旋转飞行是一种广泛应用于战术武器的飞行方式。当存在攻角时,旋转飞行会引起垂直于攻角平面的面外力及产生攻角平面外转动的面外力矩。面外力和面外力矩对旋转弹箭的飞行影响显著,在某些条件下会诱发发散的锥形运动。因此,面外力和面外力矩特性及生成机理是旋转弹箭气动研究的一个重要问题。尾翼式旋转弹箭的绕流结构复杂,存在强烈的非定常效应,故其面外力和面外力矩的生成机理分析较为困难。近年来数值计算技术得到了很大发展,使尾翼式旋转弹箭的瞬态流动分析成为了可能。本文采用数值计算方法,对超声速下尾翼式旋转弹箭的面外力和面外力矩特性及流动机理等问题进行了研究,有助于弹箭的外形设计和气动特性分析。本文首先研究了平直尾翼旋转弹箭的时均面外力和面外力矩特性及生成机理。基于双时间推进法对四片平直尾翼弹箭在超声速、旋转状态下的流场进行了模拟。并依据非线性气动模型及定常计算结果,将瞬态流场中的静态因素排除,分析了弹箭时均面外力和面外力矩的生成原因。结果表明在不同马赫数下面外力和面外力矩的生成机理存在显著差异。弹身的遮蔽、尾翼的旋转运动对尾翼附近激波结构的影响以及尾翼附近激波-膨胀波间的相互作用是时均面外力和面外力矩产生的主要原因。随后本文研究了平直尾翼弹箭在锥动滚转耦合运动下的面外力和面外力矩特性。基于刚体动网格法及旋转参考系法分别对两种运动进行了定义和模拟,计算了超声速时四片平直尾翼弹箭在不同运动状态下的绕流。结果表明当马赫数接近1时,单自由度运动下的面外力和面外力矩系数的叠加结果与耦合运动下的面外力和面外力矩系数存在明显差异,即存在显著的气动耦合效应。而当马赫数增大及滚转、锥动速率降低时,气动耦合效应的影响将减弱或消失。流场分析表明,在低超声速马赫数下尾翼前缘激波与其它尾翼诱导的膨胀波的相互作用是气动耦合效应产生的主要原因。此外,本文对非面对称的四片卷弧形尾翼弹箭在超声速、旋转状态下的面外力和面外力矩特性进行了研究。结果表明非面对称的卷弧形尾翼布局引起的静态面外力和面外力矩是卷弧形尾翼外形与平直尾翼外形面外力和面外力矩特性存在差异的主要原因,而两种外形由滚转速率诱导的面外力和面外力矩特性是类似的。对卷弧形尾翼外形及流场结构的分析表明尾翼的曲率与尾翼-尾翼、尾翼-弹身干扰的相互作用是时均静态面外力和面外力矩产生的原因。此外,当马赫数改变时,弹身的静态面外力和面外力矩系数的变化对卷弧形尾翼弹箭的时均面外力和面外力矩系数产生了显著影响。最后,本文从尾翼式旋转弹箭的绕流为周期性流动出发,将用于计算周期性非定常问题的谐波平衡法引入了尾翼式旋转弹箭流场的计算。使用该方法模拟了四片平直尾翼旋转弹箭在超声速来流下的绕流场,并将获取的侧向力和偏航力矩系数与传统的双时间推进法及风洞实验结果进行了对比。分析了基于谐波平衡法计算得到的流场的特点以及谐波数对计算精度的影响。结果表明,使用谐波平衡法对超声速有攻角的尾翼式旋转弹箭绕流进行模拟是可行的,可较准确地得到弹箭的侧向力和偏航力矩系数。谐波数对气动系数结果及流场细节影响显著。