高超聲速風洞子母彈大迎角拋殼投放試驗

蔣增輝，宋威，陳農，賈區耀

(中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

高超聲速風洞子母彈大迎角拋殼投放試驗

蔣增輝*，宋威，陳農，賈區耀

(中國航天空氣動力技術研究院，北京100074)

在高超聲速風洞中開展了投放模型試驗，對在高超聲速(Ma=5)及母彈處于大迎角(25°)狀態下，子母彈殼片拋射過程的分離特性進行了研究，觀察到了殼片從母彈的分離過程，對處于母彈迎風面殼片和處于母彈背風面殼片的運動軌跡，以及x向、y向位移和總位移隨時間的變化規律進行了分析和對比。研究發現，迎風面和背風面殼片運動軌跡截然不同，但殼片的運動軌跡發展根據其運動特點均可分為2個階段。迎風面和背風面殼片x方向的位移運動均可明顯地分為位移緩慢變化和位移迅速增大2個階段，而y向位移均無明顯的階段變化，但迎風面殼片y向運動速度總體上大于背風面殼片。迎風面和背風面殼片的總位移曲線也可明顯地分為總位移較緩慢變化(總速度較為恒定)和迅速變化2個階段。

多體分離;風洞投放模型試驗;子母彈拋殼;大迎角;高超聲速

0 引言

子母彈用于對付集群目標，作為大縱深、大面積的壓制兵器，具有彈藥數量多、火力猛、能實現有效阻擊的特點，已廣泛地配置于炮彈、航彈、火箭彈和導彈上，其種類繁多，用途廣泛，倍受世界各國的重視［1］。子母彈的拋撒包括開艙和拋撒2個多體分離過程，首先要使母彈殼體開裂，使殼體與母彈分離，然后再將彈艙內的子彈拋撒出去，由于2次分離間隔時間非常短，因此在總體設計過程中，不但要避免拋撒出的殼體與母彈碰撞，還要避免其與子彈碰撞［2］，以免影響到子彈預定散布密度和合理范圍的實現。殼片具有質量輕、面積大的特點，且與母彈間存在嚴重干擾，因此對殼片拋射過程的分離特性進行研究，預測殼片分離過程的氣動力和運動軌跡，將為設計殼片安全分離參數提供重要參考。

對于子母彈拋殼氣動特性問題，國內外學者通過計算流體動力學（CFD）［3－9］和風洞試驗［6，10－11］已作了一些在零迎角或小迎角狀態下的研究，大迎角下的子母彈拋殼氣動特性問題研究尚未見到。由于殼片這樣的薄殼類物體難以開展常規測力試驗和CTS試驗等風洞試驗手段，因此試驗研究方面以往只有通過風洞自由飛試驗來進行［6，10－11］。但對于母彈處于大迎角下的拋殼試驗而言，由于母彈自由飛行在觀察窗區域時間較短，且其繞流流場處于動態變化的狀態中，因此風洞自由飛試驗較難以實現使母彈穩定地保持在確定的大迎角狀態下進行拋殼，以及難以準確地研究母彈繞流流場（如激波）及母彈迎風面、背風面等對殼片拋撒分離的影響。國內學者針對旋轉子母彈后拋撒問題發展出的風洞模擬試驗技術［12］以及在實驗室內開展的子母彈開艙拋撒和子彈拋射模擬試驗［13］很好地實現了對特定子母彈拋撒問題的研究，但也都不適用于子母彈殼片拋射過程分離特性的研究。

與風洞自由飛試驗較為相似的風洞投放模型試驗技術由于試驗中可使母彈在處于固定支撐的狀態下實現對子彈或殼體的拋撒投放，可以較好地實現保持在確定的大迎角狀態下進行拋殼，以及對殼片拋射過程的觀察。因此風洞投放模型試驗技術具有拓展到子母彈拋撒試驗領域，并具備較好地實現大迎角下子母彈殼片拋射過程的分離特性研究的潛力。

在高速風洞投放模型試驗技術方面，國內外研究機構都開展了較多研究工作［14－25］，但從文獻來看，尚未見到有采用風洞投放模型試驗技術對子母彈拋殼問題研究的文獻發表。美國學者曾采用該技術對頭罩分離問題開展過研究［26－27］，以及在“水洞”中對獵戶座乘員探測器（（CEV）的前段艙蓋（The Forward Bay Cover（FBC））分離問題開展的“水洞”中無助投力的自由投放試驗［28－29］。但無論是頭罩分離還是“水洞”中的自由投放試驗均與子母彈殼片拋撒試驗屬不同的范疇，在分離機構和試驗方法上也有一定差別。

本文即是針對大迎角下的子母彈拋殼問題，嘗試采用風洞投放模型試驗技術，對高超聲速（Ma＝5）及母彈處于大迎角（25°）狀態下，子母彈殼片拋射過程的分離特性進行研究，以實現對大迎角下母彈繞流流場對殼片拋撒分離的影響以及迎風面與背風面的殼片分離特點的研究。

1 試驗方法和試驗方案

試驗在中國航天空氣動力技術研究院FD－07風洞進行。FD－07風洞是暫沖、吹引式常規高超聲速風洞，以空氣為工作介質，噴管出口直徑為0．5m。

試驗模型母彈采用尾支撐形式固定安裝在風洞支撐系統上，通過控制風洞支撐系統的姿態可準確給定或者改變母彈的迎角。殼片的投放分離通過安裝在母彈與殼片間的彈簧機構實現，也即試驗前先將殼片壓緊彈簧并鎖緊在母彈模型上，待分離解鎖機構作出解鎖動作后，獲得釋放的鎖緊力將殼片以一定的初始彈射速度彈出，從而實現與母彈的投放分離。

使用數字式高速攝影機通過風洞試驗段側壁上的觀察窗對拋殼試驗過程進行拍攝、記錄和觀察，拍攝速率為3000幅／s。通過HT型多通道延時儀來實現高速攝像機和分離解鎖機構的同步啟動，可精確到毫秒，從而實現高速攝像機對殼片拋撒分離過程的同步拍攝。

圖1所示為彈體模型示意圖，試驗模型采用簡單的錐柱組合體，試驗模型直徑30mm，彈艙處的殼片周向平均分為8塊，每塊寬9mm，厚度0．4mm，設計分離速度為13m／s，殼片材料為鋁，每塊殼片質量為0．11g，殼片模型示意圖如圖2所示。

圖1 母彈模型示意圖Fig．1 Cargo projectile model figuration

2 試驗結果與分析

2．1 試驗結果圖像

圖3所示為殼片分離前彈體模型處于高超聲速（Ma＝5）風洞流場中的狀態圖像，采用模型低頭25°迎角來進行試驗?？梢钥吹?，由于母彈固定支撐在風洞中，可以清晰地觀察到包裹在彈體上的頭激波形狀，包裹在彈體迎風面上的頭激波較窄，緊貼在彈體迎風面上；而背風面的激波區域較大，其邊界已處于觀察窗的下邊緣。

殼片拋撒投放分離試驗共進行了2次，圖4所示為由高速攝像機通過風洞觀察窗所拍攝到的殼片從彈體上投放分離過程的典型狀態圖片序列。根據試驗拍攝記錄的圖像，可以觀察到殼片的分離過程可分為以下4個過程：（1）分離前（見圖4（a）），（2）穿越激波的過程（見圖4（b）和（c）），（3）穿越激波后（見圖4（d）和（e）），（4）遠離母彈（見圖4（f）、（g）和（h））。

2次試驗記錄圖像均表明，迎風面（也即彈體上表面）的殼片均沖出了激波區域，且沒有發生回碰彈體的現象；背風面由于激波區域較大，殼片始終處于激波區域內，也沒有出現回碰彈體的現象。因此，在試驗給定的分離速度下，迎風面和背風面的殼片均能快速遠離艙體。處于迎風面和背風面之間區域的殼片由于攝像機拍攝角度的限制，雖然無法觀察到其穿越激波的準確結果，但考慮到其為彈體迎風面和背風面的過渡狀態，因此可以推斷出該區域的殼片是可以快速遠離艙體的，而從試驗能夠觀察到的范圍來看，也沒有出現殼片與母彈回碰的情況。

圖4 殼片分離試驗典型狀態圖片序列Fig．4 Typical sequence of cover separation state in wind tunnel

2．2 殼片分離過程中運動軌跡分析

圖5所示為2組試驗中，分別為位于彈體上（迎風面）、下（背風面）2個表面上的殼片在風洞觀察窗范圍內的運動軌跡?？梢钥吹?，2組投放試驗中殼片的運動軌跡總體規律較為相似，這表明試驗具有較好的重復性。由圖5可以看到，2組試驗均表明迎風面和背風面殼片運動軌跡截然不同，但殼片的運動軌跡發展根據其運動特點均可分為2個階段（圖5中表示為I、II 2個階段）。由于初始投放分離力作用方向垂直于母彈橫截面，而母彈處于低頭25°迎角狀態，因此使得位于迎風面的殼片初始投放分離速度在y向的分量明顯大于x向的分量，殼片在分離初速度的作用下y向位移迅速增大并穿越激波，而x向由于初始分離速度較小，且其方向與風洞流場方向反向，因而x向運動處于先反向減速再順氣流方向加速的狀態，使得這一階段x向位移明顯小于y向位移，y向位移在總位移中占據主導，這是迎風面殼片第I階段的特點，這個階段對應于殼片分離的過程（1）、（2）全部和過程（3）的一部分；隨著初始彈簧分離力作用效果的逐漸衰減，風洞流場的作用逐漸成為影響迎風面殼片運動軌跡的主要因素，殼片x向速度在風洞流場的作用下不斷加速并迅速超過y向速度，使得x向位移也迅速超過y向位移，并在總位移中占據明顯主導，迎風面殼片運動軌跡也進入了第II階段，并隨著x向位移的迅速增大而飛出觀察窗范圍，這個階段對應于殼片分離的過程（3）后一部分及過程（4）。

位于背風面的殼片一直處于激波區域內，其x向和y向位移變換也較為平緩，沒有激烈的突變，且2組試驗均表明，雖然分離初始階段y向速度分量大于x向分量，但由于初始分離時刻x向速度與風洞流場方向相同，因此從初始分離時刻x向運動即處于被風洞流場加速的狀態，因而初始分離時刻背風面殼片的x向運動速度與y向運動速度差別不大，x向和y向的位移也相差不大，這是背風面殼片運動軌跡的第I階段，同迎風面殼片一樣這個階段對應于殼片分離的過程（1）、（2）全部和過程（3）的一部分；隨后x向位移在風洞流場的作用下不斷加速并明顯超過y向位移，x向位移逐漸在背風面殼片的總位移中占據主導，背風面殼片運動軌跡進入第II階段，此時其總位移的增加主要是x向位移的貢獻，并隨x向位移的增加迅速增大至飛出觀察窗范圍，這個階段對應的也是殼片分離的過程（3）后一部分及過程（4）。

圖5 殼片分離過程運動軌跡曲線Fig．5 Covers separation trajectory

2．3 殼片分離過程中x向位移－時間曲線分析

圖6所示為2組試驗迎風面和背風面殼片分離過程中x向位移－時間曲線，2組試驗所得曲線形狀和變化規律較為相似。由于每塊殼片投放分離的時間起點很難保證完全一致，因此每塊殼片的初始分離零時刻分別定義為每塊殼片出現分離動作的前一幀圖片。由圖6可以看到，2組試驗均表明迎風面殼片x方向的位移運動可明顯分為2個階段。階段I：位移緩慢變化階段。在分離初始時刻迎風面的上殼片受到彈簧分離力的作用較為顯著，此時其x向位移相對圖6所示的整體x向位移－時間曲線來說處于x向位移變化較為緩慢的狀態。如前所述，由于彈簧分離力作用方向為垂直母彈軸線方向，因此在母彈處于25°迎角情況下，迎風面殼片受到的彈簧作用力為逆風洞氣流方向，其x向位移（也即速度方向）在初始分離時刻可能為逆風洞氣流方向，分離初始時刻x向位移呈現減小狀態（位移為負值）；但由于彈簧作用力瞬間即結束，此后殼片在x方向僅受到風洞氣流的作用，因此其逆氣流方向的速度大小一直呈減小狀態，并逐漸減至為零值，隨后在氣流的作用下沿氣流方向逐漸加速。2組試驗表明第I階段的持續時間均為約2～3ms，且殼片穿越母彈頭激波的過程也在此階段完成。階段II：位移迅速增大階段。此階段初始彈簧作用的分離力作用效果也逐漸衰減，殼片在x向的運動主要是受風洞氣流作用的影響。且在風洞氣流的作用下，殼片沿風洞氣流方向（也即x向）運動速度迅速增加至趨于恒定（風洞氣流流速），因此在此階段迎風面殼片x向位移保持接近勻速的迅速增大。

圖6 殼片分離過程x向位移－時間曲線Fig．6 Displacement－time curves in x－direction of covers separation

背風面殼片x方向位移始終處于增大狀態，其曲線規律也可明顯地分為位移緩慢增加和迅速增加2個階段。階段I：位移緩慢增加。背風面殼片初始分離時刻受到的彈簧力作用在x向的分量與風洞氣流方向一致，因此背風面殼片從分離開始其x向位移即呈現增大狀態；且由于殼片始終處于母彈頭激波區域內，受風洞均勻流場的影響不如迅速穿出頭激波區域的迎風面殼片受到的影響大，因此背風面殼片x向位移雖在持續增大，但在此階段大部分時間內運動速度較?。ㄇ€斜率較?。┣蚁鄬^為恒定；約持續7～9ms左右后，由于殼片逐漸遠離母彈彈體且受頭激波的影響逐漸減弱，受風洞均勻流場影響則逐漸加劇，背風面殼片x向運動速度開始迅速增大。階段II：位移迅速增大階段。在初始彈簧分離力作用效果逐漸衰減后，風洞氣流的影響逐漸成為背風面殼片在x向運動的主要影響因素，背風面殼片在風洞氣流的作用下運動速度迅速增加至趨于恒定，接近迎風面殼片的運動速度（風洞氣流流速）；因此在此階段背風面殼片x向位移與迎風面殼片運動特點較為相似，也保持接近勻速的迅速增大。

對比迎風面和背風面殼片x方向位移－時間曲線，可以看到2組試驗結果均表明迎風面殼片處于第I階段的時間明顯小于背風面殼片處于第I階段的時間，也即迎風面殼片比背風面殼片要提早進入位移迅速增大的第II階段。迎風面殼片位于階段I時，其x向位移值始終小于也處于階段I的背風面殼片；待迎風面殼片進入階段II后，由于其x向位移迅速增大，且增大速度明顯超過仍處于階段I的背風面殼片，因此迎風面殼片的位移值迅速超過背風面殼片，且二者間的位移值差距迅速拉大；至背風面殼片也進入階段II后，背風面殼片的x向位移也開始迅速增加，且其運動速度逐漸增大至與迎風面殼片x向運動速度較為接近（即迎風面和背風面殼片曲線斜率較為接近），但此時迎風面和背風面殼片的位移差值已拉開，因此此后迎風面和背風面殼片在x向保持近乎恒定的位移差。

因此，除分離初始時刻的較短時間內（約3ms）迎風面殼片x向位移小于背風面殼片外，此后時刻迎風面殼片的x向位移（分離速度）始終明顯大于背風面殼片位移。迎風面和背風面殼片x向位移－時間曲線2階段的劃分雖然沒有明確的界限，但其與殼片分離過程的對應，與運動軌跡－殼片分離過程的對應是大體一致的，也是第I階段對應于殼片分離過程（1）、（2）全部和過程（3）的一部分，第II階段對應殼片分離的過程（3）后一部分及過程（4）。

2．4 殼片分離過程中y向位移－時間曲線分析

圖7所示為2組試驗迎風面和背風面殼片分離過程中y向（垂直風洞流場方向）位移－時間曲線?？梢钥吹?，除第2組試驗的迎風面殼片在即將飛出觀察窗時曲線稍有波動外，迎風面和背風面殼片y向分離速度均大體處于恒定狀態，無明顯規律性變化，y向位移也均無明顯的階段變化，但與x向位移－時間曲線規律相似的是，迎風面殼片y向運動速度總體上大于背風面殼片，因此迎風面殼片的y向位移在整個觀察窗范圍內也一直明顯大于背風面殼片。在分離開始3．5ms時刻，第1組試驗的迎風面殼片y向位移為48．988mm，背風面殼片位移為－11．916mm，可見在這段時間內，迎風面殼片在y向的平均速度為背風面殼片的4．111倍；第2組試驗的迎風面殼片在分離開始3．5ms時刻y向位移為42．037mm，背風面殼片位移為－16．881mm，迎風面殼片在y向的平均速度為下殼片的2．490倍?？梢?次試驗迎風面殼片的y向位移速度均遠遠超過背風面殼片。

圖7 殼片分離過程y向位移－時間曲線Fig．7 Displacement－time curves in y－direction of covers separation

2．5 殼片分離過程總位移－時間曲線分析

圖8所示為2組試驗迎風面和背風面殼片分離過程中總位移（總位移s定義為曲線?？梢钥吹?，2組試驗曲線形狀均大體與x方向位移－時間曲線相似，迎風面殼片和背風面殼片的總位移運動曲線也可明顯地分為總位移緩慢變化（總速度較為恒定）和總位移迅速變化2個階段，且背風面殼片的第I階段也即總位移緩慢變化階段時間要長于迎風面殼片。迎風面和背風面殼片總位移－時間曲線2階段的劃分與x向位移曲線－殼片分離過程，以及運動軌跡－殼片分離過程的對應也都較為相近。也是第I階段對應于殼片分離過程（1）、（2）全部和過程（3）的一部分，第II階段對應殼片分離的過程（3）后一部分及過程（4）。

圖8 殼片分離過程總位移－時間曲線Fig．8 Total displacement－time curves of covers separation

在分離初始時刻（1ms內），迎風面殼片總位移小于背風面殼片，此后由于同處于第I階段的迎風面殼片總速度不但明顯大于背風面殼片，且由于迎風面殼片的總速度處于迅速加速的狀態，而背風面殼片仍處于低速且相對較為恒定的狀態，使得二者的總速度差不斷拉大，因而迎風面殼片總位移也迅速超過背風面殼片且二者總位移差也迅速拉大；迎風面殼片率先進入第II階段后，其總速度已增至趨于恒定，而背風面殼片仍處于第I階段內，其總位移與迎風面殼片的差距進一步拉大，既使是背風面殼片也進入速度迅速增加的狀態，由于其與迎風面殼片的速度仍存在差距，二者的總位移差仍在不斷拉大；至背風面殼片也進入第II階段后，由于背風面殼片的總速度已增至接近迎風面殼片的總速度，因此二者的總位移差將保持接近恒定。

因而迎風面和背風面殼片的總位移變化規律是初始分離時刻（1ms內）迎風面殼片位移小于背風面殼片，此后迎風面殼片位移一直大于背風面殼片，其具體變化規律可以總結為初始分離時刻迎風面殼片總位移小于背風面殼片；隨后迎風面殼片總位移超過背風面殼片且總位移差距隨時間迅速拉大，到最后迎風面和背風面殼片的總位移差距保持接近恒定這幾個階段。

3 結 論

采用風洞投放模型試驗技術對高超聲速（Ma＝5）及母彈處于大迎角（25°）狀態下，子母彈殼片拋射分離特性的研究，獲得以下結論：

（1）由于本次試驗分離初速度（13m／s）較大，因此迎風面、背風面以及處于二者之間過渡狀態的殼片均能快速遠離母彈，都沒有與母彈發生碰撞的情況出現，其中位于迎風面的上殼片迅速穿越了頭激波區域。

（2）迎風面和背風面殼片運動軌跡截然不同，但殼片的運動軌跡發展根據其運動特點均可分為2個階段。迎風面殼片第I階段y向位移在總位移中占據主導，第II階段則變為x向位移占據主導；背風面殼片第I階段x向和y向的位移相差不大，第II階段x向位移逐漸在總位移中占據主導。

（3）迎風面和背風面殼片x方向的位移運動均可明顯地分為位移緩慢變化和位移迅速增大2個階段。迎風面殼片處于第I階段的時間明顯小于背風面殼片，除分離初始時刻的較短時間內迎風面殼片x向位移小于背風面殼片外，此后時刻迎風面殼片的x向位移（分離速度）始終明顯大于背風面殼片位移。

（4）迎風面和背風面殼片在y向位移均無明顯的階段變化，但迎風面殼片y向運動速度總體上大于背風面殼片，因此迎風面殼片的y向位移在整個觀察窗范圍內也一直明顯大于背風面殼片。

（5）與x方向位移曲線較為相似，迎風面和背風面殼片的總位移曲線也可明顯地分為總位移較緩慢變化（總速度較為恒定）和迅速變化2個階段，且背風面殼片的第I階段時間要長于迎風面殼片。初始分離時刻迎風面殼片總位移小于背風面殼片，隨后迎風面殼片總位移超過背風面殼片且總位移差距隨時間迅速拉大，到最后迎風面和背風面殼片的總位移差距保持接近恒定。

本文的研究是采用風洞投放模型試驗技術對子母彈拋殼問題進行研究的首次嘗試，證明風洞投放模型試驗技術能夠較好適用于子母彈拋殼問題的研究，既是對殼片分離風洞試驗研究新手段的發展，也是對風洞投放模型試驗技術研究領域拓展的成功嘗試。

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Hypersonic w ind tunnel drop-model test on cover ejection from cargo projectile at large angle of attack

Jiang Zenghui*，Song Wei，Chen Nong，Jia Quyao
(China Academy of Aerospace Aerodynamics，Beijing 100074，China)

Hypersonic wind tunnel drop-model testswere conducted atMach 5 to investigate the separation characteristics of cover ejection from cargo projectile at large angle of attack(25°)．In the test，the whole separation processwas observed．Themotion trajectory and displacement curves of the covers in the separation process are analyzed．The comparison of the separation characteristics ismade between the covers on thewindward side and the leeward side．Themotion trajectory of the covers is quite differentbetween the windward side and the leeward side，but bothmotion trajectories of the covers on the two sides can be divided into two stages．For the covers on the windward side，the displacement of y orientation is dominant at stage I，while x orientation becomes dominantat stage II．For the covers on the leeward side，the displacements are approximately equivalent for x and y orientation at stage I，while x orientation becomes dominant at stage II．The x orientation displacements for covers on both sides can be evidently divided into two stages．At stage I，the displacements change slowly，while those increase rapidly at stage II．The y orientation displacements for covers on both sides have no obvious stage transition，but the y orientation velocity on the windward side is larger than that on the leeward side．Similar to x orientation displacements，the total displacements for covers on both sides can also be divided into two stages，and they also change slowly at stage I，and then increase rapidly at stage II．

multi-body separation;wind tunnel drop-model test;cover ejection from cargo projectile; large angle of attack;hypersonic

V211．7;V212．1

A

（編輯：張巧蕓）

1672-9897(2016)05-0042-07

10．11729/syltlx20160020

2016-01-22;

2016-05-27

*通信作者E-mail:jzhhit@163．com

Jiang Z H，Song W，Chen N，etal．Hypersonic w ind tunneld rop-model teston cover ejection from cargo p rojec tile at large ang le of attack．Journalof Experiments in Fluid Mechanics，2016，30(5):42-48．蔣增輝，宋威，陳農，等．高超聲速風洞子母彈大迎角拋殼投放試驗．實驗流體力學，2016，30(5):42-48．

蔣增輝（1980－），男，內蒙古赤峰人，高級工程師。研究方向：非定?？諝鈩恿W，超空泡流體力學。通信地址：北京市7201信箱16分箱（100074）。E－mail：jzhhit＠163．com