高超音速炮弹气动分析及弹道仿真研究

摘要

自从二十世纪初人类实现空中飞行以来，人们追求飞行速度的步伐便不曾停止过，从低速到高速，由亚音速到超音速，甚至达到高超音速。高超音速弹箭飞行速度在5马赫以上，拥有快速响应、突防能力强等特点，可在较短时间内对远程目标实施精确打击，已经成为将来军事斗争中新的“制高点”，此种武器的出现将会改变未来战争的作战方式，对国家的安全产生战略性影响。针对国内外关于高超音速弹箭关键技术所取得的成果，发现有关高超音速炮弹的研究较少，尤其是气动特性与外弹道研究方面儿乎是空白。本文以两种弹翼组合体为研究对象，对其气动力及其外弹道特性进行探索性研究，主要包括以下几个方面:
　　1.采用基于高超音速无粘流理论发展起来的工程预测方法，利用面元法并根据弹箭不同情况选用不同的压强系数计算方法，对锥形弹翼组合体的无粘气动力特性进行计算，采用经验公式方法计算弹箭的摩擦阻力与底部阻力，得到关于完整弹箭的气动力工程预测方法。
　　2.数值模拟了高超音速炮弹不同马赫数与不同攻角情况下的流场。利用计算流体力学软件及计算方法对模型进行了高超音速下的气动模拟，得到了升力系数与阻力系数变化规律，分析了不同马赫数与不同攻角下流场的分布，并对高超音速弹丸表面流场特性进行了分析。
　　3.建立了高超音速弹箭外弹道数学模型。总结了不同形式的外弹道模型以及它们的适用范围与假设条件。根据高超音速炮弹的特点建立了其外弹道数学模型，研究了影响外弹道特性的主要因素。建立了大气与环境模型，分析了不同高度大气参数的变化。
　　4.选取了高超音速炮弹弹道设计优化问题的三个设计变量，确定了以落点动能最大作为目标函数，建立了相关的约束域。优化结果表明:落点动能与质量、速度和射角的选取有关，高超音速炮弹落点动能随弹丸质量的增加而增大，对于相同质量的弹丸在射程一定的情况下，射角越大落点存速越大，落点动能越大，最终得到了满足约束条件的最大落点动能。该优化模型可以为其它类似优化问题提供有效的工具和方法。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 高超音速弹箭的研究背景及意义

1．1．1 高超音速弹箭研究需求背景

1．1．2 高超音速弹箭研究的意义

1．2 高超音速弹箭国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 高超音速弹箭外形研究现状

1．2．2 高超音速弹箭气动力计算方法的研究现状

1．2．3 高超音速弹箭气动热与控制方面的研究现状

1．2．4 高超高音速弹箭外弹道建模研究现状

1．3 本文的主要研究内容

2 高超音速弹箭气动力特性计算方法研究

2．1 无粘气动力特性计算方法的选择

2．1．1 弹体气动特性的计算

2．1．2 弹翼气动特性的计算

2．1．3 高超音速弹翼组合体气动力特性的计算

2．2 粘性阻力计算

2．2．1 摩擦阻力系数

2．2．2 底部阻力系数

2．3 过渡流气动力的计算

2．4 高超音速弹箭大气与环境模型的建立

2．5 高超音速弹箭气动特性计算结果与分析

2．6 本章小结

3 高超音速弹箭流场数值模拟及分析

3．1 计算方法

3．1．1 CFD软件的选择

3．1．2 密度基求解方法

3．1．3 湍流模型的选择

3．2 边界条件与网格的生成

3．2．1 边界条件

3．2．2 网格的生成

3．2．3 计算模型

3．3 数值计算结果及分析

3．3．1 高超音速弹箭阻力、升力特性分析

3．3．2 不同马赫数下的流场分析

3．3．3 不同攻角下的流场分析

3．4 本章小结

4 高超音速弹箭外弹道数学模型的建立

4．1 外弹道模型常用坐标系

4．2 质点弹道模型

4．2．1 质点弹道运动方程

4．2．2 修正质点弹道方程组

4．3 高超音速炮弹外弹道数学模型

4．3．1 质心动力学及运动学方程

4．3．2 绕质心运动的运动学方程

4．3．3 绕质心运动的动力学方程

4．3．4 有风时相对速度、弹道倾角、相对偏角表达式

4．3．5 弹轴坐标系与弹道坐标系之间的转换关系

4．3．6 地表曲率与科氏惯性力

4．4 本章小结

5 高超音速炮弹外弹道优化设计与弹道特性研究

5．1 高超音速炮弹外弹道优化设计问题描述

5．1．1．目标函数

5．1．2 设计变量

5．1．3 约束关系

5．2 高超音速炮弹参数优化数学模型

5．3 高超音速弹丸优化计算与结果分析

5．4 高超音速炮弹外弹道特性分析

5．5 本章小结

6 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况