李 召，宋振鐸

（中國(guó)人民解放軍63961部隊(duì)，北京 100012）

0 引言

某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈是一種單兵筒式制導(dǎo)武器，用于攻擊近距離點(diǎn)目標(biāo)。為了保證導(dǎo)彈的便攜性，要求盡量減小武器系統(tǒng)尺寸和重量；為了保證戰(zhàn)斗部的威力，又要求盡量增大戰(zhàn)斗部的口徑和裝藥量。因此，該導(dǎo)彈采用了超口徑戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 彈體頭部外形

導(dǎo)彈采用了超口徑戰(zhàn)斗部設(shè)計(jì)，導(dǎo)致質(zhì)心靠前；尾翼面積較小且位于彈體尾部，導(dǎo)彈的壓心靠后，造成靜穩(wěn)定度大，操縱性差，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了困難。由于導(dǎo)彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)緊湊，質(zhì)心位置調(diào)整困難，彈翼面積也難以增大。因此，如何在不更改導(dǎo)彈現(xiàn)有結(jié)構(gòu)布局的條件下，平衡靜穩(wěn)定性和操縱性之間的矛盾，是總體設(shè)計(jì)中遇到的重要問(wèn)題。

在導(dǎo)彈頂部安裝小反安定面，可以在不增加導(dǎo)彈口徑的條件下，改善導(dǎo)彈的氣動(dòng)特性和靜穩(wěn)定性。為了確定反安定面的尺寸、布局及數(shù)量對(duì)導(dǎo)彈氣動(dòng)特性和靜穩(wěn)定性的影響程度，對(duì)反安定面的設(shè)計(jì)進(jìn)行了氣動(dòng)計(jì)算研究。文中采用USAERO氣動(dòng)計(jì)算軟件和工程計(jì)算相結(jié)合的方法，研究該導(dǎo)彈彈頂反安定面對(duì)彈體氣動(dòng)特性以及靜穩(wěn)定度的影響。

1 氣動(dòng)外形建模與計(jì)算方法

由于導(dǎo)彈的戰(zhàn)斗部已是超口徑，為了不再增大導(dǎo)彈的最大直徑，在彈體的頂部安裝了多片小安定面，安定面的展長(zhǎng)不超過(guò)彈體最大口徑約束。在氣動(dòng)計(jì)算中采用1∶1的導(dǎo)彈造型，分別建立有、無(wú)反安定面的彈體三維模型。導(dǎo)彈彈體最大（頭部）直徑150mm，安裝有8（6或4）片反安定面的彈體頭部造型如圖2所示，各片反安定面沿彈體均勻分布，每?jī)芍g夾角為45°（60°或90°），安定面的頂角為110°，沿彈體徑向邊緣長(zhǎng)40mm，反安定面組合的外徑為146mm。

USAERO軟件基于面元法，通過(guò)求解非定常三維勢(shì)流方程，可計(jì)算任意復(fù)雜外形、做任意運(yùn)動(dòng)的飛行體非定常瞬態(tài)氣動(dòng)特性。該軟件適用于計(jì)算亞音速高粘性飛行體的氣動(dòng)參數(shù)，通過(guò)考慮與時(shí)間相關(guān)的邊界層方法可分析計(jì)算氣流粘性對(duì)氣動(dòng)參數(shù)的影響。用USAERO軟件對(duì)上述氣動(dòng)外形模型進(jìn)行氣動(dòng)計(jì)算時(shí)，共設(shè)定面元約10000個(gè)，各計(jì)算單元的迭代次數(shù)均為50次。

圖2 安裝4片、6片和8片反安定面的彈體頭部外形

2 氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算

在攻角為0°～10°、馬赫數(shù)為0.05 Ma ～0.9 Ma的條件下計(jì)算了有、無(wú)彈頂小反安定面時(shí)的導(dǎo)彈氣動(dòng)參數(shù)。為了便于描述，只給出了安裝8片反安定面時(shí)導(dǎo)彈的部分主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)和靜穩(wěn)定度的變化情況。

圖3 有、無(wú)反安定面阻力系數(shù)的仿真結(jié)果

彈體阻力系數(shù)隨攻角和馬赫數(shù)的變化曲線如圖3所示。

由圖3可知：1）兩種氣動(dòng)外形阻力系數(shù)隨攻角和馬赫數(shù)均呈現(xiàn)良好的變化趨勢(shì)；2）相同攻角和馬赫數(shù)下，有反安定面的氣動(dòng)外形阻力系數(shù)比無(wú)反安定面的情況增大了約5%。

彈體升力系數(shù)隨攻角和馬赫數(shù)的變化曲線如圖4所示。

由圖4可知：1）兩種氣動(dòng)外形升力系數(shù)隨飛行攻角和馬赫數(shù)的變化均呈現(xiàn)良好的變化趨勢(shì)；2）相同攻角和馬赫數(shù)下，帶有反安定面的氣動(dòng)外形升力系數(shù)比無(wú)反安定面的情況增大了約10%，升阻比增大了約2%。

圖4 有、無(wú)反安定面的升力系數(shù)仿真結(jié)果

圖5 有、無(wú)反安定面的俯仰力矩系數(shù)仿真結(jié)果

由圖5可知：1）兩種氣動(dòng)外形俯仰力矩系數(shù)隨飛行攻角和飛行馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)相同；2）相同攻角和馬赫數(shù)下，帶有反安定面的氣動(dòng)外形俯仰力矩系數(shù)比無(wú)反安定面的情況絕對(duì)值減小了約16%。

3 反安定面對(duì)靜穩(wěn)定度影響研究

彈體靜穩(wěn)定度的計(jì)算公式為：

由圖6可知：在彈體頭部安裝反安定面后，使飛行靜穩(wěn)定度由原來(lái)10%～13%下降到5%～8%，有效的減小了彈體的靜穩(wěn)定，提高了可操縱性。

反安定面數(shù)量也是影響靜穩(wěn)定度的重要因素，圖7描述了反安定面的數(shù)量對(duì)彈體靜穩(wěn)定度的影響程度。

由圖7可知：1）無(wú)論彈頂反安定面的片數(shù)數(shù)值如何，隨著馬赫數(shù)的增加靜穩(wěn)定度增大；2）在任一馬赫數(shù)下，隨著反安定面數(shù)量增加導(dǎo)彈的靜穩(wěn)定度都在減小，減小值基本呈線性關(guān)系。

圖7 導(dǎo)彈靜穩(wěn)定度隨馬赫數(shù)的變化

4 結(jié)論

文中根據(jù)某小型戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到的問(wèn)題：如何在不改變導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)布局的條件下，平衡靜穩(wěn)定性和操縱性之間的矛盾，提出了在彈頂安裝小反安定面的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)氣動(dòng)建模與仿真，計(jì)算彈體主要?dú)鈩?dòng)參數(shù)，對(duì)比分析了有、無(wú)彈頂反安定面的導(dǎo)彈氣動(dòng)特性與靜穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明：1）在彈頂安裝小反安定面，可在不調(diào)整導(dǎo)彈內(nèi)部結(jié)構(gòu)布局的情況下提高彈體的升阻比；2）在彈頂安裝小反安定面，會(huì)顯著降低彈體的靜穩(wěn)定度，有效的平衡了導(dǎo)彈的靜穩(wěn)定性和操縱性這對(duì)矛盾；3）在彈頂安裝小反安定面的數(shù)量對(duì)導(dǎo)彈的靜穩(wěn)定度下降數(shù)值有重要影響。

文中提出的在導(dǎo)彈頂部安裝反安定面的設(shè)計(jì)方法和研究結(jié)果可用于其它類(lèi)似情況的導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)中。

[1]Analytical Methods Inc.USAERO User’s Manual[Z].Washington USA：1996.

[2]苗瑞生，居賢明，吳甲生.導(dǎo)彈空氣動(dòng)力學(xué)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1987：42－44.

[3]錢(qián)杏芳，林瑞雄，趙亞男.導(dǎo)彈飛行力學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2000：21－35.

[4]George M Siouris.導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制系統(tǒng)[M].張?zhí)旃?，王麗霞，宋振峰，等，譯.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2010.

[5]于劍橋，文仲輝，梅躍松，等.戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈總體設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.