制导航弹气动布局数值分析
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摘要
未来战争的战场环境十分恶劣,单一制导模式由于获取的目标信息量有限,很难适应作战需要,必然使精确制导航弹面临着严峻挑战,单模制导技术正朝着双模、多模制导方向发展。空气动力计算是飞行器设计的重要内容之一,可以快速获取空气动力和操作稳定特性,被广泛应用于飞行器设计的初始阶段。而伴随着计算机技术和计算流体力学(CFD)的高速发展,数值模拟的精度正在不断提高,通过计算机数值模拟复杂绕流流场来进行飞行器空气动力特性分析,可以方便快捷地获取空气动力参数、修改设计方案,有效的弥补了风洞实验、飞行试验的高成本、长周期和高风险等缺陷,有效发挥了“数字风洞”的作用。
本文以三维Navier-Stokes方程为数值模拟基本方程,建立了基于两种制导模式下的四种制导航弹三维数学物理模型,并用有限体积法对计算区域及控制方程进行离散,应用数值方法对航弹绕流流场进行模拟。通过与风洞吹风实验数据的对比,验证了数值结果的有效性和模拟方法的可靠性。在此基础上对双模制导航弹在不同的攻角(a=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°)和不同来流速度(Ma=0.6、0.8、0.9)以及不同舵偏角(δ=0°、-5°、-10°、-15°)下的绕流流动进行数值模拟,着重对航弹的升阻特性、纵向静稳定性进行了详细分析,获取的主要气动参数将为下一阶段的结构设计提供一定的技术性支持。
The future battlefield environment is so bad that it is difficult to meet the war requirements for single guided bomb's the limited amount of information. Precision guided bombs will inevitably face serious challenges. Single-mode dual-mode guidance technology is moving to the direction of multi-mode guidance. Aircraft aerodynamics computation is a key method to the aircraft design, and the operation stability characteristics of aircraft can be quickly obtained in preliminary aircraft design stage. With the high speed development of computer technology and computational fluid dynamics (CFD), and continuous improvement of simulation accuracy; aerodynamic characteristics of aircraft will be quickly and easily realized the aerodynamics parameters are obtained to modify design and replenish wind tunnel tests. Using numerical simulation of complex flow field can reduce cost, long cycle and high-risk defects of wind tunnel test and flight experiment and effectively a "digital wind tunnel" effect.
In this thesis, the flow mathematical and physical model for two guided bomb are founded based on three-dimensional Navier-Stokes equation. Finite volume method is used to discrete the flow equations. Numerical calculation method are performed to simulate bomb's flow field, and the wind tunnel test data are compared with the numerical results to verify the validity and reliability of numerical methods. Numerical simulation for this dual-mode guided bomb's flow field in different angles of attack (α=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°) and the variable flow speeds (Ma=0.6、0.8、0.9) and different rotation rudder angles (δ=0°、-5°、-10°、-15°). The main aerodynamic parameters are obtained and lift and drag characteristics and static stability of guided bomb are analyzed in detail. It will provide some technical support for the next stage of engineering design.
本文以三维Navier-Stokes方程为数值模拟基本方程,建立了基于两种制导模式下的四种制导航弹三维数学物理模型,并用有限体积法对计算区域及控制方程进行离散,应用数值方法对航弹绕流流场进行模拟。通过与风洞吹风实验数据的对比,验证了数值结果的有效性和模拟方法的可靠性。在此基础上对双模制导航弹在不同的攻角(a=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°)和不同来流速度(Ma=0.6、0.8、0.9)以及不同舵偏角(δ=0°、-5°、-10°、-15°)下的绕流流动进行数值模拟,着重对航弹的升阻特性、纵向静稳定性进行了详细分析,获取的主要气动参数将为下一阶段的结构设计提供一定的技术性支持。
The future battlefield environment is so bad that it is difficult to meet the war requirements for single guided bomb's the limited amount of information. Precision guided bombs will inevitably face serious challenges. Single-mode dual-mode guidance technology is moving to the direction of multi-mode guidance. Aircraft aerodynamics computation is a key method to the aircraft design, and the operation stability characteristics of aircraft can be quickly obtained in preliminary aircraft design stage. With the high speed development of computer technology and computational fluid dynamics (CFD), and continuous improvement of simulation accuracy; aerodynamic characteristics of aircraft will be quickly and easily realized the aerodynamics parameters are obtained to modify design and replenish wind tunnel tests. Using numerical simulation of complex flow field can reduce cost, long cycle and high-risk defects of wind tunnel test and flight experiment and effectively a "digital wind tunnel" effect.
In this thesis, the flow mathematical and physical model for two guided bomb are founded based on three-dimensional Navier-Stokes equation. Finite volume method is used to discrete the flow equations. Numerical calculation method are performed to simulate bomb's flow field, and the wind tunnel test data are compared with the numerical results to verify the validity and reliability of numerical methods. Numerical simulation for this dual-mode guided bomb's flow field in different angles of attack (α=-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°) and the variable flow speeds (Ma=0.6、0.8、0.9) and different rotation rudder angles (δ=0°、-5°、-10°、-15°). The main aerodynamic parameters are obtained and lift and drag characteristics and static stability of guided bomb are analyzed in detail. It will provide some technical support for the next stage of engineering design.
引文
[1]钱翼稷.空气动力学[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004
[2]归柯庭,汪军,王秋颖.工程流体力学.北京:科学出版社,2003
[3]John D. Anderson.计算流体力学基础及其应用.北京:机械工业出版社,2007
[4]李人宪.有限体积法基础.北京:国防工业出版社,2008
[5]《弹箭空气动力特性分析与计算》编写组.弹箭空气动力特性分析与计算[M].北京:国防工业出版社,1979
[6]吴甲生,雷娟棉.制导兵器气动布局与气动特性[M].北京:国防工业出版社,2008
[7]杨卫丽,王祖典.航空武器的发展历程.北京:航空工业出版社,2007
[8]何佳丽,梁国柱,邱伟.飞行器气动计算方法的应用研究[J].航空计算技术,2008(1):50～51
[9]李萍,章赛进.曙光4000A上对DLR-F6模型的模拟[J].高性能计算发展与应用,2006(1):39～40
[10]张晶.带边条翼弹体纵向气动性能的研究.南京航天航空大学硕士学位论文[D].2005
[11]黄钰期.非结构网格差分求解方程和商用软件Fluent的应用[D].浙江大学硕士学位论文.2003
[12]Georg.May, Edwin.van.der.Weide, Antony Jameson etc. "Drag Prediction of the DLR-F6 Configuration".42nd AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, Jan.2004
[13]Mavriplis, D.J. and Levy, D.W., "Transonic Drag Prediction Using an Unstructured Multigrid Solver," Tech. Rep. AIAA-2002-0838, Jan.2002
[14]苗瑞生,居贤铭,吴甲生.导弹空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006
[15]朱自强,吴宗成.现代飞机设计空气动力学.北京:北京航空航天大学出版社,2005
[16]王玉祥,刘藻珍,胡景林.制导炸弹.北京:兵器工业出版社,2006
[17]Michael R. Mendenhall.战术导弹空气动力学.北京:宇航出版社,1999
[18]黄冬梅.某型号制导航弹气动外形设计及机弹分离气动特性研究[D].浙江大学博士学位论文,2006
[19]王福军.计算流体动力学分析—CFD软件原理与应用.北京:清华大学出版社,2004
[20]吴晶.无结构格的生成及其在有限体积法中的应用[D].河海大学硕士学位论文,2006
[21]荣祥胜,朱保魁.战火中诞生的机载精确制导弹药——制导航空炸弹[J].飞航导弹,2007
[22]范金荣.制导炸弹发展综述[J].现代防御技术,2004
[23]百度百科—航空炸弹.http://baike.baidu.com/view/136199.html
[24]雷娟棉.弹箭复杂流动数值模拟与特殊气动问题研究[D].北京理工大学博士学位论文,2001
[25]金贺.直升机旋翼／机身／尾面的气动干扰研究[D].南京航空航天大学硕士学位论文,2008
[26]胡小平,吴美兰,王海丽.导弹飞行力学基础.长沙:国防科技大学出版社,2006
[27]臧国才,李树常.弹箭空气动力学.北京:兵器工业出版社,1989
[28]纪楚群,施宗城,邓德祥,曾广存,王永才.有翼飞行器气动力计算手册.北京:国防工业出版社,1979
[29]邹伟红.火箭滑橇空气动力的数值模拟[D].南京理工大学硕士学位论文,2008
[30]李振国.战术导弹前翼气动效用研究[J].江南航天科技,1996
[31]赵洪章,岳春国,李进贤.基于Fluent的导弹气动特性计算[J].弹箭与制导学报,2007
[32]李向群,安亦然,王世安,程暮林,张锡金,孙惠中.高速飞机的全机气动力数值分析[J].水动力学研究与进展,2004
[33]王志军,尹建平.弹药学.北京:北京理工大学出版社,2005
[34]李新国,方群.有翼导弹飞行动力学.西安:西北工业大学出版社,2005
[35]阎超.计算流体力学方法及应用.北京:北京航空航天大学出版社,2006
[36]刘新建.导弹总体分析与设计.长沙:国防科技大学出版社,2006
[37]吴德铭,郜冶.实用计算流体力学基础.哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2006
[38]钱杏芳.导弹飞行力学.北京:北京工业学院出版社,1987
[39]王新月,杨清真.热力学与气体动力学基础.西安:西北工业大学出版社,2004
[40]祁载康.制导弹药技术.北京:北京理工大学出版社,2002
[41]王保国,刘淑艳,黄伟光.气体动力学.北京:北京理工大学出版社,2005
[42]张涵信,沈孟育.计算流体力学:差分方法的原理和应用.北京:国防工业出版社,2003
[43]龙天渝,苏亚欣,向文英,何川.计算流体力学.重庆:重庆大学出版社,2007
[44]李保平.航空制导炸弹的发展技术途径与关键技术[J].弹箭与制导学报,2006
[45]薛晓钟.远程炸弹气动布局参数选择[J].弹箭学报,1993
[46]林凤,英赵平.PX航弹气动设计.中国工程物理研究院科技年报:169-170
[47]Akiyoshi, Yamada, Shingn. ComPutational analysis of flow around a simplified Vehiele-Likebody. SAEPaPer,1998,293～358
[48]John D, Anderson JR. Computational Fluid Dynamics The Basics with Applications [M].McGraw-Hill.1995
[49]吕国鑫.飞航导弹气动设计[M].北京:中国宇航出版社,1989
[50]伍贻兆,杨岞生.跨声速空气动力学.北京:国防工业出版社,2004
[51]Deng You-qi. MA, Ming-sheng. Naveri-Stokes computation of grid fin missile using hybrid structured-unstructured grids[J].CHINESE JOUR-NAL OF AREONAUTICS, 2006,19(4):304～308
[52]韩品尧.战术导弹总体设计原理.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,2000
[53]В.Γ.斯维特洛夫,И.С.戈卢别夫.防空导弹设计.北京:中国宇航出版社,2004
[54]张伟总.机载武器.北京:航空工业出版社,2008
[55]彭望泽.防空导弹天线罩[M].北京:中国宇航出版社,1993
[56]张宏飞,曹红松,赵捍东,朱基智.数值仿真中湍流模型的选择[J].弹箭与制导学报,2006
[57]梁荣亮,过学迅.基于GAMBIT的网格生成技术浅析.中国科技论文在线.http://www.paper.edu.cn
[58]刘兴堂,戴革林.精确制导武器与精确制导控制技术.西安:西北工业大学出版社,2009
[59]谷良贤,温炳恒.导弹总体设计原理.西安:西北工业大学出版社,2004
[60]傅德薰.流体力学数值模拟.北京:国防工业出版社,1993
[61]刘文伶,朱广生.浅析再入动飞行器十字布局与叉字布局的气动特性差异[J].导弹与航天运载技术,2002
[62]刘国俊.计算流体力学的地位、发展情况和发展趋势[J].航空计算技术:1994第1期
[63]恽起麟.风洞实验数据的误差与修正.北京:国防工业出版社,1996
[64]Nathan Logsdon. A PROCEDURE FOR NUMERICALLY ANALYZING AIRFOILS AND WING SECTIONS. A Thesis Presented To The Faculty of the Department of Mechanical & Aerospace Engineering University of Missouri-Columbia, December 2006
[65]傅德薰.计算空气动力学.北京:中国宇航出版社,1994
[66]王承尧,王正华,杨晓辉.计算流体力学及其并行算法.长沙:国防科技大学出版社,2000
[67]Beam,R.M. and Warming,R.F.:Animplicit Factor Scheme for the compressible Navier-stokes Equations,AIAA Journal,Vol.16,No.4,1978,pp.393～402
[68]蒋炎坤.CFD辅助发动机工程的理论与应用.北京:科学出版社,2004
[69]Tuncer Cebeci.工程计算流体力学.北京:清华大学出版社,2008
[70]Thompson,J.F.,Warsi,Z.U.A.and Mastin,C.W.,Numerical Grid Generation,Foundations and Applications,North Holland,1985
[2]归柯庭,汪军,王秋颖.工程流体力学.北京:科学出版社,2003
[3]John D. Anderson.计算流体力学基础及其应用.北京:机械工业出版社,2007
[4]李人宪.有限体积法基础.北京:国防工业出版社,2008
[5]《弹箭空气动力特性分析与计算》编写组.弹箭空气动力特性分析与计算[M].北京:国防工业出版社,1979
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[13]Mavriplis, D.J. and Levy, D.W., "Transonic Drag Prediction Using an Unstructured Multigrid Solver," Tech. Rep. AIAA-2002-0838, Jan.2002
[14]苗瑞生,居贤铭,吴甲生.导弹空气动力学[M].北京:国防工业出版社,2006
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[16]王玉祥,刘藻珍,胡景林.制导炸弹.北京:兵器工业出版社,2006
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[65]傅德薰.计算空气动力学.北京:中国宇航出版社,1994
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