掠飞灵巧弹药直接以母弹作为稳态扫描平台,利用小射角条件下弹道平直的特点,一边飞行一边高速旋转,对目标实施探测毁伤。由于采用了新的稳态扫描机理,掠飞灵巧弹药对其气动性能提出了诸多新的需求,同时其运动特性及稳态扫描特性与传统灵巧弹药相比也存在显著差异。为此,本文采用理论分析、数值仿真以及实验研究相结合的方法,对其气动特性、运动特性以及稳态扫描特性的相关问题开展研究,给出了相应的理论模型、研究方法及结论。研究成果可为弹箭气动特性分析、气动外形优化设计、运动稳定性分析以及命中概率与毁伤效能分析提供参考。论文主要完成了以下几方面的工作:(1)根据掠飞灵巧弹药对高转速、低阻力系数的需求,对其开展了以“增旋减阻”为目标的多目标优化设计。通过对不同尾翼结构在滚转状态的受力进行分析,建立了简化条件下的弹箭平衡转速与尾翼几何参数之间的解析关系。采用基于旋转坐标系的定常CFD(Computational Fluid Dynamics)仿真方法,对理论分析结果进行验证,并对比分析了不同尾翼结构滚转性能的差异。在此基础上,以新型扭曲尾翼结构为例,提出了基于正交仿真实验、逐步回归分析以及多目标遗传算法的弹箭气动外形多目标优化方法,并对掠飞灵巧弹药开展了以“增旋减阻”为目标的多目标优化设计,获得了尾翼结构的Pareto多目标优化方案。结果表明,所提出的优化设计方法具有良好的寻优能力,可有效处理优化目标之间存在矛盾关系的弹箭气动外形多目标优化问题。(2)为研究掠飞末敏弹在高速滚转状态下的气动特性,对带有平板尾翼和扭曲尾翼的两种模型开展了静态和自由滚转风洞实验研究。提出了适合于小尺寸实验模型的平衡转速测量方法,获得了两种尾翼结构的掠飞灵巧弹药模型在亚、跨、超音速条件下,平衡转速和各项气动参数随攻角的变化规律,对比分析了静止和滚转状态下模型气动特性的差异。结果表明,掠飞灵巧弹药各项气动参数变化规律均具有一定非线性特性,在滚转运动状态下,由于翼面压力系数降低以及弹体和尾翼马格努斯效应的影响,导致了弹箭出现了压心前移、俯仰力矩系数降低以及偏航力矩系数增大等现象,这对弹箭飞行稳定性是不利的。(3)针对掠飞灵巧弹药在飞行过程中同时存在俯仰、滚转以及锥动运动的特点,开展了掠飞灵巧弹药耦合运动状态下的动导数研究。考虑到弹箭多自由度耦合角运动模拟的复杂性,提出了基于欧拉转动定理和球形滑移网格方法的复杂角运动模拟方法,该方法利用著名的罗德里格斯转换矩阵插值求得弹箭在每个时间步的角速度修正值,并指定给球形滑移网格区,从而对掠飞灵巧弹药在三自由度耦合角运动状态(俯仰、滚转、锥动运动相耦合)下的非定常流场进行了模拟求解。在此基础上,通过对非定常气动参数进行参数辨识,分析了滚转频率和锥进频率对其俯仰组合动导数和升力系数动导数的影响规律。结果表明:本文提出的复杂角运动模拟方法,可有效消除姿态角计算的累积误差;在耦合角运动状态下,掠飞灵巧弹药气动力系数迟滞环发生了明显的振荡和偏移,同时俯仰组合导数和升力系数动导数均随滚转频率和锥进频率增加而显著变化。(4)针对掠飞灵巧弹药属于高速旋转尾翼弹的特点,对其开展了非线性角运动特性及极限圆锥运动特性的理论研究。在掠飞灵巧弹药气动特性研究基础上,建立了掠飞灵巧弹药动力学方程以及非线性角运动方程,并结合改进拟线性法、振幅平面法以及奇点理论对攻角方程进行了求解分析。在理论推导过程中,针对现有理论方法的不足,通过对振幅平面方程进行泰勒展开,并分不同参数取值情况对振幅平面方程非零奇点的存在性和稳定性进行全面深入的讨论,给出了具有明确解析关系的旋转弹箭极限圆锥运动形成条件,以及极限圆运动幅值和频率表达式。最后结合掠飞灵巧弹药气动参数研究结果,对理论模型进行了验证。结果表明,本文给出的稳定极限圆锥运动形成判据,与现有理论结果相比,更为全面且明确,基于所得判据条件,可方便有效的对弹箭极限圆锥运动特性进行分析判断。(5)结合掠飞灵巧弹药非线性角运动特性和弹道特性,对其在极限圆锥运动状态下的稳态扫描特性进行了建模分析。考虑掠飞灵巧弹药在非线性空气动力和力矩作用下,可能形成稳定极限圆锥运动的情况,在气动特性以及非线性角运动特性的研究结果基础上,通过对其运动学方程进行坐标变换,推导了掠飞灵巧弹药在极限圆锥运动状态下的稳态扫描方程以及地面扫描间距方程,分析了极限圆锥运动幅值、频率以及各项气动参数对其扫描间距的影响。结果显示,与无极限圆锥运动的情况相比,当存在极限圆锥运动时,掠飞灵巧弹药形成的扫描迹线不再均匀,而是出现疏密变化,这可能导致原本满足探测目标要求的扫描间距在局部大于目标特征长度,从而遗漏扫描目标,这是掠飞灵巧弹药设计时必须加以避免的。