方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaAug252016Vol37No82565-2573ISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxbbuaa．edu．crlhkxb@buaa．educaDoI：10．7527／S10006893．2016．0150方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟陈坚强，陈琦，袁先旭*，谢昱飞中国空气动力研究与发展中心计算空气动力研究所，绵阳621000摘要：飞行器从中小迎角至大迎角范围内，由于背风区流动分离形态的演

2、化，静态气动特性特别是横侧向气动特性也随迎角显著变化，可能诱发复杂的滚转运动。但飞行器一般是上仰机动时，才从平飞状态快速拉起至大迎角，此机动过程对横侧向气动特性和滚转运动可能产生较大影响。本文发展了刚体动力学方程和Navier—Stokes方程的松耦合求解技术，并通过数值模拟航天飞机脱落碎片的六自由度运动轨迹进行了验证。针对背风区涡流形态及横侧向气动特性复杂的方形截面飞行器，数值模拟研究了其不同迎角下的静态滚转气动特性、自由滚转运动特性，以及上仰机动时不同拉起速率对滚转运动特性的影响。结果表明，对于此飞行器，静态

3、时存在临界迎角约为13。，当迎角小于临界迎角时，滚转方向是静不稳定的，诱发快速滚转运动；当迎角大于临界迎角时，滚转方向是静稳定的，其滚转运动是收敛的。但上仰机动时，滚转运动的形态还与拉起速率相关，即使拉起的终止迎角大于临界迎角，如果拉起速率较慢，也可能出现快速滚转运动。关键词：六自由度；松耦合；快速拉起；方形截面飞行器；滚转运动；非定常数值模拟中图分类号：V211．3文献标识码：A文章编号：1000—6893(2016)08—256509先进高机动飞行器一般都具备快速拉起的机动能力。快速拉起过程可以有效摆脱敌方追

4、踪，取得有利的攻击姿势，或有效提升导弹拦截目标的成功率。快速拉起过程中，由于初始状态(初值)和复杂气动特性(边值)的影响，可能诱发其他自由度的非指令运动，对飞行安全产生影响。从而提出飞行器多自由度耦合运动研究需求。为了实现对飞行器多自由度耦合运动的风洞试验和数值模拟技术，国内外开展了一系列研究工作。试验方面，美国阿诺德工程发展中心(Ar—noldEngineeringDevelopmentCenter，AEDC)采用球形气体轴承支撑方式，模拟AIM一9X导弹在气流作用下俯仰、偏航和滚转三自由度的运动过程口。3]。

5、德国针对X一31模型构建了六自由度的风洞动态试验装置，模型可以实现三个方向的自由转动以及三个平动方向的有限运动¨。]。中国多家单位也发展了相应的风洞试验技术研究[61⋯。在数值模拟方面，Thomas[16183、杨小亮[1”21I、杨云军‘22I、张来平‘23I、华如豪‘2川、索谦[2j1等都开展了细致的研究工作。本文通过建立刚体六自由度动力学方程与Navier—Stokes方程的耦合求解技术，研究上仰机动过程对滚转气动特性和滚转运动特性的影响。收稿日期：2016—04—21；退修日期：2016．04—29；录用

6、日期：2016—05—14；网络出版时间：2016—05—2314：31网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／111929V．201605231431002htmI基金项目：国家自然科学基金(11372341，11532016)*通讯作者．Tel：0816-2463304E-mail：xuyan00@sinacom现用格式；陈坚强．陈琦．袁先旭．等方形截面飞行器上仰机动对滚转特性影响的数值模拟iJI航空学报，2016。37(8)：2565-2573CHENJQ．CHENQ。YUANXX．

7、etalNumericalsimulationofrollingcharacteristicsinnose—upprocessofsquarecrosssectionvehicleEJJActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2016，37(8)?2565-2573航空学报研究对象是带4片小翼的方形截面细长体飞行器，定常计算结果与试验值吻合良好，并通过数值模拟航天飞机脱落的泡沫碎片的六自由度运动轨迹考核了建立的耦合模拟技术；分析了方形截面飞行器的滚转气动特性，并通过数值模拟自由滚转

8、运动的过程验证了分析结论；研究了上仰机动过程中气动力的非定常迟滞效应，开展了不同拉起速率对滚转运动特性的影响研究。1数值方法和计算模型本文通过数值求解非定常Navier—Stokes方程，以获取飞行器运动过程的非定常气动力。空间离散格式采用原始变量NND格式E26

9、，限制器选用min—mod限制器；非定常时间推进采用Jameson[27]的双时间步方法。采用松耦合的方式解