非圆截面弹体高超声速气动特性研究.pdf

2015年第 4期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.4 2015
总第 340期 MISSILES AND SPACE VEHICLES Sum No.340
文章编号:1004-7182201504-0011-05 DOI:10.7654j.issn.1004-7182.20150404
非圆截面弹体高超声速气动特性研究
董 超,甄华萍,陈 刚,苏 伟,李晓轩
北京航天长征飞行器研究所,北京,
摘要:针对采用非圆截面构型的弹体,开展高超声速气动特性和流场结构的数值模拟研究,为先进高超声速飞行器气动
外形选型进行技术储备。研究结果表明,马赫数 510范围内,与圆形截面弹体相比,在攻角 515 范围内非圆截面弹体升力
系数增加 2730,而阻力特性基本不变,在 10 攻角时最大升阻比可达 2.72.9;非圆截面弹体迎风侧正压力更大,背风侧
分离区范围更大且存在较强的旋涡结构,致使背风侧负压力增加,从而产生较大的弹体升力。存在定侧滑角的情况下,弹
体前段背风侧非对称旋涡流动结构,使非圆截面弹体横向静稳定性增加。
关键词:非圆截面;高超声速;气动特性;导弹
中图分类号:V411.4 文献标识码:A
0 引 言 随 着导 弹防御 系统 的不断升级 ,具 有强突 防能 力
为了提高飞行器的隐身性能,降低雷达散射面积, 的高超声速 飞行器成为 研究热点。 近年来美国 不断加
飞行器普遍 采用带有侧 棱边的非圆 截面 弹体 , 如图 1 强高超声速 飞行器的研 究,发展了 高超声速巡 航导弹
所 示。非圆 截面 弹体 具 有提高升力 、推迟机翼 失速、 X-51Ma4.56和 X-43AMa9.8,再入式飞行器
提高大迎角 下横向稳定 性的气动特 点。研究表 明较大 X-38,以及 2次飞行试验失利的助推滑翔高超声速飞
的法向力是 由侧缘处自 由剪切层持 续卷起形成 的背风 行器 HTV-2Ma1520 ,这些 先进 的高超 声速 飞 行
侧旋涡诱导而产生的。 器无例外均采用非圆截面构型。
国外对亚声速实验研究表明,带有尖侧缘的非
圆截面弹体具有更好的隐身性能,且在大迎角下能产
生更大的升 力, 目前 这 种尖侧缘的 非圆截面构 型 已经
广泛用于第 4代先进战斗机机身的研制上。中国针对
非圆截面弹 体超声速状 态下的气动 特性研究 采 用矩形
a非圆截面弹体截面 b常规弹体截面
截面、椭圆截面等构型的弹体。美国近年发展了系
图1 两种非圆截面弹体截面与常规弹体截面
收稿日期:2014-07-14;修回日期:2015-01-26
作者简介:董 超1984-,男,高级工程师,主要研究方向为飞行器设计 2015年第 4期 导 弹 与 航 天 运 载 技 术 No.4 2015
总第 340期 MIS导 S IL弹 E S与 AND 航 S天 PAC 运 E 载 VE HI技C 术 LE S Sum2015 No.340年
列高超声速滑翔飞行器文章编号:1004-718220150C 4-AV 0011、 -05 HT V-1和 DOIHT:10. V 7- 65 24j.iss, n.这 1004-7182.20150404
些飞行器横 截面均 具有 较小侧缘半 径的非圆截 面 构
型,具有较高的升阻比和较好的气动特性。
非圆截面弹体高超声速气动特性研究
本 文针 对种 尖侧 缘半径的 非圆 截面 弹体 ,采 用
基于 N-S方程的数值计算方法,开展高超声速气动特
董 超,甄华萍,陈 刚,苏 伟,李晓轩
北京航天长征飞行器研究所,北京,
性和流场结 构的初步研 究,为先进 高超声速飞 行器气
动外形选型进行必要的技术储备。
图4 升力系数比较
摘要:针对采用非圆截面构型的弹体,开展高超声速气动特性和流场结构的数值模拟研究,为先进高超声速飞行器气动
外形选型进行技术储备。研究结果表明,马赫数 510范围内,与圆形截面弹体相比,在攻角 515 范围内非圆截面弹体升力
1 计算模型和数值方法
系数增加 2730,而阻力特性基本不变,在 10 攻角时最大升阻比可达 2.72.9;非圆截面弹体迎风侧正压力更大,背风侧
本 文研 究模型 为采 用尖侧缘的 非圆 截面 弹 体, 如
分离区范围更大且存在较强的旋涡结构,致使背风侧负压力增加,从而产生较大的弹体升力。存在定侧滑角的情况下,弹
图 2所示,分为前段尖拱段和后段等值段两部分。选
体前段背风侧非对称旋涡流动结构,使非圆截面弹体横向静稳定性增加。
取具有相同 底部面积的 常规 圆截面弹 体进行对 比 研
关键词:非圆截面;高超声速;气动特性;导弹
究,如图 3示。本文截面压力分布沿周向分布曲线,
中图分类号:V411.4 文献标识码:A
角度定义为从模型底部向前看,顺时针旋转为正角度。
参考长度 L为弹身长度,参考面积 S为弹体底部面积。
图5 阻力系数比较
图2 非圆截面弹体
图6 升阻比比较
图 3 圆形截面弹体
2.1.2 纵向压心系数
图 7为两种截面形状弹体纵向压心系数随攻角变
本 文采 用有限 体积 法对控制方 程进 行离散 化, 耦
化曲线Ma5.0,β0 。由图 7可知,与圆截面相
合求解连续 方程、动量 方程和能量 方程,离散 格式采
比,在攻角 515 范围内,非圆截面弹体纵向压心后
用二阶迎风格式, 湍流模型采用常用的 Standard k-ε湍
移 79。
0 流模型。引 计算状态选择马赫数分别为言 5.0、8.0和 10.0, 随 着导 弹防御 系统 的不断升级 ,具 有强突 防能 力
为了提高飞行器的隐身性能,降低雷达散射面积, 的高超声速 飞行器成为 研究热点。 近年来美国 不断加
攻角α015 ,侧滑角β分别取 0 和 5 ,计算中
飞行器普遍 采用带有侧 棱边的非圆 截面 弹体 , 如图 1 强高超声速 飞行器的研 究,发展了 高超声速巡 航导弹
保持单位雷诺数为 Re≈9.210。
所 示。非圆 截面 弹体 具 有提高升力 、推迟机翼 失速、 X-51Ma4.56和 X-43AMa9.8,再入式飞行器
2 气动特性及流动机理分析
提高大迎角 下横向稳定 性的气动特 点。研究表 明较大 X-38,以及 2次飞行试验失利的助推滑翔高超声速飞
2 的法向力是 .1 纵向气动特性及流场结 由侧缘处自 由剪切层持构 续卷起形成 的背风 行器 HTV-2Ma1520 ,这些 先进 的高超 声速 飞 行
2.1.1 升阻特性
侧旋涡诱导而产生的。 器无例外均采用非圆截面构型。
图 46为两种截面形状弹体在 Ma5.0、β0条件国外对亚声速实验研究表明,带有尖侧缘的非
下,升力系数 C、阻力系数 C和升阻比 K随攻角变化图7 纵向压心比较
圆截面弹体具有更好的隐身性能,且在大迎角下能产
曲线的比较。由图 46可知,与常规圆截面弹体相比, 生更大的升 力, 目前 这 种尖侧缘的 非圆截面构 型 已经
2.1.3 纵向气动特性流动机理分析
非圆截面弹体具有更大的升力,在攻角 515 范围内广泛用于第 4代先进战斗机机身的研制上。中国针对
截 面流场图 结 合压 力分布能够 较好地 揭示 流动 的
升力系 数增 加了 2730 ,而 阻 力特 性 两者 较 为 接 非圆截面弹 体超声速状 态下的气动 特性研究 采 用矩形
a非圆截面弹体截面 b常规弹体截面