CN111551081A - 一种可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头 - Google Patents

Abstract

一种可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头属于潜射导弹设计技术领域，本发明由常规弹头前端、模仿座头鲸头背部沟槽的弹头前端、弹头中段与导弹弹身的过渡段三部分组成，常规弹头前端Ⅰ具有光滑的曲面；弹头中段Ⅱ设计了基于座头鲸头背部形貌的仿生沟槽，该结构不但能减小弹体在飞行过程中的飞行阻力，而且弹体在经历从水中发射，跨越水面射向空中的过程中，能有效弱化波浪对弹体的影响，以减小弹体在出水过程中的转角，从而提高弹体的出水稳定性，最终使弹体发射的成功率得到提高；弹头末端Ⅲ则主要起到连接弹体，并在不增加弹体飞行阻力的前提下光滑过渡的作用。

Description

一种可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头

技术领域

本发明属于潜射导弹设计技术领域，具体涉及一种可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头。

背景技术

潜射弹道导弹是三位一体战略力量的最关键的一极，其机动性、隐蔽性和生存能力更优异，是二次核打击能力的重要武器，也是未来各国发展核武器威慑力量的重中之重。潜射导弹跨水-气两种介质发射，在短时间内经历出筒、水中航行和出水阶段，该过程中存在着复杂的受力变化的过程。目前包括我国在内的核武器强国，潜射导弹试射都有多次失败的记录，其中一个重要原因是弹体发射过程中，弹体跨越水气界面时复杂的流体动力学因素，造成了流体与弹体壁面的耦合作用使之失稳。特别是在导弹接近水面的时候，会受到波浪的强烈干扰，使导弹的飞行姿态发生大的偏转，甚至最终使导弹失稳而坠毁失败。因此，进行降低波浪对潜射导弹出水运动干扰的流动控制技术研究，对提高弹体在波浪环境中的出水稳定性具有重要作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种导弹在出水过程中，可以有效提高其弱化波浪对弹体扰动的弹头结构。

本发明由常规弹头前端Ⅰ、具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ和过渡连接的弹头末端Ⅲ自上而下排列，并顺序固接而中，其中常规弹头前端Ⅰ由p、q两点连成的曲线f绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm；具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ由q、b、r三点连成的曲线m绕po中心轴旋转一周形成基面，在基面基础上，加工圆弧形沟槽1和圆弧形外凸部分2，由俯视角度看，圆弧形沟槽1和圆弧形外凸部分2依次交叠连接，形成一个封闭环，从主视角度看，圆弧形沟槽1的顶点自上而下由q、a、r三点连成曲线l，圆弧形外凸部分2的顶点自上而下由q、c、r三点连成曲线n，整个具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ的厚度为3mm；过渡连接的弹头末端Ⅲ由r、s两点连成的曲线g绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm。

所述常规弹头前端Ⅰ的曲线f方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：0≤x≤8.5mm。

所述具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ的曲线m方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：8.5mm≤x≤22.5mm；

在基面基础上加工圆弧形沟槽1和圆弧形外凸部分2，从俯视角度看，

圆弧形沟槽1由角度长轴e1和短轴d1决定：

e1＝θ1*D2,

d1＝k1*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j1),

其中：0<k1<1；H2<j1<10*H2；

圆弧形外凸部分2由角度长轴e2和短轴d2决定：

e2＝θ2*D2，

d2＝k2*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j2)，

其中：0<k2<1；H2<j2<10*H2；改变θ1、θ2、d1和d2的大小，将得到θ1＝θ2，d1＝d2或θ1≠θ2，d1≠d2的结果；

θ1为圆弧形沟槽1弧线对应角；θ2为圆弧形外凸部分2弧线对应角；H2为常规弹头前端Ⅰ的高度；H3为距具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ底端的截面高度；H4为具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ的高度；D2为圆弧形沟槽1的直径。

所述过渡连接的弹头末端Ⅲ的曲线g方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：22.5mm≤x≤25mm。

本发明的有益效果在于：

所述的带有仿生沟槽弹头的导弹在出水过程中能改变弹头周围流场的流向与其周围湍流流场的分布。

所述的带有仿生沟槽弹头的导弹在单一相中的运动时，其所受的阻力系数相较于相同规格的光滑弹头表面更小。

所述的带有仿生沟槽弹头的导弹在出水过程中能有效改变弹头在迎浪面和背浪面的压力场分布，使压力场分布相比之前更加均匀，有效减小迎浪面与背浪面的压力差，从而减小波浪对其产生的波浪力，从而减小波浪对其带来的角度偏转影响。

附图说明

图1为可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头的主视图

图2为图1中A-A截面的视图

图3为带有可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头的弹体模型

图4为导弹弹体模型出水过程中的模拟图

图5为导弹弹体模型出水过程中的实验图

其中：Ⅰ.常规弹头前端 Ⅱ.具有仿生沟槽的弹头中段 Ⅲ.过渡连接的弹头末端

1.圆弧形沟槽 2.圆弧形外凸部分

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

本发明由常规弹头前端Ⅰ、具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ和过渡连接的弹头末端Ⅲ自上而下排列，并顺序固接而成。

其中常规弹头前端Ⅰ由p、q两点连成的曲线f绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm。其中曲线f如图1所示，其方程及取值范围为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：0≤x≤8.5mm。常规弹头前端Ⅰ在竖直方向的长度为H2，如图1所示。

具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ由q、b、r三点连成的曲线m绕po中心轴旋转一周形成基面，如图1所示，其中曲线方程及取值范围为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：8.5mm≤x≤22.5mm。

具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ在竖直方向的长度为H4。

在基面基础上，加工圆弧形沟槽(1)和圆弧形外凸部分(2)，从主视角度看，圆弧形沟槽(1)的顶点自上而下由q、a、r三点连成曲线l，圆弧形外凸部分(2)的顶点自上而下由q、c、r三点连成曲线n。从主视角度看，圆弧形沟槽(1)的顶点自上而下由q、a、r三点连成曲线l，圆弧形外凸部分(2)的顶点自上而下由q、c、r三点连成曲线n。

在距具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ底部H3处进行截面，从俯视角度看如图2所示，圆弧形沟槽(1)和圆弧形外凸部分(2)依次交叠连接，形成一个封闭环，在该处截面的基面直径为D2，该圆被等分成n份(10≤n≤60)，被分成的份数n和角度θ1+θ2的关系为θ1+θ2＝360°/n，θ1+θ2为最小单元，θ1为仿生沟槽内凹部分所占的角度大小，θ2为仿生沟槽外凸部分所占的角度大小，仿生沟槽内凹部分的弧形和外凸部分皆是椭圆的一部分，椭圆中心在直径为D2的基圆上，沟槽椭圆内凹部分的长轴为e1，短轴为d1。

e1＝θ1*D2,d1＝k1*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j1)

其中：0<k1<1；H2<j1<10*H2；

θ1，D2，H4，H3，H2如图1所示；

沟槽椭圆外凸部分的长轴为e2，短轴为d2，

e2＝θ2*D2，d2＝k2*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j2)

其中：0<k2<1；H2<j2<10*H2。

整个具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ的厚度为3mm。

过渡连接的弹头末端Ⅲ由r、s两点连成的曲线g绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm。其中曲线g如图1所示，其方程及取值范围为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：(22.5mm≤x≤25mm)。

过渡连接的弹头末端Ⅲ在竖直防线的长度为H1，如图1所示。

实施例1：

装载有带有仿生沟槽弹头的导弹模型如图3所示，模型中H＝50mm，H2＝2.5mm，H1＝5mm，外形轮廓线f，m及g三部分组合成完整的轮廓曲线，以图1中点o为原点，os为x轴正方向，op为y轴正方向，则该轮廓曲线的方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+5

其中：0≤x≤25mm；

在距具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ底部H3处截面的轮廓尺寸如下：

n＝40，并且取θ1＝θ2＝4.5°，同时θ1，θ2决定了d1，d2的尺寸大小，D2尺寸由外形轮廓m决定。

由于d1＝k1*(H₄/2-|H₄/2-H₃|)/(|H₄/2-H₃|+j1)；

d2＝k2*(H₄/2-|H₄/2-H₃|)/(|H₄/2-H₃|+j2)，

此处取d1＝d2，即k1＝k2＝1/6，j1＝j2＝4。

通过模拟分析得出，该参数下的导弹在空气中以2.5马赫的速度飞行时，所受的阻力系数为0.56。而弹头光滑的导弹在相同的规格下，其在空气中所受的阻力系数为0.59。小幅降低了其在空气飞行中所受的阻力。

实施例2：

装载有带有仿生沟槽弹头的导弹模型如图3所示，模型中H＝50mm，H2＝2.5mm，H1＝5mm，外形轮廓线f，m及g三部分组合成完整的轮廓曲线，以图1中点o为原点，os为x轴正方向，op为y轴正方向，则该轮廓曲线的方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：0≤x≤25mm。其中在距具有仿生沟槽的弹头中段Ⅱ底部H3处截面的轮廓尺寸如下：n＝40，并且取θ1＝θ2＝4.5°，同时θ1，θ2决定了d1，d2的尺寸大小，D2尺寸由外形轮廓m决定。

由于d1＝k1*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j1)；

d2＝k2*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j2)，

此处取d1＝d2，即k1＝k2＝1/6，j1＝j2＝4。

通过CFD软件模拟得出，该参数下的导弹在有波浪的情况下，经历由水下穿过水面飞向空中的过程中，其在出水后弹体整体偏转的角度为1.81°，而弹头光滑的同规格的弹体在经历这一过程后，偏转角度为2.89°，通过在弹头添加仿生沟槽结构，使导弹在出水过程中，偏转角度减小了37.4％。通过制作模型实验得出，该参数下的导弹在有波浪的情况下，经历由水下穿过水面飞向空中的过程中，其在出水后弹体整体偏转的角度为2.5°，而弹头光滑的同规格的弹体在经历这一过程后，偏转角度为3.7°。通过实验和模拟得出装载带有仿生沟槽弹头的弹体出水更加稳定。

Claims (4)

1.一种可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头，其特征在于，由常规弹头前端(Ⅰ)、具有仿生沟槽的弹头中段(Ⅱ)和过渡连接的弹头末端(Ⅲ)自上而下排列，并顺序固接而中，其中常规弹头前端(Ⅰ)由p、q两点连成的曲线f绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm；具有仿生沟槽的弹头中段(Ⅱ)由q、b、r三点连成的曲线m绕po中心轴旋转一周形成基面，在基面基础上，加工圆弧形沟槽(1)和圆弧形外凸部分(2)，由俯视角度看，圆弧形沟槽(1)和圆弧形外凸部分(2)依次交叠连接，形成一个封闭环，从主视角度看，圆弧形沟槽(1)的顶点自上而下由q、a、r三点连成曲线l，圆弧形外凸部分(2)的顶点自上而下由q、c、r三点连成曲线n，整个具有仿生沟槽的弹头中段(Ⅱ)的厚度为3mm；过渡连接的弹头末端(Ⅲ)由r、s两点连成的曲线g绕po中心轴旋转一周形成，其厚度为3mm。

2.按权利要求1所述的可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头，其特征在于，所述常规弹头前端(Ⅰ)的曲线f方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：0≤x≤8.5mm。

3.按权利要求1所述的可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头，其特征在于，所述具有仿生沟槽的弹头中段(Ⅱ)的曲线m方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50

其中：8.5mm≤x≤22.5mm；

在基面基础上加工圆弧形沟槽(1)和圆弧形外凸部分(2)，从俯视角度看，圆弧形沟槽(1)由角度长轴e1和短轴d1决定：

e1＝θ1*D2,

d1＝k1*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j1),

其中：0<k1<1；H2<j1<10*H2；

圆弧形外凸部分(2)由角度长轴e2和短轴d2决定：

e2＝θ2*D2，

d2＝k2*(H4/2-|H4/2-H3|)/(|H4/2-H3|+j2)，

其中：0<k2<1；H2<j2<10*H2；改变θ1、θ2、d1和d2的大小，将得到θ1＝θ2，d1＝d2或θ1≠θ2，d1≠d2的结果；

θ1为圆弧形沟槽(1)弧线对应角；θ2为圆弧形外凸部分(2)弧线对应角；H2为常规弹头前端(Ⅰ)的高度；H3为距弹头中段(Ⅱ)底端的截面高度；H4为具有仿生沟槽的弹头中段(Ⅱ)的高度；D2为圆弧形沟槽(1)的直径。

4.按权利要求1所述的可弱化波浪扰动的潜射导弹仿生弹头，其特征在于，所述过渡连接的弹头末端(Ⅲ)的曲线g方程为：

y＝0.000004511*x^6+0.0003111*x^5-0.0082*x^4+0.1002*x^3-5949*x^2+1.029*x+50其中：22.5mm≤x≤25mm。

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