初始速度对导弹级间冷分离影响研究

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2025.02.006

摘要/Abstract

摘要：

针对导弹与助推级间冷分离中初始分离速度对分离轨迹及气动力特性的影响问题，采用基于耦合六自由度运动方程的非定常流动数值模拟方法，模拟不同初始分离速度下导弹与助推的分离过程。模拟结果显示，分离过程可以分解为级间填充阶段和尾流冲击阶段，分离过程的气动力变化与流场特性相互耦合，提出初始分离速度影响导弹运动轨迹的拟合公式，得到分离后俯仰姿态受初始分离速度影响的运动学规律。初始分离速度对分离气动特性的影响研究能够为分离策略设计提供理论基础，为分离轨迹预测提供数学手段。

关键词: 级间分离, 跨声速, 非定常, 数值模拟, 轨迹预测, 姿态

Abstract:

We investigate the impact of the initial separation velocity on the trajectory and aerodynamics of the missile and booster during cold separation. A numerical simulation method that couples unsteady computational fluid dynamics with a six degree-of-freedom solver is adopted. The paper analysis the separation processes between the missile and booster under various initial separation velocities. Simulation results reveal two distinct flow structures during the separation process： one characterized by recirculation and the other characterized by wake interaction. The paper analyzes the relationship between these typical flow structures and aerodynamics. A fitting curve tailored to the separation problem is established to predict the trajectory. In addition， the paper analyzes the pitching characteristics of the missile. The analysis in this paper provides a theoretical basis for the design of separation strategies. The fitting curve established in this paper provides a rapid prediction method for trajectory design.

Key words: stage separation, transonic, unsteady, simulation, trajectory prediction, attitude

中图分类号:

TJ760

曹飞, 薛亦菲, 牛春峰, 郝宏旭, 乔治, 丁宁. 初始速度对导弹级间冷分离影响研究[J]. 现代防御技术, 2025, 53(2): 55-65.

Fei CAO, Yifei XUE, Chunfeng NIU, Hongxu HAO, Zhi QIAO, Ning DING. Investigation on the Impact of Initial Velocity on Cold Separation Between the Missile and the Booster[J]. Modern Defense Technology, 2025, 53(2): 55-65.

图/表 23

图1 外挂物分离模型验证算例示意图

Fig. 1 Schematic of wing/pylon/finned store model

图2 欧拉角的模拟与试验对比结果

Fig. 2 Comparison of simulation and experimental Euler angles

图3 外挂物空间位置的模拟与试验对比结果

Fig. 3 Comparison of simulation and experimental position

图4 导弹与助推示意图

Fig. 4 Schematic of the missile and booster

表 1 导弹与助推的物理属性

Table 1 Characteristic of missile and booster

参数名称

导弹

助推

质量/kg

质心/m

长度/m

直径/m

x向转动惯量/（kg·m²）

y向转动惯量/（kg·m²）

z向转动惯量/（kg·m²）

200

1.28

2.40

0.32

160

210

2.65

4.63

0.32

350

图5 重叠网格示意图

Fig. 5 Schematic of the overset grid

图6 导弹头部局部网格示意图

Fig. 6 Zoom-in grid at the leading edge of the missile

图7 导弹分离轨迹示意图

Fig.7 Trajectories of the missile

图8 分离初始时刻马赫数云图

Fig. 8 Mach contour at the start of the separation

图9 分离初始时刻压力云图

Fig. 9 Pressure contour at the start of the separation

图10 v0=10 m/s， t=0 s的级间流场

Fig. 10 Flow of v0=10 m/s， at t=0 s

图11 v0=10 m/s， t=0.02 s的级间流场

Fig. 11 Flow of v0=10 m/s， at t=0.02 s

图12 v0=10 m/s，t=0.05 s的级间流场

Fig. 12 Flow of v0=10 m/s， at t=0.05 s

图13 v0=10 m/s， t=0.1 s的级间流场

Fig. 13 Flow of v0=10 m/s， at t=0.1 s

图14 不同分离初始速度下的运动轨迹

Fig. 14 Trajectories for various initial velocities

图15 导弹x方向速度随时间的变化规律

Fig. 15 Velocity evolutions in x direction under various initial velocity

图16 导弹x方向合力随时间的变化

Fig. 16 Evolutions of total force on x direction

图17 导弹黏性与无黏阻力变化特性

Fig. 17 Evolutions of the viscous drag and inviscid drag

图18 助推器分离运动轨迹

Fig. 18 Trajectories of the booster

图19 t=0.6 s时刻的运动状态示意图

Fig. 19 Attitudes of missile and booster at t=0.6 s

图20 导弹俯仰角随时间的变化特性

Fig. 20 Evolution of the missile’s pitch angle

图21 导弹俯仰角速度随时间的变化

Fig. 21 Evolution of the missile’s pitch angular velocity

图22 导弹俯仰力矩随时间的变化

Fig. 22 Evolution of the missile’s pitching moment

参考文献 17

1	贾如岩，江振宇，胡凡，等. 轴对称弹体级间冷分离流场数值模拟与阻力特性［J］. 固体火箭技术， 2014， 37（5）： 606-609， 627.
	JIA Ruyan， JIANG Zhenyu， HU Fan， et al. Flow Field Numerical Simulation and Resistance Characteristics of Axisymmetric Body During Stage Separation［J］. Journal of Solid Rocket Technology， 2014， 37（5）： 606-609， 627.
2	伍彬，王韦钰，钟永建，等. 导弹助推器级间分离非定常数值模拟研究［J］. 空天防御， 2019， 2（4）： 7-12.
	WU Bin， WANG Weiyu， ZHONG Yongjian， et al. Numerical Simulation and Study of Unsteady Separation of Missile Booster［J］. Air & Space Defense， 2019， 2（4）： 7-12.
3	宋威，蒋增辉. 串联飞行器级间分离风洞自由飞试验［J］. 空气动力学学报， 2017， 35（5）： 687-692.
	SONG Wei， JIANG Zenghui. Wind Tunnel Free-Flight Test for Stage Separation of Tandem Layout Vehicle［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2017， 35（5）： 687-692.
4	闻讯，柳军，夏智勋. 吸气式高超声速飞行器助推分离过程数值仿真［J］. 国防科技大学学报， 2019， 41（1）： 34-40.
	WEN Xun， LIU Jun， XIA Zhixun. Numerical Simulation of Booster Separation for an Air-Breathing Hypersonic Vehicle［J］. Journal of National University of Defense Technology， 2019， 41（1）： 34-40.
5	LI Yi， REIMANN B， EGGERS T. Numerical Investigations on the Aerodynamics of SHEFEX-III Launcher［J］. Acta Astronautica， 2014， 97： 99-108.
6	乔宇航，石泳，赵飞. 带级间连接托的高超声速飞行器分离干扰研究［J］. 航空计算技术， 2019， 49（6）： 14-17.
	QIAO Yuhang， SHI Yong， ZHAO Fei. Study on Separation Interference on Hypersonic Vehicle with Bracket Stage Connector［J］. Aeronautical Computing Technique， 2019， 49（6）： 14-17.
7	李维洲，宋晓东，王帅. 旋转舱体抛罩对其姿态影响的分析［J］. 现代防御技术， 2021， 49（5）： 14-25.
	LI Weizhou， SONG Xiaodong， WANG Shuai. Analysis of the Influence of the Casting Cover on the Attitude of the Rotating Cabin［J］. Modern Defence Technology， 2021， 49（5）： 14-25.
8	王巍，刘君，白晓征，等. 非结构动网格技术及其在超声速飞行器头罩分离模拟中的应用［J］. 空气动力学学报， 2008， 26（1）： 131-135.
	WANG Wei， LIU Jun， BAI Xiaozheng， et al. DUM Research and Apply to Solve the Fairing Separating Form Hypersonic Vehicle［J］. Acta Aerodynamica Sinica， 2008， 26（1）： 131-135.
9	FAN Jingjing， YAN Chao. Enhancement and Application of Overset Grid Assembly［J］. Chinese Journal of Aeronautics， 2010， 23（6）： 631-638.
10	崔鹏程，唐静，李彬，等. 基于超网格的重叠网格守恒插值方法［J］. 航空学报， 2018， 39（3）： 18-30.
	CUI Pengcheng， TANG Jing， LI Bin， et al. A Conservative Interpolation Method for Overset Mesh Via Super Mesh［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（3）： 18-30.
11	PEZZELLA G， BRUMMEN S， STEELANT J. Assessment of Hypersonic Aerodynamic Performance of the EFTV-ESM Configuration in the Framework of the Hexafly-Int Research Project［C］∥8th European Symposium on Aerothermodynamics for Space Vehicles. Lisbon， Portugal ： European Space Agency， 2015： 2-6.
12	赵飞，刘丽玲，石泳，等. 类X-43A飞行器高超声速分离仿真［J］. 航空学报， 2022， 43（5）： 221-230.
	ZHAO Fei， LIU Liling， SHI Yong， et al. Hypersonic Separation Simulation of Aerocraft Similar to X-43A［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2022， 43（5）： 221-230.
13	黄阳阳，姜毅，李玉龙，等. 子母弹结构特征对分离特性影响分析［J］. 现代防御技术， 2021， 49（2）： 35-42， 56.
	HUANG Yangyang， JIANG Yi， LI Yulong， et al. Impact Analysis of Structure Characteristics of Cluster Bombs on Separation Characteristics［J］. Modern Defence Technology， 2021， 49（2）： 35-42， 56.
14	张曼曼，姜毅，程李东，等. 基于嵌套网格的超声速子母弹分离数值分析［J］. 兵工学报， 2019， 40（1）： 79-88.
	ZHANG Manman， JIANG Yi， CHENG Lidong， et al. Numerical Analysis of Separation of Supersonic Submunition Based on Nested Grid［J］. Acta Armamentarii， 2019， 40（1）： 79-88.
15	富佳伟，王辰. 高致密弹携式蜂群布局与多体分离方案［J］. 北京航空航天大学学报， 2023， 49（7）： 1630-1638.
	FU Jiawei， WANG Chen. Configuration and Multibody Separation Scheme of Compact Missile Swarm［J］. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2023， 49（7）： 1630-1638.
16	MEEROFF J， DALLE D J， ROGERS S E， et al. Advances in Space Launch System Booster Separation CFD［C］∥AIAA SCITECH 2023 Forum. Reston： AIAA， 2023： AIAA 2023-0238.
17	HEIM E R. CFD Wing/Pylon/Finned Store Mutual Interference Wind Tunnel Experiment： ADB152669［R］.TN： Arnold Engineering Development Center， Air Force Systems Command， United States Air Force， 1991： 1-63.

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[1]	王宗辉, 杨云军, 赵弘睿, 赵佳祥. 倾转机翼旋翼无人机倾转过渡状态数值模拟[J]. 现代防御技术, 2024, 52(3): 9-19.
[2]	王利楠, 温广辉, 伊枭剑. 状态约束下的多飞行器有限时间姿态一致性控制[J]. 现代防御技术, 2024, 52(2): 124-131.
[3]	赵新华, 汪康, 高长生. 柔性航天器的H_∞状态反馈控制器设计[J]. 现代防御技术, 2024, 52(2): 79-86.
[4]	范文茹, 刘权威, 田栢苓. 基于干扰补偿的四旋翼无人机轨迹跟踪控制[J]. 现代防御技术, 2024, 52(2): 87-93.
[5]	汪晓军, 任平, 崔树林, 赵丽丽. 多功能海军导弹运输车技术研究[J]. 现代防御技术, 2024, 52(1): 111-115.
[6]	王嘉楠, 彭晓乐, 王之昊, 谭铮. 全捷联光学导引头视线角速率提取研究[J]. 现代防御技术, 2023, 51(6): 77-86.
[7]	刘国亮, 沈永福, 胡杰, 曹鹏. G45钢破片对中大口径弹体侵彻仿真分析[J]. 现代防御技术, 2023, 51(5): 134-141.
[8]	彭惠, 余胜义, 王盛, 李先慕, 慕德. 车载惯导大倾角导航姿态误差的理论分析[J]. 现代防御技术, 2023, 51(5): 59-66.
[9]	何荧, 万佳庆, 韦姗姗, 胡晓强. 无数据依赖智能技术在机动伴随防空传递对准中的应用[J]. 现代防御技术, 2022, 50(6): 50-58.
[10]	陈红, 李世中, 杨超. 六分位探测引信战斗部起爆控制的建模及仿真[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 140-151.
[11]	孙雪琪, 张锐. 基于轨迹跟踪预测的反HTV2中制导研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(4): 62-72.
[12]	张立建, 郭洪卫, 吕永柱, 栗保华. 两种侵彻载荷下装药结构动态响应特性数值模拟[J]. 现代防御技术, 2021, 49(5): 111-117.
[13]	黄阳阳, 姜毅, 李玉龙, 张曼曼, 杨昌志. 子母弹结构特征对分离特性影响分析[J]. 现代防御技术, 2021, 49(2): 35-42.
[14]	田源, 王俊波, 宿敬亚. 应用PWPF调节器的空间飞行器姿态控制方法研究[J]. 现代防御技术, 2020, 48(1): 32-37.
[15]	毛柏源, 李君龙, 张锐. 大姿控力矩直/气复合控制方法研究[J]. 现代防御技术, 2018, 46(6): 151-158.