导弹气动特性计算

飞行器气动特性分析与软件实践

绪论一、回顾１．空气动力学的定义空气动力学是现代流体力学的一个组成部分，主要研究飞行器或其它物体在空气中运动时的气流参数变化规律和相互作用力、力矩以及气动引起的热效应等。空气动力学是飞行器总体布局、各部件外形设计的理论基础，也是飞机与导弹系统设计中选择构形作折衷研究和优化设计的依据。２．导弹与飞机的区别：设计目标不同：飞行条件不同：气动外形不同：

绪论飞机导弹大展弦比机翼－面对称布局小展弦比弹翼－轴对称布局在一定速度下的经济巡航在较宽速度范围内的机动飞行需要有限范围内的精确气动数据需要较宽范围内的气动数据最大法向过载约为２g最大法向过载２g～５０g绪论3.飞行器气动特性的分析与计算方法：理论计算方法：经典空气动力学理论方法实验方法：风洞试验、模型自由飞、飞行试验数值计算方法：CFD工程计算方法：部件组拆法

绪论绪论部件组拆法的基本思想：部件组拆法就是将飞行器的气动部件，主要是弹体、弹翼和尾翼，单独拆分出来，先研究这些部件在孤立状态下的气动载荷和气动力特性，然后再进行组合得到飞行器的气动力。组合过程不是简单的叠加求和，要考虑各个部件之间的干扰影响。-》飞行器部件空气动力学绪论

单独机翼与组合体绕流对比图绪论二、课程简介

了解飞行器全机（弹）升力、阻力及俯仰力矩产生的物理原因。掌握飞行器气动特性分析的工程计算与数值分析方法，能对飞行器气动特性进行估算。包括升力特性、阻力特性、以及力矩特性的计算。并对各种参数对飞行器气动特性的影响能进行定性的分析，为学习总体设计和飞行力学课程打下良好基础。课程性质：本科专业选修课学分学时：3/64先修课程：流体力学、空气动力学基本要求：要求掌握飞行器气动特性工程计算和数值分析方法；会一种CFD软件；对各种参数对气动特性的影响能进行定性的分析考核方式：考试(笔试：70%)+考查(上机：30%)

绪论参考教材：1.方宝瑞.飞机气动布局设计.航空工业出版社,1997.2、高等空气动力学：王振清主编/哈尔滨工程大学出版社/2010-7-13.

刘君.飞行器部件空气动力学

出版社:国防科技大学;第1版4、《飞机设计手册》气动设计分册（第六册）航空工业出版社。出版日期:2002-12-015、严恒元、徐敏等。飞行器气动特性工程估算：西北工业大学讲义6、纪楚群.导弹空气动力学。宇航出版社，1994年。7、苗瑞生等.导弹空气动力学.国防工业出版社,2006.8、Nelsen.MissleAerodynamics.1960，USA.绪论有关知识的复习和准备

Ⅰ、空气动力和力矩

当飞行器在空气中运动时，作用在它的表面上的法向力和切向力组成了一个空间力系。把这个力系向飞行器的质心简化，可得到空气动力主矢量和主矩：

式中：n为外法向单位矢量；

p

为任一点的静压；

τ为任一点的切向力；

r由飞行器质心引向其表面任一点的矢径。

空气动力Ｒ和力矩Ｍ取决于飞行的速度v（或远前方来流速度v∞)、飞行器的几何尺寸与形状、飞行器的方位角、空气的密度ρ∞、温度Ｔ∞、重力加速度g以及时间t等。根据量纲分析和相似理论得到：

Ｒ＝cRq∞S,M=cmq

∞SL式中：q∞

为远前方来流动压；Ｓ为特征面积；Ｌ为特征长度；

cR

为空气动力系数；

cm

为空气动力矩系数。

飞行器的空气动力、力矩系数取决于：

cR=f1(Ma,Re,Fr,Sr,B,C,D,…,α,β,…)

cm=f2(Ma,Re,Fr,Sr,B,C,D,…,α,β,…)式中：Ma为马赫数，与空气的可压缩性有关；

Re为雷诺数，与空气的粘性有关；

Fr为弗劳德数，与空气重力作用有关；

Sr

斯特劳哈尔数，与飞行器运动的非定常性有关；

B,C,D,…为与飞行器外形的几何形状有关的参数；

α,β,…

为与飞行姿态有关的参数。Ⅱ、坐标系及其转换

在气动计算中，比较常用的坐标系有弹体坐标系、速度坐标系、柱坐标系和球坐标系等。1.弹体坐标系

如图Ⅱ-1所示，弹体坐标系o-x1y1z1固连于弹体上。其原点取于导弹的质心处，纵轴ox1沿弹体轴线，指向前方。竖轴oy1在导弹的纵向对称平面内，指向上方。横轴oz1垂直于纵向对称面按右手坐标确定其指向。空气动力合力Ｒ沿弹体坐标系分解后，得到三个分力：

空气动力合力矩M沿弹体坐标系分解后，得到三个分力矩：2.速度坐标系

速度坐标系o-xyz有时也称之为气流坐标系，其坐标原点亦取于导弹质心处。ox轴沿速度矢量方向。oy轴在导弹的纵向对称平面内，垂直于ox轴，指向上方。Oz轴垂直于xoy平面，其指向按右手坐标系。

空气动力合力R和空气动力合力矩M沿速度坐标系分解的分量分别为：

3.弹体坐标系与速度坐标系的转换关系

弹体坐标系与速度坐标系之间的关系可用攻角α和侧滑角β联系起来。攻角α是速度向量V∞在x1oy1平面上的投影与ox1轴的夹角，侧滑角β是速度向量V∞在x1oz1平面的投影和ox1轴的夹角。弹体坐标系与速度坐标系之间的转换关系表示于附表Ⅱ-1中。如果β=0，Cy=Cy1cosα–Cx1sinα

Cx=Cy1sinα+Cx1cosα

mz=mz1Ⅲ、弹翼几何参数Ⅳ、标准大气参数标准大气参数是根据理想气体定律、理想气体状态方程、流体静力学方程以及基于空气基本热力学参数的空气物理特性的半经验公式计算而得到的。其初值取为北纬45°32′42″处的海平面大气参数值，亦即Ｔ0=288.15ºK(15℃),P0=101325Pa,ρ