制导炮弹总体气动设计和性能计算概述

韩立斌 刘士伟

摘要：精确制导技术，增程技术、小型化与模块化技术的应用以及低成本控制等未来战争对制导炮弹的技术要求。针对增程型制导炮弹，概述了目前总体气动设计和性能计算方面的研究现状，以期为制导炮弹的研究提供参考。

关键词：制导炮弹;增程技术;总体设计

一、制导炮弹发展历程

制导炮弹是在制导技术、微电子技术以及空气动力学等基础上发展而来的新型炮弹。相对于常规炮弹，制导炮弹具有命中率高、可打击静态和动态目标的优点，相对于制导导弹，则具有携弹量大、布置灵活以及低成本等优点[1]。根据应用情景不同，制导炮弹分为陆军火炮制导炮弹、制导迫击炮弹[2]、制导火箭弹以及舰炮制导炮弹[3]等。美国和前苏联最初研发陆军火炮制导导弹，分别研发出采用激光半主动制导的“铜斑蛇”和“红土地”。后续采用INS/GPS复合制导方式，涌现出“神剑”火炮制导炮弹以及“ERGM”、“鹈鹕”和“火山”等舰炮制导炮弹，射程由早期激光半主动制导炮弹的20公里提高到50公里以上。美国、俄罗斯、瑞典和以色列将不同的制导技术应用在常规迫击炮弹上，研发出光电/ 红外制导的“XM386”迫击炮弹、半主动激光制导的“晶面”、“勇敢者”和“LGMB”迫击炮弹等[2]。为了适应未来高科技战争的需求，对制导炮弹提出了更高技术要求，包括精确制导技术，增程技术、小型化与模块化技术以及低成本控制等。

目前常用的增程技术包括底排增程、冲压增程、滑翔增程以及复合增程等。以冲压- 滑翔复合增程技术为例，炮弹以超声速发射出炮口，尾翼展开稳定弹体，流入进气道的气流与燃烧室燃料混合燃烧，产生的高温、高压气体由尾喷口喷出，从而弹体迅速加速，为冲压阶段;燃料燃烧结束后，头部进气口封闭，炮弹像常规炮弹一样爬升，为爬升飞行阶段;在炮弹到达弹道顶点附近，鸭翼弹出用来修正飞行弹道，为滑翔阶段。弹体总体气动设计、进气道流场特性和鸭翼气动效率等直接决定制导炮弹性能，下面概述增程制导炮弹设计和计算方面的研究现状。

二、总体气动设计

鸭翼对于制导炮弹滑翔阶段至关重要，史金光[4-5]进行了滑翔增程弹舵面的气动设计，研究了鸭式舵的几何参数选择、舵面尺寸确定的方法，采用该方法确定的舵面具有较好的稳定性和操纵性。另外还建立了鸭式制导炮弹气动外形优化参数数学模型进行了气动外形优化设计。雷娟棉[6]对鸭式布局增程制导炮弹进行了总体设计，采用6叶片大展弦比无后掠尾翼提高静稳定性，鸭舵采用无弯度NACA层流翼型提高气动控制效率，弹体头部采用卡门曲线降低压差阻力。风洞试验证实设计的制导炮弹具有较高的升阻比和滑翔增程能力，以及较小的雷达散射面积。孙世岩[7]将基于CAD系统的制导炮弹参数化建模与基于面元法气动性能评估方法相结合，建立了一种能够满足制导炮弹复杂气动外形的设计方法。朱胤[8]通过对头部、弹身弹尾、尾翼和鸭翼设计，设计了一种采用“一”字平面鸭舵的尾翼式制导炮弹气动布局，计算表明可控性良好。

三、气动性能计算

制导炮弹气动性能计算为外形设计提供依据和验证，目前常用的计算流体数值模拟方法具有较好的可靠性。符蓓蓓[9]用数值模拟方法研究了不同船尾和尾翼剖面形状对超远程制导炮弹阻力的影响，计算结果表明尾翼厚度及剖面前后缘钝度对阻力影响较大。杜韩东[10]数值模拟了翼型对舵翼气动特性的影响，得到了不同翼型的舵翼气动参数随马赫数的变化规律。张宁[11]数值研究了冲压增程制导炮弹在冲压助推、爬升飞行和滑翔三种状态下的气动特性，计算结果具有良好的精度，在相同条件下冲压助推、滑翔以及爬升飞行对应的气动外形阻力依次递减。黄玉才[12]采用SST湍流模型和AUSM+格式对高超声速炮弹进行非定常数值模拟，计算结果与工程计算结果吻合较好，数值模拟能够较好的再现高超声速条件下弹体周围复杂的流动现象，便于揭示流场的分布规律。马晔璇[13]对鸭式布局冲压增程制导炮弹进行了数值模拟，获取升阻系数和激波结构，相对于无

冲压无鸭翼同外形参考弹，鸭式冲压制导炮弹在冲压工作状态和被动飞行状态下的阻力增大，升力减小，阻力的增大幅度大于升力的减小幅度。另外，与冲压工作状态相比，被动飞行状态下炮弹的阻力系数更小，升力系数更大。赵占龙[14]运用横流比拟法和等效攻角法计算弹体、弹翼非线性气动特性，考虑两者之间的气动干扰，指出制导炮弹在设计中应注意的大攻角非对称侧向力以及静不稳定性问题。刘亚杰[15]采用动网格技术非定常数值模拟了舰炮制导炮弹弹托分离过程，分离初始阶段，弹托和弹体存在明显的气动干扰，弹托前的激波打到弹体，使得弹体气动特性振荡变化，随后分离距离增大，两者的气动干扰逐渐消失。程诚[16]对某制导炮弹内弹道性能进行了二维两相流数值模拟，数值结果能够准确反映整个内弹道循环膛内两相流的流动特性及动态发展过程。

四、总结

随着科技发展以及未来战场需求，制导炮弹将成为应对未来战争的途径之一。空气动力学在制导导弹的气动总体设计，尤其是在增程技术方面起着先导作用。

参考文献：

[1]   王伟，马志赛.制导炮弹的优势特点及发展趋势[J].飞航导弹，2011，7：10-13.

[2]   朱少雄，施冬梅.制导迫击炮弹发展现状及关键技术[J].飞航导弹，2016，376（04）：67-70.

[3]   胡江，王连柱，解维河.舰炮火箭助推滑翔增程制导炮弹现状及应用研究[J].飞航导弹，2013，000（010）：67-71.

[4]   史金光，王中原，许厚谦，等.滑翔增程弹鸭式舵的气动设计与分析[J].弹道学报，2006（04）：33-37.

[5]   史金光，王中原，常思江，等.鸭式制导炮弹气动外形优化设计方法研究[J].南京理工大学学报：自然科学版，2009，033（005）：555-559.

[6]   雷娟棉，吴甲生.增程制导炮弹气动外形设计[J].航空学报，2005，26（003）：294-297.

[7]   孙世岩，梁伟阁，陈俊丞.适合概念设计的制导炮弹气动外形优化方法[J].海军工程大学学报，2020，32（2）：81-86.

[8]   朱胤，王旭刚.多尾翼式高超声速制导炮弹气动布局设计与特性分析[J].兵器装备工程学报，2020.

[9]   符蓓蓓，吴甲生，雷娟棉.超远程制导炮弹船尾和尾翼剖面形状对阻力影响的数值模拟[J].北京理工大学学报，2008（02）：104-107.

[10] 杜韩东，李娜，张康康.翼型对舵翼气动特性的影响分析[J].兵器装备工程学报，2018，039（004）：34-37.

[11] 张宁，史金光，马晔璇.冲压增程制导炮弹气动特性研究[J].兵工学报.2020，（3）.524-527.

[12] 黄玉才，李岩，HUANG，等.高超声速炮弹气动数值模拟[J].兵器装备工程学报，2017，38（5）：65-68，72.

[13] 马晔璇，史金光，张宁，等.鸭式布局冲压增程制导炮弹三维流场模拟与数值分析[J].弹道学报，2019（3）：18-23.

[14] 赵占龙，王良明.制导炮弹大攻角范围气动特性的计算分析[J].兵器装备工程学报，2012，33（006）：12-15.

[15] 劉亚杰，孙世岩.舰炮制导炮弹弹托分离过程非定常流场数值模拟[J].弹箭与制导学报，2016（4）：98-104.

[16] 程诚，张小兵.某制导炮弹二维两相流内弹道性能分析与数值模拟研究[J].兵工学报，2015，36（1）：58-63.