航行體出水俯仰雙態(tài)特征研究

王占瑩,馮健華,程少華,魏海鵬,尤天慶

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京　100076)

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航行體出水俯仰雙態(tài)特征研究

王占瑩,馮健華,程少華,魏海鵬,尤天慶

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

摘要：水下航行體垂直發(fā)射水彈道參數(shù)設(shè)計(jì)是水下發(fā)射技術(shù)研究的重要內(nèi)容。在試驗(yàn)研究中發(fā)現(xiàn)，水下垂直發(fā)射時(shí)出水過(guò)程水彈道會(huì)出現(xiàn)俯仰雙態(tài)特征，為了分析出水姿態(tài)變化規(guī)律，基于水下垂直發(fā)射水彈道理論模型并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)造成出水俯仰雙態(tài)特征的機(jī)理進(jìn)行了分析，獲得了造成出水俯仰雙態(tài)的原因及影響規(guī)律，為水彈道規(guī)律研究和參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：水彈道;水下垂直發(fā)射;俯仰雙態(tài)本文引用格式：王占瑩,馮健華,程少華,等.航行體出水俯仰雙態(tài)特征研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):163-166.

Citation format:WANG Zhan-ying, FENG Jian-hua, CHENG Shao-hua, et al.Study on Binary-State Pitching Movement of Water-Exit Trajectory of Underwater Vehicles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):163-166.

對(duì)于水下發(fā)射航行體，出水姿態(tài)參數(shù)是水彈道設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)[1-3]，而水下發(fā)射過(guò)程中，在流體動(dòng)力、浮力等復(fù)雜外力作用下，水彈道變化規(guī)律異常復(fù)雜，尤其在出水過(guò)程中，航行體的出水彈道參數(shù)變化是一個(gè)短暫、變化激烈而又復(fù)雜的過(guò)程。航行體的出水姿態(tài)與軸向運(yùn)動(dòng)參數(shù)密切相關(guān)，俯仰運(yùn)動(dòng)與軸向、法向運(yùn)動(dòng)參數(shù)強(qiáng)烈耦合，甚至初始發(fā)射速度會(huì)對(duì)出水姿態(tài)造成直接影響。

在試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，水下無(wú)控垂直發(fā)射時(shí)航行體在出水過(guò)程會(huì)出現(xiàn)俯仰雙態(tài)特征，這對(duì)出水姿態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)影響很大。為了深入分析水下垂直發(fā)射航行體出水姿態(tài)變化特性，本研究基于水下垂直發(fā)射水彈道理論模型并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)造成出水俯仰雙態(tài)特征的機(jī)理進(jìn)行了分析，為水下垂直發(fā)射水彈道研究和參數(shù)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

1水下彈道模型建立

1.1航行體垂直發(fā)射水彈道模型

航行體水下發(fā)射過(guò)程中，在初始艇速影響下，航行體主要受到重力、浮力、流體動(dòng)力等外力作用[4-10]，在綜合外力作用下，航行體位移和姿態(tài)參數(shù)不斷變化，其運(yùn)動(dòng)學(xué)方程滿足

(1)

式中

其中:m為航行體質(zhì)量;Jx、Jy和Jz為航行體體軸系3個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;xc、yc和zc為航行體體軸系3個(gè)方向的質(zhì)心坐標(biāo)；X=[vx1vy1vz1wx1wy1wz1]；RA為所受的定常流體力和部分非定常流體力；ΔG為重力和浮力作用項(xiàng)；WA為運(yùn)動(dòng)交叉項(xiàng)。

水下發(fā)射航行體通常為軸對(duì)稱體，因此以上的數(shù)學(xué)模型可以簡(jiǎn)化為俯仰平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)模型，其理論運(yùn)動(dòng)方程展開(kāi)為

(2)

其中:Ry1為法向定常流體動(dòng)力(包括定常法向力和定常法向附加力)；λii為附加質(zhì)量項(xiàng)；B為浮力；G為重力；Xb為浮心距離質(zhì)心間距；Lz1為定常流體力矩(包含俯仰力矩和俯仰阻尼力矩)。

1.2模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本研究所提出的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值計(jì)算方法，開(kāi)展了航行體水下垂直發(fā)射水下彈道研究試驗(yàn)，并通過(guò)上述水彈道數(shù)學(xué)模型的建立，進(jìn)行仿真計(jì)算，將通過(guò)理論模型得到的俯仰角速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖1所示，理論模型計(jì)算獲得的俯仰角速度與試驗(yàn)結(jié)果十分相近，由此驗(yàn)證了本文水彈道出水俯仰雙態(tài)特征研究問(wèn)題理論模型中外力因素和數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。

圖1　某航行體垂直發(fā)射俯仰角速度時(shí)間歷程曲線

2出水俯仰雙態(tài)特征研究

2.1出水俯仰雙態(tài)現(xiàn)象及仿真驗(yàn)證

研究發(fā)現(xiàn)，水下垂直發(fā)射過(guò)程中航行體出水過(guò)程俯仰角速度出現(xiàn)分叉變化特性，本文稱其為俯仰雙態(tài)特征，如圖2中試驗(yàn)測(cè)得俯仰角速度時(shí)間歷程，航行體出水過(guò)程俯仰角速度分別呈現(xiàn)上升和下降兩種截然不同的變化趨勢(shì)。此俯仰雙態(tài)現(xiàn)象的出現(xiàn)是水彈道參數(shù)重要變化規(guī)律，為了分析出水俯仰雙態(tài)特征的變化規(guī)律和影響因素，通過(guò)水彈道理論模型的建立和仿真計(jì)算，分析研究了造成出水過(guò)程俯仰角速度不同變化趨勢(shì)。

圖2　航行體垂直發(fā)射出水俯仰雙態(tài)現(xiàn)象

為了分析水下垂直發(fā)射狀態(tài)下出水姿態(tài)變化規(guī)律差異性產(chǎn)生的原因，對(duì)出現(xiàn)不同出水俯仰姿態(tài)特性的試驗(yàn)工況進(jìn)行了理論計(jì)算復(fù)現(xiàn)，理論計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出與試驗(yàn)結(jié)果一致的出水俯仰雙態(tài)特征，具體可見(jiàn)圖3所示。

圖3　理論計(jì)算出水姿態(tài)俯仰雙態(tài)結(jié)果

通過(guò)對(duì)理論計(jì)算模型中產(chǎn)生俯仰姿態(tài)變化的外力矩因素進(jìn)行分析，獲得了產(chǎn)生俯仰姿態(tài)出水過(guò)程差異的原因在于出筒速度量值的不同,即在無(wú)控水下發(fā)射過(guò)程中，不同的出筒速度會(huì)造成相同發(fā)射狀態(tài)下的航行體在出水過(guò)程中出現(xiàn)俯仰姿態(tài)的差異性，軸向彈道參數(shù)與俯仰方向姿態(tài)運(yùn)動(dòng)具有耦合性。出筒速度相對(duì)高時(shí)出水過(guò)程俯仰角速度會(huì)呈上升變化，出筒速度較低時(shí)，出水過(guò)程俯仰角速度會(huì)發(fā)生下降現(xiàn)象。造成此現(xiàn)象的直接原因具體分析為以下幾個(gè)方面：

1) 從式(2)可以看出，水下發(fā)射時(shí)出水過(guò)程俯仰角速度的主要影響因素為定常流體俯仰力矩和浮力矩。定常流體俯仰力矩中包含俯仰力矩和俯仰阻尼力矩，俯仰力矩與攻角和動(dòng)壓頭有關(guān)，在出水過(guò)程由于壓心后移俯仰力矩為正；俯仰阻尼力矩與動(dòng)壓頭和俯仰角速度有關(guān)，同樣為正。因此定常流體俯仰力矩在出水過(guò)程中是正向的；

2) 由于航行體在初始法向運(yùn)動(dòng)速度作用下俯仰姿態(tài)呈向負(fù)向發(fā)展特征，因此出水時(shí)俯仰姿態(tài)角偏差為負(fù)，而浮力矩作用點(diǎn)在出水過(guò)程逐漸向航行體尾部推進(jìn)，基本為負(fù)向，因此俯仰角速度變化趨勢(shì)由定常流體俯仰力矩和浮力矩兩項(xiàng)符號(hào)相反的力矩量值決定；

3) 出筒速度低時(shí)，在航行體出水時(shí)速度也會(huì)相對(duì)較低，因此動(dòng)壓頭量值較小，造成了定常流體力和定常流體力矩量值都較小，可見(jiàn)圖4和圖5中不同出筒速度下各項(xiàng)定常流體法向力對(duì)比以及圖6和圖7中不同出筒速度下各項(xiàng)定常流體力矩對(duì)比；

4) 出水過(guò)程中式(2)右側(cè)項(xiàng)-mωz 1Vx1為正，而浮力項(xiàng)在出水過(guò)程中為負(fù)，出筒速度越小，-mωz 1Vx1項(xiàng)越小，抵消不住浮力的作用，因而法向速度減小導(dǎo)致攻角減小，進(jìn)而定常流體力矩減小，浮力矩產(chǎn)生的作用更加起到主導(dǎo)作用，因而綜合作用下俯仰角速度會(huì)在出筒速度低時(shí)發(fā)生下降現(xiàn)象；

5) 相反，當(dāng)出筒速度較大時(shí)，出水過(guò)程中影響彈體法向速度增加的-mωz 1Vx1項(xiàng)量值較大，能夠抵消浮力項(xiàng)在出水過(guò)程中起減小法向速度的作用，因而造成法向速度增大，攻角增大，定常流體力矩產(chǎn)生作用增大，因而俯仰角速度發(fā)生上升現(xiàn)象。

圖4　出筒速度較低時(shí)各項(xiàng)法向力影響因素

圖5　出筒速度較高時(shí)各項(xiàng)法向力影響因素

圖6　出筒速度較低時(shí)各項(xiàng)俯仰力矩影響因素

圖7　出筒速度較高時(shí)各項(xiàng)俯仰力矩影響因素

2.2出水俯仰雙態(tài)特征機(jī)理分析

為了進(jìn)一步分析出水過(guò)程俯仰姿態(tài)的影響機(jī)理，進(jìn)行了出筒速度更廣范圍量值下的水彈道仿真分析，從圖8不同出筒速度下出水過(guò)程俯仰角速度仿真結(jié)果的變化趨勢(shì)中可以發(fā)現(xiàn)，出筒速度越小，出水過(guò)程俯仰角速度下降現(xiàn)象越明顯，相反，出筒速度高到一定量值時(shí)出水過(guò)程俯仰角速度會(huì)上升，并且在出筒速度增加時(shí)，俯仰角速度上升的也更加明顯。

圖8　出筒速度對(duì)出水過(guò)程俯仰角速度影響

這說(shuō)明出水俯仰雙態(tài)的發(fā)生存在一個(gè)出筒速度的臨界值，在臨界出筒速度發(fā)射時(shí)出水過(guò)程俯仰角速度基本保持不變，而這個(gè)出水速度臨界值取決于出水過(guò)程定常流體力矩與浮力矩的平衡點(diǎn)，即

(3)

暫不考慮流體力矩Lz1中的阻尼力矩項(xiàng)后，將式(3)各項(xiàng)展開(kāi)后為

(4)

將式(4)中兩項(xiàng)相除，則有

(5)

從式(5)可以看出，流體力矩和浮力矩的相對(duì)量值影響因素主要為：

b) 航行體的流體動(dòng)力布局，這決定了浮心位置和流體動(dòng)力特性參數(shù)；

3結(jié)論

本文通過(guò)水下垂直發(fā)射彈道理論計(jì)算模型的建立，進(jìn)行了出水彈道參數(shù)仿真分析，并結(jié)合理論分析獲得了水下垂直發(fā)射水彈道出水姿態(tài)參數(shù)變化規(guī)律以及影響出水姿態(tài)變化的主要因素和機(jī)理：

1) 水彈道理論數(shù)學(xué)模型可以從量值和變化規(guī)律上模擬水下發(fā)射過(guò)程航行體的水彈道參數(shù)，為出水姿態(tài)變化規(guī)律提供理論分析方法和支撐；

2) 對(duì)于水下垂直發(fā)射，出筒速度的差異會(huì)導(dǎo)致出水俯仰角速度產(chǎn)生分叉特性，而分叉點(diǎn)取決于出水過(guò)程定常流體力矩與浮力矩的平衡點(diǎn)，具體影響因素包括航行體相對(duì)水的密度比和流體動(dòng)力特性參數(shù)(流體結(jié)構(gòu)布局)；

3) 在決定出水俯仰雙態(tài)特征出現(xiàn)的出筒速度平衡點(diǎn)以下，出筒速度越低，出水角速度下降越明顯，反之，出筒速度越高，俯仰角速度會(huì)上升越明顯。

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(責(zé)任編輯唐定國(guó))

Study on Binary-State Pitching Movement of Water-Exit Trajectory of Underwater Vehicles

WANG Zhan-ying, FENG Jian-hua, CHENG Shao-hua,WEI Hai-peng, YOU Tian-qing

(Beijing Institute of Astronautical System Engineering, Beijing 100076, China)

Abstract:The design of water trajectory parameters is an important part of underwater vertical launch technology. Water-exit trajectory will appear binary-state pitching movement when being launched vertically in experimental study. In order to analyze the changing rules of water posture, the mechanism analysis of binary-state pitching movement can be clarified based on water trajectory model and experimental results and the influencing laws and causes to binary-state pitching movement were obtained. The method and results have a certain reference value for engineering studies of water trajectory parameter design．

Key words:water-exit trajectory; vertical launch underwater; binary-state pitching movement

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0163-04

中圖分類號(hào)：V19；TJ7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.039

作者簡(jiǎn)介：王占瑩(1983—),女,碩士研究生,工程師,主要從事水彈道建模與計(jì)算研究。

收稿日期：2015-09-12；修回日期：2015-09-25

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】