机载导弹初始弹道仿真研究
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摘要
从载机上发射导弹、投掷炸弹或抛弃副油箱时，外挂物处于载机复杂干扰流场中。此时往往出现不正常分离，有时会导致外挂物与载机发生碰撞，严重危及载机和飞行人员安全的重大事故。此外，为了有效击中目标，需要掌握投放初始阶段外挂物姿态和运动轨迹数据。因此，研究机载发射过程中的弹机气动干扰力，考虑其对导弹发射后的弹道仿真初始参数的影响十分必要。
在投放／发射分离过程中，外挂物处于载机的近流场中，状态和姿态角的变化可能很大。由于非均匀流场的气动力干扰作用，其气动力与外挂物单独飞行时有较大的不同，获取分离过程中的气动力数据是解决这一问题的关键和难点。
随着CFD计算理论和方法的发展，外挂物的理论计算方法近年来有了很大的发展。与此相映，动态网格计算技术是最近两年计算流体动力学最新发展成熟的重大成果，并且在先进的CFD计算软件中得到了实际的应用，开始为计算飞机投弹之类复杂相对运动造成的时变流场等领域提供了实际可行的工程方法。
本文的主要工作是为对空载发射导弹提供发射初始弹道数据，重点和难点在于机—弹气动干扰力的数值计算。本文具体做了以下工作：
1、借助商业软件进行了模型载机和导弹的CAD三维实体建模，建立了载机和外挂导弹的真实数据三维实体模型；
2、使用商业软件采用非结构网格生成方法及分区网格技术建立了机弹干扰全流场计算网格；
3、利用飞行力学的有关原理编制了导弹离机过程的六自由度动力学及运动学程序；
4、运用商业CFD软件和计算流体动力学方法以及动态网格计算技术求解了机弹干扰动态三维N-S方程，计算出了机-弹干扰流场特性及气动力数据：
5、在以上工作的基础上最终获得了某型导弹离机过程的六自由度运动参数及导弹离机弹道，并进行了仿真结果分析。总的来说，本文的研究证明了气动干扰力特别是载机下洗流场对外挂物发射分离过程有强烈的影响，实际工程中不容忽视，同时本文也表明了CFD计算方法及动态网格技术在机弹干扰复杂流场计算、分离弹道研究的实际可行性和先进性，为今后某型导弹研发和同类问题的进一步研究提供了很好的基础。
The investigation of the distribution of aerodynamic forces on the external stores and their neighboring aircraft surfaces during the transient process of the separation of the external store from an aircraft is an urgent need because aerodynamic interactions can cause the released store to impact upon, and possibly damage, the aircraft. The development of CFD(Computational Flow Dynamics) numerical simulation presents a common and powerful solution for the class of problems and will therefore be of considerable benefit in store design with the potential of reducing experimental and flight testing costs.
At the same time, the appearance of the dynamic mesh calculation technology supplies us a method that can be used to model flows where the shape of the domain is changing with time due to motion on the domain boundaries.
This paper provides a powerful method for the compatibility design of aircraft with external store, a missile, by calculating fast, conveniently and effectively the relative trajectory and relative attitude of the store with respect to aircraft during the separation process. The work of this paper include:
1. The 3-D solid entities of the external store, a missile, and the aircraft are modeled with a commercial CAD software.
2. The unstructured meshes of the global flowfield are made.
3. The program to solve the six-freedom-of-degree dynamics equation and the kinematics equation of the missile are worked out.
4. The method of using the commercial CFD engineering software FLUENT to integrate the dynamic mesh calculation technology with the CFD numerical simulation also is described. To use the dynamic mesh model, it is necessary to provide a starting volume mesh and the description of the motion of any moving zones in the model. This paper describes the motion using a C program, a user-defined function (UDF), to calculate the linear and angular velocities from the force balance on the store.
The analysis of the results from the numerical simulation shows fairly good effect and it concludes the method can be effectively used to solve the different problems of the similar fields.
在投放／发射分离过程中，外挂物处于载机的近流场中，状态和姿态角的变化可能很大。由于非均匀流场的气动力干扰作用，其气动力与外挂物单独飞行时有较大的不同，获取分离过程中的气动力数据是解决这一问题的关键和难点。
随着CFD计算理论和方法的发展，外挂物的理论计算方法近年来有了很大的发展。与此相映，动态网格计算技术是最近两年计算流体动力学最新发展成熟的重大成果，并且在先进的CFD计算软件中得到了实际的应用，开始为计算飞机投弹之类复杂相对运动造成的时变流场等领域提供了实际可行的工程方法。
本文的主要工作是为对空载发射导弹提供发射初始弹道数据，重点和难点在于机—弹气动干扰力的数值计算。本文具体做了以下工作：
1、借助商业软件进行了模型载机和导弹的CAD三维实体建模，建立了载机和外挂导弹的真实数据三维实体模型；
2、使用商业软件采用非结构网格生成方法及分区网格技术建立了机弹干扰全流场计算网格；
3、利用飞行力学的有关原理编制了导弹离机过程的六自由度动力学及运动学程序；
4、运用商业CFD软件和计算流体动力学方法以及动态网格计算技术求解了机弹干扰动态三维N-S方程，计算出了机-弹干扰流场特性及气动力数据：
5、在以上工作的基础上最终获得了某型导弹离机过程的六自由度运动参数及导弹离机弹道，并进行了仿真结果分析。总的来说，本文的研究证明了气动干扰力特别是载机下洗流场对外挂物发射分离过程有强烈的影响，实际工程中不容忽视，同时本文也表明了CFD计算方法及动态网格技术在机弹干扰复杂流场计算、分离弹道研究的实际可行性和先进性，为今后某型导弹研发和同类问题的进一步研究提供了很好的基础。
The investigation of the distribution of aerodynamic forces on the external stores and their neighboring aircraft surfaces during the transient process of the separation of the external store from an aircraft is an urgent need because aerodynamic interactions can cause the released store to impact upon, and possibly damage, the aircraft. The development of CFD(Computational Flow Dynamics) numerical simulation presents a common and powerful solution for the class of problems and will therefore be of considerable benefit in store design with the potential of reducing experimental and flight testing costs.
At the same time, the appearance of the dynamic mesh calculation technology supplies us a method that can be used to model flows where the shape of the domain is changing with time due to motion on the domain boundaries.
This paper provides a powerful method for the compatibility design of aircraft with external store, a missile, by calculating fast, conveniently and effectively the relative trajectory and relative attitude of the store with respect to aircraft during the separation process. The work of this paper include:
1. The 3-D solid entities of the external store, a missile, and the aircraft are modeled with a commercial CAD software.
2. The unstructured meshes of the global flowfield are made.
3. The program to solve the six-freedom-of-degree dynamics equation and the kinematics equation of the missile are worked out.
4. The method of using the commercial CFD engineering software FLUENT to integrate the dynamic mesh calculation technology with the CFD numerical simulation also is described. To use the dynamic mesh model, it is necessary to provide a starting volume mesh and the description of the motion of any moving zones in the model. This paper describes the motion using a C program, a user-defined function (UDF), to calculate the linear and angular velocities from the force balance on the store.
The analysis of the results from the numerical simulation shows fairly good effect and it concludes the method can be effectively used to solve the different problems of the similar fields.
引文
[1] 马瀛、王伟复、黄芝仙，挂机导弹和母机的气动干扰，飞航导弹气动设计，宇航出版社，1989．12第一版。
[2] 陈作斌等编，计算流体力学及应用，北京：国防工业出版社，2003．1。
[3] 朱自强，应用计算流体力学，北京航空航天大学出版社，1997。
[4] 苏铭德，黄素逸，计算流体力学基础，1997．3。
[5] 王勇，某型空地导弹总体设计，西北工业大学硕士论文，2002．3。
[6] 薛晓中，U形涡流法计算机／弹干扰流场，弹道学报，1994年第二期。
[7] 曹树江，气动实验与测量控制，第8卷第1期，1992年。
[8] 王闯，王伟，机载导弹运动摄影测量，飞机设计，第3期，2001．9。
[9] 张启南、肖业伦等，外挂物与载机分离过程的数值模拟系统，北京航空航天大学学报，1996．12。
[10] 彭兢，王衍洋，金长江，飞机外挂物发射／投放运动的数值仿真方法，飞行力学，第15卷第3期，1997．9。
[11] 桑为民、李凤蔚、鄂秦，应用笛卡尔非结构切割网格进行外挂物投放的数值模拟，计算物理第19卷第3期，2002年5月。
[12] Yang Zuo-sheng, Finite Element Method for the Transient Process of Exterm Stores from Aircraft, Chinese Journal of Aeronautics, 2002.2.
[13] 郭正等，高超声速验证飞行器助推分离段流场数值研究，推进技术，2002．6。
[14] 沈俊等，CFD软件及其在汽车领域的应用，设计与计算，2002．5。
[15] FLUENT 6.1 Documentation, FLUENT Inc., 2003.1.
[16] 武青海，列车空气动力学数值仿真研究，中国铁道科学，第23卷第4期，2002．8。
[17] 袁兆鼎，费景高等，防空导弹设计中的数值方法，宇航出版社，1991．7。
[18] 卢成文，世界飞机手册(SS号10353837)，1994．8。
[19] 美国军用标准化手册——飞机／悬挂物相容性手册，MIL-HDBK-244，1975。
[20] Eugene Ecoverp. Defination of safe- separation criteria for external stores and pilot escape capsules. AD 726695, 1971。
[21] 金长江，范立钦，飞行动力学，北京：国防工业出版社，1990。
[22] Cenko A, Tinoco EN, PAN AIR—weapons, carriage and separation. AFFDL-TR-79-3142, December 1979.
[23] Dillenius MFE, Nixon D. Prediction techniques for store separation. Missile Aerodynamics Conference, October 31-November 2, 1988.
[24] Bizon SA. NUFA—a technique to predict the aerodynamic characteristics of store configurations in a non-uniform flowfield. AGARD CP-389, 1985.
[25] Madson M. et al. TranAir computations of the flow about a Generic Wing/Pylon/Finned-store configuration, AIAA Paper 94-0155, January 1994.
[26] Welterlen T. et al. Application of viscous, Cartesian CFD to aircraft store carriage and separation simulation. AIAA-96-2453, June 1996.
[27] Chine D. et al. CalcUlation of generic store separation from an F-16 Aircraft.AIAA-96-2455, June 1996.
[28] 蒲致祥等，理论力学，西安：西北工业大学出版社，1997．7。
[29] 吕学富主编，飞行器飞行力学，西安：西北工业大学出版社，1995．6。
[30] 纪楚群主编，导弹空气动力学，宇航出版社，1996．6。
[31] 肖业伦，飞行器运动方程，1987．12。
[32] 姚昌仁主编，导弹发射装置设计，北京：国防工业出版社，1987。
[33] 姚昌仁，唐国梁，宋廷伦编著，火箭导弹发射动力学，北京理工大学出版社，1996．8。
[34] 陈再新等，空气动力学，航空工业出版社，1993．8。
[35] 张廷芳，计算流体力学，大连理工大学出版社，1992．12。
[36] 袁兆鼎等，防空导弹设计中的数值方法，宇航出版社，1991．7。
[2] 陈作斌等编，计算流体力学及应用，北京：国防工业出版社，2003．1。
[3] 朱自强，应用计算流体力学，北京航空航天大学出版社，1997。
[4] 苏铭德，黄素逸，计算流体力学基础，1997．3。
[5] 王勇，某型空地导弹总体设计，西北工业大学硕士论文，2002．3。
[6] 薛晓中，U形涡流法计算机／弹干扰流场，弹道学报，1994年第二期。
[7] 曹树江，气动实验与测量控制，第8卷第1期，1992年。
[8] 王闯，王伟，机载导弹运动摄影测量，飞机设计，第3期，2001．9。
[9] 张启南、肖业伦等，外挂物与载机分离过程的数值模拟系统，北京航空航天大学学报，1996．12。
[10] 彭兢，王衍洋，金长江，飞机外挂物发射／投放运动的数值仿真方法，飞行力学，第15卷第3期，1997．9。
[11] 桑为民、李凤蔚、鄂秦，应用笛卡尔非结构切割网格进行外挂物投放的数值模拟，计算物理第19卷第3期，2002年5月。
[12] Yang Zuo-sheng, Finite Element Method for the Transient Process of Exterm Stores from Aircraft, Chinese Journal of Aeronautics, 2002.2.
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[26] Welterlen T. et al. Application of viscous, Cartesian CFD to aircraft store carriage and separation simulation. AIAA-96-2453, June 1996.
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[32] 姚昌仁主编，导弹发射装置设计，北京：国防工业出版社，1987。
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[35] 张廷芳，计算流体力学，大连理工大学出版社，1992．12。
[36] 袁兆鼎等，防空导弹设计中的数值方法，宇航出版社，1991．7。