弹箭旋转空气动力效应研究

Tactical missiles/rockets spin themselves in flight since this kind of flight type has many advantages. Spin aerodynamics effect of missiles/rockets is a special aerodynamic problem caused by the coupling between angle of attack and spin during flight. The coupling causes asymmetric distortions and produces forces and moments perpendicular to the plane of angle of attack. The effect results in that the airframe departures its original plane of angle of attack and induces coning motion which affects range and precision. Since flow around the spinning missiles/rockets is very complex, the study of flow mechanism and aerodynamic characteristics of spinning missiles/rockets are a difficult problem in the field of aerodynamics. The project aims to develop an unsteady numerical method, grid generation techniques and turbulence models which can be applied to simulate the flow around spinning missiles/rockets. The project can provide technical support for comprehensive analysis of spin aerodynamics. By combining theoretical methods and numerical studies, we focus on the fundamental problems of spin aerodynamics and try to discover its generation mechanism. The effects of shape parameters, aerodynamic configurations and flight conditions on the spin aerodynamics of missiles/rockets are also studied, which can provide aerodynamic technical support for analysis of aerodynamic characteristics of spinning missile/rockets.

由于旋转飞行的诸多优势，很多战术导弹和火箭弹都采用了这种飞行方式，但旋转飞行会引起特殊的空气动力效应问题。飞行过程中旋转与攻角耦合使流场变得非常复杂，导致纵、横向气动交联，产生旋转耦合面外力和面外力矩，严重时可能诱发影响射程和精度的不收敛圆锥运动。弹箭旋转飞行过程中绕流场是动态的非定常流场，不仅伴随有弹体的多自由度运动、弹性变形，还伴随有边界层转捩、流动分离等复杂的流动现象，对其流动机理及气动特性影响规律的研究是目前空气动力学领域尚未解决的难点。本项目拟研究由弹体旋转引起的空气动力学基础问题，揭示旋转耦合面外力、面外力矩产生的机理；研究适用于弹箭旋转空气动力效应非定常计算的数值模拟方法、网格技术及湍流模型，为弹箭旋转空气动力效应综合分析提供技术基础；研究外形参数、布局型式、飞行条件等对弹箭旋转空气动力效应的影响规律研究，为旋转弹箭飞行特性分析提供空气动力技术基础。

由于旋转飞行的诸多优势，很多战术导弹和火箭弹都采用这种飞行方式，但旋转飞行会引起特殊的空气动力效应问题。飞行过程中旋转与攻角耦合使流场变得非常复杂，导致纵、横向气动交联，产生旋转耦合面外力和面外力矩，严重时可能诱发影响射程和精度的不收敛圆锥运动。对其流动机理及气动特性影响规律的研究是目前空气动力学领域尚未解决的难题。.按照项目计划书和申请书确定的研究内容，完成了弹箭旋转耦合空气动力效应机理研究，认识到了产生马格努斯效应的物理原理；发展了旋转弹箭非定常流场高精度数值模拟方法和湍流模型，得到了更接近于实验值的仿真结果；给出了不同飞行条件下典型弹箭构型的旋转空气动力效应变化规律，分析了旋转弹箭的飞行特性。得到的主要结果如下。.首先，对于旋成体外形，旋转马格努斯效应主要由小攻角时的边界层非对称畸变和大攻角时弹身两侧的非对称流动分离而产生。对于弹身-尾翼组合体构型，弹身对翼根流动的阻滞和弹体背风面后脱涡将对尾翼马格努斯效应造成明显的贡献；对于鸭舵-弹身-尾翼组合体构型，鸭舵诱导的波系、涡系会放大弹身马格努斯效应，鸭舵诱导的洗流会对尾翼受力造成干扰。.其次，将完全非定常方法与时域转化为频域的谐波平衡方法进行了比较，发现后者针对小攻角非定常效应弱、流动周期性好的状态，可以提高计算效率。针对不同构型和特殊的状态，需要采用适当的湍流模型来计算马格努斯效应。通过对湍流模型进行弯曲-旋转效应修正、横流转捩修正、可压缩性修正，提高了弹箭旋转空气动力特性的计算精度，纵、横向气动特性与实验值的相对误差分别保持在5%和20%以内。.再次，研究了上述典型旋转弹箭构型在不同飞行马赫数、攻角、高度等条件下的侧向力和偏航力矩、以及动态气动特性的变化规律，为其飞行特性分析提供空气动力技术基础。.通过本项目研究揭示了弹箭旋转耦合空气动力效应机理，发展了旋转弹箭非定常流场数值模拟方法和湍流模型，给出了典型弹箭构型的静态和动态气动特性变化规律，为实际工程研制过程中飞行性能的评估提供了很好的气动支撑，为后续各类旋转弹箭武器的研制打下了坚实的基础。项目的研究成果具有很好的应用前景。依托本项目共培养博士、硕士10余人。在本项目的资助下，共发表期刊论文35篇，申请专利3项，进行国内外会议交流近20次。