海流對水下航行體垂直出水運動影響研究

閻肖鵬，李智生，李 釗

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023； 2.火箭軍駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050002)

海流對水下航行體垂直出水運動影響研究

閻肖鵬1，李智生1，李 釗2

(1.中國人民解放軍91550部隊，遼寧 大連 116023； 2.火箭軍駐石家莊地區(qū)軍事代表室，河北 石家莊 050002)

針對恒定海流解算其對航行體擾動而存在較大誤差的問題，依據(jù)海流流速和流向隨水深變化的特點，建立了分層海流數(shù)學模型，結(jié)合航行體水中運動數(shù)學模型，采用計算不同流層切片對航行體產(chǎn)生的阻力、升力、側(cè)向力及其力矩的方法，仿真分析了海流對航行體彈道參數(shù)的影響。仿真結(jié)果表明，海流流速越大，彈道參數(shù)受擾動越嚴重。海流流向?qū)叫畜w縱向位移影響較大，對航行體橫向位移影響較小。

水下航行體；分層海流；流速和流向；彈道參數(shù)

0 引言

從水下垂直發(fā)射的航行體在水下運動過程中會受到復雜海洋環(huán)境的影響，尤其海流對航行體彈道和出水時刻姿態(tài)角影響較大[1]。由于海洋環(huán)境過于復雜且隨機性很強，所以結(jié)合海流的數(shù)學模型來仿真分析航行體在水下的運動就顯得極為重要。文獻[2-3]采用運載器受海流恒定力模型，仿真分析了不同海流影響下運載器在出水時刻的姿態(tài)以及水彈道變化趨勢。文獻[4]研究了鉛垂平面內(nèi)潛射飛行器出水姿態(tài)參數(shù)確定問題，建立了波浪和水流的數(shù)學模型，給出了慣性力、粘性力和浮力計算公式并進行了仿真計算。文獻[5-6]在用計算流體力學方法求得其流體動力無因次系數(shù)的基礎上，采用切片法計算得到運載器的附加擾動力，并對均勻海流和分層海流2種情況下附加擾動力的計算結(jié)果進行了比較。

本文針對恒定海流解算其對航行體擾動而存在較大誤差的問題，通過建立分層海流數(shù)學模型并結(jié)合航行體水中運動數(shù)學模型，仿真分析了海流對航行體在水下運動的影響，以及對航行體出水時刻俯仰角和水中彈道等影響。

1 水下航行體運動方程組

在xy平面內(nèi)研究航行體在水中的運動，建立體軸坐標系x1y1z1，其原點在運動體的重心，x1軸與運動體的縱軸重合，在該坐標系內(nèi)建立的描述水下航行體運動數(shù)學模型為[7-8]：

(1)

式中，A為浮力；G為重力；Jz1為航行體繞z1軸的慣性矩；M為航行體的質(zhì)量；MTz1為發(fā)動機推力產(chǎn)生的力矩；MAz1為浮力產(chǎn)生的力矩；MBz1為航行體的俯仰力矩；Mgz1為水對航行體的慣性作用力矩；Pg為水對航行體的慣性作用力；T為發(fā)動機推力；v為航行體的線速度；x1為航行體縱軸；y1為航行體的法向軸；α為迎角；?為彈道傾角；θ為俯仰角；ω為運動體角速度。

2 海流擾動模型

由于海流的復雜性，在水下航行體彈道計算中，僅以恒定海流速度求解其附加擾動力的常規(guī)方法存在較大誤差，影響了航行體的出水姿態(tài)[9-10]。事實上，在航行體發(fā)射過程中，海流的流速和流向會隨發(fā)射深度變化而發(fā)生變化。針對上述問題，本文假定海流速度沿深度方向呈梯度分布Vh=V0+0.03×h，其中Vh為水下h深度的海流流速，V0為水面海流流速，并將航行體沿軸向切片，計算在不同流層間每個切片上產(chǎn)生的阻力、升力和側(cè)向力及其力矩。在仿真計算的每一時間步內(nèi)，首先循環(huán)遍歷每一個切片，通過切片中心的高度，插值求得所在分層海流的速度，結(jié)合航行體自身的速度分量，計算總的攻角和側(cè)滑角；然后計算無海流時航行體所具有的攻角和側(cè)滑角，求二者差值，最后計算有無海流時航行體所受流體動力和力矩的差值，求得航行體所受的海流擾動力。航行體切片示意圖如圖1所示。

圖1 航行體切片示意

定義航行體的運動參數(shù)為(vx,vy,vz,wx,wy,wz,θ,ψ,φ,x0,y0,z0)。其中，vx,vy,vz,wx,wy和wz為體軸系下航行體的速度和角速度；θ,ψ和φ分別為航行體的3個姿態(tài)角；x0,y0和z0為航行體在地面系的位置坐標。

插值求切片中心處的海流速度，轉(zhuǎn)換地面系轉(zhuǎn)換到體軸系中為u，v和w。考慮相對運動，則疊加海流之后航行體速度為：

(2)

其攻角α，側(cè)滑角β為：

(3)

在無海流條件下航行體自身的攻角和側(cè)滑角為：

(4)

然后將式(3)與式(4)相減得到二者的差值，從而計算航行體所受的海流擾動力。

3 仿真計算與分析

海流對水下航行體彈道的影響主要表現(xiàn)在海流流速和流向角(即海流速度矢量方向與地面坐標系x0軸之間的夾角)2個方面，根據(jù)分層海流模型，分別對不同海流流速、不同海流流向條件下，航行體完全出筒瞬間到頭部到達水面的整個水下彈道段的運動參數(shù)變化情況進行仿真計算，研究不同海流狀況下航行體水彈道的變化趨勢。設計計算工況如表1所示。

表1 計算工況

海流方向定義為：90°方向與水下發(fā)射平臺運動分向相反。逆時針方向旋轉(zhuǎn)為角度增大，反之則減小。海流流速為海面流速。

3.1 不同海流流速對航行體彈道參數(shù)影響

對2 kn、4 kn和6 kn三種不同海流流速，相同發(fā)射深度30 m，相同出筒速度15 m/s，相同艇速2 kn，進行仿真計算，計算結(jié)果如圖2所示。

由圖2的曲線可以看出，彈體在90°橫向流作用下，攻角和側(cè)滑角逐漸增大，2節(jié)以上的海流對航行體的俯仰角造成10°以上的偏離角。當海流速度達到6節(jié)時，航行體偏離角近15°，這對航行體出水相當不利。

圖2 不同流速航行體彈道參數(shù)與時間關系

海流流速越大，x軸縱向速度衰減越大，相應的航行體出水需用時間變長，這將增加航行體的俯仰角度，加速航行體的傾覆過程。因此，為避免航行體出水過程速度不足而導致姿態(tài)失控，水下發(fā)射過程應選擇適當海流流速下進行。

海流流速越大，彈道參數(shù)受擾動越嚴重，側(cè)向偏距越大，且同一流速條件下靠近水面處彈道參數(shù)變化幅度較大，這是因為采用分層流，海面處流速最大，航行體受海流力越大所致。

3.2 不同海流流向角對航行體彈道參數(shù)影響

仿真計算航行體離管速度15 m/s，艇速2 kn，發(fā)射深度為30 m，海流流速為3 kn，流向角分別為0°，45°，90°，135°和無海流條件下航行體彈道參數(shù)的變化情況，如圖3所示。

圖3 不同流向彈道參數(shù)與時間關系

由圖3的曲線可以看出，在海流流向為90°時對航行體出水攻角和俯仰角影響最大，即平行于發(fā)射平臺的流向?qū)椀莱鏊嵌扔绊懘?。當海流流向?°，即與發(fā)射平臺垂直的流向?qū)叫畜w出水角度影響最小，量值與靜態(tài)流條件下相當。

海流流向?qū)叫畜wY向位移影響較大，流向為90°時對航行體橫向位移影響最大，流向為0°時對航行體橫向位移影響最小。

海流流向?qū)叫畜wX向位移影響很小，即縱向彈道參數(shù)基本不受海流流向角影響。

4 結(jié)束語

本文建立了水下航行體水中運動數(shù)學模型和不同發(fā)射深度條件下的海流流速變化模型，通過不同流層間每個切片產(chǎn)生的阻力、升力和側(cè)向力及其力矩，仿真計算了不同流速、流向海流對航行體在水下運動的影響，以及對航行體出水時刻俯仰角和水中彈道的影響。仿真結(jié)果表明，不同流向和流速的海流對水下航行體彈道參數(shù)的影響各不相同。

[1] 閻肖鵬,李智生,李 釗.高速水下航行體尾部流場特性分析[J].無線電工程，2014,46(11):33-37.

[2] 滕鵬樺,張宇文,張 平,等.海流對潛載導彈運載器水下運動的影響研究[J].計算機測量與控制，2012,20(5):1 297-1 300.

[3] 方國強.波浪和海流條件下潛射飛行器出水姿態(tài)參數(shù)研究[J].導彈與航天運載技術，2011,313(3):13-16.

[4] 邱海強,袁緒龍,王亞東.一種基于切片法的分層海流下運載器附加擾動力計算方法[J].魚雷技術，2013,21(5):337-340.

[5] 蔡關龍，倪火才.潛地導彈水下變深度發(fā)射可行性和彈道參數(shù)相關性研究[J].水面兵器，1993(1):32-35.

[6] 劉丙杰，姚 奕，劉勇志．潛射彈道導彈出水姿態(tài)分析[J]．火力與指揮控制，2003，28(6):59-61.

[7] 趙世平，蔡體敏.橫向流對潛艇垂直發(fā)射導彈的影響[J].船舶力學，2006，10(4):33-36.

[8] 鞏 明，王漢平.模擬彈水下垂直發(fā)射載荷分析[J].彈箭與制導學報，2015，35(5)：41-44.

[9] 李智生，夏光輝，李 釗.水下目標運動測量系統(tǒng)誤差分析[J].無線電工程，2016，37(6)：52-55.

[10] 陳 玉.復雜海洋環(huán)境下航行體的水動力特性研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012：24-29.

閻肖鵬 男，(1973—)，高級工程師。主要研究方向：水下測量。

李智生 男，(1975—)博士，高級工程師。主要研究方向：水下測量。

Research of Ocean Current Impact on Vertical Motion of Underwater-launched Vehicle

YAN Xiao-peng1,LI Zhi-sheng1,LI Zhao2

(1.Unit91550,PLA,DalianLiaoning116023,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLARocketForceinShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050002,China)

Aiming at the large error in conventional additional turbulent force calculation method based on constant ocean current velocity and direction,the layered ocean current model is established based on the characteristic that the ocean current velocity and direction always change with water depth.Combined with the mathematical model of the underwater vehicle,the impact of ocean current on ballistic parameter is simulated adopting the method of calculating resistance,lifting force,lateral force and their moment of different layered ocean current acting on the vehicle.It shows that the greater the current flows and the more serious the disturbance on the ballistic parameters.The flow direction of ocean current has a greater influence on the longitudinal displacement of vehicle,and lesser impacts on the horizontal displacement.

underwater vehicle;layered ocean current;ocean current velocity and direction;ballistic parameter

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.25

閻肖鵬,李智生,李 釗.海流對水下航行體垂直出水運動影響研究[J].無線電工程,2017,47(5):102-105.[YAN Xiaopeng,LI Zhisheng,LI Zhao.Research of Ocean Current Impact on Vertical Motion of Underwater-launched Vehicle[J].Radio Engineering,2017,47(5):102-105.]

2017-02-28

U661.1

A

1003-3106(2017)05-0102-04