《燃气舵的气动设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《燃气舵的气动设计（7页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、? ?年?月战术导弹技术第?期燃气舵的气动设计航天工业部一院一部刘志晰摘要?本文介绍了燃气舵 的气动设计 方法,包 括燃气舵 气动设计 的内容和要求,舵面设计 的依 据、舵面安装位置的确定、舵面参 数的选择、舵面转轴 位 置的确 定以 及舵面气动特性的估算和试验。文中根据实践经验 提 出的燃 气舵 气动设计原则 和参 数选择 范围,可直接应用于各种 战术导 弹燃 气舵 的气动设计。叙 词?飞行 控制系统 ? ?幻气动设计导 弹操纵面气动设计参 数分析工程计算一、引言燃气舵是实现导 弹推力向量控制 的一种重妥方 式,具有结构简单、体积 小、重量轻、成本低、继承性好、可靠性高、驱动功率 小、频率
2、响应快和能 实现俯仰、偏航、滚动三 个方向的控制等优点。因此,尽管还存在一些缺点,如在高温、强腐蚀 和高冲刷 气流 中工作时对 舵体材料要求高,以及 即使在零偏转角时 也会 有推 力损失等,但在中近 程导弹?战略或战术?设计中,设计 师们仍首先考虑并采用燃气 舵推力向量控制。早期 的 中近程 液体导弹,如德国的?,苏联 的? ? ?以及 我 国的几种 中近程液体导弹,都成功地使 用 了石墨燃气 舵。对于液体火箭,石墨舵 是一种重 量轻,满足 强度和烧蚀率耍求 的理想 的舵面。但 吊于 固体发动机 时,石 墨已抵抗不住高温 高速?,粒子的冲刷,因而必须研制 出新的耐 高温、耐 高冲刷的材 料。美
3、国的潘兴 等型号已成功地采 用 了由? ?钨和? ? 铝粉末烧结而成的钨 铝舵。采用呜铝 合金是 基于它 的高熔点、高强度 和耐热冲刷 的性 质?后 来又发展使用了钨渗铜燃气 舵。这 种新颖 的燃气舵在 固体火箭 发动机排 出 的高温高速 粒子流 中工作时,钨骨架中的铜会 熔化、汽 化并从骨架中逸 出。在相变时吸收大量热而使舵体降温并保持较小的烧蚀率。我 国已成功 地研制 并使 用了妈渗铜燃 气舵。二、燃气舵气动设计的内容和要求燃气舵气动设 计 的内容有如下儿项?选择合理 的气动外形?展弦比?姓?,梢根比?劝,后惊角? ?日,剖面 形状 和相对 厚收稿日期?年? ?月? ?日度?司等,燃气舵的
4、安装位置和转轴位置的确 定?燃气舵气动特性估算,?燃气舵风洞模型实验和发 动机 地面 点火烧蚀、测 力试验等。前三 项基本上是理论方面的工作,即通过气动理论 分析和计算,比较并选择 出较理想 的燃气舵设计方案,给出气动特性计算数据,供 导弹 方案论证和方案设计使用。但是 由于燃气流流场非 常复 杂,理 论计算时必须对流场进行简化,这就使得计算结果 与实际值差 别较大。因此,还必须通 过风洞模型实验及发动机地面点火燃气舵烧蚀、测力试验,对 理 论结果进行修正,才能应用于初步 设计。燃气舵风洞模型实验和发动机地面点火燃气舵烧蚀、测力试验是燃气舵研制过 程 中的重要环节,同理论分 析计算比较,工作量
5、大、费时而且 花钱多。燃气舵 的设计应满足如下几点?足够的升力梯度并且接近常值?较小的饺链 ?转轴? 力矩及其变化范围?即压心位移小?,以满足舵机功率的要求?阻 力小?工 作可靠不允许出现大量 的烧损、控制力强 烈振荡以及舵体破坏等现象,工艺简单,经济性好。设计出满足 上述技术要求的舵面不是轻而易举的事,因为影响设计参数的因素很多,而且常常互相矛盾 和制约。这就要求在各参数之间做综合平衡,并经过大量的和反复的理论和试验工作,才能研制出符合要求的燃气舵。三、舵面设计的依据?舵面的工作条件?喷管出口几何参数,如直径?和半角山,喷管出口平均气流参数,如马赫数材。,静压尸,静温?,速度犷,密度? 速度
6、头? 比热比?和粘性系数样等,燃气流的组分?工作时间以及相应的大气参数等。应 当指 出,舵面所处区域的燃气流参数分布是很不均匀的,出口形成的压缩波变为膨胀波。非常困难的。因此,为了简单,而且随着高度的增加,喷管 在这样复杂的流场中工作的舵面,要精确预示其气动特性是此处提出使用喷管出口平均气流参数,气动特性?,这对于方案选择是可行的。气动特性指标来粗略地估计舵面的最大升力梯度和总升力?最大铰链力矩和铰链力矩变化范围。最大升力 梯度和总升力是舵面平面 面积 和最大舵偏角 设计的依据,状和材料是由最大铰链力矩和铰链力矩变 化范 围确定 的。而转轴位置及舵面形靠性出发,提出较大的升力梯度和总升力,控制
7、和稳定系统的设计师一般从可优设计来说,山拱天的汁刀邵度和 总升 力,而要求铰链力矩和变化范围尽量小。然而,从最过于保守的气动特性设计指标是不合 适 的。因为这会给舵面 设计造成不 必要的困难,并增加控制、稳定系统的重 量。四、舵面安装位置的确定一般把燃气舵安装在喷管出口之外,并尽量接近 喷管出口的位 置上,也有一部分 舵面伸入到喷管之内的?图?。舵面 一部分伸入喷管之 内,优点是气动特性基本不受外界大气的影响,并接近常值,缺点是舵基板防热困难,而且 舵面偏角较大时,会干扰发动机推力的大小和方向。舵面安装在喷管出口之外的又分为两种?一种是舵面根弦与喷管 出口壁 的延长线平行,这种安装方式允许设计
8、较大的舵面 积,舵 基板易于防护,缺点是有相当大的 一部分舵面积处于出口冲波、膨胀波中,而使升力效益降低。另一种 是根 弦 与弹 体?或喷管?轴线平行,优点是出口冲波、膨胀波干扰区域小,舵面升力效益高,而 且结构简单,因而是设计师们常采用的一种方案。喷管壁喷管出口一严根 弦了舵面色色? ? ?喷管入? 严一摊致? 弦山弦图?燃气舵的不同安装位置五、舵面参数的选择?舵平面 面积和最大舵偏角的选择 最大升力梯度和 总升力是确定舵平面 面积和最大舵偏角的依据。根据最大升力梯度可以确定舵 的平面面积,而最大舵偏角 是由总升 力指标确定的。在 喷管出口面积较大时舵面积和最大舵偏角都不受限制。最大舵偏 角
9、可选取?“,此时会出现较大 的压心偏 移,而产生较大的铰链 力矩。如舵偏角小于? ?“,展向压心的移动可减小 到半展 长的?一?,而 弦 向压心的移动可以忽略不计。这就使得铰链力矩大大减小,从而 减小了对 舵机功率的要求。当喷管出口面积较小时,舵的平面 面积和最大舵偏角要综合考虑。因为 不论舵的面积过大还 是舵的附,放后 力升憋定总曲确和既寸度两尺梯者日或出升力,管 的象喷大现,更说的求撞上要碰义统相意系互种定舵某稳两从和邻,制相此控现因果出。如能益。可效了都的定,面本大舵基过低也角降力偏而升或者两舵面形成 的冲波发生相互干扰从舵 的最 大升 力梯度 和总,只有另 外设计空气舵,配合燃气 舵共
10、同 起控制和稳 定作用。?舵平 面形状 的选择翼面理论和 风洞实验研究表 明,大后掠角、大展弦比和小梢根比的翼面具有前缘烧损面积小,压心位移 小和升 力梯 度大 的特点。所以,大后掠角三角翼是一种理想 的翼面。但在实际设计舵面时,考虑 到各种因素的影响,各图?舵价?的几种平面形状平 面参数应综合考虑?图乏是己夜雨过沥亢一 种舵 面平 面形 状。实践证明,工作时 间较长的舵 面 中,以图?所示的气动性能最好。?前缘后掠角?刀?力一般采用单后掠角翼 面,有时 为 了增加抗烧蚀性等原 因,采用双 后掠翼 面。确定后掠角要保证刀?二? ?一研?一?,否则翼面变为 亚音速 前缘,这不 仅使升力梯度降低,
11、而 且压 力中心随 舵偏角 的变化比较显著。另外,为保证足够的舵 面升力面 积,后掠角也不能过大。设计中一 般取?二簇? ?。,液体火箭使用的石墨舵常采用? ?”,固体火箭使用的钨一钥或钨渗铜舵可控制在?。? ? ”之间。?、展弦比?在设计中,由于喷管尺寸的限制和舵面强度 的要求,一般取?“?,而常用的是?左 右。?梢根比?之?梢根比一般 不能太小。因为在 运输或 贮存中翼梢易碰坏,在工作中易烧损?在展 长和弦长受限制的情况下,舵面面积就会 减小。在设 计中一般取凡异?,常 用凡? ?左右。?翼 型设计常 用的超 音速 翼型有菱形、六边形和前楔平板形 三种?图?。实践证明,石 墨舵采用 前楔平
12、板形 是成功 的,钨一铝 等难熔合金舵可采用 六边形。?翼型厚度选择 翼型 厚度的原 则是在保证强度 要求的前提下,尽量 减小翼型厚 度,以达到降低阻 力和减轻重量 的目的。关 于石 墨舵,根弦相对厚度可 取? ?,而平均气动弦上 可取。,? ?钨一铝等难熔合金 舵可取?左右。?翼型 的前后楔角、一咬芝乏兰卜一图?几种翼型在大攻 角情况下,二元翼型 的压心后移量 与翼型 的楔角成正比。因此,为了改善铰链力矩随舵偏角的线性关系,应当把翼型表面斜度取得尽量小 一些为 防止气流 在后缘分离和保证舵面 强度,后楔角应比前楔角还要小一些。石墨舵前楔半角一般 取?一?。,钨铂等难熔合全舵可取?“。?前后缘
13、钝度为了减小舵前缘面积的烧蚀 和冲刷损失,除选用较大的后掠角外,一般选用柱形钝前缘。因为钝前缘会产生较大的波阻,所以在满足 前缘烧损要求的条件下,前缘半径应 尽量小一些。经验证明,后掠角为? ?“的石墨舵,其平均气动弦前缘半径取?毫米,完全满足设计要求,而钨一铝等难熔合金舵可取?一?毫米。为减小波 阻,后缘尖一 些为好。但为保证 强度以及改善大偏角下 铰链力矩随舵偏角变化的线性关 系,后缘钝一些好。这 个矛 盾应 根据具体 情况综 合解决。例 如 当对阻力损失不太 计较时,采用平钝后缘较为有利。六、燃气舵转轴位置的确定在开始设计燃气舵 的时候,由于没有实验数据 可用,转轴位置可按照舵面法 向力
14、的理论计算值、最大舵偏角、舵 机功率以及估计的压心最大后移量来初步估算,即?占? ?镇对。? ?或?。? ?簇?二? 二?式 中?占舵面法 向力梯度?占。?最大舵偏角,?舵面理论压心到舵转轴中心线的长度? ? ?烧蚀等因素引起的压心最大后移量?对?。二舵机功率允许的最大铰链力矩?。二舵机功率允许的最大铰链力矩梯度。在舵机功率允许的情况下,?最好 取得大一些,以免由于理论压心计算不准 确,而出现负的铰链力矩。在设计中一般取? ? ! ?毫米或更大些。然 后通过风洞模型实验和发动机地面点火燃气舵测 力试验,调整转轴的位置,以满足舵 机功率的要求。七、气动特性估算方法戛?气动特性计算方法?法向力梯度
15、?。?。? ?,儿?壳?押。?二式中?,考虑速度头沿轴向衰减的修正系 数,可用? ?。,?,翼型 厚度修正系数,可取儿? ?。?一? ?且了厉了几?考虑有限翼展修正 系数? ? ?考虑出口冲波膨胀波、护板形状影响的修正系数,由实验确定,在未取得实验数据之前暂取?一 ?壳? ?一就烧蚀引起的升力面积损失修正系数,台是单位时间 面积损失百分数?发动机出口处气流平 均速度头?,有效升力面积?勺。法向力系数导数,根据翼面理论,当马赫数较大时,可用下式计算?万 ? ?矿厕凳二 ?、?口、 ?产、?任一?八?矛才?、下矛?、?、?切向力?二?,切向力系数?近似等于零偏角阻力系数。?澎?彻?二。?二。式 中摩阻系数?二、可用下式计算?二。一 ?,”从刀?。? ? ? 七了一飞?刃飞而“式 中?。一刀?,?厂?拼依平均气动弦 长?计算的雷诺数,刀。分别为 压缩性和翼型厚 度修正 系数,可从北航? ?讲义查得。波 阻?二。包括钝前缘 阻力、楔面 波阻 和钝后缘阻力,即?二。一?,。,?二。?二?,式中?二。,一? ,? 。,一丫? 一钝前缘阻 力系数,?为前缘半径,?劝夕一?么?。几,考一钝后缘阻、数,?为后缘半衡?动。,和?的、,可从? ? ? ? ? ?查得,?,。?刀 ?刀,?刀 ?
