Численное моделирование аэродинамики артиллерийского снаряда для экспериментальной отработки элементов штатных образцов

Аннотация. Статья посвящена разработке имитационной математической модели и численному моделированию аэродинамических процессов при полете специального артиллерийского снаряда с использованием средств вычислительной аэродинамики. Специальный артиллерийский снаряд является прототипом управляемого артиллерийского снаряда, который позволяет размещать любые по габаритам и массам узлы и системы, входящие в конструкцию управляемого артиллерийского снаряда. Вместе с тем специальный артиллерийский снаряд отличается простотой своей конструкции, компактными размерами и уменьшенной массой. Рассмотрено несколько компоновок специального артиллерийского снаряда, имеющих различия в хвостовой части. Расчеты обтекания выполнены при числах Маха набегающего потока M∞  = 0,6; 0,8; 0,9 и углах атаки α = 2° и 5°. Проведены проектно-конструкторские и расчетные работы, в результате которых получены трехмерные модели специального артиллерийского снаряда, картины течения и основные аэродинамические характеристики для различных расчетных случаев.

Ключевые слова: специальный артиллерийский снаряд, управляемый артиллерийский снаряд, аэродинамические характеристики, CFD-пакет

***

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время в АО «ГРЦ Макеева» ведутся работы по созданию отечественного опытного образца управляемого артиллерийского снаряда (УАС) с повышенной точностью стрельбы и дальностью полета изделия.

Рассматриваемый специальный артиллерийский снаряд предназначен для экспериментальной отработки штатных узлов и систем УАС, что позволяет снизить финансовые затраты и сократить цикл разработки опытного образца УАС.

Целями данной работы являются разработка имитационных моделей специальных артиллерийских снарядов, определение аэродинамических характеристик (АДХ) [1] путем проведения расчетов и уточнение аэродинамической формы специального артиллерийского снаряда (САС), в том числе вариантов спасаемого САС.

Поставлены следующие задачи:

  • проведение проектно-конструкторских работ;
  • проведение численных расчетов САС;
  • анализ АДХ САС;
  • анализ возможностей снижения финансовых затрат на изготовление и сборку САС;
  • уточнение аэродинамической формы САС.

В результате выполненных проектноконструкторских проработок предлагается создать следующий вариант специального артиллерийского снаряда, представленного на рисунке 1.


Рис. 1. Специальный артиллерийский снаряд: 1 – хвостовой отсек открытой конструкции – испытываемый узел, 2 – наконечник – штатный, 3 – корпус агрегатного отсека – укороченный вариант, 4 – корпус переднего отсека – доработанный штатный в части стыковки, 5 – корпус заднего отсека – штатный

Ранее для экспериментальной отработки узлов и систем, входящих в состав штатного образца УАС, закупались осветительные снаряды, в составе которых размещались испытуемые сборочные единицы разработки предприятия. Такой способ является достаточно трудоемким и дорогостоящим.

Кроме того, отсек осветительного снаряда, в который можно помещать испытуемую сборочную единицу, имеет небольшие габариты, не позволяющие размещение штатных экспериментальных узлов.

В настоящее время для экспериментальной отработки узлов и систем, входящих в состав УАС, используются полномасштабные макеты УАС разработки АО «ГРЦ Макеева».

Предлагается создать собственный специальный артиллерийский снаряд, позволяющий размещать любые по габаритам и массам узлы и системы, входящие в состав УАС, и вместе с тем отличающийся простотой конструкции, компактными размерами и уменьшенной массой, что существенно снизило бы стоимость его изготовления и, соответственно, стоимость проведения испытания с использованием данного снаряда.

Проведенный анализ показывает, что корпус штатного агрегатного отсека можно заменить на корпус укороченного варианта, а корпус передний доработать, наконечник и корпус задний использовать без изменений с заимствованием материальной части с предыдущих испытаний. Испытуемый узел – хвостовой отсек конструкции открытого типа (без поддона) изготовить согласно КД.

Для отработки перспективных узлов и систем УАС, таких как головка самонаведения, бортовая система управления, телеметрия, целесообразной становится разработка модификации САС с системой спасения.

 

УСЛОВИЯ РАСЧЕТОВ, КАРТИНЫ ОБТЕКАНИЯ, АДХ КОНФИГУРАЦИЙ

В обеспечение выбора оптимальной аэродинамической компоновки САС, в том числе спасаемого, и получения аэродинамических характеристик САС разработаны 3D-модели и проведены расчеты обтекания для трех вариантов модельных конфигураций САС, представленных на рисунках 2–4.


Рис. 2. Специальный артиллерийский снаряд
 

Рис. 3. Специальный артиллерийский снаряд (спасаемый, вариант 1)
 

Рис. 4. Специальный артиллерийский снаряд (спасаемый, вариант 2)
 

Рис. 5. Поле чисел Маха M∞ = 0,8 при α = 2º
 

Рис. 6. Поле температуры в виде изолиний при M∞ = 0,9, α = 5º

Расчеты обтекания выполнены на основе уравнений Навье – Стокса в CFD-пакете. Рассматривалось внешнее обтекание воздухом при дозвуковых скоростях потока. На границах расчетной области задавались параметры набегающего потока: параметр скорости задан в безразмерном виде числом Маха M∞ = 0,6; 0,8 и 0,9, рассмотрены углы атаки α = 2º и 5º, давление P∞ = 101325 Ра, температура T∞ = 293,2 К. Условие симметрии применялось по оси OZ – это дало возможность сократить время проведения расчетов. Использовалась периодическая адаптация сетки, общее количество ячеек во всей расчетной области достигло примерно 10 000 000.

На основе проведенных трехмерных численных расчетов получены следующие картины обтекания:

  • для специального артиллерийского снаряда;
  • для специального артиллерийского снаряда (спасаемого, вариант 1);
  • для специального артиллерийского снаряда (спасаемого, вариант 2).

Из рисунков 7, 10 и 12 видно, как влияют геометрические различия в хвостовой части снаряда на поле векторов скорости. Заметно, что за стабилизаторами образуется вихревое нестационарное течение. Из картин обтекания полей температур наблюдаем, что ее максимальное значение достигается в зоне перед стабилизаторами и за ними.


Рис. 7. Поле векторов скорости при M∞ = 0,9, α = 5º (min = 0 м/с, max = 534,024 м/с)
 

Рис. 8. Поле давления при M∞ = 0,9, α = 5º
 

Рис. 9. Поле чисел Маха при M∞ = 0,8, α = 2º
 

Рис. 10. Поле векторов скорости при M∞ = 0,6, α = 5º (min = 0 м/с, max = 283,274 м/с)
 

Рис. 11. Поле температуры при M∞ = 0,6, α = 5º
 

Рис. 12. Поле векторов скорости при M∞ = 0,6, α = 5º
 

Рис. 13. Поле температуры при M∞ = 0,8, α = 5º

Ниже в табличном виде приведены аэродинамические характеристик (АДХ) для различных вариантов геометрии снаряда, где cx – коэффициент продольной силы, cy – коэффициент нормальной силы, xf – коэффициент центра давления, отсчитывается от носка. Для представления суммарных аэродинамических сил использовалась скоростная система координат. При расчете аэродинамических коэффициентов силы нормировалась на скоростной напор набегающего потока и характерную площадь, определяемую по диаметру миделевого сечения конфигурации. Результаты численных расчетов показывают, что при расположении центра масс специального снаряда на его оси на расстоянии 600 мм от носка все исследуемые конфигурации снарядов статически устойчивы, а требуемое снижение скорости полета снаряда (торможение) может быть обеспечено за счет увеличения аэродинамического сопротивления при выборе соответствующей хвостовой части.

 

Таблица 1. АДХ для специального артиллерийского снаряда

 

 

Таблица 2. АДХ для специального артиллерийского снаряда, спасаемого, вариант 1

 

 

Таблица 3. АДХ для специального артиллерийского снаряда, спасаемого, вариант 2

 

ВЫВОДЫ

Проведены следующие работы.

1. Разработаны 3D-модели и проект общего вида на специальный артиллерийский снаряд, предназначенный для экспериментальной отработки элементов, узлов и систем, входящих в состав штатного образца УАС.

2. Проведены численные расчеты для выбора оптимальной аэродинамической формы САС в зависимости от применения.

3. В результате проведенных численных расчетов получены картины обтекания, аэродинамические характеристики, необходимые для выбора основных конструктивных параметров вариантов САС, в том числе хвостовой части.

4. Получены АДХ в достаточном объеме для проведения расчетов динамики движения САС.

5. Рассмотрена возможность изготовления и сборки конструкции данного снаряда с доработкой уже изготовленной и ранее испытанной материальной части.

Авторы: Колкотина М.С., Сошникова Н.В. 

 

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

↑1. Краснов Н.Ф. Аэродинамика. Ч. I. Основы теории. Аэродинамика профиля и крыла. Учебник для втузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Высшая школа, 1976. 384 с.; ил.

↑2. Анурьев В.Т. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т. 1. 8-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение, 2001. 920 с.: ил.