自旋尾翼對導彈氣動特性影響分析

劉偉 劉玉祥

摘 要： 通過對鴨式布局自旋尾翼與固定尾翼導彈的對比分析，得出了鴨式布局導彈在鴨舵副翼偏角下不僅有副翼反效現象，而且存在副翼效率放大的效果，通過分析得出了造成這種副翼放大效應的機理。通過CFD動網格技術模擬尾翼旋轉的流場得出全彈壓心隨尾翼旋轉呈現正余弦變化規律，并得出了旋轉布局導彈宜采用大展弦比布局以減小這種壓心隨尾翼旋轉角度的變化量，研究結果可為鴨式旋轉尾翼導彈布局設計以及鴨式旋轉彈設計提供一定的參考作用。

關鍵詞： 鴨式；旋轉彈翼；副翼效率；壓心

1引言

鴨式布局是導彈常用氣動布局形式之一。在控制性能上，鴨式布局導彈具有縱向操縱效率高、過載響應速度快的優點。鴨式布局的主要缺點是由于存在“副翼反效作用”，使得導彈難以進行滾動控制[1～2]。自旋尾翼是通過把尾翼安裝在旋轉軸承上，使得尾翼可以繞彈體縱軸自由旋轉，從而有效抑制彈翼上的滾動力矩傳遞彈體。在要求高精度控制的戰術導彈上采用自旋尾翼方式最具發展前途。

2鴨式布局導彈滾動力矩分析

2.1自旋尾翼對導彈滾動操縱力矩影響分析

如圖1所示為尾翼固定與尾翼旋轉情況風洞試驗結果導彈滾動力矩對比圖；圖中給出了風洞試驗中尾翼固定以及尾翼自由旋轉情況下舵面滾動操縱力矩系數?？梢钥闯霎斘惨碜杂尚D時，導彈副翼舵偏引起的滾動力矩系數隨攻角變化基本趨于平穩，導彈具有較好的滾動操縱力矩。

當尾翼固定時，導彈滾動力矩隨攻角變化劇烈，在2°攻角以內導彈操縱力矩系數基本為正，即存在副翼反操縱現象。當攻角10°后固定尾翼時滾動操縱力矩卻大于自由旋轉尾翼情況的滾轉操縱力矩，這里稱這種現象為“副翼放大效應”，以下分析了一種典型的鴨式布局導彈滾動力矩特性。

2.2鴨式布局導彈流場數值模擬

為分析“副翼放大效應”現象這里采用數值模擬的方法計算了在導彈3°副翼偏角、10°攻角、固定尾翼情況下的流場。

計算結果如表1所示，分別給出了四片尾翼與四片舵面上滾動力矩系數。

表中數據顯示兩片有副翼偏角的舵面合成產生了較大的滾轉力矩，這屬于正常情況，但同時也可以看到四片尾翼合成效果也產生了一個與舵面力矩同向的滾轉力矩。用小攻角鴨舵下洗的理論分析，尾翼應在舵面下洗流的作用下產生一個與舵面滾轉力矩相反的滾動力矩；而實際上此時導彈在中等攻角，尾翼產生的滾動力矩卻與舵面滾動力矩方向相同，從而起到了“副翼放大效應”的作用。其次與副翼舵2、舵4在同一平面內的翼2、翼4產的滾動力矩幾乎是出于對稱狀態，并沒有收到副翼舵偏下洗氣流的影響。反而是處于背風面的翼1產生了一個與舵面同向的滾動力矩，在全彈滾動力矩表現上形成了圖1所示的滾動力矩系數曲線結果。為了分析處于水平面的副翼舵偏如何影響處于背風面的尾翼，圖2給出了導彈局部流線圖。

如圖2所示，導彈在中等攻角下由于橫流作用，彈體背風面出現了兩個明顯的分離渦。從渦核位置可以明顯判斷出左側渦強度大于右側渦強度屬于非對稱分離現象。一般情況下導彈背風面非對稱分離渦現象出現在大攻角情況，而鴨式布局導彈由于副翼舵偏主動打破了導彈流場左右對稱狀態。沿舵2、舵4平面方向，舵4前緣下偏將產生上洗氣流，舵2前緣上偏將產生下洗氣流。這導致圖中彈體左側當地攻角增大，分離提前左側分離渦更大；彈體右側當地攻角減小，分離滯后右側分離渦小，因此出現了圖2所示的背風分離渦不對稱現象。從圖2可以看到這一對不對稱的背風分離渦中，左側分離渦在靠近彈體表面附近吸取了來自右側分離渦的大量氣流，因此在位于彈體尾部兩個分離渦之間的1號尾翼上形成一個當地正向側滑角，產生了一部分指向左側的力，從而形成了與4號舵同向的滾動力矩。

3自旋尾翼對全彈縱向壓心影響分析

本文利用CFD動網方法模擬計算了尾翼在以一定角速度旋轉情況下導彈流場。結果顯示

彈翼旋轉對導彈壓心有比較小的影響量，成周期性變化規律，類似正余弦規律。從變化的周期來看大體在90°周向角左右，這正好與彈翼旋轉角度周期吻合。此時導彈在十字狀態和×字狀態角度差為45°，此兩種狀態對應于壓心變化曲線的波峰與波谷。自旋尾翼壓心隨尾翼旋轉變化范圍對應于尾翼處于十字狀態和×字狀態的壓心差別，而這種差別量的大小主要取決于尾翼展弦比、尾翼展長與彈徑比以及尾翼與導彈質心距離。因此，為了抑制自旋尾翼的這種不利影響，在導彈氣動外形設計過程中應充分考慮以上因素。

4結論

本文通過對鴨式布局旋轉彈翼與固定彈翼導彈的對比分析，得出了鴨式布局導彈在鴨舵副翼偏角下不僅有副翼反效和副翼效率低的現象，而且存在副翼效率放大的效果。利用CFD計算的方法分析得到了造成這種放大效果的原因即：不同控制面與升力面之間交叉耦合影響。其次得出了鴨式布局導彈在下洗影響攻角以外，副翼操縱力矩開始得到恢復可以在一定副翼舵偏以內對導彈進行滾轉控制。

通過CFD動網格方法模擬計算了尾翼旋轉時流場，得出全彈壓心隨尾翼旋轉會有一定的變化，且成正余弦變化規律，這種變化量的大小和尾翼展弦比、尾翼展長與彈徑比以及尾翼與導彈質心距離相關，在自旋尾翼鴨式布局導彈氣動外形設計過程中應充分考慮以上因素。

參考文獻

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