基于突起物流动控制的超声速弹箭气动布局研究

简介

流动控制方案是在弹身尾部弹翼之间排布一定数量的微型突起物，突起物的干扰造成了弹翼上压力分布的变化，从而改变作用于弹箭上的气动力和力矩，实现弹箭飞行姿态的改变，针对弹箭尺寸小和飞行速度高的特点，极有可能成为超声速飞行弹箭的一种快速有效控制手段。采用数值求解三维定常雷诺平均Navier-Stokes方程和k-ε两方程湍流模型的CFD方法，首先分析了超声速状态下孤立突起物的绕流场结构，细致揭示了孤立突起物产生的激波/激波干扰、激波/边界层干扰等流场结构;其次针对孤立突起物与单个弹翼的组合体构型，揭示出突起物对弹翼的干扰流场结构，分析了突起物的形状与安装位置对弹翼绕流场及气动力的影响规律;最后针对Basic-Finner弹箭模型，研究了多个突起物组合的俯仰与滚转方向控制的气动布局方案。研究结果表明:在超声速状态下，突起物对弹翼的干扰主要来源于3个方面:突起物前面形成的分离流动所产生的分离激波干扰区，绕突起物产生的三维弓形激波干扰区，以及突起物尾迹干扰区。其中，三维弓形激波干扰区域最大，干扰强度大。最后给出了基于突起物控制的俯仰与滚转方向气动布局方案，在Ma=2.5的状态下，比较了不同数量突起物方案的气动特性。单个突起物的存在，使得全弹的阻力增加约4.8%，随着突起物数量的增加，产生的控制力矩基本线性增加。通过合理布置微型突起物的安装位置，可以使得弹箭尾部弹翼上压力快速改变，突起物安装要尽量增大弹翼上的高压区，与此同时尽量减小低压区的干扰，从而实现超声速飞行弹箭姿态的快速控制。