CN103162580B - 一种超声速导弹的栅格翼 - Google Patents

Abstract

一种超声速导弹的栅格翼，展向隔板和弦向隔板组成。各展向隔板长度方向的两个侧边的上表面和下表面为相互对称的楔面。第五隔板和第八隔板位于所述栅格翼前缘处的长边的一个表面加工成楔面，并使该楔面位于所述栅格翼的外表面；位于栅格翼前缘处的第六隔板和第七隔板长边的两个表面均加工成楔面。各展向隔板和弦向隔板上的楔面能够有效减小弦向隔板所产生的激波对展向隔板减激波的干涉影响。

Description

一种超声速导弹的栅格翼

技术领域

本发明涉及现代航空航天领域，具体是一种利用消波原理减阻的超声速导弹栅格翼。

背景技术

栅格翼是一种蜂窝式结构的多面翼，它的优点是在较宽的马赫数范围内具有失速攻角大、铰链力矩小等空气动力特性，同时还具有重量轻、刚度和弯曲强度比单面翼高等结构特点．在导弹上采用栅格翼，可以减轻尾翼质量，降低舵机功率，减少大迎角机动飞行时的气流分离，增大气动升力和控制力矩，进一步提高导弹的机动能力。

然而由于超声速飞行时栅格翼会出现“壅塞”现象，使得现有栅格翼的激波阻力往往相对传统单面翼较大。国内外在栅格翼减阻方面做过很多研究,比如改变栅格翼单个栅格相关参数(翼弦格宽比，茎厚格宽比,栅格宽高比)的方式，以及研究调整栅格数、栅格壁厚度和前后缘倒角等措施，都能起到一定程度的减阻效果，但这类设计仅注意到栅格翼的栅格宽度和弦长对栅格翼气动性能的影响，并没有太多重视栅格翼剖面形状和栅格间距进行一体化设计，以提高栅格翼的整体气动性能。秦永明等人在《栅格翼超声速风洞试验大比例缩比模拟方法》专利中提到一种斜置式栅格翼并对栅格翼大比例缩比模拟方法在风洞实验中的应用进行了专利保护。现有的正置蜂窝式栅格翼如图8为例，各隔板前后缘倒角30°，隔板厚度为6，垂直于展向排布的四块隔板宽度相等。从计算结果可见，现有正置蜂窝式栅格翼飞行阻力系数几乎是传统单面翼的5倍。

发明内容

为进一步克服栅格翼由于“壅塞”现象所致较大阻力的问题，本发明提出一种超声速导弹的栅格翼。

本发明包括展向隔板和弦向隔板。所述展向隔板是与机翼展向相平行的隔板，由第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板组成；所述弦向隔板是与机翼弦向相平行的隔板，由第五隔板、第六隔板、第七隔板和第八隔板组成。

所述四块展向隔板长度方向的两个侧边的上表面和下表面为相互对称的楔面，所述各楔面的楔角亦根据设计马赫数确定，当各隔板的间距确定后，楔角δ根据斜激波公式（1）确定

$\mathrm{\δ}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{Ma}}^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{[{\mathrm{Ma}}^2(\frac{\mathrm{\γ}+1}{2}-{\sin }^2\mathrm{\β})+1]\·\mathrm{tab\β}}\right)---\left(1\right)$

其中Ma为设计马赫数；γ为比热比；β为激波角，所述激波角β由公式（2）确定

β=arctan[(d+t/2)/(l-a)]       （2）

其中d为相邻两个展向隔板壁面间距离，t为展向隔板厚度，l为展向隔板的弦长，a为楔面投影长度。

四块弦向隔板中第五隔板的宽度和第八隔板的宽度相同，第六隔板的宽度和第七隔板的宽度相同，并且所述第五隔板和第八隔板的宽度均与第六隔板和第七隔板宽度之比为5:4。

所述第五隔板和第八隔板位于所述栅格翼前缘处的长边的一个表面加工成楔面，并使该楔面位于所述栅格翼的外表面；所述第五隔板和第八隔板上楔面的投影长度与各展向隔板上楔面的投影长度相同，所述位于栅格翼前缘处的第六隔板和第七隔板长边的两个表面均加工成楔面；各弦向隔板楔面的投影长度与展向隔板楔面的投影长度相同。

所述四块展向隔板按空间位置由上向下依次排列，分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板。四块弦向隔板沿展向按与弹体连接一端到栅格翼翼梢方向依次排列，分别为第五隔板、第六隔板、第七隔板和第八隔板。排列时，以第五隔板和第八隔板的内表面为站位面，第六隔板和第七隔板厚度方向的对称面为站位面，等距排列。

所述各展向隔板的宽度方向为各隔板的弦长，长度方向为各隔板的展长。

所述各隔板的外形尺寸和各隔板的间距根据设计马赫数，通过Busemann原理确定。

本发明在保证栅格数和隔板厚度等参数与现有无参数优化设计栅格翼一致的前提下，考虑栅格翼剖面形状和栅格间距对栅格翼进行优化设计。

本发明中，四块弦向隔板均为矩形，其中第五隔板和第八隔板板的宽度与第六隔板和第七隔板板的宽度之比为5:4。所述第五隔板和第八隔板位于所述栅格翼前缘处的长边的一个表面加工成楔面，并使该楔面位于所述栅格翼的外表面；所述第五隔板和第八隔板上楔面的投影长度与各展向隔板上楔面的投影长度相同，所述位于栅格翼前缘处的第六隔板8和第七隔板9长边的两个表面均加工成楔面，楔面投影长度均为20mm。

所述栅格翼采用常规弹翼材料制成，展向隔板和弦向隔板按各自位置排列固接在一起组成栅格翼，栅格翼与导弹弹体铰接，在弹体内部驱动装置的作用下可像常规单面弹翼般偏转，以实现对导弹飞行姿态的控制。

本发明在现有正置蜂窝式栅格翼基础上，考虑栅格翼剖面形状和栅格间距进行优化设计，将四块展向隔板垂直于来流方向的表面均加工成刀刃状，在各隔板的两侧表面形成了对称的楔面，各楔面的楔角为8.5°，使得本发明用于超声速导弹，在设计马赫数情况下巡航时，前缘入口处的斜激波恰好打在平行隔板后缘偏转处，根据Busemann双翼消波理论，利用两平行隔板间激波减弱和激波膨胀波干涉效应可以极大的减小激波阻力。将位于栅格翼内的两块弦向隔板，宽度减小为80mm，将垂直于来流方向的表面均加工成刀刃状，使各对称楔面的楔角为8.5°，将第五隔板和第八隔板垂直于来流方向的表面的靠外侧一端加工成楔角为16.7°楔面，以上处理可以减小弦向四块隔板所产生的激波对展向隔板减激波理想干涉的影响。

采用CFD的方法对无参数化设计的现有正置蜂窝式栅格翼、传统单翼以及消波减阻的栅格翼在设计马赫数下的气动特性进行分析。其中现有正置蜂窝式栅格翼外形和具体参数如图8所示，传统单翼为矩形平板翼，展长为弦长的300%，相对厚度为6%。由数值计算结果表明，如图5无参数化设计的现有栅格翼升力系数和单翼差别不大，而利用消波减阻的栅格翼在所计算迎角范围内升力系数有所提高；如图6利用消波减阻的栅格翼较现有栅格翼在相同迎角下的阻力系数降低60%以上，只相当于单翼面的2倍，升阻比（如图7）在同等迎角下较现有栅格翼可以提高2倍以上。

附图说明

图1是装有栅格翼的导弹示意图；

图2是栅格翼的三维结构示意图；

图3是相邻的展向隔板之间的位置关系示意图；

图4是弦向隔板的位置关系示意图；

图5是三种弹翼升力特性图；

图6是三种弹翼阻力特性图；

图7是三种弹翼升阻比特性曲线；

图8是现有正置蜂窝式栅格翼隔板的外形和排布示意图，其中图8a是弦向隔板，图8b是展向隔板。图中：

1.弹体  2.栅格翼  3.第一隔板  4.第二隔板  5.第三隔板  6.第四隔板7.第五隔板  8.第六隔板  9.第七隔板  10.第八隔板  11.本发明的栅格翼12.传统单翼  13.现有技术的栅格翼

具体实施方式

本实施例是一种设计马赫数为3的巡航导弹的超声速导弹栅格翼2，包括展向隔板和弦向隔板。所述展向隔板是与机翼展向相平行的隔板，由第一隔板3、第二隔板4、第三隔板5和第四隔板6组成；所述弦向隔板是与机翼弦向相平行的隔板，由第五隔板7、第六隔板8、第七隔板9和第八隔板10组成。

所述栅格翼同现有技术，为矩形栅格状。所述栅格翼的长度方向为展向，宽度方向为弦向。所述栅格翼由展向隔板和弦向隔板组合而成。四块弦向隔板沿机翼的展向依次排列，将四块展向隔板插入所述各弦向隔板上的插槽中，形成了栅格翼。

如图2所示，本实施例的四块展向隔板按空间位置由上向下依次排列，分别为第一隔板3、第二隔板4、第三隔板5和第四隔板6。所述各展向隔板均为矩形，其宽度方向为各隔板的弦长，长度方向为各隔板的展长。所述各隔板的外形尺寸和各隔板的间距根据设计马赫数，通过Busemann原理确定。所述四块展向隔板长度方向的两个侧边的上表面和下表面为相互对称的楔面，所述各楔面的楔角亦根据设计马赫数确定，当各隔板的间距确定后，楔角δ根据斜激波公式（1）确定

$\mathrm{\δ}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{Ma}}^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{[{\mathrm{Ma}}^2(\frac{\mathrm{\γ}+1}{2}-{\sin }^2\mathrm{\β})+1]\·\mathrm{tab\β}}\right)---\left(1\right)$

其中Ma为设计马赫数；γ为比热比；β为激波角，所述激波角β由公式（2）确定

β=arctan[(d+t/2)/(l-a)]      （2）

其中d为相邻两个展向隔板壁面间距离，t为展向隔板厚度，l为展向隔板的弦长，a为楔面投影长度。

本实施例中，展向隔板的弦长为100mm，厚度为6mm，展向长度为300mm，两块隔板相邻的表面之间的间距为36mm。所述各楔面的楔角为8.5°，各楔面的投影长度为20mm。

如图4所示，所述四块弦向隔板沿展向按与弹体连接一端到栅格翼翼梢方向依次排列，分别为第五隔板7、第六隔板8、第七隔板9和第八隔板10。排列时，以第五隔板7和第八隔板10的内表面为站位面，第六隔板8和第七隔板9厚度方向的对称面为站位面，等距排列。本实施例中，所述各站位面之间的距离位100mm。

四块弦向隔板均为矩形，其中四块弦向隔板中第五隔板的宽度和第八隔板的宽度相同，第六隔板的宽度和第七隔板的宽度相同。第五隔板7和第八隔板的宽度与第六隔板8和第七隔板9宽度之比为5:4。所述第五隔板7和第八隔板10位于所述栅格翼前缘处的长边的一个表面加工成楔面，并使该楔面位于所述栅格翼的外表面；所述第五隔板7和第八隔板10上楔面的投影长度与各展向隔板上楔面的投影长度相同，所述位于栅格翼前缘处的第六隔板8和第七隔板9长边的两个表面均加工成楔面，楔面投影长度均为20mm。

本实施例中，所述第五隔板7和第八隔板10宽度为100mm，楔面的楔角为16.7°，所述第六隔板8和第七隔板9宽度为80mm，楔面的楔角为8.5°。各弦向隔板的长度为132mm，厚度为6mm。

所述栅格翼2采用常规弹翼材料制成，展向隔板和弦向隔板按各自位置排列固接在一起组成栅格翼2，栅格翼2与导弹弹体1铰接，在弹体内部驱动装置的作用下可像常规单面弹翼般偏转，以实现对导弹飞行姿态的控制。

本实施例用于超声速导弹，在设计马赫数为3的情况下巡航时，前缘入口处的斜激波恰好打在相邻平行隔板后缘偏转处，利用激波减弱和激波膨胀波干涉效应可以极大的减弱激波阻力。

如图5利用消波减阻的栅格翼在所计算迎角范围内升力系数较无参数化设计的现有栅格翼和单翼有所提高；如图6利用消波减阻的栅格翼较无参数化设计的栅格翼在相同迎角下的阻力系数降低60%以上，升阻比（如图7）在同等迎角下可以提高2倍以上。

Claims (3)

1.一种超声速导弹的栅格翼，其特征在于，包括展向隔板和弦向隔板；所述展向隔板是与机翼展向相平行的隔板，由第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板组成；

所述弦向隔板是与机翼弦向相平行的隔板，由第五隔板、第六隔板、第七隔板和第八隔板组成；

所述四块展向隔板长度方向的两个侧边的上表面和下表面为相互对称的楔面，所述各楔面的楔角亦根据设计马赫数确定，当各隔板的间距确定后，楔角δ根据斜激波公式(1)确定

$\mathrm{\δ}=\arctan \left(\frac{{\mathrm{Ma}}^2{\sin }^2\mathrm{\β}-1}{[{\mathrm{Ma}}^2(\frac{\mathrm{\γ}+1}{2}-{\sin }^2\mathrm{\β})+1]\·\tan \mathrm{\β}}\right)---\left(1\right)$

其中Ma为设计马赫数；γ为比热比；β为激波角，所述激波角β由公式(2)确定

β＝arctan[(d+t/2)/(l-a)]  (2)

其中d为相邻两个展向隔板壁面间距离，t为展向隔板厚度，l为展向隔板的弦长，a为楔面投影长度；

四块弦向隔板中第五隔板的宽度和第八隔板的宽度相同，第六隔板的宽度和第七隔板的宽度相同，并且所述第五隔板和第八隔板的宽度均与第六隔板和第七隔板宽度之比为5:4；

所述第五隔板和第八隔板位于所述栅格翼前缘处的长边的一个表面加工成楔面，并使该楔面位于所述栅格翼的外表面；所述第五隔板和第八隔板上楔面的投影长度与各展向隔板上楔面的投影长度相同，所述位于栅格翼前缘处的第六隔板和第七隔板长边的两个表面均加工成楔面；各弦向隔板楔面的投影长度与展向隔板楔面的投影长度相同；

四块展向隔板按空间位置由上向下依次排列，分别为第一隔板、第二隔板、第三隔板和第四隔板；四块弦向隔板沿展向按与弹体连接一端到栅格翼翼梢方向依次排列，分别为第五隔板、第六隔板、第七隔板和第八隔板；排列时，以第五隔板和第八隔板的内表面为站位面，第六隔板和第七隔板厚度方向的对称面为站位面，等距排列。

2.如权利要求1所述一种超声速导弹的栅格翼，其特征在于，所述各展向隔板的宽度方向为各隔板的弦长，长度方向为各隔板的展长。

3.如权利要求1所述一种超声速导弹的栅格翼，其特征在于，所述各隔板的外形尺寸和各隔板的间距根据设计马赫数，通过Busemann原理确定。