水下發(fā)射超空泡射彈對UUV平臺姿態(tài)影響分析

魏 平，侯 健，魯春佳，趙澤鵬，榮 里

（海軍工程大學(xué)，湖北 武漢 430033）

0 引言

為提高水下攻防作戰(zhàn)能力，各軍事強(qiáng)國都致力于高速水中兵器的研究。超空泡減阻技術(shù)可大幅減小水中兵器的運(yùn)動阻力，有效提高運(yùn)動速度和射程，具有廣闊的應(yīng)用前景[1]。超空泡射彈武器是應(yīng)用超空泡減阻技術(shù)研制的一種新概念武器，能夠突破普通射彈水中運(yùn)動極限，有效打擊水雷等水下目標(biāo)。美國、俄羅斯分別研制了基于機(jī)載平臺及單兵作戰(zhàn)的超空泡射彈武器——機(jī)載快速滅雷系統(tǒng)和水下突擊步槍，但基于水下平臺發(fā)射的超空泡射彈武器及其平臺適應(yīng)性研究鮮有報(bào)道[2-5]。隨著UUV的快速發(fā)展，UUV平臺搭載水下超空泡高速射彈武器成為可能，超空泡射彈武器水下發(fā)射時(shí)伴隨強(qiáng)烈的振動沖擊，研究沖擊力特性及其對UUV平臺的影響規(guī)律具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文主要針對基于水下發(fā)射平臺的超空泡射彈武器開展平臺適應(yīng)性研究，初步探索水下超空泡射彈武器在不同方位、不同角度發(fā)射時(shí)對UUV平臺姿態(tài)的影響規(guī)律。

1 建立模型

1.1 坐標(biāo)系

建立如圖1所示的固定坐標(biāo)系（o0x0y0z0）和移動坐標(biāo)系（oxyz）。固定坐標(biāo)系的原點(diǎn)o0可以取水平面內(nèi)任意一點(diǎn)，o0z0軸垂直于水平面指向地心，o0x0軸為水平面任意方向，o0x0y0平行于水平面，符合左手規(guī)則。移動坐標(biāo)系的原點(diǎn)o在航行器的質(zhì)心，其坐標(biāo)軸ox、oy、oz分別是經(jīng)過的橫切面、橫剖面、縱中剖面的交線，ox軸指向航行器艉部，oz軸處在航行體對稱面垂直于ox軸指向下方，oy軸垂直于oxz面，符合左手規(guī)則。

圖1 坐標(biāo)系Fig. 1 Coordinate system

1.2 仿真模型

應(yīng)用STAR CCM+ CFD軟件建立水下超空泡射彈武器及搭載UUV航行器平臺的六自由度仿真模型[6-8]。如圖 2所示，創(chuàng)建長方體背景區(qū)域，6個表面按塊分割，分別設(shè)置為速度進(jìn)口、壓力出口、頂部、底部、側(cè)面和系統(tǒng)邊界，將長方體、包面及背景過度區(qū)執(zhí)行布爾減運(yùn)算操作，以加快計(jì)算收斂速度，采用多面體網(wǎng)格劃分。

圖2 仿真模型Fig. 2 Simulation model

1.3 邊界條件

水下發(fā)射超空泡射彈武器對搭載平臺姿態(tài)的影響主要是超空泡射彈武器發(fā)射后坐力載荷的作用。為方便計(jì)算，將后坐力曲線做離散化處理，如圖3所示，后坐力總作用時(shí)間為4.2 ms，其中1.4 ms時(shí)后坐力最大為 5 500 N，2.8 ms時(shí)后坐力降至500 N，4.2 ms時(shí)降至最低值50 N。水下超空泡射彈武器發(fā)射時(shí)的俯仰角為身管與平面oxy的夾角，向下為正；方位角為身管在oxy平面投影與ox軸負(fù)方向的夾角，向左為正。為減少運(yùn)算次數(shù)，分別選擇具有代表性的 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角進(jìn)行仿真計(jì)算。

圖3 后坐力載荷Fig. 3 Recoil load

2 仿真分析

分別選取 0°、90°的俯仰角和 0°、30°的方位角4種工況下發(fā)射超空泡射彈進(jìn)行仿真計(jì)算。

1）0°俯仰角、0°方位角發(fā)射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結(jié)果如圖 4所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺x軸速度、z軸速度快速上升，在0.004 2 s分別達(dá)到0.059 7 m/s和0.054 57 m/s，y軸速度稍有變化，在 0.004 2 s增長至-0.010 1 m/s，見圖 4（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺x軸速度于0.352 s減小至0，z軸速度于0.318 s減小至0，y軸速度于0.091 s減小至0，見圖4（b）。

圖4 0°俯仰角、0°方位角發(fā)射平臺各軸速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 4 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

航行器平臺各軸角速度變化仿真結(jié)果如圖 5所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達(dá)到0.121 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 5（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.390 s減小至0，y軸角速度于0.059 3 s減小至0，z軸減速度逐漸振蕩減小，于0.257 s減小至0，見圖5（b）。

圖5 0°俯仰角、0°方位角發(fā)射平臺各軸角速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 5 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 0° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

2）0°俯仰角、30°方位角發(fā)射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結(jié)果如圖 6所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺x軸速度、y軸、z軸速度快速上升，在0.004 2 s分別達(dá)到 0.046 1 m/s、0.049 53 m/s、0.029 1 m/s，見圖6（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺x軸速度于0.272 s減小至0，y軸速度于0.31 s減小至 0，z軸速度于 0.158 s減小至 0，見圖 6（b）。

航行器平臺各軸角速度變化仿真結(jié)果如圖 7所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達(dá)到0.145 1 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 7（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.441 s減小至0，見圖7（b）。

圖6 0°俯仰角、30°方位角發(fā)射平臺各軸速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 6 Curves of axes’ speed of launch platform under 0° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

圖7 0°俯仰角、30°方位角發(fā)射平臺各軸角速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 7 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 0° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

3）90°俯仰角、0°方位角發(fā)射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結(jié)果如圖 8所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺z軸速度快速變化，在0.004 2 s達(dá)到-0.032 54 m/s，x軸速度和y軸速度基本不變，見圖8（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，平臺z軸速度于0.202 3 s減小至0，見圖8（b）。

航行器平臺各軸角速度變化仿真結(jié)果如圖 9所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下， 平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達(dá)到0.191 4 rad/s，y軸、z軸角速度稍有變化，見圖 9（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于0.465 s減小至0，見圖9（b）。

4）90°俯仰角、30°方位角發(fā)射。

航行器平臺各軸速度變化仿真結(jié)果如圖10所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺y軸和z軸速度快速變化，在0.004 2 s分別達(dá)到0.025 3 m/s和-0.030 2 m/s，x軸速度基本不變，見圖10（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，y軸速度于0.146 s減小至0，z軸速度于0.196 s減小至0，見圖10（b）。

圖8 90°俯仰角、0°方位角發(fā)射平臺各軸速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 8 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

圖9 90°俯仰角、0°方位角發(fā)射平臺各軸角速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 9 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 0° azimuth angle changing with time

圖10 90°俯仰角、30°方位角發(fā)射平臺各軸角速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 10 Curves of axes’ speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

航行器平臺各軸角速度變化仿真結(jié)果如圖 11所示。超空泡射彈發(fā)射后，在后坐力的作用下，平臺x軸角速度快速上升，在 0.004 2 s達(dá)到0.184 8 rad/s，y軸、z軸角速度基本不變，見圖11（a）；隨后，彈丸出炮口，后坐力消失，x軸角速度逐漸振蕩減小，于 0.459 6 s減小至0，見圖11（b）。

圖11 90°俯仰角、30°方位角發(fā)射平臺各軸角速度隨時(shí)間變化曲線Fig. 11 Curves of axes’ angular speed of launch platform under 90° pitch angle and 30° azimuth angle changing with time

3 結(jié)束語

通過對超空泡射彈武器在 90°俯仰角 30°方位角、90°俯仰角 0°方位角、0°俯仰角 30°方位角、0°俯仰角 0°方位角 4種狀態(tài)下發(fā)射的仿真結(jié)果可以看出：由于水下發(fā)射時(shí)超空泡射彈武器后坐力作用時(shí)間很短（4.2 ms），同時(shí)受到水阻力的影響，搭載平臺各軸的速度和角速度變化很小（速度最大為0°俯仰角0°方位角發(fā)射時(shí)0.059 7 m/s，角速度最大為90°俯仰角0°方位角發(fā)射時(shí)0.191 4 rad/s），且都可在0.5 s內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)定，水下發(fā)射超空泡射彈對搭載UUV平臺姿態(tài)的影響很小。