基于Datcom的某靶弹气动参数快速估算

陈畅

摘 要： Missile Datcom是由美國空军开发的一套用于估算导弹气动参数的软件，在飞行器方案设计阶段具有较高的实用价值。针对某靶弹在不同攻角、马赫数下的阻力、升力系数，利用Fluent软件计算结果与Datcom软件的估算结果进行了比较分析。结果表明，在方案设计阶段采用Datcom软件进行气动参数估算精度在可接受范围内，具有一定的工程应用价值。

关键词： 靶弹；气动参数；快速估算

1 引言

飞行器空气动力计算是飞行器设计中很重要的工作之一，在飞行器方案设计阶段，经济而快速地计算其气动参数十分重要。虽然计算流体力学（CFD）方法可以较准确的计算导弹气动参数，但其计算量太大，而方案阶段飞行器的外形会进行反复优化、修改，外形每修改一次CFD软件都要重新建模和计算，会消耗较长的计算时间和人力成本，因而在方案设计阶段很难得到应用。而采用美国空军开发的Missile Datcom软件可快速预估一系列飞行器气动外形，该程序在一定范围内对于不同飞行条件下飞行器的各种气动外形具有较强的适应性，在美国飞行器方案设计和初步设计过程中应用非常普遍，基本成为其飞行器总体设计部门所必备的程序。本文采用Datcom软件对某靶弹在不同攻角、马赫数下的阻力、升力系数进行了估算，并与CFD计算结果进行了对比分析。

2 Datcom软件概述

Missile DATCOM使用Fortran90语言，采用部件组合和模块化等方法，并汇集了美国数十年来的试验数据，针对常见气动外形的导弹在小迎角条件下（α<15°）的估算结果具有较高精度，适合在导弹初步设计过程中，经济而快速地计算其气动参数。

Missile DATCOM软件可用于的导弹外形如下：

1）轴对称弹身、椭圆截面弹身；

2）动力装置可以为吸气式；

3）气动升力面为1组到4组，每组最多8个翼或舵，每个翼或舵纵向位置相同；

4）每个气动升力面可独立偏转，也可以全动偏转，还可以采用后缘襟翼偏转。

3 计算与分析

靶弹的气动布局采用两级串联，Ⅱ级为平置型、鸭式、中单翼，在主翼的两端设有垂翼呈“H”型布局，Ⅰ级的尾部安装有四片稳定尾翼呈“X”型布置，全弹为串联式“H+X”型布局，靶弹Ⅰ+Ⅱ级外形如图1所示。由于文章篇幅，本文后续的计算与分析只针对靶弹Ⅱ级进行。

3.1 CFD计算

首先对靶弹Ⅱ级进行CFD气动参数计算，计算采用的软件为FLUENT。选取飞行条件为海拔10km，标准大气，选择在7个马赫数（0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2、2.5），7个攻角（0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°）下建模计算。由于靶弹为面对称形，故使用FLUNENT前处理软件Gambit对靶弹建立半模型，而后导入FLUENT，选择基于密度的显式求解器，湍流模型采用k-ω双方程模型及雷诺应力模型。计算结果见图2和图3。

3.2 Datcom计算

选择在7个马赫数（0.6、0.8、1.0、1.2、1.5、2、2.5）、10个攻角（-4°、-2°、0°、2°、4°、6°、8°、10°、12°、14°）状态对靶弹Ⅱ级进行了计算，计算耗时很短，只需数分钟便可完成计算，计算卡片填写耗时半天。限于篇幅，文中只给出了马赫数为0.6和1.5的计算结果。

（1）靶弹Ⅱ级零升阻力系数

靶弹Ⅱ级零升阻力系数结果见图2。从图2可以看出，零升阻力系数Datcom计算结果在超音速时略大于CFD计算结果，在亚声速范围内，Datcom计算结果要小于计算结果，在1.2Ma附近零升阻力达到最大0.54。在亚声速范围内，CFD计算误差约为8%～10%；在超音速范围内，CFD计算误差约为9%。因此，为提高飞行效率，应尽量避免在1Ma～1.4Ma速度范围内长时间飞行。

（2）靶弹Ⅱ级法向力系数

靶弹在Ⅱ级法向力系数结果见图3。从图3可以看出在不同马赫数下法向力系数Datcom计算结果和CFD计算结果均比较接近，误差基本在5%以内，靶弹Ⅱ级法向力系数线性度较好。

3.3 对比分析

从上述计算结果可以看出，法向力系数Datcom计算结果与CFD计算结果吻合较好，误差在5%以内，满足工程估算精度要求；但零升阻力系数Datcom计算结果与CFD计算结果偏差相对较大，误差在10%以内，但仍能够用于方案阶段的工程估算。CFD方法理论上可以直接对全弹进行N-S方程计算，从而得出较精确的阻力值，但此方法要求有较高的计算能力，成本较高。Datcom在计算阻力时出现的偏差有待通过部件组合法逐项分析软件中各部分轴向力，再依据导弹外形做修正，从而得出更精确的计算结果。

4 结束语

通过某靶弹的CFD计算结果和Datcom软件估算结果对比分析表明：

1）在一定范围内Datcom软件能够提供较高精度的估算值，基本满足靶弹方案设计阶段的气动参数估算要求，具有一定工程应用价值。

2）Datcom使用方便快捷，避免了CFD软件计算周期长、建模复杂等缺点，大大节约靶弹方案设计成本，对靶弹方案设计及优化设计具有重要意义。

3）Datcom对部分气动参数计算精度不够的情况可以通过部件组合法进行修正，后续将加以改进和完善。

参考文献

[1] 杨维维，陈小前，李晓斌，等.通用导弹气动力计算软件Datcom的开发与校验[J].固体火箭技术，2006，3：161-164.

[2] Blake W B.Missile datcom：user's manual[R].USAF Research Laboratory Report AFRL-VA-WP-TR-1998-3009，Wright-Patterson AFB，OH，3009.1998.