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外挂式导弹机弹分离气动干扰特性研究*

更新时间:2009-03-28

导弹与载机分离过程中存在机弹干扰和机弹相对运动现象,从而产生复杂的流场结构和多体间的气动干扰。因此,正确认识机弹分离运动的复杂流动结构、气动干扰特性及导弹与载机的相对运动规律,是保证载机与导弹安全分离的基础,是导弹正常起控、有效飞行的前提。所以,机弹分离气动干扰特性设计技术已成为机载武器系统研制的重要研究内容和核心技术。

投资阶段是建筑工程建设的前期,在该阶段造价管理对后续工程有着重大的影响,所以投资阶段意义重大。一般而言,在投资阶段,传统建筑工程造价管理是以图纸介质积累工程数据为主的,并且该方式易受到其他因素的影响,导致问题与错误的发生,BIM数据库中因为数据信息具有海量性,可以实现方案的对比,信息数据可以复原,利用三维形式加以展现,投资方可以根据项目的方案对模型进行修改与更新,形成不同的方案模型,并且自动计算不同造价数据以及工程量,所以在建筑工程造价管理投资阶段,BIM技术具有重大作用。

目前,国内外研究导弹与载机分离轨迹与气动干扰问题的方法主要包括风洞试验[1]、计算流体力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)和飞行试验三种。风洞试验包括捕获轨迹试验(Captive Trajectory System, CTS)和网格测力试验,可以直接获得分离轨迹中导弹的运动参数、导弹在载机干扰流场下的气动干扰特性。但是,风洞试验一般会受到模型尺寸、投放条件、试验成本及进度等方面的限制而不能大量开展。飞行试验具有真实性、直观性强、可信度高等优点,但为确保飞行试验中载机和飞行人员的绝对安全,飞行试验只有在翔实的风洞试验和理论研究的基础上才能进行。因此,20世纪90年代以后,国内外大多采用以CFD为主、风洞试验为辅,计算和试验相结合的方法预示机弹分离轨迹和研究机弹分离气动干扰特性[2-5]

本文针对吊挂式导弹机弹分离轨迹及气动干扰特性问题,首先阐述了试验和数值研究方法,其次从机弹干扰工况的简化和机弹分离气动干扰特性影响规律分析两个方面对吊挂式导弹的分离特性和干扰特性进行了系统的研究。

1 研究方法

1.1 试验方法

CTS试验由风洞及模型设备、六自由度运动机构(6 Degree Of Freedom, 6DOF)和计算机系统相互配合,通过对导弹等外挂物气动载荷的测量、运动轨迹的计算和6DOF机构对外挂物位置的控制完成导弹等外挂物分离轨迹的预示[6],试验过程见图1。CTS试验的主要目的是获得载机飞行工况下,导弹的离机轨迹和离机过程中不同位置和姿态下的干扰气动力和气动力矩,初步判断导弹与载机是否能够安全分离。

  

图1 CTS试验示意图[5]Fig.1 CTS wind tunnel test section[5]

1)随着Ma由亚声速、跨声速到超声速变化,导弹CN负向增大;CLM曲线斜率由正变负,且同一攻角下CLM值呈现出非线性变化。

山水画从南朝宗炳提出的“近大远小”理论,到宋代郭熙提出的“三远”理论,画面空间建构开始成熟。“三远”论是对宗炳“近大远小”空间理念的丰富,在山水画空间建构理论的发展中起着极其重要的作用,指导并启发其后的山水画空间理论。

在载机系统内,干扰气动力系数是导弹相对载机位置和姿态的函数。因此,网格测力试验采用与CTS试验相同的装置,将导弹定位在相对载机预先选定的位置和姿态,通常是正交的网格上,得到每个网格点上干扰气动力系数数据,用以研究导弹在载机干扰流场下的气动特性。网格测力试验也是一种静态的试验方法,而且这些干扰气动系数只适用于给定的载机和导弹组合,不可以“外插”用于相同载机、不同导弹或不同载机、不同导弹的组合[7]

1.2 数值方法

随着计算机性能的提高和计算流体力学方法的迅速发展,基于动网格技术,采用CFD方法[9]耦合6DOF刚体运动方程,可以预示机弹分离轨迹和导弹在载机干扰流场下的气动特性。对机弹分离轨迹进行直接数值预示时,需要在每一时间步上生成计算网格、求解流动方程获得气动力和气动力矩、在此基础上求解刚体运动方程获得导弹的轨迹和姿态。因此,采用CFD方法预示机弹分离轨迹需要选择合理的动网格技术。

导弹相对载机存在位置和姿态的变化,需要根据相应的计算状态调整网格达到覆盖不同计算区域的目的。通常使用的动网格技术一般分为重构、变形和重叠三类,包括重构类的非结构网格[10-11]、自适应笛卡尔网格[12-13],弹性变形与局部重构相结合的动态非结构网格[14]、结构重叠网格和非结构/混合重叠网格[15-16]

由于重叠网格对复杂构型飞行器具有良好的适应性,本文采用自主开发的结构重叠网格软件系统[17-19],数值预示机弹分离轨迹和导弹在载机干扰流场下的气动特性,机弹分离模拟流程图见图2。

云南曲靖师范学院蔡燕女士的论文《宋代文体互动中“文”的文体渗透性》指出,从中国文学文体的发生发展来看,唐宋文学处于一个独特的位置,不同文体之间的交融互动在唐宋时期的文学发展中是一个令人瞩目的现象。蔡燕认为,在宋代,各种文体从儒家社会教化功能排序,“文”处在这种排序等级的高端,其文体渗透性极强,既有表现功能上的渗透,更有技巧层面的移植,具体而言包括以文为诗、以文为词等丰富内容。宋代文体互动中“文”的这种文体渗透性使得诗、词、赋各体创作呈现出令人惊异的新创获。

  

图2 基于重叠网格的机弹分离模拟流程图Fig.2 Pipeline of the simulation of store separation using the overset grid method

2 机弹干扰工况的简化

通过CTS试验获得给定工况下的机弹分离轨迹,可以初步评估机弹分离的安全性。若导弹与载机能够安全分离,则通过网格测力试验获得导弹在载机干扰流场下的气动特性,从而开展导弹的起控规律设计。

机弹干扰气动特性的影响因素包括来流条件Ma,载机姿态角,导弹相对载机的xyz三个方向的位置和姿态角。因此,导弹的干扰气动特性是上述多个因素的正交函数,所以网格测力试验的海量试验工况和昂贵的试验费用或CFD的海量计算量往往令设计人员无法接受。因此,工程上一般借用CTS试验或CFD轨迹预示,获得导弹相对载机的线位移和角位移变化范围,并对机弹干扰气动特性影响因素的敏感性进行分析,选择核心影响因素,从而减少试验或计算工况到可以接受的范围。

3)由机翼干扰流场中导弹干扰气动系数与自由流气动系数的接近程度可以判断,在导弹离机高度为4.5 m时,导弹基本脱离机翼的干扰。

本测区先采用了两种方法进行测试,分别使用12个和16个平高控制点作为基本定向进行区域网平差,在检查空三加密成果的时候发现高程精度均不满足规范要求。最后测试选取20个平高控制点作为基本定向点,平面精度和高程精度基本满足规范要求。

为破解水的“瓶颈”制约,泉州先从“开源”入手,初步建成以山美水库为主要水源、龙门滩引水为补充、各大中型水库为支撑、金鸡拦河闸为分水枢纽、南北渠和湄南工程为主要输水通道的沿海配供水网络体系,并计划新建白濑水库、彭村水库等一批水源工程,扩蓄山美水库、桃源水库,充分挖掘可利用的水资源。然而,面对晋江流域水资源超过40%的开发利用率和经济社会用水需求加大,单纯依靠工程措施无法从根本上解决泉州缺水问题,“节流提效”势在必行。

3 机弹分离气动干扰特性

3.1 计算模型

本文计算模型选择经典的机翼/挂架/导弹组合模型[20],见图3,该模型为验证非定常CFD技术的标模,具有完备的试验数据。机翼/挂架/导弹对称面初始网格及重叠网格见图4。

从评价结果来看,2000—2005年研究区人为干扰主要为中度正向干扰与轻度负向干扰,在整个研究区分布都较为均匀;2005—2010年人为干扰主要以正向干扰为主,轻度正向干扰与强度正向干扰主要集中在甘孜县、色达县、壤塘县以及阿坝县,石渠县则以中度正向干扰为主,若尔盖县与红原县中度正向干扰零星分布,负向干扰以中度为主,零星分布于研究区;2010—2014年研究区人为干扰主要以轻度负向干扰为主,轻度负向干扰集中分布在研究区西部各县,强度负向干扰零星分布于研究区,中度负向干扰主要分布在若尔盖县与红原县,人为正向干扰区域较小,除若尔盖县轻度正向干扰较为集中外,正向干扰零星分布于其他县。

  

图3 机翼/挂架/导弹模型Fig.3 Wing pylon finned store model

  

(a) 对称面初始网格(a) Original grids of the symmetry plane

  

(b) 对称面重叠网格(b) Overset grids of the symmetry plane图4 机翼/挂架/导弹对称面初始网格及重叠网格Fig.4 Original and overset grids of the symmetry plane for the wing pylon finned store model

3.2 机弹分离轨迹预示

导弹与载机分离马赫数为0.95,攻角为0°,飞行高度为8 km。导弹投放初始速度和角速度都为0,为使导弹顺利投放,在初始0.05 s内在导弹质心前后分别施加弹射力,弹射力和导弹物理特性参数见文献[20]。

图5给出导弹分离轨迹参数及气动力系数和力矩系数随时间的变化曲线,其中分离参数包括导弹位移和角位移、速度和角速度,并同CTS试验结果进行对比。由图可以看出,导弹分离轨迹参数数值预示结果与试验结果吻合。在机弹分离过程中,导弹向翼尖偏转的同时向机翼后下方运动,并且在运动过程中,导弹先抬头后低头,最终与机翼安全分离。

  

(a) 位移曲线(a) Displacement curve

  

(b) 角度曲线(b) Angle curve

  

(c) 速度曲线(c) Velocity curve

  

(d) 角速度曲线(d) Angular velocity curve

  

(e) 力系数曲线(e) Aerodynamic coefficient curve

  

(f) 力矩系数曲线(f) Aerodynamic moment curve

 

图5 导弹分离轨迹参数及气动系数随时间变化曲线Fig.5 Variation of the trajectory parameters and aerodynamic coefficients of the store with different times

3.3 气动干扰特性

导弹外挂于载机,受到载机机身和机翼的下洗和侧洗作用,其气动特性与自由流状态下的气动特性存在很大差异,这种干扰流场直接影响导弹受力、运动轨迹和姿态。本节采用图3的计算模型,对导弹在机翼干扰流场中的气动干扰特性进行分析。通过3.2节机弹分离轨迹预示结果,结合研究工况简化原则,提出导弹与机翼/挂架分离的计算工况,见表1,机翼和导弹侧滑角均为0°。

 

1 计算工况

 

Tab.1 Parameters of computing status

  

Ma攻角/(°)机翼导弹离机距离H/m0.6,0.95,1.5,2.0-2.0,0.0,3.0-6.0,-3.0,0.0,3.0,6.00.0,0.15,0.30.8,1.6,3.5,4.5

图6和图7分别给出Ma为0.95、机翼攻角为0°和Ma为2.0、机翼攻角为-2.0°两种工况下导弹气动系数随离机距离的变化曲线,这反映了导弹在跨、超声速机翼干扰流场下气动特性的变化规律。图中AL为导弹攻角、free为自由流下导弹的气动特性、CA为轴向力系数、CN为法向力系数、CY为侧向力系数、CLL为滚转力矩系数、CLN为偏航力矩系数、CLM为俯仰力矩系数,可以看出:

流行病学统计表明,脑梗死的发生率在400/10万-700/10万之间[4],我国老龄化社会问题突出,该疾病的发生率也在增加,因此临床中关注度高,该疾病的死亡率和残疾率居高不下[5]。急性脑梗死是导致人类死亡的一个因素,急性脑梗死有四分之三的患者会出现肢体功能障碍,因此患者的生活受到了威胁,增加了患者的负担。在研究中,脑梗死患者的抢救几率比较高,但是由于脑组织缺氧缺血,导致了脑组织的损伤,治疗后,患者存在不同程度的肢体功能障碍情况。因此,临床中为了让患者的残疾率和死亡率下降,让患者能够自理生活,临床中都是往这方面去研究和探讨。

  

(a) 轴向力系数(a) Axial force coefficient

  

(b) 法向力系数(b) Normal force coefficient

  

(c) 侧向力系数(c) Lateral force coefficient

  

(d) 滚转力矩系数(d) Rolling moment coefficient

  

(e) 偏航力矩系数(e) Yaw moment coefficient

  

(f) 俯仰力矩系数(f) Pitch moment coefficient

 

图6 Ma=0.95机翼攻角0°工况下导弹气动系数随离机距离的变化曲线

 

Fig.6 Variation of the store aerodynamic coefficients with separation distance at Ma=0.95 and zero angle of attack

  

(a) 法向力系数(a) Normal force coefficient

  

(b) 偏航力矩系数(b) Yaw moment coefficient

  

(c) 俯仰力矩系数(c) Pitch moment coefficient图7 Ma=2.0机翼攻角-2°工况下导弹气动系数随离机距离的变化曲线Fig.7 Variation of the store aerodynamic coefficients with separation distance at Ma=2.0 and -2°angle of attack

1)导弹在不同离机高度处气动系数随导弹攻角的变化规律类似。

2)在跨声速Ma=0.95工况下,导弹在初始挂机时刻受到机翼干扰量值最大,随着导弹离机距离的增大,机翼对导弹的干扰量值逐渐减小,导弹的气动数据逐渐逼近于自由流数据,导弹干扰气动数据随离机高度基本线性变化。在超声速Ma=2.0工况下,随着导弹离机距离的增大,机翼对导弹的干扰量值先逐渐逼近自由流数据,在离机高度为1.6 m时越过自由流数据,在离机高度为3.5 m和4.5 m时从反方向逼近自由流数据,导弹干扰气动数据随离机高度呈现出非线性变化。该现象表明,随着Ma从亚、跨声速增大到超声速,导弹的气动干扰特性明显由线性变化转为非线性变化,该变化会影响导弹的起控设计。

3版美国创新战略的框架体系和发展形式基本相同。由于美国的创新国情基本保持不变,即具有完备的金融体系、充足的创新资金、健全的创新人才培养制度以及完善的法律法规体系,因此3版美国创新战略的部署具有相同的框架体系。从发展形式上看,美国政府在3版创新战略中均在扩大创新投资、促进产业发展、激发市场创新活力等方面进行重点部署,并且通过国家制度、产业发展以及企业管理等多个层面来提升国家创新实力。

3.4 气动干扰特性影响规律分析

图8给出机翼攻角为0°、离机高度0.15 m工况下,导弹法向力系数CN和俯仰力矩系数CLMMa的变化曲线。图9给出Ma=0.95、离机高度为0.3 m工况下,导弹侧向力系数CY和俯仰力矩系数CLM随机翼攻角的变化曲线。由图可以看出:

CTS试验是一种静态的试验方法[7],不能获取导弹线性运动和角运动所诱导的影响,一般适用于诱导影响较弱的分离,如重力投放导弹,而对于诱导影响较强或可能发生翻滚的不稳定分离试验应采用自由投放试验[8]。CTS分离轨迹为给定状态下的轨迹,若导弹质量特性或投放状态发生变化,则已有的轨迹数据就不能继续使用。所以,CTS试验获得的轨迹十分依赖于试验的工况和导弹的质量特性。

2)在不同机翼攻角下,导弹CYCLM均随导弹攻角线性变化;随着机翼攻角由-2°增大到3°,导弹|CY|和|CLM|均减小,这表明随着机翼攻角增大,导弹受到机翼的干扰减弱。

[8] 孙海生, 岑飞, 聂博文, 等. 水平风洞模型自由飞试验技术研究现状及展望[J]. 实验流体力学, 2011, 25(4): 103-108.

  

(a) 法向力系数(a) Normal force coefficient

  

(b) 俯仰力矩系数(b) Pitch moment coefficient图8 导弹气动系数随马赫数的变化曲线Fig.8 Variation of the store aerodynamic coefficients with Ma

  

(a) 侧向力系数(a) Lateral force coefficient

  

(b) 俯仰力矩系数(b) Pitch moment coefficient图9 导弹气动系数随机翼攻角的变化曲线Fig.9 Variation of the store aerodynamic coefficients with the wing angle of attack

  

(a) 法向力系数干扰量(a) Normal force coefficient increment

  

(b) 俯仰力矩系数干扰量(b) Pitch moment coefficient increment图10 导弹气动系数增量随离机高度的变化曲线Fig.10 Variation of the store aerodynamic coefficients increment with separation distance

  

图11 机弹干扰量随攻角的外插示意图Fig.11 Illustration of the store aerodynamic interference data with angle of attack

图12给出随机抽取的工况下,采用不同导弹攻角对应的干扰量为基准,导弹气动干扰数据外插扩展和CFD计算结果的对比。图中CNCLM曲线对比表明,采用增量系数法,CN扩展值与CFD结果基本一致,CLM扩展值与CFD结果存在较小偏差,该偏差在工程可接受偏差范围内。

  

(a) 法向力系数(a) Normal force coefficient

  

(b) 俯仰力矩系数(b) Pitch moment coefficient图12 气动干扰数据外插扩展与CFD结果对比Fig.12 Comparison of extrapolation and CFD results of the aerodynamic interference data

4 结论

本文以经典的机翼/挂架/导弹组合模型为例,采用重叠网格软件系统,通过CFD方法对机弹分离气动干扰特性进行研究。研究结果表明:

正如中国工程院院士陈香美所理解的钟扬:“他是真正爱国的,爱她的每一寸土地,正是这种至诚热爱,让他不畏艰险。”

1)对标模分离轨迹的计算结果表明,本文采用的CFD方法能有效预示导弹分离轨迹参数和导弹分离气动干扰特性。

(一)产业空心化问题。国有企业是承担实业投资的重要角色,但随着近年来劳动力成本的大幅上升,国有资本在非垄断性行业的发展存在下滑趋势,国企收入占一般性行业规模以上企业收入的比重由1999年的31.4%下降到2014年的15.6%,2015年国有固定资产投资增长率仅为10.9%,其中制造业实体投资增长率为8.0%,国企的实体经营和投资不景气。“中国制造”的产品逐步萎缩,会带来产业空心化。

2)亚跨声速时,外挂导弹的气动干扰值随着导弹离机距离的增大而逐渐减小,呈线性变化。超声速时,外挂导弹的气动干扰特性随离机距离呈非线性变化,在导弹的起控设计中应重点考虑。

一般情况下,导弹离机后,与横向通道姿态的改变相比,纵向通道姿态的改变更容易引起导弹与载机的碰撞问题。所以,通过机弹分离轨迹分析,若机弹未发生碰撞,导弹离机后的横向位移小于纵向位移时,则可以认为导弹纵向平面内的运动为主工况。导弹干扰量在初始挂机时最严重,随着离机距离的增加,干扰量逐渐降低。因此,在导弹离机3个方向位移和姿态角中,本文仅研究导弹相对载机在纵向平面内位置和姿态的变化引起的干扰气动特性,即导弹的法向位移和攻角变化。所以,导弹干扰气动特性的影响因素可简化为来流Ma、载机攻角αfj、侧滑角βfj、导弹纵向离机距离H和导弹攻角AL 5个因素,其中导弹侧滑角与载机侧滑角相同。

3)在工程上,当干扰量随导弹攻角线性度较好时,可以采用增量系数法,这样既可以获得缺失工况的气动干扰数据,也可以在机弹干扰特性初步分析时减小计算工况。

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为提高农村小学语文教师的综合素质与教学水平,进而促进小学语文教学质量的提高,组织和开展教研活动是非常有必要的。但是在我县大多数小学中,小学语文教研活动的开展成效并不高,并且农村小学语文教师本身对教研活动的参与积极性也不高。现就联系实际来谈谈如何有效开展农村小学语文教研活动,仅与大家共勉。

图10给出Ma=0.6、机翼攻角0°工况下,导弹法向力系数干扰量DETCN和俯仰力矩系数干扰量DETCLM随离机高度的变化规律,其中干扰量为导弹在机翼干扰流场下的干扰气动系数与自由流中气动系数的差量。在不同离机高度,导弹气动系数干扰量随导弹攻角的变化很小,且离机越远干扰量基本为一定值。因此,可以采用增量系数法处理导弹气动干扰数据。增量系数法可以在导弹攻角达不到的工况下,对气动干扰数据进行一阶外插,该方法示意见图11。图11中ΔCX为载机干扰量。

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结合所建立的评价指标体系,运用多目标遗传算法在Matlab环境下编程求解。得到分时发布前、后的定价方案与原定价方案的实施效果评价如图2。

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“不同水质对水生小动物的影响”属于“城市生态”章节中一个探究性实验。该实验旨在让学生在实验与实践探究过程中了解水质污染对水生小动物的影响,进而懂得保护环境的重要性,增强环保意识和责任感。除此之外,教师需引导学生在设计实验方案过程中体会到实验对照和重复的重要性。教材以金鱼作为实验对象,通过观察不同pH水生环境对金鱼活动的影响,推断不同水质对水生小动物的影响。

 
范晶晶,张海瑞,管飞,赵长见
《国防科技大学学报》2018年第02期文献

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