旋转弹箭锥形振荡运动失稳机理及气动控制策略

In the extended-range design of supersonic spinning missiles, coning oscillation movement and divergent movement always come out. By coupling simulation of unsteady computational fluid dynamics and rigid body dynamics (UCFD/RBD), more actual path and attitude of coning oscillation movement can be acquired. In order to support the aerodynamic design of spinning projectile, Non-linear flow and motion mechanism of shock wave and vortex in coning oscillation movement are revealed. Two sets of mutually validated aerodynamic parameters are obtained according forward unsteady simulation and reversed identification of degenerate movement. Then, the critical bifurcation state of flight instability is mastered. And verification and validation on flight dynamic model are carried out. In addition, the suppression control strategy of coning oscillation movement is explored and verified by the integrated research platform.

针对超声速旋转弹箭增程设计中出现的锥形振荡运动及其发散运动，采用非定常流体动力学/刚体动力学耦合模拟策略（UCFD/RBD），获得接近真实飞行的锥形振荡运动轨迹、姿态的时序演化历程，掌握飞行失稳的临界分叉状态。通过自由度退化的模拟研究，揭示锥形振荡运动中的激波、旋涡等非线性流动与运动耦合机制。基于正向非定常模拟和锥形运动规律逆向辨识获得两组相互验证的气动参数，开展气动建模与飞行动力学模型的确认研究，揭示锥形运动的动力学机制，掌握失稳分叉参数。最后，探索并验证锥形振荡运动的抑制控制策略，为旋转弹箭的气动设计提供有力的技术支撑。

基金项目通过层层递进的研究，建立了旋转弹箭锥动分析较为完备的方法体系，包括对标国际先进水平的旋转空气动力效应非定常模拟方法、时空高精度UCFD/RBD一体化耦合的数值虚拟飞行仿真方法、锥运动动力学分析方法。数值虚拟飞行仿真复现了经典卷弧翼旋转弹锥形振荡运动及其发散的行为特征。锥动动力学分析方法研究，厘清了面外力矩与运动参数的内在关系；揭示了面外力矩（广义马格诺斯力矩）是锥动稳定性最关键的影响因素；建立了稳定性判据和非线性气动模型，稳定性分析预示了旋转弹箭失稳边界。项目研究还发现，基于旋转气动数据库建模方法和基于非定常时序过程的气动参数辨识建模方法，两者的锥动动力学分析结果是高度吻合；藉此研究建立了锥动稳定性分析的便捷手段，并首次有效阐释了提高马赫数增程型旋转火箭弹失稳和高原型失稳等相关经典难题。研究验证了“弧改直”在改善锥动稳定性方面的有效性，并通过改变尾翼偏置角来“削旋”而减小面外力矩和陀螺特性，实现锥动稳定特性的优化改善。.基金项目的系统研究，构建了旋转火箭弹非定常气动与锥动动力学分析有机衔接、相得益彰的系统方法，突破了传统分析专业割裂的局面，实现了锥动时序过程数值虚拟飞行仿真、锥动失稳动力学机制分析的综合研究，并深入挖掘与分析了经典难题的力学物理，并获得改善旋转稳定性的方向。综合看来，本项基金研究具备重要的科学意义和较显著的工程应用价值。