預(yù)置舵角下超空泡航行體傾斜入水彈道特性研究

陳誠， 袁緒龍， 邢曉琳， 黨建軍

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院， 陜西 西安 710072)

0 引言

常規(guī)水下航行體由于速度方面的局限性[1]，其在現(xiàn)代艦船防御系統(tǒng)面前的攻擊能力已經(jīng)大為削弱。為了使水中兵器航速突破現(xiàn)有的局限，俄羅斯科學(xué)家提出了超空泡技術(shù)[2]，即將航行體包裹在空泡之中，減小航行體表面的摩擦阻力，從而使航行體的速度可達(dá)100 m/s量級(jí)。與此同時(shí)，火箭助飛和空投技術(shù)[3]作為提高水中兵器遠(yuǎn)程運(yùn)載和快速攻擊能力的重要發(fā)展方向，可有效提高航行體的突防能力。結(jié)合上述兩點(diǎn)，航行體在空中以較高速度入水后調(diào)整至預(yù)定彈道，快速實(shí)現(xiàn)以超空泡狀態(tài)航行可以縮短打擊時(shí)間，從而提高攻擊效率。航行體入水過程具有復(fù)雜的力學(xué)特性，對(duì)航行體入水初期彈道的穩(wěn)定性和機(jī)動(dòng)性提出了較大挑戰(zhàn)。

李佳川等[4]基于彈道學(xué)和超空泡流體動(dòng)力理論，建立了射彈高速入水縱向運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)彈體以不同擾動(dòng)角速度入水過程進(jìn)行了彈道仿真和分析。Kim等[5]建立了超空泡航行體6自由度運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)模型，研究結(jié)果表明，當(dāng)水平和豎直面的力學(xué)特性不對(duì)稱時(shí)，尾舵浸水深度不同，將導(dǎo)致航行體運(yùn)動(dòng)具有不穩(wěn)定的特性。超空泡航行體在水下運(yùn)動(dòng)過程中，任何小的擾動(dòng)及其豎直平面內(nèi)非平衡受力特性都會(huì)使航行體尾部與空泡壁面發(fā)生連續(xù)的周期撞擊，即尾拍現(xiàn)象[6]。May[7]通過航行體入水試驗(yàn)揭示了超空泡航行體尾拍現(xiàn)象形成的原因，分析了尾拍運(yùn)動(dòng)對(duì)彈道穩(wěn)定性的影響。Kirschner等[8]對(duì)超空泡射彈進(jìn)行了大量試驗(yàn)，記錄了其在自由飛行過程中的空泡形態(tài)和尾拍特性。鑒于超空泡航行體運(yùn)動(dòng)時(shí)的流體動(dòng)力特性，采用預(yù)置舵角的方法實(shí)現(xiàn)其機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎的目的為一可行手段。曹偉等[9]針對(duì)超空泡航行體的彈道及操縱特性進(jìn)行研究，通過對(duì)雷頂舵進(jìn)行典型操舵控制，超空泡航行體可以在無反饋控制的情況下，實(shí)現(xiàn)定深直航以及變航向、變深度等典型彈道機(jī)動(dòng)。王云等[10]進(jìn)行了4種頭部外形模型的入水試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)橢圓斜截頭彈體產(chǎn)生了明顯的彎曲彈道，且斜切角越大，彈道彎曲程度越大。時(shí)素果等[11]采用小長細(xì)比超空泡航行體頭部預(yù)置舵角方法研究了其在水平面機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎過程的彈道特性。Zhao等[12]分析了超空泡航行體失穩(wěn)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一種簡化帶俯仰運(yùn)動(dòng)的超空泡航行體，提出的帶反饋機(jī)制的穩(wěn)定控制方法可獲得較好效果。

從現(xiàn)有的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析，研究人員對(duì)超空泡航行器的相關(guān)內(nèi)容已進(jìn)行了大量研究工作，但對(duì)于其高速入水彈道偏轉(zhuǎn)特性研究相對(duì)較少。目前，研究人員對(duì)相關(guān)問題研究建立的數(shù)學(xué)模型均進(jìn)行了大量簡化和近似處理，其模型的正確性缺乏校驗(yàn)。而對(duì)超空泡航行體的高速入水彈道偏轉(zhuǎn)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，可真實(shí)反映此物理過程，同時(shí)為校驗(yàn)數(shù)值算法的準(zhǔn)確性提供了數(shù)據(jù)。

本文開展了預(yù)置舵角下超空泡航行體入水角為20°時(shí)的試驗(yàn)，并分析了不同預(yù)置舵角對(duì)航行體彈道的影響。

1 試驗(yàn)方法與裝置

1.1 試驗(yàn)方法

如圖1所示超空泡航行體傾斜入水試驗(yàn)平臺(tái)，由發(fā)射系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)和內(nèi)測系統(tǒng)3部分組成。開展試驗(yàn)時(shí)，將航行體以指定姿態(tài)固定于發(fā)射管的起點(diǎn)。調(diào)整發(fā)射管的傾斜角度α確定航行體初始速度方向。航行體在儲(chǔ)氣罐內(nèi)高壓氮?dú)獾耐苿?dòng)下產(chǎn)生加速運(yùn)動(dòng)，由此獲得入水初速度。通過高速攝像系統(tǒng)拍攝記錄航行體的運(yùn)動(dòng)和空泡演化過程，同時(shí)由內(nèi)測系統(tǒng)記錄航行體的運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化和尾部測壓點(diǎn)的壓力變化。

1.2 試驗(yàn)裝置

發(fā)射系統(tǒng)采用的加速炮管內(nèi)徑60 mm、長6 m. 試驗(yàn)前向儲(chǔ)氣罐內(nèi)充入一定量的氮?dú)?，在發(fā)射控制系統(tǒng)給電磁閥發(fā)出開閥指令后，高壓氮?dú)膺M(jìn)入發(fā)射炮管推動(dòng)航行體開始加速運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，內(nèi)測系統(tǒng)開始記錄數(shù)據(jù)。炮管末端配有激光測速裝置可用于校驗(yàn)慣性測量單元(IMU)系統(tǒng)測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。航行體入水后，經(jīng)過一段距離的航行，對(duì)其進(jìn)行攔截、回收并提取內(nèi)測數(shù)據(jù)。為方便查看高速攝像所得結(jié)果，發(fā)射控制系統(tǒng)同時(shí)發(fā)出電磁閥的開閥指令和攝像機(jī)的觸發(fā)指令，使內(nèi)測系統(tǒng)和攝像機(jī)同時(shí)開始工作。

高速攝像系統(tǒng)采用Phantom系列V711型高速攝像機(jī)對(duì)航行體入水過程進(jìn)行拍攝，拍攝幀速率為5 000 幀/s.

內(nèi)測系統(tǒng)包含IMU系統(tǒng)和測壓系統(tǒng)。本文采用原點(diǎn)位于航行體重心的彈體坐標(biāo)系Oxyz描述航行體的受力特性，故將IMU測量傳感器安裝于航行體的重心位置。主要技術(shù)指標(biāo)：加速度計(jì)量程為100g，陀螺儀量程為2 000°/s，壓力傳感器最大可測壓力為800 kPa，采樣精度為16位，采樣率為3 kHz，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可存儲(chǔ)時(shí)間為2 s.

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

設(shè)計(jì)如圖2所示的大長細(xì)比超空泡航行體模型。模型長度為840 mm，最大直徑為60 mm，空化器直徑為12 mm，模型質(zhì)量為2 kg，重心位置距離空化器為470 mm. 模型各段采用螺紋連接，根據(jù)不同研究內(nèi)容選擇不同預(yù)置舵角的空化器。壓力傳感器P1、P2分別安裝于航行體尾部上、下位置，呈對(duì)稱分布，P1測量航行體尾部上表面壓力，P2測量尾部下表面壓力。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了研究預(yù)置舵角對(duì)超空泡航行體入水彈道偏轉(zhuǎn)的影響，分別進(jìn)行了預(yù)置舵角為0°、15°、20°和30°時(shí)的試驗(yàn)研究。入水角度設(shè)定為20°，入水速度為70 m/s. 本文對(duì)預(yù)置舵角為20°時(shí)航行體入水過程的空泡流型和力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比分析，在此基礎(chǔ)上研究了不同預(yù)置舵角對(duì)彈道特性的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，航行體在側(cè)向無位移，因此本文只對(duì)其縱平面內(nèi)彈道特性進(jìn)行分析。為保證試驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對(duì)其進(jìn)行了重復(fù)性驗(yàn)證，并得到了較好一致性。

將航行體受力無量綱化得軸向力系數(shù)Cx和法向力系數(shù)Cy，分別定義為

(1)

(2)

式中：Fx和Fy分別為航行體受到的軸向力和法向力；ρ為水的密度；v為航行體的實(shí)時(shí)速度；S為空化器面積；ax和ay分別為IMU系統(tǒng)測得的軸向加速度和法向加速度；m為航行體質(zhì)量。

如圖3和圖4所示，分別給出了預(yù)置舵角為0°和20°時(shí)航行體入水初期的空泡流型，結(jié)合圖5尾部壓力變化曲線進(jìn)行分析。取航行體觸水為0 ms時(shí)刻。

當(dāng)預(yù)置舵角為0°時(shí)，航行體觸水后從空化器端面開始生成敞口空泡。航行體撞擊水面處產(chǎn)生了明顯噴濺現(xiàn)象，航行體下方液體的避讓效果不明顯，與其下表面沾濕，當(dāng)尾部運(yùn)動(dòng)至原水面位置時(shí)，P2測點(diǎn)處壓力升高。航行體完全侵入到水面以下時(shí)生成了具有清晰水氣界面的超空泡，直至攔截。由尾部測壓結(jié)果可知，除入水時(shí)刻尾部下表面壓力出現(xiàn)局部升高外，其他運(yùn)動(dòng)階段尾部上下壓力保持一致。航行體在超空泡航行階段泡內(nèi)最低壓力為60 kPa，不能降低至飽和蒸汽壓，原因是敞口空泡階段有大量空氣涌入泡內(nèi)。隨著航行體運(yùn)動(dòng)，空泡內(nèi)壓力表現(xiàn)出一定的脈動(dòng)性。預(yù)置舵角為20°時(shí)，航行體入水階段特性與預(yù)置舵角為0°時(shí)基本一致。航行體入水后伴有短暫的超空泡狀態(tài)，但在預(yù)置舵角作用下，航行體產(chǎn)生抬頭力矩，尾部下表面拍擊空泡壁，導(dǎo)致P2處壓力明顯增大。在尾拍產(chǎn)生的恢復(fù)力矩作用下，尾部向空泡一側(cè)運(yùn)動(dòng)，而后上表面拍擊空泡壁，P1處壓力增大。在恢復(fù)力矩作用下，航行體再次開始抬頭運(yùn)動(dòng)，最終由于速度衰減空泡潰滅于彈體上，生成雙空泡，同時(shí)尾拍運(yùn)動(dòng)消失。由圖5尾部壓力曲線可知，尾部處于沾濕狀態(tài)，且下表面壓力略大于上表面壓力，空化器和尾部均提供向上的法向力。航行體在空化器和尾部流體動(dòng)力共同作用下以抬式穩(wěn)定機(jī)制航行。參考文獻(xiàn)[11]對(duì)尾拍過程進(jìn)行了類似研究，研究結(jié)果表明，尾部只有一側(cè)表面拍擊空泡壁。分析原因?yàn)槠淇栈髅娣e較大，提供力矩較大，且自由攻角較大，在第一次拍擊空泡壁的恢復(fù)力矩作用后隨即尾部同一側(cè)再次拍擊空泡壁，故與本文研究結(jié)果略有不同。

圖6所示為預(yù)置舵角為0°和20°時(shí)航行體受力系數(shù)變化。由圖6可以看出：預(yù)置舵角為0°時(shí)，航行體以超空泡狀態(tài)直線航行，軸向力系數(shù)為0.93，法向力系數(shù)為0，流體動(dòng)力集中于彈體軸線方向；預(yù)置舵角為20°時(shí)，航行體入水后尾部浸水，軸向力系數(shù)逐漸增大，尾拍作用導(dǎo)致法向力顯著增大，且呈波動(dòng)變化，最終在空化器和尾部流體動(dòng)力共同作用下航行體受到向上的法向力。

由圖6可知，預(yù)置舵角為0°時(shí)航行體沿直線運(yùn)動(dòng)，此部分不再贅述。結(jié)合圖7所示不同預(yù)置舵角下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，對(duì)預(yù)置舵角為20°時(shí)航行體的彈道參數(shù)進(jìn)行分析。航行體入水后在空化器產(chǎn)生的正力矩作用下產(chǎn)生了一定的抬頭角速度。17.5 ms時(shí)，航行體尾部下表面拍擊空泡壁，受到了正的法向沖擊力，產(chǎn)生恢復(fù)力矩。航行體抬頭角速度值逐漸減小至負(fù)值，直至尾部上表面拍擊空泡壁，此時(shí)空化器和尾部流體產(chǎn)生的均為正力矩，航行體俯仰角速度值迅速減小并開始向反方向旋轉(zhuǎn)。此時(shí)航行體表現(xiàn)為抬頭轉(zhuǎn)動(dòng)，而后航行體下表面再次拍擊空泡壁，俯仰角速度減小。由于此時(shí)航行體速度減小，超空泡潰滅于彈體尾部，航行體以雙空泡狀態(tài)航行，并在空化器提供的正力矩作用下抬頭角速度逐漸增大，抬頭趨勢增強(qiáng)。在此階段，航行體俯仰角逐漸增大至0°. 彈道曲線表明，航行體以20°入水角傾斜入水后逐漸完成了抬頭轉(zhuǎn)平運(yùn)動(dòng)。進(jìn)一步分析法向力和旋轉(zhuǎn)速度變化規(guī)律可知：在尾拍運(yùn)動(dòng)階段，航行體尾部受到的法向力為其姿態(tài)主要影響參數(shù)，彈體姿態(tài)在尾部拍擊空泡壁受到的力矩作用下波動(dòng)變化；在雙空泡階段，空化器和尾部均提供向上的法向力，表現(xiàn)為正、負(fù)2種力矩，而彈體俯仰角速度值逐漸增大，說明此階段空化器提供的法向力為彈體姿態(tài)主要影響參數(shù)。

圖7給出了預(yù)置舵角為15°、20°和30°時(shí)航行體入水彈道特征曲線。結(jié)合圖6可知，在預(yù)置舵角為20°時(shí)，軸向力系數(shù)變化緩慢，且相對(duì)法向力系數(shù)數(shù)值較小。在3種預(yù)置舵角下，航行體受力具有一定相似性，軸向力系數(shù)變化基本一致，故本文只給出了法向力對(duì)比結(jié)果。在預(yù)置舵角為15°時(shí)，法向力系數(shù)振動(dòng)幅值最??；在預(yù)置舵角為30°時(shí)，在局部時(shí)間段內(nèi)法向力系數(shù)最大。整體而言，預(yù)置舵角越大，航行體受到的尾拍法向力越大，航行體抬頭的俯仰角速度越大，航行體彈道偏轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。

尾拍運(yùn)動(dòng)階段，航行體在尾拍力和空化器提供的法向力共同作用下緩慢抬頭運(yùn)動(dòng)，姿態(tài)角變化曲線具有一定波動(dòng)性。當(dāng)航行體以雙空泡狀態(tài)航行時(shí)，尾拍現(xiàn)象消失，航行體抬頭趨勢提升，由此可見，雙空泡狀態(tài)更有利于航行體彈道偏轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

本文完成了預(yù)置舵角下超空泡航行體傾斜入水彈道偏轉(zhuǎn)特性的試驗(yàn)研究，采用高速攝像和內(nèi)測系統(tǒng)相結(jié)合的研究方法，綜合分析了空泡流型、尾部壓力和運(yùn)動(dòng)參數(shù)變化規(guī)律，詳細(xì)闡述了入水彈道偏轉(zhuǎn)過程。所得主要結(jié)論如下：

1)預(yù)置舵角為20°時(shí)出現(xiàn)顯著尾拍現(xiàn)象，但整體彈道特征體現(xiàn)為緩慢抬頭偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，航行體速度降低后以雙空泡狀態(tài)航行，尾拍現(xiàn)象消失，彈道偏轉(zhuǎn)趨勢也隨之提升。

2)在尾拍運(yùn)動(dòng)階段，航行體姿態(tài)在尾部拍擊空泡壁受到的力矩作用下波動(dòng)變化，而雙空泡階段，航行體主要在空化器提供的正力矩作用下抬頭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

3)預(yù)置舵角為15°、20°和30°時(shí)，航行體受力特性具有一定的相似性，但預(yù)置舵角越大，尾拍法向力越大，彈道偏轉(zhuǎn)能力越強(qiáng)。