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(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-1-[文章编号]2007-4-05(01-08)“北航一号”气动特性分析唐万元马树微(北京航空航天大学宇航学院)[摘要]本文主要对“北航一号”探空火箭的气动特性进行了分析和验证。根据火箭的外形特点,结合无控火箭气动计算方面的理论和经验算法进行工程估算,得出了全箭升阻力系数、压心系数以及阻尼力矩系数等主要气动参数。经过三次实际发射试验,验证了气动计算结果的正确性和可靠性。[关键词]“北航一号”,气动特性,工程估算AerodynamicCharacteristicAnalysisof“Beihang-1”SoundingRocketTangWanyuan(SchoolofAstronautics,BeijingUniversityofAeronauticsandAstronautics)Abstract:Thispapermainlyanalysesandprovestheaerodynamiccharacteristicsof“Beihang-1SoundingRocket”,andgivesthemainaerodynamicparameterssuchaslift/dragcoefficients,coefficientofpressurecenteranddampingmomentcoefficientaccordingtotheconfigurationcharacteristicsofrocketandthetheory/experienceoftheaerodynamiccomputationfortheunguidedrocket,andprovesthecorrectnessandreliabilityoftheaerodynamiccomputationinaccordancewiththerealfiringtestsforthreetimes.Keywords:“Beihang-1”soundingrocket,aerodynamiccharacteristic,engineeringestimation1引言本文主要计算和分析了“北航一号”探空火箭的气动参数。根据火箭的外形特点作一定的简化,再利用气动稳定无控火箭的理论和大量气动部件的风洞试验数据进行经验修正与工程估算。实际发射结果证明,由此得出的气动参数提供给弹道计算程序能很准确地预报出弹着点,这表明对“北航一号”气动参数的工程估算结果是正确、可靠的。[收稿日期]2007年9月28日(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-2-2气动外形分析“北航一号”探空火箭为气动稳定无控火箭。基本外形如图1所示。外形参数:全长2.53m,平均直径180mm,最大直径192mm(分离机构处);火箭头部剖面为二次曲线型,其余舱段均为圆柱段;4片梯形稳定翼,十字形布局,翼展580mm。参考面积:弹身圆柱段横截面积(按外径180mm计算)20.02545refAm=;头锥长径比:4.0nnclfd==;箭身底面积BS减去喷流面积fS与参考面积refA之比:0.5072BfrefSSA−=;展弦比:22.1223WbARS==,其中b为翼展,WS为尾翼面积;2工程估算模型在计算中对部分气动外形进行简化处理,以建立工程估算模型,取二维坐标系如图1所示。在估算中作如下简化处理:(1)视弹身为圆柱段,外径视为180mm,忽略发动机前裙连接处的最大外径为(192mm)对整体圆柱段的影响,忽略导向滑块对气动力分布的影响;(2)稳定翼以二维翼型计算,加经验修正参数;(3)考虑到飞行时间很短,忽略在飞行过程中外部气体流场温度变化对升力系数和阻力系数的影响。简化处理后,根据大量气动部件的风洞试验数据和工程经验进行修正与估算。首先确定全箭质量分布,找出质心位置。以弹头顶部为坐标系原点,全箭比长度为单位化为1,最后确定的质心位置在x轴(纵向)的坐标为0.62。计算过程中的参考面积refA取弹身最大截面积,分别计算气动阻力系数DC、升力系数LC、阻尼力矩系数和全箭的稳定性。图1“北航一号”气动外形图(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-3-3气动参数计算3.1阻力系数阻力系数xD主要由弹身阻力系数、稳定翼阻力系数和相互干扰项组成。考虑到火箭的最大飞行速度约为2.0Ma,所以在计算阻力系数时,取马赫数从0~2.0范围中多数分布在Ma=1.0附近的10个计算点,因为这些点处于跨音速区域,气动参数计算的准确性对整体气动特性的影响相对较大。总的阻力系数计算式为:()DtotalDbodyDfinDBtotalCCCC=++Δ(1)其中:DbodyC为弹身阻力系数;DfinC为稳定翼阻力系数;()DBtotalCΔ为稳定翼对底部阻力的干扰系数。弹身阻力系数计算表达式:DbodyDnoseDfDBcylCCCC=++(2)其中:DnoseC为头部阻力系数;DfC为表面摩擦系数;DBcylC为底部阻力系数。稳定翼阻力系数计算表达式:DfinDwDfDBCCCC=++(3)其中:DwC为稳定翼波阻系数;DBC为稳定翼底部阻力系数。稳定翼对底部阻力的干扰系数为:()20.8250.05()()BfDBtotalrefSStCncMMA∞∞−Δ=−××(4)其中,tc为稳定翼厚度与弦长之比。各表达式中相应参数取风洞试验值或加经验修正系数,计算得出结果如图2所示:(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-4-3.2升力系数考虑到探空火箭飞行迎角小,主要依靠发动机克服重力与空气阻力竖直上升,升力主要来自稳定翼以及弹身。稳定翼固定于弹身不可操纵,设飞行迎角α的范围在55∼-之间。视火箭为对称飞行状态,侧滑角β可处理为与迎角α相同的作用效果。升力系数取来流迎角α从0~5的变化范围进行计算。升力系数计算表达式为:()()()fLLBLWBLBWrefSCCCCA=++(5)其中:LBC为单独弹身升力系数;()LWBC为考虑弹身干扰的稳定翼升力系数;()LBWC为考虑稳定翼干扰的弹身升力系数。cossinLBNBABCCCαα=−(6)其中:NBC为单独弹身法向力系数;ABC为单独弹身轴向力系数。()()LWBWBLWCkKC=(7)其中:k为弹身对稳定翼效率影响的速度阻滞修正系数,一般取0.85~0.9;()WBK为弹身对稳定翼升力影响的干扰因子。各表达式中相应参数取风洞试验值或加经验修正系数,计算得出结果如图3所示。图2阻力系数计算结果(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-5-3.3气动稳定性分析稳定性的定义为(/)100%dLδ=×,其中d为气动焦点位置与质心位置的距离,焦点位置应该在质心之后才是稳定的。L为火箭总长。根据发射架的实际条件,估计火箭的离架速度为30m/s。由实际经验以及场地安全性要求,火箭的静稳定δ应该在8%~15%之间。估算阶段可以根据升力力矩、阻力力矩及自身重力力矩的平衡方程求的气动力焦点,大致找出压心位置。在某一几何形状稳定翼的前提下,计算得到稳定度δ,如果δ的大小不满足要求,则调整稳定翼的几何参数,这个过程需要多次叠代。出于发射场地的安全性考虑,最后的稳定度δ设计为10%~15%,即压心位置应该在图(1)中x轴上约0.72~0.77处。计算结果表明,稳定翼的外形设计符合稳定性要求。全箭压心的计算表达式为:'''..().().()()..().()()()cpBcpWBcpBWcpWLBLWBLBWrefWLBLWBLBWrefxxxxSCCCASCCCA++=++(8)其中:.LBC为单独弹身升力系数;()LWBC未考虑弹身影响时的稳定翼升力系数,以此类推;'.cpBx为弹身单独压力中心系数。'.(0.533)cpnncpBxllxLΔ+=(9)图3升力系数曲线图(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-6-其中:cpnxlΔ为头部压力中心的相对后移值;'.()cpWBx为考虑弹身影响时稳定翼的压力中心系数。..'.()WrWcpWcpWBlCLxx+=(10)其中:.cpWx为稳定翼的压力中心系数;.rWC为稳定翼的根弦长;Wl为火箭顶点到稳定翼前缘和简体相接处的距离;'.()cpBWx为考虑稳定翼影响时的弹身压力中心系数;其余参数同前。各表达式中相应参数取风洞试验值或加经验修正系数,计算得出结果如图4所示。3.4阻尼力矩系数主要有俯仰阻尼力矩系数、滚转阻尼力矩系数和偏航阻尼力矩系数。视火箭为对称飞行,俯仰阻尼力矩系数与偏航阻尼力矩系数一致。全箭滚转阻尼力矩系数表达式为:.2.()22()BcpWlpLWBdzCCLα+=−(11)全箭俯仰阻尼力矩系数计算表达式:..()22..().()2.()57.3[()()()]cmcmcpBcpWBfmqLaBLaWBrefcmcpBWfLaBWrefxxSxxCCCLLAxxSCLA−−=−+−+(12)图4全箭压心系数曲线图(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-7-其中:.cpWz为稳定翼平均弦至根弦的距离;.LaBC为迎角为零时升力系数的导数;.()LaWBC是考虑弹身影响的迎角为零时升力系数导数;cmx为质心位置;cpx为压心系数;其余参数同前。各表达式中相应参数取风洞试验值或加经验修正系数,计算得出结果如图5和图6所示:图5滚转阻尼力矩系数曲线图图6俯仰阻尼力矩系数曲线图(第4期)固体导弹技术SolidMissileTechnologyDec.2007-8-4结论本文主要分析了“北航一号”探空火箭的各项重要气动参数。以工程估算的方式,结合气动稳定无控火箭的理论和大量经验数据,计算得出了升力系数、阻力系数、压心系数等重要气动参数。从发射与回收过程来看,火箭的主要气动特性参数基本正确,利用工程估算得出的气动参数进行弹道计算能很准确地预报出弹着点。同时,火箭气动稳定性很高,能够克服发射现场中低空不规则风场的扰动成功升空。由于火箭总体布局的需要,简体表面存在导向滑块和分离机构形成的鼓包等箭体凸出物都有可能使火箭阻力增加,在计算过程中均依靠经验数据进行修正。为进一步获得准确可靠的数据,还需要进行风洞试验。[参考文献][1][美]陆军器材部顾余铨译.气动稳定无控火箭.国防工业出版社,1985[2]臧国才,李树常.弹箭空气动力学.兵器工业出版社,1989[3]吴甲生.导弹气动力工程计算.北京理工大学出版社,1994[4]宋忠保等.探空火箭设计.宇航出版社,1993[5]E.ArthurBonney,MauriceJ.Zucrow,Aerodynamics,propulsion,structuresanddesignpractice.Princeton,N.J.,VanNostrand,1956[6]苗瑞生,居贤铭.火箭气体动力学.国防工业出版社,1985[7]纪群.探空火箭资料汇编.国防工业出版社,1959——全篇结束——
本文标题:“北航一号”气动特性分析
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