱玉杰,孙振生,张炜,等低R e y n o l d s数翼型绕流主动控制技术J气体物理,():吴攀,罗振兵,彭文强,等合成双射流激励器振动噪声特性J气体物理,():S MYKE,G I LP,G A L E K R,e ta l A c o u s t i ca n df l o wa s p e c t so fn o v e ls y n t h e t i cj e ta c t u a t o rJA c t u a t o r s,():郭志伟压电合成射流散热器的传热特性研究D西安:西安电子科技大学,向立平,夏智勋,罗振兵,等合成射流流动与传热特征的数 值 模 拟 J湖 南 科 技 大 学 学 报,():张英,霍鹏飞,施坤林,等基于动网格的三维合成射流激励器流场数值模拟J探测与控制学报,():陈建辉,谢永慧,申仲旸,等采用动网格技术的合成射流控制叶栅流动分离数值研究J中国电机工程学报,():唐上钦,黄长强合成射流数值模拟方法对比J空军工程大学学报,():韩子鹏弹箭外弹道学M北京:北京理工大学出版社,张英等:采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真