采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真.pdf

第 卷 第期 年月探 测 与 控 制 学 报J o u r n a l o fD e t e c t i o n&C o n t r o lV o l N o A u g 收稿日期:作者简介:张英(),男,陕西富县人,副研究员.采用合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正仿真张英,李曼,杨小会,肖晨星(西安机电信息技术研究所,陕西 西安 )摘要:针对小口径枪榴弹尺寸小,舵面和舵机执行机构进行弹道修正存在困难这一问题,采用基于合成射流激励器的小口径枪榴弹弹道修正.首先采用计算流体力学软件对单个合成射流激励器模型进行数值模拟,获取合成射流激励不同时刻振动膜的外形变化及对应的喷口流速分布;在此基础上,将合成射流激励器布置在枪榴弹弹体内,指定振动膜的振动方式,通过网格重构算法计算合成射流 弹体绕流 体化流场,获取合成射流激励器作用下弹体表面射流喷口速度与弹体法向力;最后通过 D弹道模型计算小口径枪榴弹的弹道,评估修正弹的修正能力.仿真结果表明,合成射流激励器作用时能够影响小口径枪榴弹尾部局部流场,改变弹体表面压力分布并产生法向力,该力能够满足小口径枪榴弹在射程和横偏方向修正能力需求.关键词:合成射流;弹道修正;流场;枪榴弹中图分类号:T J 文献标志码:A文章编号:()S m a l lC a l i b e rG r e n a d eT r a j e c t o r yC o r r e c t i o nS i m u l a t i o nB a s e do nS y n t h e t i cJ e tA c t u a t o rZ HANGY i n g,L IM a n,YAN GX i a o h u i,X I AOC h e n x i n g(X i a nI n s t i t u t eo fE l e c t r o m e c h a n i c a l I n f o r m a t i o nT e c h n o l o g y,X i a n ,C h i n a)A b s t r a c t:B e c a u s eo f t h es m a l l s i z eo f t h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e,i t i sd i f f i c u l t t oc o r r e c t t h e t r a j e c t o r yb a s e do nt h er u d d e ra n da c t u a t o r,s ow e t r yt ou s e t h es y n t h e t i c j e t a c t u a t o r t oc o r r e c t t h e t r a j e c t o r yo f t h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e F i r s t l y,as i n g l es y n t h e t i c j e t a c t u a t o rm o d e lw a s s i m u l a t e db yc o m p u t a t i o n a l f l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e,a n dt h es h a p ec h a n g e so ft h ev i b r a t i n gf i l ma n dt h ec o r r e s p o n d i n gv e l o c i t yd i s t r i b u t i o no ft h en o z z l ew e r eo b t a i n e d,t h es y n t h e t i cj e ta c t u a t o ri sa r r a n g e di nt h eb o d yo ft h eg r e n a d e,t h ev i b r a t i o nm o d eo ft h ev i b r a t i n gm e m b r a n e i ss p e c i f i e d,a n dt h ei n t e g r a t e df l o wf i e l do ft h es y n t h e t i cj e ta n dt h ep r o j e c t i l ei sc a l c u l a t e db yt h em e s hr e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m,t h ev e l o c i t yo f j e t n o z z l e a n dn o r m a l f o r c eo f p r o j e c t i l e a r eo b t a i n e du n d e r t h e a c t i o no f s y n t h e t i c j e t a c t u a t o r F i n a l l y,t h e t r a j e c t o r yo f s m a l l c a l i b e rg r e n a d e i s c a l c u l a t e db y dt r a j e c t o r ym o d e l,a n dt h ec o r r e c t i o na b i l i t yo f c o r r e c t i o np r o j e c t i l e i se v a l u a t e d T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t t h e s y n t h e t i cj e t a c t u a t o r c a na f f e c t t h e l o c a l f l o wf i e l da t t h e r e a r o f s m a l l c a l i b e rg r e n a d e,c h a n g e t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o no nt h ep r o j e c t i l es u r f a c ea n dg e n e r a t en o r m a l f o r c e,t h ef o r c ec a nm e e tt h es m a l l c a l i b e rg r e n a d e i nt h er a n g ea n dl a t e r a l d i r e c t i o nc o r r e c t i o nc a p a b i l i t yr e q u i r e m e n t s K e yw o r d s:s y n t h e t i c j e t;t r a j e c t o r yc o r r e c t i o n;f l o wf i e l d;r i f l eg r e n a d e 引言打击精确化是陆军在未来信息化战争中立足的基础,精确制导弹药的发展、列装及实战使用受到越来越多的重视,“非接触”、“首发命中”、“精确打击”等多种作战模式的提出,对武器系统的作战使命提出了全新的要求.作为陆军武器的重要组成部分,单兵榴弹武器弹药功能已经由最初的单一碰炸杀伤发展为目前较为流行的空炸“非接触式面杀伤”模式.近年来的战场表明,现代各种强大的火力支援体系中,榴弹发射器已成为士兵身边最直接、最可信赖的支援火力之一.在我国微小型武器系列弹药中,小口径枪榴弹作为典型的线膛发射无控弹药,受其内、外弹道等诸多因素影响,该类型空炸杀伤榴弹远距离密集度散布较大,无法实现对远距离目标的有效杀伤,远距离散布已成为制约小口径枪榴弹发展的主要因素.近年来,依靠数值模拟和实验方法,合成射流在流动分 离 控 制 和 射 流 矢 量 控 制、抑 制 振 动 噪声、强化传热 等方面取得了许多重要的研究成果,与实验相比,数值模拟 方法不仅能够获取结构参数及运行参数对合成射流激励器性能的影响,还可以获取射流全流场的流动参数分布,为合成射流的设计及应用提供参考.不同应用领域的研究结果表明,合成射流的形成机理及射流对流场特性的影响既有共性也有特性,合成射流对流场的影响可控.基于此,将其应用于小口径枪榴弹弹道修正,可以克服小口径枪榴弹因本身尺寸小布置舵面进行弹道修正存在的困难,通过合成射流对小口径枪榴弹绕流流场的影响,产生合成射流激励器作用下弹体的气动力,对弹道进行横纵向的修正,减小落点散布.枪榴弹弹道修正原理合成射流激励器二维弹道修正枪榴弹气动布局如图所示.图中G为弹体的质心,P为弹体的压心,C为合成射流激励器修正力的作用点,XB为弹体压心到质心的距离,XC为修正力的作用点到质心的距离,NB为弹体升力,NC为修正力,MT为修正弹整体受到的合力矩.由于合成射流激励器安装在弹体尾部,因此,修正力的作用点C在弹体质心G之后,弹体的质心G在压心P和修正力作用点C之间.图合成射流激励器二维弹道修正枪榴弹示意图F i g S c h e m a t i cd i a g r a mo f as y n t h e t i c j e t f o r Db a l l i s t i cc o r r e c t i o no f r i f l eg r e n a d e二维弹道修正弹在工作时,通过合成射流激励器产生控制力和力矩,如果忽略高旋弹横向和纵向运动的交叉影响,在合成射流激励器作用力和来流所形成的平面内分析修正弹上的法向力,由图可知,作用在修正弹上的合力矩可以表示为MTXBNBXCNC.()弹丸在飞行过程中,保持稳定飞行,弹体处于瞬态平衡状态,此时修正弹上的合力矩MT为零,即弹体所受力矩与合成射流激励器产生控制力达到平衡,可得XBNBXCNC,()NCXCNBXB.()作用在弹体上的合法向力NT可表示为NTNBNC(XBXCXB)NC.()由此可以看出合成射流激励器控制力作用点位置和方向对弹道的影响,见表.表控制力作用点位置和方向对弹道的影响T a b I n f l u e n c eo fp o s i t i o na n dd i r e c t i o no f c o n t r o l f o r c eo nb a l l i s t i c t r a j e c t o r y控制力作用点位置控制力作用点与质心的相对位置弹道修正力的关系控制力与弹道改变方向的关系作用点在质心后XCNCNT同向作用点与质心重合XCNCNT同向作用点在质心与弹体压心之间XCXBNTNC同向作用点与弹体压心重合XCXBNT没有修正能力作用点在弹体压心前XBXCNT反向由表可以看出:对于高旋弹,由于合成射流激励器安装在弹尾,位于弹体质心之后,则XC、XC/XB,可知弹道修正力NT和控制力NC方向相同,即控制力向上时,弹体矢量向上,弹道改变的方向和控制力方向相同.要增大合成射流激励器对弹道的影响,可以通过增大控制力NC和增大探 测 与 控 制 学 报XC/XB的绝对值来实现.由于改变弹体压心位置难度大,所以可通过增大控制力作用点到质心的距离XC或增大控制力NC使弹道变化增大.采用合成射流激励器的修正弹气动力数值模拟 单个合成射流激励器计算模型合成射流激励器计算模型见图.模型由腔体、振动膜、狭缝、喷口和外部流场空间组成,振动膜与喷口外部流场空间通过狭缝进行连通.外部空间流场空间直径D是振动膜所在的腔体直径d的倍,外部空间流场静止.腔体、狭缝及外部流场空间均为圆柱体,圆柱体边界为固体边界,内部区域为流场区域.图合成射流激励器几何模型F i g S y n t h e t i c j e t a c t u r a t o