Numerical Simulation Studies of the Separation Process of Eccentric Tail Cover

ZOU Wenting, ZHENG Jian, ZHANG Menglong

JPRMG ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (3) : 87-95.

PDF(3320 KB)
PDF(3320 KB)
JPRMG ›› 2024, Vol. 44 ›› Issue (3) : 87-95. DOI: 10.15892/j.cnki.djzdxb.2024.03.012

Numerical Simulation Studies of the Separation Process of Eccentric Tail Cover

Author information +
History +

Abstract

In order to realize the purpose of the tail cover being side-thrown away from the launch axis during the second ignition of the cold catapult missile, a new type of shroud throwing scheme was proposed: the eccentric tail cover and the nozzle outlet were connected by a sealing plug, and the gas jet was used as the power source to realize the side-throwing separation. Considering the influence of different centroid positions and horizontal lateral winds on the separation process, a three-dimensional tail mask separation model was established, combined with the overlapping dynamic mesh technology, the fluid control equation and the rigid body six-degree-of-freedom motion equation were coupled, and the tail cover separation process was numerically simulated. The variation curve of the motion characteristics of the tail cover when it is impacted by the jet and the interference characteristics of the tail cover on the flow field of the gas jet are obtained. The results show that the scheme can achieve the purpose of lateral throwing of the tail cover away from the emission axis. With the increase of the degree of centroid bias, it is beneficial for the jet state at the axis to be stable first. When the centroid position is greater than one-half radius, the jet has a greater accelerating rotation effect on the tail cover than the translational rotation, which increases the instability of the tail cover during the movement, and the tail cover tends to be close to the axis in the later stage of separation. The horizontal lateral wind is conducive to the tail cover to stay away from the axis, and the trend of moving away from the axis is more obvious with the increase of wind speed.

Key words

separation of tail cover / gas jet / centroid offset / sidewind / overlapping grids

Cite this article

Download Citations
ZOU Wenting, ZHENG Jian, ZHANG Menglong. Numerical Simulation Studies of the Separation Process of Eccentric Tail Cover[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2024, 44(3): 87-95 https://doi.org/10.15892/j.cnki.djzdxb.2024.03.012

0 引言

现代火箭武器发射方式主要分为冷弹射方式和热发射方式两大类。冷弹射技术主要借助外在的弹射装置将导弹弹射出筒,在离地面一定的高度以后,控制一级发动机点火工作。为避免弹射时高温高压燃气对一级尾段内的设备及发动机造成危害,在弹射阶段通常用尾罩起保护和承力作用。同时,为避免尾罩在下落过程中对地面设备及人员造成伤害,尾罩在分离过程中应当及时偏离导弹中轴线。目前广泛使用的尾罩分离方案有:1)旋抛式,导弹一级尾端与尾罩通过铰链机构连接,在爆炸螺栓解锁后尾罩沿回转装置旋转至安全角度,依靠惯性与弹体分离[1];2)滞留式,导弹尾部与尾罩通过定位销进行连接,在弹射出筒时尾罩通过滞留装置留在筒内[2];3)侧推式,爆炸螺栓解锁后,依靠固体小火箭作为分离动力源,将尾罩推离导弹中轴线[3]。上述分离方案多采用火工品方式分离且分离机构复杂,爆炸后不可重复利用,且爆炸碎片运动方向随机,对导弹的结构强度造成一定威胁,也会对导弹的出筒姿态造成飞行的初始扰动,进而影响飞行精度甚至造成安全隐患。
尾罩分离属于多体分离动力学问题,是导弹设计的关键技术之一。袁先旭等[4]采用非定常数值模拟方法结合动网格技术,对尾罩不同冷分离距离时高温燃气与尾罩碰撞后反射流动对发动机防护罩的非定常载荷进行分析。朱学昌等[5]对低空高速飞行整流罩分离过程进行研究,提出了基于动力学仿真技术的研究思路及其发展趋势。田浩等[6]建立了外头罩分离动力学模型,结合蒙特卡洛打靶技术分析了外头罩的分离运动曲线和落点分布范围。孙伟等[7]对不同风速下尾罩分离过程展开研究,对比分析了尾罩运动姿态及落点位置。黄在胜等[8]采用重叠网格技术,对子母弹多体分离时子弹穿越母弹头部激波过程中的气动参数变化和流场特性进行研究。
分离过程中燃气射流对尾罩存在强烈的冲击效应从而影响其运动轨迹,同时尾罩会对燃气射流流场产生干扰特性,因此研究二者耦合过程是保证尾罩安全分离的关键。夏胜禹[9]利用动网格技术研究了射流冲击下不同开盖方式和不同的破膜压力对初始冲击波和发射箱后盖的影响。朱孙科等[10]对弹尾欠膨胀燃气冲击流场特性开展研究,分析了流场演化过程中形成的复杂波系结构。乔野等[11]对多喷管液体火箭动力系统尾焰流场特性进行研究,通过数值模拟计算得到了不同飞行高度时尾焰流场结构及参数分布情况。王洪武[12]对火箭一二级级间热分离过程开展研究,分析了憋压过程中级间流场结构以及分离过程中前封头的受力特性。
文中结合上述学者研究经验,提出一种新型抛罩方案:尾罩与喷管出口通过安装密封塞实现连接,依靠燃气射流作为分离动力源,通过尾罩质心偏置的方式实现侧抛目的。基于有限体积法通过耦合求解拉格朗日欧拉(ALE)描述下三维非定常可压缩N-S流体控制方程及刚体六自由度运动方程,采用k-ω SST湍流模型以及二阶迎风格式进行空间离散,对三种不同质心位置尾罩的分离过程进行数值模拟计算,并对受射流冲击后尾罩的运动特性以及分离过程中尾罩对燃气射流流场产生的干扰特性展开研究。

1 模型建立

1.1 物理模型

在尾罩分离过程中,喷管喷出高温高压燃气射流对尾罩产生较大冲击作用,分离过程瞬间完成并伴随着复杂的流场波系结构,完整的分离模型庞大且复杂,会消耗大量的计算时间和计算成本。因此,为建立满足实际工程应用的计算模型,在考虑多种分离因素影响后作如下假设:1)喷管壁面绝热;2)燃气射流为可压缩理想气体;3)在达到分离压强2 MPa前,将喷管出口设置为壁面替代密封塞结构,尾罩视为不可变性刚体, 以实现对分离模型进行简化。
尾罩分离过程如图1所示,根据上述假设建立尾罩分离模型并使用ICEM进行网格划分。计算模型由喷管内流场、尾罩及外流场域组成。尾罩侧抛方向与质心位置有关,为提高计算效率,外流场域设计为长方体(六面均为压力出口)且尾罩侧抛方向流场域体积大。考虑导弹实际发射情况,设计其发射高角为70°。该模型采用六面体结构网格划分如图3,整体网格数量约为700万。为研究尾罩运动过程,采用重叠网格技术,喷管内流场及外流场域构成背景网格,尾罩作为前景网格,为保证尾罩运动过程中前景网格与背景网格匹配度良好,对尾罩与外流场重叠区域进行局部加密,且保证网格之间尺寸过度均匀,以提高求解精度。
Fig.1 Schematic diagram of tail cover separation

图1 尾罩分离示意图

Full size|PPT slide

为研究质心位置变化对尾罩分离过程的影响,选取5个不同位置的质心参考点进行非定常瞬态计算,质心位置如图2所示。
Fig.2 Tail cover meshing model

图2 尾罩网格模型

Full size|PPT slide

Fig.3 Overset meshing model

图3 嵌套网格模型

Full size|PPT slide

1.2 流体计算模型

流体区域采用拉格朗日欧拉(ALE)有限体积法描述下的三维非定常可压缩的雷诺平均N-S方程,其表达式为:
t∫∫∫ΩUdV+∫∫∂VF·dS=∫∫∂VH·dS
(1)
式中:Ω为控制体的体积;∂V为控制体的积分面积;U为守恒型解矢量;F为对流通量失量,H为扩散通量矢量。
燃气射流流动是典型的湍流流动,Menter[13]提出的k-ω SST剪切应力输运(shear-stress-transport)模型,有效结合了标准k-e模型在近壁面区计算的优点和k-ω模型在远场计算的优点,同时增加了横向耗散导数项,在湍流粘度定义中考虑了湍流切应力的运输过程,在靠近喷管及尾罩壁面的自由流、逆压梯度流动预测具有更高的精度和可信度。因此k-ω SST模型可以很好的对尾罩分离过程中的流场变化情况进行分析和研究,其张量形式为:
t(ρk)+xi(ρkui)=xjΓkkxj+Gk-Yk+Skt(ρω)+xj(ρωuj)=xjΓωωxj+Dω+Gω-Yω+Sω
(2)
式中:Γk,Γω为湍动能k和比耗散率ω的有效扩散系数;Gk,Gωk,ω的产生项;Yk,Yωk,ω的耗散项;Dω为交叉扩散项;Sk,Sω为各方程的自定义原项。

1.3 六自由度运动模型

尾罩运动可视为质心的平移运动和绕质心转动,其计算模型姿态、位置的变化可通过求解动力学与运动学方程组得到,在惯性坐标系中六自由度运动方程组为:
mdVdt=FM=dLdtvi=x·iω=θ·+φ·+Ψ·
(3)
式中:M为模型所受合力矩;L为惯性张量矩阵;xi为尾罩质心位移的分量;vi为尾罩质心速度的分量;ω为尾罩相对于惯性坐标系的角速度; θ·, φ·, Ψ·分别为尾罩绕体坐标系的俯仰角速度、滚转角速度及偏航角速度。

1.4 耦合求解方法

尾罩分离问题是典型的动态问题,在对此类问题进行数值模拟时,准确捕捉其运动边界的变化是关键所在,采用拉格朗日欧拉(ALE)描述流场区域,基于牛顿基本定律的六自由度方程组描述尾罩运动特性。为实现尾罩分离过程中流场区域的更新,将流体控制方程与刚体六自由度方程耦合求解,采用三维重叠动网格技术并结合用户自定义函数(UDF)来实现运动边界区域网格更新,其耦合求解过程为:
1) 在当前时间步ti下,尾罩速度、角速度及位置姿态已知;
2) 求解流体控制方程得到下一时间步ti+1的流场特性,综合气动力、重力及外力因素积分得到该时间步尾罩的受力情况及力矩大小;
3) 根据ti+1时刻受力情况,求解刚体运动方程得到尾罩速度、角速度及姿态变化量;
4) 根据上述步骤中的位移量及转动量,将运动网格更新,完成该时间步长计算。

2 边界条件以及初始条件

为保证计算准确进行且符合实际情况,在开始计算前为流体区域和边界进行了初始设定,主要分为四部分。
1) 压力入口,依据经典内弹道的计算曲线,通过编写用户自定义函数(UDF)定义压力入口条件随时间变化曲线。
2) 壁面边界条件,壁面包括喷管壁面及尾罩壁面,均采用无滑移绝热壁面条件。
3) 压力出口,外流场域设置为压力出口与外界大气环境保持一致,常温常压。
4) 初始条件,在进行数值计算前,对流场部分进行初始化,即给定流场初始计算条件。全部流场域取静止大气参数为:
u=v=0T0=300KP0=101325Pa
(4)

3 仿真结果与分析

将尾罩分离过程分为3部分展开研究:1)在尾罩达到分离压强前喷管为密闭容腔,对喷管建压时内部流场进行分析研究;2)到达分离压强后,在尾罩运动过程中对燃气射流流场产生的干扰特性展开研究;3)分析受射流冲击影响时尾罩的运动特性,并预测其落点位置。

3.1 建压过程内流场分析

以喷管出口为界,将整个流场域分为两部分:喷管内流场及标准大气环境下的外流场区域。在尾罩分离前,外流场始终保持在常温常压状态下,此时主要分析建压过程中喷管内流场的瞬态变化,故只截取喷管部分云图。
图4为尾罩开启压强2 MPa时喷管内在不同时刻流场瞬态特性压强分布情况。随着燃气大量涌入,喷管内原有空气被压缩,使得扩张段内压强增大。图4(a)t=1 ms时,燃气射流经过喉部后,首先出现一道膨胀波,接着在喉部下游扩张段内形成一道正激波,并在正激波后方出现负压区,此时喷管内压强分布较为均匀未出现局部高压区。燃气射流继续向喷管出口方向运动,图4(b)t=3.2 ms时,与扩张段内被压缩空气相互作用,在靠近喷管壁面处形成涡结构并向上游快速流动,将燃气射流向轴线方向压缩。正激波前方形成高压区阻碍燃气流动,使得正激波逐渐向弓形激波形态演变,同时在扩张段形成多道弱压缩波。图4(c)t=6.2 ms时,燃气射流直接作用于尾罩内侧,尾罩中心区域率先形成高压区,随即向四周扩散,一部分撞击至喷管内壁后回流形成涡结构,与正向传播的射流汇合并限制射流喷射范围。直到此时喷管涡结构基本处于对称状态,受尾罩中心处压强影响,涡心在壁面和轴线之间往复运动。在建压末期,图4(d)图4(e)t位于12.6 ms、20 ms时,由于燃气不断叠加,涡结构数量明显增多且涡流面增大,喷管内流场变得更加复杂不再具有对称性,压强梯度逐渐减小并趋于平稳,燃气速度降低,喷管内温度升高,直到尾罩内表面平均压强升至2 MPa左右。
Fig.4 Transient characteristics of the flow field in the nozzle at different moments in the pressure building process

图4 建压过程中喷管内不同时刻流场瞬态特性

Full size|PPT slide

3.2 尾罩分离过程外流场分析

该部分主要研究从尾罩开始运动到燃气射流自由发展这一过程中外流场的变化情况。如表1所示,选取上述第1、第3、第5参考点分别建立3种工况,研究不同质心位置对分离过程的影响;以参考点1为基础,建立工况四,考虑不同侧向风速对尾罩分离过程的影响。对上述4种工况的外流场进行对比分析,其中r为尾罩半径,导弹允许发射的最大风速为15 m/s。
Table 1 Centroid positional parameter

表1 质心位置参数

Case Reference point Coordinate Sidewind speed/(m/s)
1 1 (-0.25r,0,0) 0
2 3 (-0.50r,0,0) 0
3 5 (-0.75r,0,0) 0
4 1 (-0.25r,0,0) 15
图5为尾罩分离过程中工况一条件下不同时刻流场压强和速度分布情况。t=20 ms时,尾罩内表面的平均压强达到分离压强2 MPa,在尾罩打开瞬间已有燃气从缝隙溢出,但喷管出口压强并没有迅速降低。图5(a)t=22.5 ms时,喷管扩张段压强出现先降低后升高的趋势,这是由于大部分高温高压燃气受尾罩阻碍作用,无法顺利进入外界环境,并在尾罩内侧大量堆积造成局部压强升高约为0.45 MPa,燃气速度由超音速逐渐降为亚音速,与此同时喷管轴线右侧燃气相较于左侧膨胀更加充分,将进一步推动尾罩顺时针翻转。随着尾罩继续向下运动,超音速燃气向射流边界膨胀,使得射流中心区域压强降低。在燃气过度膨胀后,射流边界压强大于环境压强,在外部环境的作用下燃气向内压缩形成两道相交于轴线的斜激波,在燃气两次经过斜激波后压强增大,图5(b)t=27 ms时,出现初始波节和马赫盘。t位于22.5~30 ms时,可看出随着尾罩顺时针翻转,其内侧局部高压区逐渐向一侧偏移且压强不断减小。直到图5(d)t=33 ms时,尾罩基本离开喷管轴线位于射流边界混合区,尾罩内侧靠近高速射流出现负压区。图5(e)t=38 ms时,相较于初始时刻尾罩旋转了约120°,由压强云图可看出,轴线处出现规律性波系结构,射流自由发展,边界的湍流区面积不断扩大,直到与外界环境融合趋近于大气压,此时尾罩内外两侧压强基本一致。
Fig.5 Transient characteristics of the flow field at different moments during the movement of the tail cover in case 1

图5 工况一尾罩运动过程中不同时刻流场瞬态特性

Full size|PPT slide

图6为尾罩分离过程中工况二条件下不同时刻流场压强和速度分布情况。同工况一相比较,在尾罩开启初始时刻扩张段内压强并没有立即降低,推测其原因与工况一一致。在相同时刻,工况二条件下的尾罩翻转角度更大,燃气射流流场结构受干扰作用更明显。从尾罩运动过程来看,图6(b)t=30 ms时,射流传播方向发生明显改变,尾罩附近区域射流绕过尾罩向上游发展并呈波浪状流动,且在尾罩上游一侧出现负压区,此时尾罩外侧压强大于内侧。图6(c)t=33 ms时,部分亚音速燃气直接作用于尾罩外侧,与继续向上游发展的燃气一同从右侧将尾罩包裹,使得尾罩主对角线处压强低于副对角线,推动其继续顺时针旋转。推测原因是由于质心位置左移,导致在初始阶段燃气射流作用于尾罩时产生的顺时针力矩更大,使得尾罩在下移的同时更早翻转,从而无法及时离开轴线,与靠近轴线区域的高速燃气射流产生的相互作用更为强烈。
Fig.6 Transient characteristics of the flow field at different moments during the movement of the tail cover in case 2

图6 工况二尾罩运动过程中不同时刻流场瞬态特性

Full size|PPT slide

图7为尾罩分离过程中工况三条件下不同时刻流场瞬态特性压强和速度分布情况。同工况一、工况二相比较,该工况下燃气射流受尾罩影响最为强烈,同一时刻尾罩翻转角度最大,射流流场中波系结构最为复杂。图7(a)t=27 ms时,可看出尾罩在翻转过程中一侧“嵌入”至高速燃气中,使得两道斜激波无法正常相交,同时在尾罩内侧产生一道激波,尾罩内外侧压强差明显。图7(b)t=30 ms时,尾罩已转过180°且基本离开喷管轴线,但对燃气混合区域的干扰依旧明显,高速燃气在膨胀过程中将尾罩包裹,该现象相较于工况二提前约3 ms出现。
Fig.7 Transient characteristics of the flow field at different moments during the movement of the tail cover in case 3

图7 工况三尾罩运动过程中不同时刻流场瞬态特性

Full size|PPT slide

图8为尾罩分离过程中工况四条件下不同时刻流场瞬态特性压强和速度分布情况。与工况一相比较尾罩受到15 m/s水平侧向风影响,在相同时刻尾罩翻转角度更大,且湍流区扩散更为明显,尾罩与射流相互作用过程基本一致。图8(a)t=27 ms时,尾罩内侧局部高压区右移,射流绕过尾罩向上游发展。图8(b)t=30 ms时,尾罩偏离喷管轴线,该现象相较于工况一提前约3 ms出现。图8(c)t=33 ms时,混合区射流膨胀出现包裹尾罩趋势,喷管轴线处燃气射流已处于自由发展状态。
Fig.8 Transient characteristics of the flow field at different moments during the movement of the tail cover in case 4

图8 工况四尾罩运动过程中不同时刻流场瞬态特性

Full size|PPT slide

由上述云图分析可看出,不同质心位置的尾罩对燃气射流的阻碍效果不同,下面对4种工况分别在t=27 ms,30 ms,33 ms时喷管轴线方向上的燃气参数进行研究。
图9为3个时刻喷管轴线上的压强分布曲线。对比3个时刻喷管入口位置,压强呈上升趋势,与给定压强入口条件一致。在喷管轴线方向0.1 m位置均出现初始压力峰值约为0.2 MPa,这是由于燃气通过两道斜激波后压强升高。由图9(a)可得,工况一、工况二、工况四中由于尾罩阻碍作用,喷管轴线处压强在经过尾罩后均出现骤减现象;而同一时刻,工况三中射流已绕过尾罩向下发展,但由于尾罩一侧产生干扰作用使得压强出现震荡式变化。在图9(b)中,工况二、工况三、工况四条件下的尾罩已离开喷管轴线,轴线处压强变化趋势基本一致,在初始波节后并无较大震荡;而工况一中大量燃气在尾罩靠近轴线一侧堆积出现压强突增,在经过尾罩后骤减。在图9(c)中,4个工况在喷管轴线处压强变化一致出现规律性震荡直至趋近于外界环境压强,说明此时尾罩对轴线处射流已无明显干扰作用,射流处于自由发展状态。
Fig.9 Pressure distribution on the nozzle axis at different moments

图9 不同时刻喷管轴线上压强分布

Full size|PPT slide

结合上述分析,4种工况在尾罩开启后13 ms内均离开喷管轴线,其中工况三最先离开,工况一所需时间最长。由于水平侧向风影响,工况四中的压强变化曲线出现整体小幅度左移趋势。

3.3 尾罩运动特性分析

分离前尾罩与弹体固联,两体之间的相互作用力可视为内力,然而在尾罩分离过程中两体存在相对运动,作用力应按照外力分析。考虑水平侧向风时,将其对尾罩产生的影响沿惯性坐标系分解。因此尾罩下落过程的运动特性分为两部分进行研究:首先从开启尾罩到38 ms时,尾罩处于羽流区内,该阶段尾罩受射流冲击作用明显,将其运动分为质心平动和绕质心转动两方面展开分析;在38 ms后的尾罩运动视为有初速度的自由落体运动,并对尾罩落点进行预测。
图10为尾罩质心转动特性变化曲线。在初始分离时刻,射流对尾罩瞬时冲击力大小基本一致,4种工况尾罩所受力矩大小与质心位置呈正相关。由图10(a)可得,工况二、工况三、工况四中力矩变化趋势基本一致,呈先递减后递增再逐渐趋于稳定状态且力矩始终小于零,说明尾罩始终进行加速顺时针旋转运动,与图10(b)中尾罩绕Z轴转速变化趋势保持一致,其中工况四受侧向风影响,使得尾罩初始力矩大于工况一。而工况一条件下力矩出现反向递增即力矩大于零持续约2 ms,与之对应尾罩绕Z轴减速转动,且工况三条件下尾罩绕Z轴转动角速度始终最大,工况二次之,工况一最小。结合图10(c),由于尾罩质心位于对称轴上,其俯仰角和侧偏角在工况一、工况二、工况四中基本无变化保持稳定,而工况三出现明显震荡现象。这是由于同一时刻工况三俯仰角最大更有利于高温高压射流膨胀发展促进尾罩加速转动,与此同时增加了尾罩运动过程中的不稳定性。
Fig.10 Rotational characteristics of tail cover centroid

图10 尾罩质心转动特性

Full size|PPT slide

图11为尾罩质心平动特性曲线。结合上述绕质心转动特性曲线,相同时间内,工况三角速度最大并率先转过90°,因此在初始阶段射流冲击尾罩时,尾罩内侧的受力面积变化率最大;而工况一位于喷管轴线时间最长,持续受高速射流的冲击作用,对应图11(b)中工况一持续加速时间最长且速度最大,而工况三率先稳定且速度最小,因此相同时间内工况一沿Y方向位移最大,工况三最小,如图11(c)所示。工况三在分离过程中出现先远离后趋近于轴线趋势,这是由于初始阶段质心随着尾罩翻转角度增大率先远离轴线,在t=27 ms时尾罩一侧“嵌入”高速射流中,尾罩两侧产生较大压强差,迫使尾罩靠近喷管轴线,由图11(a)可看出,此时工况三产生沿X方向加速运动趋势。在t=33 ms后3种工况条件下的尾罩基本离开喷管轴线,质心平动特性逐渐趋于稳定,与之对应上述喷管轴线上的压强变化曲线在该时刻同样趋于稳定。
Fig.11 Translational characteristics of tail cover centroid

图11 尾罩质心平动特性

Full size|PPT slide

结合上述分析,当尾罩在羽流区内时,工况一条件下的尾罩与含有复杂波系结构的超声速燃气射流相互作用时间最长,运动速度最大;工况二、工况三、工况四条件下尾罩的运动特性变化基本一致,其中工况二最先趋于稳定状态,且在38 ms时远离轴线趋势最为明显。受水平侧向风的影响,尾罩产生偏离轴线趋势,因此受到轴线处高速射流冲击作用时间短,相较于工况一平度速度减小、角速度增大,更有利于尾罩在后续运动过程中侧向偏离喷管轴线。
图12为尾罩以t=38 ms为初始状态的自由落体过程中质心位置变化情况及落点预测。本文惯性坐标系原点设置在尾罩中心,当导弹以70°发射出筒后,在距离地面竖直高度为20 m时一级发动机点火,经过38 ms后尾罩处于燃气射流边缘。从该时刻起,在考虑尾罩初速度及空气阻力情况下假定其进行自由落体运动。对比五种不同质心尾罩,可看出参考点3(工况二)落点位置距发射轴线最远,参考点1(工况一)距离最近;在考虑侧向风时,风速为15 m/s时尾罩落点距发射点最远。
Fig.12 Prediction of the position of the tail cover landing point

图12 尾罩落点位置预测

Full size|PPT slide

表2为考虑侧向风时7种质心位置尾罩在羽流区外的水平落点位置及落点距离发射点水平位移。由表2可得,落点位置距离发射点横向距离最大为4.67 m,且尾罩在羽流区外自由落体过程中受到侧向风影响更为明显,随着风速增大尾罩偏移距离增大。综合考虑导弹弹道划定半径为10 m的落区范围,在该范围外可保证人员及设备安全。
Table 2 Distribution of tail cover landing points

表2 尾罩落点分布

Centroid No. Speed of
slidewind/(m/s)
Landing point
on the X-axis/m
Distance from
launch point/m
1 0 3.6 3.5
2 0 3.27 3.83
3 0 3.13 3.97
4 0 3.35 3.75
5 0 3.56 3.54
6 1~8 3.12 3.98
7 1~15 2.43 4.67

4 结论

以轴对称单喷管、尾罩及外流场域构成分离模型,基于有限体积法耦合求解流体控制方程及六自由度刚体运动方程,结合三维重叠动网格技术对不同质心位置的尾罩分离过程进行了数值模拟,获得了不同时刻尾罩对燃气射流流场的干扰特性及受冲击作用下尾罩的运动特性,分析了不同质心位置对尾罩抛射轨迹的影响,得出如下结论。
1)在建压过程中,射流在喷管出口与尾罩内侧接触后发生回弹对后续正向传播的射流产生阻碍作用,燃气之间相互碰撞使得喷管扩张段流场变化最为剧烈。
2)在分离过程中,随着质心偏置程度增大,尾罩运动过程中的不稳定性增大。随着水平侧向风速增大,尾罩偏离喷管轴线距离越远,且当尾罩在羽流区外时受侧向风影响作用更为明显。
3)尾罩落点与质心偏置程度的关系:当质心偏置程度小于0.5r时,质心偏置有利尾罩远离发射轴线;当偏置程度大于0.5r时,由于初始时刻所受力矩较大,射流对尾罩产生加速转动效果逐渐大于平动,使得尾罩在分离后期出现靠近轴线趋势。
4)质心偏置可以实现尾罩抛离发射轴线的目的,且考虑侧向风时尾罩落点位置距离发射点横向距离最大为4.67 m,综合考虑发射过程及外界因素的干扰作用,安全距离设定为10 m以外可保证人员及设备安全。

References

[1]
华楠, 阎君. 新型尾罩分离方案及分离过程的仿真[J]. 导弹与航天运载技术, 2005(2): 6-10.
HUA N, YAN J. A new tail cover separation concept and simulation of separation process[J]. Missile and Space Launch Technology, 2005(2): 6-10.
[2]
晁锐, 杨蓉, 赵新强, 等. 一种滞留式尾罩分离技术[J]. 导弹与航天运载技术, 2013(3): 12-14.
CHAO R, YANG R, ZHAO X Q, et al. A retention tail cover separation technology[J]. Missile and Space La-unch Technology, 2013(3): 12-14.
[3]
李慧通, 赵阳, 田浩, 等. 导弹抛底罩过程建模与分析[J]. 航空学报, 2016, 37(6): 1876-1887.
Abstract
导弹冷发射采用底罩保护一级发动机,发射后需要将底罩抛离。为了防止底罩撞击地面设备,采用了铰链连接的利用弹簧作为分离能源的侧抛分离方案。对分离运动及动力学特性进行了研究,建立了底罩旋抛过程的运动学和动力学模型。对导弹底罩分离过程中受到的气动力、弹簧力和空气负压力等多种不确定性因素进行了灵敏度分析,通过仿真得到了底罩脱离角度和弹簧相关参数对分离过程的影响,并进行了参数优化。最后对考虑多个偏差影响下的分离方案进行正交仿真试验,得到了主发动机点火时底罩质心散布范围和底罩落点范围。
LI H T, ZHAO Y, TIAN H, et al. Modeling and analysis of missile trail cover throwing process[J]. Acta Aeronautica et Astronaution Sinica, 2016, 37(6): 1876-1887.
[4]
袁先旭, 杨明智, 陈坚强. 火箭发动机尾罩热分离流场的数值模拟[J]. 空气动力学学报, 2007, 25(1): 60-64.
YUAN X X, YANG M Z, CHEN J Q. Numerical simulation of thermal separation flow field of rocket engine tail cover[J]. Acta Aerodynamics Sinica, 2007, 25(1): 60-64.
[5]
朱学昌, 李浩远, 喻天翔, 等. 低空高速飞行器整流罩分离技术研究现状和展望[J]. 固体火箭技术, 2014, 37(1): 12-17.
ZHU X C, LI H Y, YU T X, et al. Research status and prospect for low-altitude and high-speed fairing separation technique[J]. Journal of Solid Rocket Technology, 2014, 37(1): 12-17.
[6]
田浩, 穆洲, 李慧通, 等. 导弹外头罩分离及落区预测仿真[J]. 系统仿真学报, 2018, 30(3): 1056-1062.
Abstract
某些型号导弹发射过程中使用外头罩对内部设备进行保护,为了防止分离后外头罩砸伤工作人员或者相关设备,需要预测外头罩的落地位置范围,并采取相应的防护措施。针对某型导弹外头罩分离系统,在研究固体燃气发生器和正推火箭的外头罩分离方案基础上,建立了外头罩分离过程和坠落过程的动力学模型。采用蒙特卡洛打靶技术,经仿真计算,得到外头罩坠落过程的运动曲线和落点位置的分布范围。本文仿真结果能够为发射装置及人员防护设计提供技术支持。
TIAN H, MU Z, LI H T, et al. Simulation of missile head cover separation and landing locations[J]. Journal of System Simulation, 2018, 30(3): 1056-1062.
Some missiles use head cover to protect the internal equipment during the launching process. In order to prevent the head cover from damaging the people or equipment after separation, researchers need to predict the landing position range and take protective measures. This paper designs a separation scheme for a missile head cover separation based on solid propellant gas generator and solid rocket. In this study, we establish a dynamic simulation model of head cover separation and falling procedure. The simulation calculation of the head cover location range considering multiple factors using <em>Monte-Carlo method is developed</em>. And the motional curve of separation bodies and<em> the danger zone of head cover landing location</em> are obtained. The simulation results in this paper will provide technical support for rocket launcher and personnel protection design.
[7]
孙伟, 陈泽栋. 风载荷对飞行器尾罩分离影响的数值模拟分析[J]. 弹箭与制导学报, 2019, 39(6): 102-106.
SUN W, CHEN Z D. Numerical simulation analysis of the effect of wind load on the separation of aircraft tail cover[J]. Journal of Projectiles, Rockets, Missiles and Guidance, 2019, 39(6): 102-106.
[8]
黄在胜, 郭则庆. 基于重叠网格技术的超声速子母弹分离研究[J]. 兵器装备工程学报, 2023, 44(7): 85-93.
HUANG Z S, GUO Z Q. Research on separation of supersonic cluster munitions based on overlapping grid technology[J]. Journal of Ordnance Equipment Engineering, 2023, 44(7): 85-93.
[9]
夏胜禹. 基于动网格技术燃气开盖研究[D]. 北京: 北京理工大学, 2015.
XIA S Y. Study of the automatic cover opening by jet flow based on dynamic mesh technology[D]. Beijing: Beijing Institute of Technology, 2015.
[10]
朱孙科, 罗天洪, 徐向阳. 导弹尾部燃气冲击射流的流场特性仿真研究[J]. 计算机仿真, 2017, 34(2): 123-127.
ZHU S K, LUO T H, XU X Y. Simulation study on flow-field characteristics of gas impinging jet formed by missile after body[J]. Computer Simulation, 2017, 34(2): 123-127.
[11]
乔野, 聂万胜, 吴高杨, 等. 多喷管液体火箭动力系统尾焰冲击特性研究[J]. 推进技术, 2017, 38(3): 498-503.
QIAO Y, NIE W S, WU G Y, et al. Research on plume impact characteristics of multi-nozzle rocket propulsion system[J]. Journal of Propulsion Technology, 2017, 38(3): 498-503.
[12]
王洪武. 火箭一二级级间热分离仿真计算研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2020.
WANG H W. Simulation and calculation of thermal separation between the first stage and second stage of rocket[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology, 2020.
[13]
MENTER F R. Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications[J]. AIAA Journal, 1994, 32(8): 1598-1605.
PDF(3320 KB)

69

Accesses

0

Citation

Detail

Sections
Recommended

/