高超音速炮弹气动分析及弹道仿真研究

作     者：黄玉才 

作者单位：南京理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李岩

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 0826[工学-兵器科学与技术] 082603[工学-火炮、自动武器与弹药工程] 

主      题：高超音速 弹丸 气动特性 湍流模型 大气模型 外弹道 优化设计 

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几乎是空白。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。