CC BY
40
https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-54-61 УДК 004.942, 533.68
Численное моделирование аэродинамики артиллерийского снаряда для экспериментальной отработки элементов штатных образцов
М. С. Колкотина, Н. В. Сошникова
Акционерное общество «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», Миасс, Челябинская область, Российская Федерация
о см о см
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 а = 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
Для цитирования: Колкотина М. С., Сошникова Н. В. Численное моделирование аэродинамики артиллерийского снаряда для экспериментальной отработки элементов штатных образцов // Вестник Концерна ВКО «Алмаз - Антей». 2020. № 4. С. 54-61. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-54-61
For citation: Kolkotina M. S., Soshnikova N. V. Numerical simulation of the aerodynamics of a ballistic projectile for experimental development of standard samples // Vestnik Koncerna VKO "Almaz - Antey". 2020. No. 4. P. 54-61. https://doi.org/10.38013/2542-0542-2020-4-54-61
Поступила 12.10.2020 Отрецензирована 25.10.2020 Одобрена 25.10.2020 Опубликована 30.12.2020
< i
to те S
О CÛ
Q.
<D
О
О <D CQ
CM ■clin 9
CM ■clin
CM
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
- © Колкотина М. С., Сошникова Н. В., 2020
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 проектно-конструкторских проработок предлагается
1«1
^ггттт, sSSSSSSSSSSSS\S\ /УУ/У/УУ/У/УЛ
/ / \
2
4
5
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
1
создать следующий вариант специального артиллерийского снаряда, представленного на рисунке 1.
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
Рис. 2. Специальный артиллерийский снаряд
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 самонаведе- § ния, бортовая система управления, телеметрия, н целесообразной становится разработка моди- Ё фикации САС с системой спасения. Ц
К
Условия расчетов, картины обтекания, 1
АДХ конфигураций §
В обеспечение выбора оптимальной аэроди- Э
намической компоновки САС, в том числе о
спасаемого, и получения аэродинамических ф
характеристик САС разработаны 3D-модели |
и проведены расчеты обтекания для трех ва- ^
риантов модельных конфигураций САС, пред- | ставленных на рисунках 2-4.
Рис. 3. Специальный артиллерийский снаряд (спасаемый, вариант 1)
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 = 0,6; 0,8 и 0,9, рассмотрены углы атаки а = 2° и 5°, давление Р= 101325 Ра, температура = 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 чис-2 ленных расчетов получены следующие карти- Рис. 4. Специальный артиллерийский снаряд
ны обтекания: (спасаемый, вариант 2)
си н
- для специального артиллерииского 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
Рис. 6. Поле температуры в виде изолиний при Ыю = 0,9, а = 5°
Рис. 7. Поле векторов скорости при Ыю = 0,9, а = 5° (min = 0 м/с, max = 534,024 м/с)
Рис. 8. Поле давления при Ыт = 0,9, а = 5°
е
о р
ке
а р
а
0Q
о
есл
с
к с е
м с
сКо
Рис. 9. Поле чисел Маха при Мм = 0,8, а = 2°
Рис. 10. Поле векторов скорости при Мм = 0,6, а = 5° (min = 0 м/с, max = 283,274 м/с)
■ч-
00 Рис. 11. Поле температуры при Мт = 0,6, а =5°
см ■ч-ю
снаряда на поле векторов скорости. Заметно, максимальное значение достигается в зоне
8 что за стабилизаторами образуется вихре- перед стабилизаторами и за ними.
ю вое нестационарное течение. Из картин об- Ниже в табличном виде приведены
и текания полей температур наблюдаем, что ее аэродинамические характеристик (АДХ)
1<со
Рис. 12. Поле векторов скорости при Мм = 0,6, а = 5°
Температура [К]
Картина в сечении 1: заливка
Рис. 13. Поле температуры при Мм = 0,8, а = 5°
площадь, определяемую по диаметру миделе-вого сечения конфигурации.
Результаты численных расчетов показывают, что при расположении центра масс "¡¡е
специального снаряда на его оси на рассто- |
янии 600 мм от носка все исследуемые кон- &
фигурации снарядов статически устойчивы, о
а требуемое снижение скорости полета сна- | ряда (торможение) может быть обеспечено ^
к
Таблица 1 -Ц т
АДХ для специального артиллерийского снаряда о
M а° Cx xf
0,6 2 0,409 0,222 0,702
0,6 5 0,363 0,541 0,709
0,8 2 0,435 0,235 0,723
0,8 5 0,412 0,560 0,733
0,9 2 0,487 0,243 0,732
0,9 5 0,475 0,631 0,740
для различных вариантов геометрии снаряда, где сх - коэффициент продольной силы, су - коэффициент нормальной силы, х^- - 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
Таблица 2
АДХ для специального артиллерийского снаряда, спасаемого, вариант 1
м а° Сх СУ х/
0,6 2 6,269 0,031 1,059
0,6 5 6,683 0,640 0,985
0,8 2 6,269 0,261 1,013
0,8 5 7,036 0,697 1,014
0,9 2 5,502 0,331 1,072
0,9 5 6,071 0,742 1,021
Таблица 3
АДХ для специального артиллерийского снаряда, спасаемого, вариант 2
м а° Сх СУ х/
0,6 2 3,810 0,133 0,772
0,6 5 3,774 0,538 0,780
0,8 2 3,886 0,200 0,975
0,8 5 3,909 0,532 0,794
0,9 2 4,122 0,258 0,975
0,9 5 4,014 0,613 0,846
о см о см
< I
со та
г
о со
о.
<и
за счет увеличения аэродинамического сопротивления при выборе соответствующей хвостовой части.
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.
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.
о
о <и со
см ■ч-ю
с?
см ■ч-ю см
(П (П
Об авторах
Колкотина Мария Сергеевна - инженер 2 категории Акционерного общества «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», Миасс, Челябинская область, Российская Федерация.. Область научных интересов: аэродинамика летательных аппаратов.
Сошникова Надежда Владимировна - инженер-конструктор 3 категории Акционерного общества «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева», Миасс, Челябинская область, Российская Федерация. Область научных интересов: проектирование летательных аппаратов.
1<со
Numerical simulation of the aerodynamics of a ballistic projectile for experimental development of standard samples
Kolkotina M. S., Soshnikova N. V.
JSC V.P. Makeev State Rocket Centre, Miass, Chelyabinsk region, Russian Federation
This article is aimed at developing a mathematical model and conducting numerical modelling of aerodynamic processes during the flight of a ballistic projectile using the method of computational aerodynamics. The use of a ballistic projectile as a prototype allows various units and systems of any size and mass to be included in the design of a guided artillery projectile. At the same time, the design of the developed ballistic projectile is characterized by simplicity, compact size and reduced weight. Several layouts of the proposed ballistic projectile with different tail sections were developed. The flow calculations were performed under the Mach numbers of M« = 0.6, 0.8, 0.9 and the attack angles of a = 2° and a = 5°. Engineering calculations produced three-dimensional models of a ballistic projectile, flow patterns and main aerodynamic characteristics for various design layouts.
Keywords: ballistic projectile, guided artillery projectile, aerodynamic characteristics, CFD package.
Information about the authors
Kolkotina Maria Sergeevna - Engineer of the 2nd category, JSC V.P. Makeev State Rocket Centre, Miass, Chelyabinsk
region, Russian Federation.
Research interests: aircraft aerodynamics.
Soshnikova Nadezhda Vladimirovna - Design Engineer of the 3rd category, JSC V.P. Makeev State Rocket Centre, Miass, Chelyabinsk region, Russian Federation. Research interests: aircraft design.
