弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证.pdf

第 卷第 期 年 月弹道学报 .收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()作者简介:解珍珍()女研究员研究方向为火箭橇总体技术:.通信作者:李康()男助理研究员研究方向为火箭橇 仿真技术:.:./.()弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证解珍珍董龙雷李 康胡云飞张启洞(.西安交通大学 航天航空学院陕西 西安.中国兵器工业试验测试研究院陕西 渭南)摘要:针对高速运行条件下飞机弹射救生试验难题全尺寸火箭橇试验是低风险、高费效比的研究手段 为确定气动力对弹射救生火箭橇工作状态的影响本文建立了全尺寸双轨弹射救生火箭橇模型在 平台上对比分析了、和 这 种湍流模型对数值模拟结果的影响结果表明湍流模型对计算结果相对误差小于.基于 湍流模型对弹射救生火箭橇橇体和座舱两部分的气动特性进行了数值模拟 结果表明:亚音速和跨音速条件下弹射救生火箭橇的等效阻力系数随速度的增加而单调递增橇体和座舱阻力之比随速度增加呈现先减少后增加的规律火箭橇橇体对弹射救生座舱舱盖的阻力、升力及压强影响均较小两者计算误差小于 火箭橇流场对飞机座舱舱盖切割性能测试影响较小 在亚音速条件下开展了弹射救生火箭橇试验实验结果与计算值吻合较好验证了数值模拟方法的可靠性研究结论可为飞机弹射救生试验提供思路关键词:弹射救生火箭橇气动特性数值模拟试验中图分类号:文献标志码:文章编号:()(.):.().:第 期解珍珍等 弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证 弹射救生是飞机出现故障或遭受破坏时保护飞行员安全逃生的重要手段 自 世纪 年代以来弹射救生组件已成为多种飞机的核心系统之一目前针对弹射救生技术的主要研究方法包括飞行测试、理论分析、风洞试验、数值模拟、火箭橇试验等 飞行测试危险且获得的数据有限理论分析方法难以获得复杂形面(飞机)的流场大批量的风洞试验成本过高且无法进行全尺寸试验因此高费效比的火箭橇试验成为弹射救生技术研究的主要途径国内外均有众多单位开展基于火箭橇的弹射救生技术研究 国外火箭橇研究比较广泛和深入取得的成果包括开发了空气动力学仿真软件()构建了专用火箭橇金属橡胶减震器揭示了火箭发动机特性对火箭橇试验影响规律等 国内火箭橇起步和研究较晚主要开展了火箭橇理论、结构设计、弹道控制、数值模拟等方面研究并取得了火箭橇新结构、揭示了地面效应原理等 一 些 成 果 有 效 促 进 了 火 箭 橇 技 术 的 发展 然而国内外针对弹射救生火箭橇的气动特性研究较少火箭橇试验对弹射座舱影响规律研究不足尤其缺少气动力变化对弹射座舱弹射特性影响的研究本文基于计算流体力学方法对弹射救生火箭橇气动特性进行数值模拟获得火箭橇主要部分的气动阻力特性、运行速度对气动阻力影响规律并开展火箭橇试验验证研究结论 弹射救生火箭橇气动原理弹射救生火箭橇试验是依靠火箭发动机推进的高速轨道试验包括加速、巡航、减速、刹车等不同的运行阶段其中巡航段是弹射救生试验的主要工作区间 火箭橇运行过程中的受力主要包括火箭发动机推力橇体气动阻力和轨道摩擦阻力 气动阻力主要包括压差阻力和摩擦阻力两部分 在弹射救生火箭橇主要运行的亚音速和跨音速条件下橇体气动阻力与空气密度、流速、湿度、温度、橇体形状等诸多因素有关可采用式()近似计算 由于橇体运行过程中通常认为迎风面积和密度恒定故可将式()等效代换定义等效气动阻力如式()所示:()()式中:为气动阻力 为风速 为空气密度 为迎风面积为阻力系数为等效阻力系数计算弹射救生火箭橇气动阻力时空气阻力系数是一个综合影响系数受速度、形状等参数影响对于具体的弹射救生火箭橇试验其值难以采用经验法或查表法等方式获得 因此数值模拟是获得弹射救生火箭橇运行的实际气动阻力的有效手段弹射救生火箭橇的形状复杂、运行速度高湍流模型对仿真结果有重要影响 常用湍流模型包括:单方程模型()、双方程模型(、)、雷诺应力模型和大涡模拟等 本文以、剪切压力传输()种典型双方程模型作为研究对象 模型模型综合了 模型在近壁区计算的优点和标准模型在远场计算的优点适用性更好其核心的湍流涡黏系数 由式()获得:()()式中:为模型参数 为湍流动能 为单位湍动能耗散率 为应变率的不变测度为一个混合函数 仿真计算.数学模型本文以弹射救生火箭橇为研究对象基于流体仿真软件 中进行数值模拟 弹射救生火箭橇采用双轨道形式单/双火箭发动机推进 火箭橇结构分为橇体、飞机座舱两个主要部分其中火箭发动机、卡箍等其他构件合并进入橇体部分三维建模后采用 软件对弹射救生火箭橇模型进行网格划分结果如图 所示 以弹射救生火箭橇为中心的整体流场为扇形尺寸为弹射救生火箭橇长度的 倍 弹射救生火箭橇模型的表面网格整体尺寸为 圆角、接头等布局网格细化 该网格模型以非结构四面体网格为主通过网格无关性验证选用的网格拓扑节点数约 万网格单元规模约 万该仿真模型的入口马赫数 为.温度为.大气压强为 流动方向为正对火箭橇座舱(飞机机头)湍流强度为中等火箭橇各部分与空气的接触面为绝热、无滑移的固体表面弹道学报第 卷图 弹射救生火箭橇网格划分 .仿真结果及分析.仿真结果以典型工况 /(.)为例计算的弹射救生火箭橇仿真模型的速度流线如图 所示 由图 可知计算获得的速度流线平滑亚音速条件下座舱下部通过的气流有效抑制了橇体尾部的湍流减少了压差阻力 该工况下火箭橇表面最大气动压力为 最大速度位于火箭橇座舱顶端为 /忽略振动冲击和气动压力导轨与橇体之间垂直方向的作用力主要为橇体自重 由于火箭发动机燃料仅占橇体自重的一部分可近似认为橇体与导轨的摩擦阻力恒定 因此该火箭橇运行时的阻力变化基本由气动阻力决定图 弹射救生火箭橇的速度流线(.)(.).湍流模型影响分别以 /和 /作为弹射救生火箭橇在亚音速和跨音速运动状态的典型工况对比湍流模型对橇体气动阻力和等效阻力系数的影响结果如图 所示 由图可知采用 模型橇体在 /、/和/的速度运行时 橇 体 总 阻 力 分 别 为.、.和.各种湍流模型所得橇体阻力相差小于.相对误差小于.橇体等效阻力系数分别为./、./和./各种湍流模型所得橇体等效阻力系数相差不超过.相对偏差小于.由此可知基于 种双方程模型(、)计算获得的数值模拟结果基本一致而 湍流模型的计算效率最高、耗时最少图 不同湍流模型的气动阻力与等效阻力系数 .速度对阻力的影响基于 湍流模型分析速度对弹射救生火箭橇阻力和等效阻力系数的影响规律结果如图 所示 可知弹射救生火箭橇的座舱阻力、橇体阻力及二者的合力都随着运行速度的增加而增大 座舱阻力显著小于橇体阻力 速度为 /(.)时座舱阻力、橇体阻力和阻力合力分别为.和.当速度 /(.)时各阻力均达到最大值总阻力可达.火箭橇橇体和座舱的气动阻力与速度的关系有明显差异 座舱与橇体的阻力比的变化规律如图 所示 速度在 /以下座舱阻力与橇体阻力的比值随着速度增加而缓慢减少从/对应的.左右降至 /对应的.左右 之后随着速度的提升比值快速增加当速度达到 /(.)时比值达到最大为.这种气动特性变化主要源于橇体和座舱各自外形、与地面距离等影响第 期解珍珍等 弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证图 火箭橇气动阻力与速度变化关系 图 火箭橇橇体与座舱阻力的关系 火箭橇等效阻力系数与速度的关系如图 所示 火箭橇等效阻力系数随着速度的增加而不断增大火箭橇速度从 /增加至/时等效阻力系数从.增至.气动阻力的非线性增加源于速度增加导致的空气摩擦、空气压缩等变化 特别是弹射救生火箭橇迎风面压力与尾部湍流都随着速度显著增加 对于高速飞行器其等效阻力系数在跨音速区间会出现极大值 而对于该弹射救生火箭橇其等效阻力系数在音速以下随着速度增加而单调增大图 火箭橇等效阻力系数与速度变化关系 速度为 /的弹射救生火箭橇的流场如图 所示 与图 相比此时可清楚看到座舱尾部的大面积湍流 火箭橇迎风面、速度流场的分布规律未随速度发生明显变化仅数值变大 空气流速为 /时火箭橇与空气间的最大相对速度为/是 空 气 流 速 的.倍 空 气 流 速 为/时火箭橇与空气间的最大相对速度为/是空气流速的.倍 最大相对速度与空气流速的比例未发生明显变化 因此运行速度增加并未改变迎风面的流场分布规律图 弹射救生火箭橇的速度流线(.)(.).橇体对座舱影响座舱由舱体和舱盖两部分组成其中舱盖开启性能受表面压力的影响是弹射救生的关键 为了揭示橇体运动对座舱表面压力的影响以弹射救生火箭橇的运动反方向为阻力方向以竖直向上为升力方向分析橇体表面压力变化 座舱部位的阻力和升力如表 所示火箭橇的橇体对座舱舱体影响较大但对于舱盖的升力和阻力影响较小差值分别为.和.相对偏差为 .和.舱盖气动特性受到橇体影响较小满足弹射救生试验要求表 弹射救生座舱带橇与不带橇的升、阻力 舱体阻力/升力/舱盖阻力/升力/带橇.不带橇.采集舱盖上均匀分布的 个点的压力值获得火箭橇橇体对座舱舱盖处的总压、静压和动压结果如图 所示 舱盖的静压显著大于动压且二者方向相反 通过静压与动压的叠加舱盖的总压强的波动显著减轻呈现均一化的特征 火箭橇引发的扰流对座舱表面产生了干扰使得总压强的波动加弹道学报第 卷强 橇体对舵盖各点动压的差值都小于 总压差值 静压差值小于 此外带火箭橇的舱盖总压都略小于不带火箭橇的舱盖总压图 弹射救生座舱舱盖压力数据 舱盖表面的平均压力如表 所示 不带火箭橇的座舱平均静压、动压和总压分别为 和 与之相比带火箭橇的舱盖处静压、动压和总压的均值的相对差值分别为.、.和.因此弹射救生火箭橇试验能够有效模拟弹射救生舱的工作状态表 弹射救生座舱舱盖带橇与不带橇的平均压强比较 座舱部位带橇/不带橇/绝对差值/相对差值/静压.动压.总压.试验验证以飞机座舱为研究对象开展飞机弹射救生火箭橇试验并对前文仿真结果进行验证 试验用火箭橇的结构、形状均与仿真模型相同 该弹射救生火箭橇以特制的火箭发动机推动运行速度为亚音速 以相同配置进行 次火箭橇试验其结果具有良好的一致性取 次试验数据的均值进行研究基于数值模拟得到的弹射救生火箭橇气动阻力设计了弹射救生火箭橇试验的弹道 采用经纬仪测得弹射救生火箭橇的试验弹道如图 所示图中火箭橇的最大速度为./图 弹射救生火箭橇试验弹道 图 仿真与试验对比 根据火箭橇试验测试数据拟合弹道确定火箭橇真实运行的气动阻力 弹射救生火箭橇整体的气动阻力和等效阻力系数的仿真值与试验值对比如图 所示 火箭橇气动参数的仿真值和试验值基本一致其中阻力最大差值仅为.最大相对偏差为.等效阻力系数最大偏差./最大相对偏差为.因此本文研究仿真结果可靠方法可行第 期解珍珍等 弹射救生火箭橇气动特性数值模拟及试验验证 结束语本文以数值模拟和试验方法研究了弹射救生火箭橇在亚音速和跨音速运行时的气动特性获得了某型弹射救生火箭橇的气动特性规律结果表明:湍流模型(、)对弹射救生火箭橇数值模拟的结果影响较少而 湍流模型的计算效率最高、耗时最少亚音速和跨音速条件下弹射救生火箭橇的等效阻力系数随着速度增加而单调增大火箭橇橇体和座舱阻力之比则呈现先减少后增加的规律与无橇状态火箭橇橇体对弹射救生座舱舱盖的阻力、升力及各点的压强影响均较小相对偏差小于 火箭橇运行时产生的流场对座舱舱盖切割性能测试影响较小参考文献 .():.:.():.():.杨珍付良赵项伟等.超声速双轨火箭橇系统两级减振与分析.弹道学报():.():.()李潘雷吴玉斌郝永平等.二维修正迫弹的气动特性及修正能力研究.弹箭与制导学报():.():.()张英朝李杰张喆等.汽车风洞试验段尺寸参数对试验的影响.吉林大学学报(工学版)():.()():.()./.:./.:./.():.():.夏有财李俊耀张浩等.两级推进单轨火箭橇结构与弹道设计.兵器装备工程学报():.():.()肖虹高超孙良.钝头体火箭撬试验地面效应影响的数值模拟.弹箭与制导学报():.():.()党天骄刘振周学文 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