彈體高速入水彎曲彈道實驗研究

王云,袁緒龍,呂策

(西北工業(yè)大學航海學院,陜西西安 710072)

彈體高速入水彎曲彈道實驗研究

王云,袁緒龍,呂策

(西北工業(yè)大學航海學院,陜西西安 710072)

通過模型高速入水實驗,利用高速攝像機拍攝了彈體入水過程和空泡形態(tài)演變過程,得到了4種頭部外形模型的彈道曲線,并分析了頭型、入水角、入水速度對水下彈道的影響。研究結(jié)果表明:橢圓斜截頭彈體由于其特殊的頭部更容易產(chǎn)生偏向水面的彎曲彈道,而其他3種彈體在一定速度內(nèi)彈道比較穩(wěn)定,基本趨于直線,雖然在有些工況下彈道發(fā)生了偏轉(zhuǎn),這是由于彈體加工過程中結(jié)構(gòu)誤差等造成的彈道不穩(wěn)定性；入水角對彈道影響比較顯著,小的入水角條件下彈體迅速向水面偏轉(zhuǎn),而入水角增大到一定程度時彈道向缸體底部偏轉(zhuǎn)。所得結(jié)論可為高速入水武器的研究提供參考。

兵器科學與技術(shù)；彎曲彈道；實驗研究；高速入水；超空泡

0 引言

隨著現(xiàn)代艦船防御技術(shù)的發(fā)展,發(fā)展遠程巡航導彈武器系統(tǒng)已經(jīng)成為一種趨勢。該系統(tǒng)在末段突防段采用反復入水式機動變軌突防技術(shù),在掠海飛行的基礎上,增加反復入水彈道,從而隱身于雷達和聲納探測能力的邊緣。由于反復入水彈道需要跨越水氣兩種介質(zhì),對常規(guī)的彈體結(jié)構(gòu)、彈道控制方案都提出了較大的挑戰(zhàn)。由于彈體入水速度較高,若設計不合理,入水后彈袋較深,速度衰減劇烈,很難實現(xiàn)反復入水的要求。因此掌握如何獲得反復入水彈道中的水下彎曲彈道及其彈道特性顯得極為迫切而必要。

顧建農(nóng)等[1]綜合論述了彈體入水的實驗研究與理論研究概況;張偉等[2]通過實驗對比,對平頭彈體和卵形彈體入水彈道進行了穩(wěn)定性分析,并對平頭彈體的速度衰減特性和侵徹位移特性進行了闡述;楊曉光等[3]對導彈水下運動及出水過程的流場進行了仿真分析,并分析了航行體速度對其彈道的影響;馮光等[4]對超空泡航行體的水下彈道進行了數(shù)值計算,并對如何獲得穩(wěn)定的直線彈道進行了闡述。國內(nèi)目前對超空泡狀態(tài)的直線彈道研究比較多,鮮有文獻是論及如何獲得反復入水的彎曲彈道的。

基于現(xiàn)階段的實驗條件,本文就反復入水彈道中單次高速入水無控彈道進行了模型實驗研究,對比分析了頭型、入水角、入水速度對入水彈道特性的影響,并對其產(chǎn)生的機理進行了闡述。通過實驗研究證實了反復入水機制的可行性,所得結(jié)論為跨介質(zhì)航行器的設計提供理論參考。

1 實驗配置

1.1 實驗系統(tǒng)

高速入水超空泡實驗系統(tǒng)示意圖如圖1所示。其中敞口水缸前后兩壁面均由強度較高的鋼化玻璃制成,以保證彈體運動軌跡的采集以及坐標系的建立;左右兩側(cè)面與底部均由不銹鋼制成,以保證缸體強度;在彈道的盡頭(缸體的右側(cè))放有木質(zhì)防撞材料;底部墊有聚氯乙烯透明軟板以減少彈體的過度損壞?？諝馀诎铀倥诠?內(nèi)徑15 mm,長1 000mm,最大可將0.033 kg模型加速到140m/s)、壓力表、炮筒支架3個部分,其工作原理簡述為:將一定量氮氣注入有限體積的炮腔內(nèi),調(diào)節(jié)閥門并通過氣壓表標定氣壓強度,使彈體在恒定氣壓的持續(xù)作用下經(jīng)加速炮管加速到一定速度射入水缸,在水中完成無動力超空泡滑行;彈體的入水速度可通過改變氣壓強度調(diào)節(jié);炮筒支架可調(diào)角度,以適應不同入水姿態(tài)要求。高速攝像系統(tǒng)采用美國REDLAKE公司HG-100K型號,機載內(nèi)存為4 G的高速攝像機和組成平行光源的兩盞200W的新聞燈組成,并以1 000幀/s的速度對整個入水過程進行記錄。圖2為實驗系統(tǒng)實物照片。

圖1 實驗系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of experimental system

圖2 實驗系統(tǒng)實物照片F(xiàn)ig.2 Photo of experimental system

1.2 實驗模型

本次實驗模型的入水速度控制在60～140m/s之間。在該速度條件下入水必然會伴隨著超空泡的產(chǎn)生,當彈體由水面進入水下時,其周圍會產(chǎn)生空泡,開始時空泡的上端與大氣相通,隨著彈體的進一步深入,空泡會逐漸變大變長,最后在空泡上端閉合。根據(jù)空泡截面獨立膨脹原理[5-6],在不考慮諸多擾動因素影響的情況下,平頭彈體與斜截頭彈體周圍的空泡形態(tài)如圖3所示。由于彈體高速帶超空泡航行時,只有頭部與水接觸,從圖3中分析可知,圖3(a)中的平頭彈體所受合力指向彈體重心位置,合力矩為0;而圖3(b)中的斜截頭彈體由于其頭部的不對稱分布,合力可分解為垂直軸線的升力和平行于軸線的阻力,其合力矩為使彈體產(chǎn)生逆時針轉(zhuǎn)動的抬頭力矩[7]。

圖3 空泡形態(tài)原理圖Fig.3 Schematic diagram of cavity shapes

基于上述原理,實驗設計了一種斜切角分別為15°和20°的橢圓斜截頭彈體,以獲得反復出入水彈道中的單次高速水下彎曲彈道,圖4(a)為15°橢圓斜截頭彈體。實驗為了對比分析不同頭型對入水彈道的影響,還設計了其他3種對稱頭型的彈體,如圖4(b)、圖4(c)、圖4(d)所示,各模型參數(shù)如表1所示。本文采用圖4所示模型,針對不同頭型、不同入水角、不同入水速度開展了模型實驗,測試了不同入水條件下的彈道特性。

表1 實驗模型參數(shù)Tab.1 Parameters of experimentalmodels

2 實驗結(jié)果與分析

實驗相關(guān)的概念定義如下:

入水速度v:彈體頭部與水面接觸前一瞬間的重心速度。

入水角α:彈體入水速度與水面之間的夾角[8]。

2.1 入水空泡形態(tài)分析

圖4 實驗模型Fig.4 Photos of experimentalmodels

表2分別為圓柱平頭,圓錐平頭,橢圓平頭和橢圓斜截頭彈體在相同入水條件下同一時刻的不同空泡形態(tài)實驗圖片。圖片選取彈體與水面接觸瞬間為初始時刻,根據(jù)t=f×n計算相應圖片所對應入水后的時刻,其中f為攝像機拍攝頻率1000幀/s,n為圖片相對于初始時刻實驗照片的幀數(shù)。

表2中給出了不同頭型彈體在相同時刻的空泡形態(tài)圖,從中可看出在實驗設計速度條件下,各頭型彈體入水均產(chǎn)生了包裹彈體的超空泡,經(jīng)歷了敞口空泡,空泡拉伸,空泡閉合,逐漸潰滅的全過程。通過對比分析可知:圓柱平頭彈體彈道最為穩(wěn)定,3種速度條件下,空泡均為直線型;圓錐平頭彈體和橢圓平頭彈體在v=62 m/s時所產(chǎn)生的空泡均為直線型,而在v=108 m/s和v=140 m/s,空泡均發(fā)生了微小的彎曲變形,這是由于彈體入水后尾部與空泡上下壁面相互作用造成的;橢圓斜截頭彈體由于其頭部的不對稱分布而產(chǎn)生了相應的抬頭力矩,這使得空泡在速度相對較小的情況下就發(fā)生了彎曲,且隨著速度的增加產(chǎn)生了更加理想的彎曲空泡。

表2 不同頭型彈體同一時刻的空泡形態(tài)圖Tab.2 Cavity shapes of different geometries at the same time

2.2 入水彈道特性分析

根據(jù)實驗中采集的照片通過逐點拾取彈體的位置信息,很容易獲取彈體位置隨入水參數(shù)的變化。由于彈體均被空泡包裹,很難通過拾取其質(zhì)心獲得彈道信息,因此本文通過拾取彈體頭部中點獲取入水彈道。圖5對不同頭型彈體在v=62m/s,α=30°入水條件下的彈道特性進行了對比分析。從中可以看出,相同入水條件下對稱頭型彈體彈道基本為直線,而橢圓斜截頭彈體彈道均發(fā)生了偏轉(zhuǎn),且斜切角越大,彈道越容易偏轉(zhuǎn)。根據(jù)圖3分析可知:對稱頭型彈體,其合力在理論上是指向彈體重心的,不會影響其運動軌跡,彈體沿著初速度方向作直線運動;橢圓斜截頭彈體,其合力方向與指向重心的軸線存在一定的夾角,使彈體產(chǎn)生一個向上的抬頭力矩,從而形成彎曲彈道,且斜切角越大,所產(chǎn)生的抬頭力矩越大,彈道越容易偏轉(zhuǎn)。

圖5 不同頭型彈體平面彈道曲線對比Fig.5 Comparison of trajectories of projectileswith different heads

圖6為橢圓20°斜截頭彈體在v=108m/s不同入水角條件下的平面彈道曲線。從中可以看出:一定角度范圍內(nèi),入水角度越小,彈道轉(zhuǎn)平越快;入水角越大,入水速度在豎直方向的分量越大,從而入水深度越深,水下彈道越長,速度衰減越多。圖7為橢圓20°斜截頭彈體在α=30°時不同速度入水條件下的彈道曲線。從圖7中可以看出,斜截頭彈體由于其非對稱分布的頭部而產(chǎn)生了抬頭力矩,使得其在3種速度條件下彈道均發(fā)生了偏轉(zhuǎn),由于高速入水條件下,速度對彈道的影響已趨于小量,因此3條彈道曲線趨于一致,并且速度高的豎直方向速度分量較大,從而入水深度較深,所產(chǎn)生的抬頭力矩也越大,越容易轉(zhuǎn)平。

圖6 不同入水角條件下平面彈道曲線對比Fig.6 Comparison of trajectories at different entry angles

圖7 不同速度入水平面彈道曲線對比Fig.7 Comparison of trajectories at different velocities

3 結(jié)論

本文通過模型實驗的方法研究了頭型、入水角、入水速度對高速入水過程空泡形態(tài)和彈道曲線的影響,主要結(jié)論如下:

1)入水空泡形態(tài)受頭型、速度影響,不對稱頭型彈體產(chǎn)生彎曲形狀的空泡;速度越大,空泡越容易彎曲。

2)斜截頭彈體產(chǎn)生了明顯的彎曲彈道,且斜切角越大,彈道彎曲的程度越大;對稱頭型彈體彈道相對穩(wěn)定,不易發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

3)入水角對彈道影響很大,在一定范圍內(nèi)入水角越小,彈道越容易發(fā)生彎曲;入水角越大,入水深度越深。

References)

[1] 顧建農(nóng),張志宏,鄭學玲,等.彈體入水彈道研究綜述[J].海軍工程大學學報,2000,12(1):18-23.

GU Jian-nong,ZHANG Zhi-hong,ZHENG Xue-ling,et al.A review of the body's water-entry ballistics reserch[J].Journal of Naval University of Engineering,2000,12(1):18-23.(in Chinese)

[2] 張偉,郭子濤,肖新科,等.彈體高速入水特性實驗研究[J].爆炸與沖擊,2011,31(6):579-584.

ZHANGWei,GUO Zi-tao,XIAO Xin-ke,etal.Experimental investigations on behaviors of projectile high-speed water entry[J]. Explosion and Shock Waves,2011,31(6):579-584.(in Chinese)

[3] 馮光,顏開.超空泡航行體水下彈道的數(shù)值計算[J].船舶力學,2005,9(2):1-8.

FENG Guang,YAN Kai.Numerical calculation of underwater trajectory of supercavitating bodies[J].Journal of Ship Mechanics, 2005,9(2):1-8.(in Chinese)

[4] 楊曉光,陳煥龍,劉華坪,等.導彈水下運動及出水過程的三維流場仿真[J].彈道學報.2010.22(1):107-110.

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ZHANG Yu-wen.Topedo trajectory and ballistic design[M].Xi'an: Northwestern Polytechnical University Press,1999.(in Chinese)

Experimental Research on Curved Trajectory of High-speed W ater-entry M issile

WANG Yun,YUAN Xu-long,LYU Ce
(School of Marine Science and Technology,Northwestern Polytechnical University,Xi'an 710072,Shaanxi,China)

The experiment about the four geometries are carried out.A digital high-speed camera is used to record the evolution of the water-entry process and cavity shapes.The flat-trajectory curves of the four different geometries are obtained,and the effects of the head shape,entry angle and velocity on the trajectory are analyzed.The results show that the projectile bodywith oval-beveled warhead is easier to form the curved trajectory because of its specialwarhead.The other three kinds of trajectories aremore stabilized.When it is at certain speed range,the trajectories verge to be linear;when it is at a higher speed, the trajectorymay be curved.The effect of entry angle on the trajectory is obvious.When the entry angle is little,its trajectory deflects to the free surface quickly;when it is larger,the trajectory deflects to the bottom of the cylinder.The conclusions provide reference for the research on the water-entry weapons.

ordnance science and technology;curved trajectory;experimental investigation;high-speed water-entry;supercavity

TJ761.3

A

1000-1093(2014)12-1998-05

10.3969/j.issn.1000-1093.2014.12.010

2014-03-15

王云(1993—),女,碩士研究生。E-mail:nulideyun@163.com;

袁緒龍(1977—),男,副教授,碩士生導師。E-mail:yuanxulong@nwpu.edu.cn