蛙人用水下空泡火箭彈彈道特性分析

王金云，王孟軍, 周暉杰

(1 河北省雙介質(zhì)動力技術(shù)重點實驗室，河北邯鄲 056017; 2 寧波大學(xué)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315212)

0 引言

水下蛙人部隊具有隱蔽性高、機動能力強、“非對稱戰(zhàn)略”等優(yōu)勢，可執(zhí)行海上偵察、島礁港口破襲、反恐等特種作戰(zhàn)任務(wù)?，F(xiàn)代蛙人部隊配備了多型水下兵器，諸如APS突擊步槍、SPP-1、P-11手槍等，但這些兵器普遍存在射程近、殺傷力不足等局限性，難以滿足當(dāng)前作戰(zhàn)需要。為克服上述缺陷，一種新型蛙人用納米金屬燃料空泡火箭彈應(yīng)運而生，該火箭彈由單兵蛙人便攜式水下發(fā)射，利用水反應(yīng)納米金屬高能動力，實現(xiàn)水下快速突防、遠距離打擊。

當(dāng)前有關(guān)水下彈道特性的研究已有大量的成果[1-13]，其中：文獻[4]對不同入水角的反蛙人殺傷彈彈道進行了仿真分析；文獻[5]基于Ls-Dyna軟件建立了彈-水耦合模型并進行了仿真；文獻[10]建立了拋射情況下的水下火箭彈彈道數(shù)學(xué)模型，分析了其動力學(xué)和運動學(xué)特征；文獻[11]基于數(shù)值模擬的方法研究了水下槍彈氣體發(fā)射時多相流特性；文獻[12-14]基于實驗的方法研究高速航行體水下彈道入水沖擊穩(wěn)定性以及超空泡斜切入水沖擊。但當(dāng)前的研究主要集中在水雷[2]、潛射導(dǎo)彈[8]、反蛙人殺傷彈[4]、水下火箭彈[10]等彈道特性研究，對蛙人用水下空泡火箭彈特性研究尚未見公開報道。

文中以某型蛙人用水下空泡火箭彈為研究對象，建立水下火箭彈彈道模型，對其飛行彈道特性(包括x，y方向的速度、加速度、位移及彈道傾角、速度等隨飛行時間、不同射角的變化規(guī)律)進行仿真分析，進而為水下射彈優(yōu)化設(shè)計提供參考。

1 水下火箭彈彈道模型

水下火箭彈運動一般包括彈體質(zhì)心運動和彈體繞質(zhì)心的轉(zhuǎn)動，為研究問題方便，通常簡化方程，忽略繞質(zhì)心轉(zhuǎn)動的影響，將火箭彈當(dāng)作質(zhì)心的平面運動問題來研究，流體阻力、重力、浮力與發(fā)動機推力均作用于彈體的質(zhì)心上，在整體運動過程中，重力加速度的大小與方向恒定；彈體速度方向始終與中心軸重合，即攻角為零；忽略地球自轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的科氏慣性力，彈體為軸對稱體，質(zhì)心位于彈軸上且與浮心重合；忽略側(cè)向力的影響。

火箭彈在航行過程中主要受重力G、流體阻力R、浮力F、發(fā)動機推力T的影響，彈道方程主要研究彈體質(zhì)心的運動規(guī)律。在直角坐標(biāo)系下，坐標(biāo)原點O設(shè)在發(fā)射管出口處，水平方向為x軸方向，鉛垂向上方向為y軸方向。參考火炮空氣外彈道學(xué)理論[15]，建立水下火箭彈彈道方程：

(1)

式中:T為發(fā)動機推力;R為阻力,R=0.5ρv2CxS;Cx為火箭彈迎面阻力系數(shù);S為火箭彈截面積;G為重力;F為浮力，F(xiàn)=ρ水gV，ρ水為海水密度，V為火箭彈體積;θ為彈道傾角;v為彈體速度;m為彈重。

2 彈道仿真與分析

蛙人用水下火箭彈分為無動力射彈和金屬燃料動力射彈。無動力射彈依靠發(fā)射裝置初始作用力，推進彈體在水中運動，適用于近距離反蛙人作戰(zhàn)，具有結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、輕量化等優(yōu)點；金屬燃料射彈利用水反應(yīng)納米金屬燃料推進，可打擊水中無人艇、反蛙人、掃殘破障等，具有射程遠、速度高、使用廣泛等優(yōu)點。

2.1 初始條件

彈體初速v0=70 m/s，重力加速度g=9.8 m/s2，海水密度ρ水=1.04×103kg/m3，發(fā)射初始角θ0=5°～75°，質(zhì)量m=6.96 kg，長度L=770 mm，外徑φ=80 mm，發(fā)動機推力T=3 000 N，工作時間t=10 s。

2.2 無動力射彈彈道特性研究

無動力射彈依靠固體火箭推進彈體在膛內(nèi)的加速運動，外彈道計算從彈體出炮口算起，以一定初速、射角發(fā)射，發(fā)動機推力T=0，彈體彈道運動特性仿真如圖1～圖8所示。

圖1 彈道軌跡圖(θ=30°)

圖2 彈道傾角變化趨勢

圖3 彈體速度變化趨勢

圖4 彈體水平與垂直距離變化趨勢

圖5 彈體加速度分量變化趨勢

圖6 彈體加速度變化趨勢

圖7 不同彈道初角下的彈道變化趨勢

圖8 不同彈道初角下的彈體速度變化趨勢

仿真結(jié)果表明，在初始射角θ=30°時，無動力水下火箭彈最大航行距離不超過12 m，航行速度由70 m/s銳減至5 m/s，航行時間大約2.6 s, 最大水平加速度11 m/s2,最大垂直加速度3 m/s2，航行加速度趨于3 m/s2。初始射角為5°時，火箭彈射程D超過9.5 m，射角超過45°時，水平航行距離只有10 m，射高達到6 m。

彈道傾角在2.5 s內(nèi)由30°變化為-80°；在航行時間小于1.5 s時，彈道水平加速度ax與垂直方向加速度ay遞增，之后兩種彈道曲線均出現(xiàn)跳變，ax值急劇增大，且呈正上升趨勢；ay曲線突變后呈遞減趨勢。

2.3 有動力射彈彈道特性研究

有動力射彈發(fā)動機推力T=3 kN, 工作時間10 s，仿真分析結(jié)果如圖9～圖18所示。

圖9 彈道軌跡圖(θ=30°)

圖10 彈體速度變化趨勢

圖11 彈道傾角變化趨勢

圖12 彈體加速度分量變化趨勢

圖13 彈體加速度變化趨勢

圖14 不同射角下的彈道變化趨勢

圖15 不同射角下的彈體速度變化趨勢

圖16 不同射角下的彈體加速度變化趨勢

圖17 不同射角下的彈道傾角變化趨勢

圖18 不同射角下的彈道變化趨勢

圖9～圖10分別展示了初始射角為30°時火箭彈彈道曲線與速度曲線。結(jié)果表明，有動力射彈在初始射角為30°時，最大射程可達300 m，垂直方向最大距離大約35 m，與無動力彈相比，射程提高了26.2倍，彈道速度在1 s內(nèi)迅速穩(wěn)定至38 m/s，提高了6倍多。

圖11～圖12分別模擬了彈道傾角與加速度分量變化趨勢。初始彈道傾角為30°時，末端彈道傾角變?yōu)?25°，彈道傾角曲線較為平直；無動力彈彈道末端傾角約為-80°，曲線較為彎曲，這主要是由于水動力因素占主導(dǎo)地位。有動力彈道在0.6 s內(nèi)ax與ay曲線急劇上升，最大值分別為28 m/s2和9 m/s2，在1 s時ax與ay曲線分別突降為2.2 m/s2和-5 m/s2，之后趨于穩(wěn)定。

圖13～圖14分別模擬了彈體加速度與彈道曲線變化趨勢。與圖6～圖7相比，無動力彈加速度在0.5 s內(nèi)由100 m/s2驟降為10 m/s2, 之后在2.5 s內(nèi)趨于穩(wěn)定。有動力彈加速度在1 s內(nèi)振蕩，之后很快趨于穩(wěn)定，加速度值接近5 m/s2，彈道有效射程高達380 m, 射高突破330 m。

圖15～圖16分別模擬了彈體速度與加速度的變化趨勢，與圖8相比，有動力彈航速大幅度得到提升，航行穩(wěn)定性得到改善；無動力彈穩(wěn)定巡航速度約為5 m/s，有動力彈巡航速度穩(wěn)定為38 m/s，在發(fā)動機工作結(jié)束后，速度將衰減為5 m/s。

圖17～圖18模擬了不同射角下的彈道傾角與射程變化趨勢。結(jié)果表明，不同射角下的彈道傾角差異性非常明顯，5°射角時，彈道基本為平射彈道，末端彈道傾角約為-5°，在45°以上射角時彈道傾角曲線在飛行時間11 s時出現(xiàn)拐點，產(chǎn)生的原因是在11 s時發(fā)動機已停止工作，彈體回到無動力航行狀態(tài)，彈道末端彈道傾角接近-90°。

3 結(jié)論

通過對蛙人用水下空泡火箭彈彈道特性分析，得出以下結(jié)論：

1)無動力水下火箭彈受流體阻力的作用，最大射程不超過12 m，這與現(xiàn)有水下槍械有效射程基本一致；另外，彈體速度衰減嚴(yán)重，初速70 m/s時，在0.5 s內(nèi)驟降為5 m/s，在流體動力、浮力、重力共同作用下，彈道速度趨于穩(wěn)定，以較低的速度航行。不同射角變化對水下彈的速度曲線影響不明顯。

2)不同射角對水下無動力彈射程影響較大，隨著射角的增大，射程逐漸增大，在射角為45°時，射程反而減小，射高增加，達到9 m。

3)有動力射彈航程和航速大幅度提高，30°射角時，有動力射彈射程達到300 m，穩(wěn)定巡航速度由原來的5 m/s提高到38 m/s；另外，不同射角對有動力射彈射程影響較大，在射角為45°時，有效射程突破380 m, 發(fā)動機工作結(jié)束時，射程基本上不再增加。