【正文】 系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖176。 攻角為0176。首先由亞音速到跨音速，隨著馬赫數(shù)增加阻力系數(shù)增大，在Ma=。不同寬度時(shí)，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化曲線。、8176。 Ma=，不同氣泡寬度， Ma=，不同氣泡寬度，阻力系數(shù)隨攻角變化圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖 Ma=2，不同氣泡寬度， Ma=3，不同氣泡寬度，阻力系數(shù)隨攻角變化圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化，高度1mm，攻角為0176。由以下曲線對(duì)比看出馬赫數(shù)一定得情況下，不同氣泡寬度的阻力系數(shù)隨攻角的變化趨勢(shì)相似。下面主要依據(jù)Fluent算得的數(shù)據(jù)來(lái)得出不同氣泡寬度對(duì)氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不同氣泡寬度之間的關(guān)系。40mm氣泡長(zhǎng)度時(shí)阻力最大，也是因?yàn)橛L(fēng)面投影面積最大，所受空氣阻力最大的原因所致。從跨音速到超音速阻力系數(shù)下降，在Ma=3時(shí)，阻力系數(shù)最小。不同氣泡長(zhǎng)度， 176。不同氣泡長(zhǎng)度， 攻角為5176。阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化、高度1mm、數(shù)量3個(gè)，Ma=、3，不同氣泡長(zhǎng)度時(shí)，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化曲線。時(shí)，氣泡長(zhǎng)度為，可見長(zhǎng)度為40mm的阻力系數(shù)最大，長(zhǎng)度為20mm的阻力系數(shù)最小，并且都是以1:1的比例趨勢(shì)增長(zhǎng)。之所以隨氣泡長(zhǎng)度的增大，阻力系數(shù)越大，是因?yàn)闅馀蓍L(zhǎng)度越大，其迎風(fēng)的投影面積就越大，即所受空氣阻力就越大。 Ma=，不同氣泡長(zhǎng)度， Ma=，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角變化圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖 Ma=2，不同氣泡長(zhǎng)度， Ma=3，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨攻角變化圖 阻力系數(shù)隨攻角變化圖由以上曲線對(duì)比看出馬赫數(shù)一定的情況下，不同氣泡長(zhǎng)度的阻力系數(shù)隨攻角的變化趨勢(shì)相似。飛行馬赫數(shù)，為聲速。彈丸的空氣阻力[3134]，在超音速與跨音速時(shí)，包括摩阻、渦阻和波阻三個(gè)部分；而在亞音速是則沒有波阻。 第4章 制動(dòng)彈丸的氣動(dòng)布局分析通過(guò)前面的微氣泡陣列在彈體頭錐內(nèi)集成的設(shè)計(jì)，及微氣泡薄膜變形位移仿真，利用流體力學(xué)軟件對(duì)微氣泡作用下的彈丸氣動(dòng)力特性進(jìn)行分析，包括阻力、升力等。原彈型和制動(dòng)彈丸的繞流流場(chǎng)速度云圖，與超音速和跨音速速度云圖比較可以看出，氣體流速的變化。原彈型和制動(dòng)彈丸的繞流流場(chǎng)壓力云圖，亞音速時(shí)激波強(qiáng)度較弱，這是因?yàn)閬喴羲贂r(shí)彈丸所受到得阻力主要是摩阻和渦阻。速度云圖曲線更加接近圓形并且更遠(yuǎn)。 制動(dòng)彈跨音速壓力云圖 =176。原彈型和制動(dòng)彈的壓力云圖，如圖可見與超音速時(shí)曲線類似，彈頭都產(chǎn)生高壓區(qū)，微氣泡周圍有壓力集中，彈尾部形成漩渦有渦流區(qū)，有激波形成。制動(dòng)彈丸頭部和原彈型頭部對(duì)比，由于微氣泡對(duì)彈丸頭部氣流的影響，制動(dòng)彈丸頭部速度曲線有較強(qiáng)的擾動(dòng)。=176。當(dāng)微氣泡制動(dòng)器在彈體頭部作用時(shí)，彈體頭部產(chǎn)生的附體激波增強(qiáng)，微氣泡迎風(fēng)面有壓力集中。當(dāng)超音速外流到達(dá)彈體底部時(shí)，氣流隨著壓力和流動(dòng)方向的調(diào)整在彈底處產(chǎn)生尾激波。 原彈型超音速壓力云圖 制動(dòng)彈超音速壓力云圖 =176。如果彈丸在超音速飛行時(shí)，除尾部有大量旋渦外，在彈頭部與彈尾部附近有近似為錐形的、強(qiáng)烈的壓縮空氣層存在，這就是空氣動(dòng)力學(xué)所說(shuō)的激波（在彈道學(xué)中把彈頭附近的激波叫彈頭波，彈尾附近的激波叫彈尾波）[38]，此時(shí)空氣阻力突然增大。；（3）氣泡長(zhǎng)度為：20mm、30mm、40mm；（4）氣泡寬度為：、2mm；（5）氣泡高度為：、1mm；（6）氣泡個(gè)數(shù)為：8； 制動(dòng)彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬空氣的流動(dòng)狀態(tài)一般難以直接觀察，采用Fluent軟件仿真是將空氣的流動(dòng)轉(zhuǎn)化為曲線的形式繞流流場(chǎng)來(lái)顯示。、10176。、5176。 仿真分析條件主要通過(guò)以下幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析：（1）來(lái)流馬赫數(shù)為: 、 、 ；（2）彈丸攻角為：0176。(4) 、密度與質(zhì)量力項(xiàng)為1。(2) 制動(dòng)彈要求彈體頭錐部微氣泡制動(dòng)器部分，在修正控制時(shí)相對(duì)地面靜止，而彈體后部要求旋轉(zhuǎn)保持彈丸穩(wěn)定， 壁面選擇條件：彈丸頭錐部單獨(dú)定義為靜止物體Stationary Wall、彈體后部相對(duì)彈軸絕對(duì)旋轉(zhuǎn)Moving Wall、選取絕對(duì)坐標(biāo)系： Absolute、。外流場(chǎng)的網(wǎng)格劃分比較稀疏，可以減小仿真計(jì)算的時(shí)間；而彈丸的網(wǎng)格劃分比較密，特別是在頭錐部，可以提高仿真結(jié)果的準(zhǔn)確度。制動(dòng)彈丸的頭部用混合網(wǎng)格劃分，并且要在此特殊部位加密網(wǎng)格，而外流場(chǎng)采用圓柱體區(qū)域，圓柱體的半徑為10倍彈徑，前端距離炮彈頂部為5倍的彈長(zhǎng)，后端距離炮彈底部的距離為3倍的彈長(zhǎng)。 物理模型網(wǎng)格的劃分網(wǎng)格劃分選擇專用的CFD前置處理器Gambit。模型中的常數(shù)分別?。?；=。本文在計(jì)算中采用了這種湍流模型。另外，RNG模型采用嚴(yán)格推導(dǎo)的微分公式求解有效粘性，與高雷諾數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)模型相比，這種方法對(duì)低雷諾數(shù)流動(dòng)中的湍流效應(yīng)也能較好地模擬。RNG在形式上與標(biāo)準(zhǔn)kε模型相似，但在如下幾方面作了改進(jìn):首先該模型方程中存在的附加項(xiàng)增強(qiáng)了對(duì)迅速變形的流動(dòng)預(yù)示的準(zhǔn)確性；其次，RNG模型中還包含了漩渦對(duì)湍流流動(dòng)的影響，使得該模型對(duì)漩渦流動(dòng)預(yù)示的準(zhǔn)確性也得到了提高。其中，標(biāo)準(zhǔn)kε模型因其在保證一定準(zhǔn)確度的情況下計(jì)算量較小而應(yīng)用非常普遍，但是由于簡(jiǎn)化也使其應(yīng)用收到一定限制，特別是對(duì)于較復(fù)雜的流動(dòng)，很多情況下都必須對(duì)其進(jìn)行修正才能應(yīng)用。依據(jù)能量守恒定律，微元體中能量的增加率等于進(jìn)入微元體的凈熱流通量加上表面力與質(zhì)量力對(duì)微元體所做的功，可得其表達(dá)式為： ()式中，為流體微團(tuán)的總能，包含動(dòng)能、勢(shì)能和內(nèi)能之和，為焓，為組分的焓，定義為，其中；為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，為湍流熱傳導(dǎo)系數(shù)，根據(jù)所用的湍流模型確定；為組分的擴(kuò)散通量；為包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)。上式在直角坐標(biāo)系中的微分形式如下： ()其適用范圍沒有固定的限制，無(wú)論是黏性或無(wú)黏性流體，可壓縮或不可壓縮流體，定?；蚍嵌ǔＡ鲃?dòng)都可以適用。其定律表述為：在流場(chǎng)中任意取一個(gè)封閉的區(qū)域，此區(qū)域稱作為控制體，其表面稱作為控制面，單位時(shí)間內(nèi)從控制面流進(jìn)和流出控制體的流體質(zhì)量之差，等于在單位時(shí)間內(nèi)該控制體質(zhì)量增量，其積分形式為： ()式中，表示控制體；A表示控制面。（NS方程）動(dòng)量守恒方程是任何流動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)題都必須遵循的基本定律。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，還要考慮不同的流態(tài)，如湍流呀遵守附加的湍流運(yùn)輸方程。 Fluent軟件包各模塊之間的相互關(guān)系 流體力學(xué)基本方程修正彈在外彈道飛行過(guò)程中藥遵守物理守恒定律，這些定律主要包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律、能量守恒定律。本文主要應(yīng)用GAMBIT，F(xiàn)LUENT兩個(gè)模塊。對(duì)于用戶關(guān)心的參數(shù)和計(jì)算中的誤差可以隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。此外，Gambit含有CAD/CAE接口，可以方便地從其他CAD/CAM軟件中導(dǎo)入建好的集合模型或網(wǎng)格；Fluent解算功能的不斷完善確保了Fluent對(duì)于不同的問(wèn)題都可以得到很好的收斂性、穩(wěn)定性和精度。Gambit的主要功能是集合建模和網(wǎng)格劃分，F(xiàn)luent的功能是流場(chǎng)的解算及后處理。4. 多種數(shù)值算法Fluent軟件采用有限體積法，提供了三種數(shù)值算法：耦合隱式算法、非耦合隱式算法、耦合顯示算法，可適應(yīng)于不可壓、亞音速、跨音速、超音速乃至高超音速流動(dòng)。3. 多網(wǎng)格支持功能Fluent軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，不僅支持混合網(wǎng)格、動(dòng)/變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格還支持支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格。計(jì)算中網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可以用三種模型進(jìn)行計(jì)算，即局部重劃模型(local remeshing) 、動(dòng)態(tài)分層模型(dynamic layering)和彈簧近似光滑模型(springbased smoothing)。2. 先進(jìn)的動(dòng)/變形網(wǎng)格技術(shù)Fluent在解決邊界移動(dòng)的問(wèn)題時(shí)采用動(dòng)網(wǎng)和滑移網(wǎng)格技術(shù)。因此，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的求解控制都是可能的。 Fluent軟件簡(jiǎn)介Fluent是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)的計(jì)算程序。實(shí)驗(yàn)研究方法的特定是結(jié)果可靠，但是實(shí)驗(yàn)研究需要場(chǎng)地、儀器和大量的經(jīng)費(fèi)，研究周期相對(duì)長(zhǎng)[22][23]。其應(yīng)用空氣流動(dòng)所滿足的方程、來(lái)流性質(zhì)及彈箭外形的邊界條件，采用有限差分或有限體積法，將流場(chǎng)分成許多網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值積分運(yùn)算，獲得作用在彈表每一微元上的壓強(qiáng)，再進(jìn)行全彈積分求得各個(gè)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩分量。二者需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力。其中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法需要彈箭的縮比模型，吹風(fēng)風(fēng)洞，且根據(jù)風(fēng)洞吹風(fēng)的能力，只能獲取有限個(gè)離散點(diǎn)的近似數(shù)據(jù)。最后通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真對(duì)微氣泡致動(dòng)器的薄膜在充氣狀態(tài)下的變形位移進(jìn)行分析，得出了輸入壓力和薄膜幾何外形與薄膜變形位移之間的關(guān)系。本章闡述了微氣泡制動(dòng)器的工作原理，確定了微氣泡制動(dòng)器的幾何參數(shù)，選用了符合需求的硅酮橡膠作為微氣泡致動(dòng)器氣泡外殼材料，采用以表面加工為主的加工方法對(duì)微氣泡致動(dòng)器的工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。這是一個(gè)顯然的結(jié)果。變形位移隨著膜片厚度的增加而線性地減小。膜片的厚度對(duì)微氣泡驅(qū)動(dòng)器的變形位移有不利的影響。較小的寬度將是變形位移的限制因素。膜片的寬度比長(zhǎng)度對(duì)變形位移的影響較大，但是沒有厚度對(duì)其的影響大。（a）壓力和厚度 （b）壓力和長(zhǎng)度 雙向影響位移變形分析三向影響位移變形分析為了分析輸入壓力和薄膜幾何形狀共同對(duì)薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真：（a） 輸入壓力5000、10000、15000，薄膜寬度2000、2200、2400，薄膜厚度150、200、250；（b） 輸入壓力5000、10000、15000，薄膜長(zhǎng)度6000、7000、8000，薄膜厚度150、200、 載荷2psi時(shí)微氣泡變形圖單向影響位移變形分析為了分析輸入壓力以及薄膜幾何形狀對(duì)薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真：（a） 輸入壓力5000、10000、15000；（b） 薄膜長(zhǎng)度6000、7000、8000；（c） 薄膜寬度2000、2200、2400；（d） 薄膜厚度150、200、采用微氣泡薄膜四周固定，加載平面壓力載荷。表 壓力P(psi)變形位移h(mm)00123456789101112根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制壓力—： 微氣泡制動(dòng)器的壓力—變形位移理論曲線 對(duì)微氣泡薄膜進(jìn)行靜力測(cè)試這一環(huán)節(jié)，我們采用有限元分析軟件ANASYS對(duì)其進(jìn)行分析，也作為驗(yàn)證上面計(jì)算數(shù)值的有效手段。首先將參數(shù)n，v代入公式（），（）中計(jì)算得系數(shù)C1=，C2=。因此a=，b=，t=，n=。由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴，本文采用理論計(jì)算和數(shù)值仿真兩種手段對(duì)微氣泡制動(dòng)器位移變形進(jìn)行驗(yàn)證。完整的微氣泡制動(dòng)器在加工之后，必須利用實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)試其輸入壓力與微氣泡薄膜位移變形之間的關(guān)系，以檢測(cè)硅酮橡膠是否能產(chǎn)生應(yīng)有的位移變形以及其承載能力。以上的集成研究表明：存在頭錐內(nèi)布置微氣泡驅(qū)動(dòng)器集成的可行性。在這種情況下，設(shè)計(jì)的包裝便于在頭錐內(nèi)安裝32個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器，從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，這樣微氣泡驅(qū)動(dòng)器的頂面正好填滿那種允許范圍內(nèi)的無(wú)匹配值（不大于5μm）得頭錐（在癟的情況下）。在實(shí)際情況中，這將是一個(gè)典型的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。但是，在它們間總會(huì)存在一定的誤差（5um）,這也不會(huì)影響明顯的性能。在此配置中，32個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器被集成在頭錐的后座，并且每次控制16個(gè)驅(qū)動(dòng)器。微氣泡制動(dòng)器的下層基板加工工藝相對(duì)于上層比較簡(jiǎn)單，在硅片上利用體加工工藝刻蝕出一個(gè)直槽，尺寸為寬1mm，此直槽用于氣體的流通。首先在一個(gè)100硅片兩側(cè)，背面用活性離子腐蝕的方式進(jìn)行掩模，并且型腔使用KOH各向異性地刻蝕成300um300um正方形獨(dú)立的硅酮橡膠薄膜，并且利用等離子氧來(lái)進(jìn)行圖案，如果不去除聚對(duì)二甲苯上的光阻劑，前側(cè)由于等離子體SF6/02粗糙，剝掉光致抗蝕劑，100到150微米厚的硅酮橡膠旋轉(zhuǎn)涂敷到正面，加工處理這些晶片，并且利用SF6/02把C型聚對(duì)二甲苯去除，隨后使用等離子氧。它是采用真空熱解氣相堆積工藝制備，可制成極薄的薄膜，主要用作薄膜和涂層，用于電子元器件的電絕緣介質(zhì)、保護(hù)性涂料和包封材料等[17]。C左右的惰性溶劑中進(jìn)行吸收、蒸發(fā)溶劑濃縮降溫、結(jié)晶、過(guò)濾得對(duì)二甲苯二聚體（[]對(duì)環(huán)芳），精制后，將該二聚體進(jìn)行高溫裂解產(chǎn)生雙自由基，再導(dǎo)入成膜室在成膜物體表面冷凝并迅速聚合，得到均勻致密的聚對(duì)二甲苯薄膜。利用聚對(duì)二甲苯和硅酮橡膠的復(fù)合物，由于硅酮橡膠對(duì)聚對(duì)二甲苯有較弱的粘附性，可以利用一層聚對(duì)二甲苯作為釋放層，形成一層大面積的懸浮硅酮橡膠薄膜，避免了侵蝕犧牲層帶來(lái)的不利影響。主要有體微加工工藝、表面微加工工藝、深度反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）技術(shù)、LIGA技術(shù)、晶片鍵合技術(shù)等[15][16]。且對(duì)微氣泡薄膜周邊拐角處采用平滑的圓角處理，這樣以減小應(yīng)力集中避免薄膜脫落。微氣泡薄膜的厚度為100~150um，如圖2所示。為保證致動(dòng)器對(duì)被控氣流產(chǎn)生有效的擾動(dòng)作用，微致動(dòng)器的寬度定為2~3mm，變形垂直位移在12mm左右。cm)1015溫度范圍(℃)55200微氣泡致動(dòng)器由上下兩層構(gòu)成。 MRTV1的性能參數(shù)混合粘度(cPs)60，000硬度ShoreA24抗張強(qiáng)度(PSI)500抗撕強(qiáng)度(DieB，Ib/in)125伸長(zhǎng)率(%)1，000楊氏模量(MPa)導(dǎo)熱率(W幾m，℃)介電強(qiáng)度(V/mi