基于Datcom的某靶彈氣動參數快速估算

陳暢

摘 要： Missile Datcom是由美國空軍開發的一套用于估算導彈氣動參數的軟件，在飛行器方案設計階段具有較高的實用價值。針對某靶彈在不同攻角、馬赫數下的阻力、升力系數，利用Fluent軟件計算結果與Datcom軟件的估算結果進行了比較分析。結果表明，在方案設計階段采用Datcom軟件進行氣動參數估算精度在可接受范圍內，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞： 靶彈；氣動參數；快速估算

1 引言

飛行器空氣動力計算是飛行器設計中很重要的工作之一，在飛行器方案設計階段，經濟而快速地計算其氣動參數十分重要。雖然計算流體力學（CFD）方法可以較準確的計算導彈氣動參數，但其計算量太大，而方案階段飛行器的外形會進行反復優化、修改，外形每修改一次CFD軟件都要重新建模和計算，會消耗較長的計算時間和人力成本，因而在方案設計階段很難得到應用。而采用美國空軍開發的Missile Datcom軟件可快速預估一系列飛行器氣動外形，該程序在一定范圍內對于不同飛行條件下飛行器的各種氣動外形具有較強的適應性，在美國飛行器方案設計和初步設計過程中應用非常普遍，基本成為其飛行器總體設計部門所必備的程序。本文采用Datcom軟件對某靶彈在不同攻角、馬赫數下的阻力、升力系數進行了估算，并與CFD計算結果進行了對比分析。

2 Datcom軟件概述

Missile DATCOM使用Fortran90語言，采用部件組合和模塊化等方法，并匯集了美國數十年來的試驗數據，針對常見氣動外形的導彈在小迎角條件下（α<15°）的估算結果具有較高精度，適合在導彈初步設計過程中，經濟而快速地計算其氣動參數。

Missile DATCOM軟件可用于的導彈外形如下：

1）軸對稱彈身、橢圓截面彈身；

2）動力裝置可以為吸氣式；

3）氣動升力面為1組到4組，每組最多8個翼或舵，每個翼或舵縱向位置相同；

4）每個氣動升力面可獨立偏轉，也可以全動偏轉，還可以采用后緣襟翼偏轉。

3 計算與分析

靶彈的氣動布局采用兩級串聯，Ⅱ級為平置型、鴨式、中單翼，在主翼的兩端設有垂翼呈“H”型布局，Ⅰ級的尾部安裝有四片穩定尾翼呈“X”型布置，全彈為串聯式“H+X”型布局，靶彈Ⅰ+Ⅱ級外形如圖1所示。由于文章篇幅，本文后續的計算與分析只針對靶彈Ⅱ級進行。

3.1 CFD計算

首先對靶彈Ⅱ級進行CFD氣動參數計算，計算采用的軟件為FLUENT。選取飛行條件為海拔10km，標準大氣，選擇在7個馬赫數（0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2、2.5），7個攻角（0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°）下建模計算。由于靶彈為面對稱形，故使用FLUNENT前處理軟件Gambit對靶彈建立半模型，而后導入FLUENT，選擇基于密度的顯式求解器，湍流模型采用k-ω雙方程模型及雷諾應力模型。計算結果見圖2和圖3。

3.2 Datcom計算

選擇在7個馬赫數（0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2、2.5）、10個攻角（-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°）狀態對靶彈Ⅱ級進行了計算，計算耗時很短，只需數分鐘便可完成計算，計算卡片填寫耗時半天。限于篇幅，文中只給出了馬赫數為0.6和1.5的計算結果。

（1）靶彈Ⅱ級零升阻力系數

靶彈Ⅱ級零升阻力系數結果見圖2。從圖2可以看出，零升阻力系數Datcom計算結果在超音速時略大于CFD計算結果，在亞聲速范圍內，Datcom計算結果要小于計算結果，在1.2Ma附近零升阻力達到最大0.54。在亞聲速范圍內，CFD計算誤差約為8%～10%；在超音速范圍內，CFD計算誤差約為9%。因此，為提高飛行效率，應盡量避免在1Ma～1.4Ma速度范圍內長時間飛行。

（2）靶彈Ⅱ級法向力系數

靶彈在Ⅱ級法向力系數結果見圖3。從圖3可以看出在不同馬赫數下法向力系數Datcom計算結果和CFD計算結果均比較接近，誤差基本在5%以內，靶彈Ⅱ級法向力系數線性度較好。

3.3 對比分析

從上述計算結果可以看出，法向力系數Datcom計算結果與CFD計算結果吻合較好，誤差在5%以內，滿足工程估算精度要求；但零升阻力系數Datcom計算結果與CFD計算結果偏差相對較大，誤差在10%以內，但仍能夠用于方案階段的工程估算。CFD方法理論上可以直接對全彈進行N-S方程計算，從而得出較精確的阻力值，但此方法要求有較高的計算能力，成本較高。Datcom在計算阻力時出現的偏差有待通過部件組合法逐項分析軟件中各部分軸向力，再依據導彈外形做修正，從而得出更精確的計算結果。

4 結束語

通過某靶彈的CFD計算結果和Datcom軟件估算結果對比分析表明：

1）在一定范圍內Datcom軟件能夠提供較高精度的估算值，基本滿足靶彈方案設計階段的氣動參數估算要求，具有一定工程應用價值。

2）Datcom使用方便快捷，避免了CFD軟件計算周期長、建模復雜等缺點，大大節約靶彈方案設計成本，對靶彈方案設計及優化設計具有重要意義。

3）Datcom對部分氣動參數計算精度不夠的情況可以通過部件組合法進行修正，后續將加以改進和完善。

參考文獻

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