基于筒式保護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈出水分離過(guò)程研究

李 晶，李 吉，陸宏志

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

基于筒式保護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈出水分離過(guò)程研究

李 晶，李 吉，陸宏志

（中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076）

在出水過(guò)程中，由飛行介質(zhì)改變帶來(lái)的載荷沖擊及海面波浪等不確定因素造成的復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境，極大地增加了導(dǎo)彈與保護(hù)筒的分離風(fēng)險(xiǎn)。從多剛體動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下的兩剛體相對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比修正，最終獲得比較成熟的出水分離仿真方法。試驗(yàn)與仿真方法相結(jié)合研究了導(dǎo)彈出水過(guò)程中角速度顯著減小現(xiàn)象的形成機(jī)理，為出水分離姿態(tài)預(yù)估提供理論基礎(chǔ)。

分離；套筒式水下航行器；試驗(yàn)；數(shù)值仿真

0 引 言

具有筒式保護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈在水下飛行過(guò)程中，強(qiáng)烈的載荷沖擊完全由“筒”承擔(dān)，該種方案大幅降低對(duì)導(dǎo)彈的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，可增加有效質(zhì)量，提高空中飛行射程。相比于傳統(tǒng)的空中分離設(shè)計(jì)，導(dǎo)彈在出水過(guò)程中從“筒”內(nèi)分離出來(lái)，其承受的載荷環(huán)境更為復(fù)雜。由飛行介質(zhì)改變[1]帶來(lái)的載荷沖擊及海面波浪等不確定因素造成的復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境，極大地增加了分離過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)。為了提高分離方案的可靠性，必須對(duì)這一過(guò)程進(jìn)行深入研究。

崔乃剛[2]等建立了潛射導(dǎo)彈水下及出水運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)冷、熱兩種發(fā)射形式的導(dǎo)彈在無(wú)控、比例積分微分（proportion Integration differentiation，pId）全程控制、模糊pId分段控制3種狀態(tài)下的水下運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行了仿真分析；張紅軍、陸宏志[3]等基于非定常雷諾平均N-S方程，采用動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)和多相流模型對(duì)導(dǎo)彈冷彈射出筒過(guò)程進(jìn)行了三維非定常數(shù)值模擬；劉丙杰[4]等分析了影響潛射彈道導(dǎo)彈出水姿態(tài)的各個(gè)因素，應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)格分析了單因素變化的導(dǎo)彈出水姿態(tài)；邢天安[5]對(duì)潛射飛航式導(dǎo)彈的幾種出水分離方式進(jìn)行了討論，介紹了不同分離方式的特點(diǎn)，提出選擇的參考原則。上述工作的研究重點(diǎn)在于潛射導(dǎo)彈的水下運(yùn)動(dòng)，出筒、出水及分離過(guò)程，但都是以單個(gè)剛體為研究對(duì)象，沒(méi)有考慮出水過(guò)程中的兩體相對(duì)分離過(guò)程，也沒(méi)有研究復(fù)雜的水下載荷環(huán)境。李思源[6]提出一種新的彈器分離方案——?jiǎng)恿Ψ蛛x方案（即彈射分離方案），并對(duì)動(dòng)力分離運(yùn)載器的結(jié)構(gòu)和彈道性能作了較詳細(xì)的介紹，與靜力分離方案作了較全面的比較；彭正梁[7]等研究了航行體出水分離過(guò)程適配器剛度和間隙、流體作用力、助推器分離力等影響下的二維彈道仿真模型。

本文采用數(shù)值仿真的方法，通過(guò)對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境的模擬，計(jì)入出水過(guò)程水動(dòng)力跨越界面變化的影響，利用多剛體動(dòng)力學(xué)研究導(dǎo)彈和“筒”分離過(guò)程中姿態(tài)及速度等關(guān)鍵參數(shù)的變化。在進(jìn)行多發(fā)次的出水分離試驗(yàn)后，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真過(guò)程的不斷修正，最終獲得與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好的復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下出水分離仿真方法，獲取出水分離過(guò)程的關(guān)鍵影響因素。

1 出水分離過(guò)程分析

1.1 分離時(shí)序

如圖1所示，“筒”包括筒蓋和筒體兩部分，其包裹導(dǎo)彈完成水下飛行。當(dāng)筒蓋露出水面后，T0時(shí)刻筒、蓋分離燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火，筒、蓋開始分離；筒、蓋分離結(jié)束后，在T1時(shí)刻筒體底部燃?xì)獍l(fā)生器點(diǎn)火，導(dǎo)彈從筒內(nèi)發(fā)出，在T2時(shí)刻完全脫離筒體；之后自由飛行一段距離后啟動(dòng)自身發(fā)動(dòng)機(jī)繼續(xù)飛行。

圖1 出水分離時(shí)序

1.2 出水分離過(guò)程中受力分析

將分離過(guò)程分為兩部分：筒、蓋分離過(guò)程和筒、彈分離過(guò)程，分別對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析。

1.2.1 筒、蓋分離

對(duì)筒、蓋分離過(guò)程進(jìn)行受力分析，如圖2所示。筒受自身重力G、水的浮力F浮、燃?xì)獍l(fā)生器的推力F推、出水過(guò)程中軸向水動(dòng)力aF、法向水動(dòng)力NF和水動(dòng)力彎矩M等的作用。

式中 l為套筒航行器全長(zhǎng)；S為參考面積；h為套筒航行器出水高度；d為沿套筒軸向，浮心與質(zhì)心的距離；Ca為軸向力系數(shù)，與俯仰角α有關(guān)；la為軸向出水系數(shù)，與出水高度h有關(guān)；CN為法向力系數(shù)，與俯仰角α有關(guān)；lN為法向出水系數(shù)，與出水高度h有關(guān)；CM為力矩系數(shù)，與俯仰角α有關(guān)；lM為力矩出水系數(shù)，與出水高度h有關(guān)；ρV2為動(dòng)壓；L為參考長(zhǎng)度為平均壓強(qiáng)。

圖2 筒、蓋分離過(guò)程受力分析

1.2.2 筒、彈分離

筒、彈分離過(guò)程中，由于存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，除了承受1.2.1節(jié)中的力外，兩者之間還存在摩擦力Ff和分離燃?xì)獍l(fā)生器產(chǎn)生的推力′，如圖3所示。

圖3 筒、航行器分離過(guò)程受力分析

式中 C為摩擦系數(shù)；1l為航行器、筒的軸向相對(duì)位移。

2 出水分離仿真研究

2.1 仿真方法

本次仿真是在MSc.adaMS2003軟件環(huán)境下，基于adaMS/Solver解析器進(jìn)行數(shù)值仿真，仿真界面如圖4所示。

圖4 adaMS軟件界面

圖5 軸向速度-出水高度

圖6 軸向加速度-出水高度

從多剛體動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，將導(dǎo)彈和“保護(hù)筒”簡(jiǎn)化為剛體，忽略附加質(zhì)量和附加質(zhì)量矩的影響，模擬各水動(dòng)力因素造成的沖擊，通過(guò)仿真軟件模擬兩剛體的分離過(guò)程，并獲得軌跡、姿態(tài)、速度等參數(shù)的變化曲線。

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果是針對(duì)4種情況進(jìn)行比較分析的，其中包括3條試驗(yàn)曲線：在對(duì)筒、彈分離燃?xì)獍l(fā)生器推力F推′細(xì)化的基礎(chǔ)上，分為添加水動(dòng)力和無(wú)水動(dòng)力兩條曲線，F(xiàn)推′取平均值曲線和縮比試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線。出水分離過(guò)程的姿態(tài)及速度對(duì)比情況如圖5～7所示。

圖5為導(dǎo)彈軸向速度隨其理論尖端出水高度變化曲線。從圖5中可以看出F推′細(xì)化后的兩條曲線與試驗(yàn)曲線比較相似，但整體速度幅值要偏大，而F推′取平均值的曲線由于采用平均值方法導(dǎo)致曲線變化較均勻。比較細(xì)化F推′，有/無(wú)水動(dòng)力的兩條仿真曲線，添加水動(dòng)力曲線整體速度幅值較小，與試驗(yàn)曲線更加接近，因此可以推斷水動(dòng)軸向力對(duì)于航行器軸向速度的修正作用。

圖7 俯仰角-出水高度

圖6 為導(dǎo)彈軸向加速度隨其理論尖端出水高度的變化曲線。從圖6中可以看出，F(xiàn)推′細(xì)化后的兩條仿真曲線與試驗(yàn)曲線比較相似，但整體位置偏下，即對(duì)應(yīng)高度值較小。分析原因主要是由于不添加水動(dòng)力的情況下套筒分離過(guò)程所用時(shí)間最短，出水高度最小，因此加速度隨高度變化曲線偏下；另外，由于F推′采用平均值方法導(dǎo)致加速度變化曲線在筒、航行器分離階段保持不變，與試驗(yàn)結(jié)果相差較大。

圖7為導(dǎo)彈俯仰角隨其理論尖端出水高度的變化曲線。從圖7中可以看出，隨著出水高度的增加，航行器俯仰角逐漸增大。試驗(yàn)結(jié)果中航行器俯仰角變化最小，添加水動(dòng)力的情況次之，F(xiàn)推′取平均值的結(jié)果最大?？梢酝茢嗍怯捎诟┭鏊畡?dòng)力矩對(duì)導(dǎo)彈俯仰角的修正作用。

通過(guò)上述分析，可以看出3條仿真曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整體相差不大，通過(guò)對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境的深入模擬，并且計(jì)入出水過(guò)程水動(dòng)力跨越界面變化的影響，以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真方法的修正后得到復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下導(dǎo)彈出水分離仿真方法。

圖8、圖9分別為出水分離試驗(yàn)測(cè)得的導(dǎo)彈角速度和姿態(tài)角隨出水高度的變化曲線，圖中水平虛線代表海平面（相關(guān)量作歸一化處理）。

從圖8中可以看出，導(dǎo)彈在出水前角速度具有增大趨勢(shì)，對(duì)出水安全性造成危害；隨著頭部露出水面后，在分離過(guò)程中角速度迅速減小并趨于穩(wěn)定。圖9為“保護(hù)筒”在出水過(guò)程中姿態(tài)角隨出水高度的變化曲線。從圖9中可以看出，導(dǎo)彈在露出水面后姿態(tài)角先增大后逐漸減小到安全范圍內(nèi)。

圖8 角速度隨出水高度變化曲線

圖9 姿態(tài)角隨出水高度變化曲線

出水過(guò)程的角速度和姿態(tài)角是影響分離過(guò)程成敗的關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)出水分離過(guò)程中導(dǎo)彈角速度和姿態(tài)角變化趨于穩(wěn)定。為了更好地理解角速度在出水過(guò)程中的減小機(jī)理，開展了大量的數(shù)值仿真工作，通過(guò)對(duì)整個(gè)分離過(guò)程的深入分析，分別考慮各水動(dòng)力因素，分析出角速度在出水過(guò)程中逐漸減小是由于水動(dòng)力矩作用的結(jié)果，也可以說(shuō)水動(dòng)力矩對(duì)“保護(hù)筒”在出水過(guò)程中姿態(tài)變化起到了很好的修正作用。

3 結(jié) 論

本文對(duì)基于筒式保護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈出水分離過(guò)程受力情況和運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行出水分離仿真研究。通過(guò)對(duì)復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境的模擬，計(jì)入出水過(guò)程水動(dòng)力跨越界面變化的影響，對(duì)整個(gè)分離過(guò)程進(jìn)行數(shù)值仿真。利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)出水分離仿真方法進(jìn)行多次修正，最終仿真結(jié)果與試驗(yàn)曲線吻合較好。

綜上所述，結(jié)論如下：

a）基于筒式保護(hù)結(jié)構(gòu)的導(dǎo)彈在出水分離過(guò)程中角速度與姿態(tài)角變化穩(wěn)定性好，驗(yàn)證了該種分離方式的正確性；

b）通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的多次修正，綜合筒、航行器分離燃?xì)獍l(fā)生器推力F推′的優(yōu)化，添加軸向水動(dòng)力、法向水動(dòng)力和俯仰水動(dòng)力矩等因素，計(jì)入出水過(guò)程水動(dòng)力跨越界面變化的影響，獲得了復(fù)雜水動(dòng)力環(huán)境下出水分離仿真方法，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好，驗(yàn)證了仿真方法的可靠性。

[1] 黃壽康, 王俠超, 馬國(guó)強(qiáng), 等. 流體動(dòng)力·彈道·載荷·環(huán)境[M]. 北京:宇航出版社, 1991.

[2] 崔乃剛, 曹春泉, 韋常柱. 潛射導(dǎo)彈水下運(yùn)動(dòng)過(guò)程仿真分析[J]. 彈道學(xué)報(bào), 2009, 21(2): 95-99.

[3] 張紅軍, 陸宏志, 裴胤, 等. 潛射導(dǎo)彈出筒過(guò)程的三維非定常數(shù)值模擬研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展, 2010, 25(3): 406-415.

[4] 劉丙杰, 姚奕, 劉勇志. 潛射彈道導(dǎo)彈出水姿態(tài)分析[J]. 火力與指揮控制, 2003, 28(6): 59-61.

[5] 邢天安. 潛射飛航式導(dǎo)彈出水分離方式探討[J]. 飛航導(dǎo)彈, 1994(2): 1-5.

[6] 李思源. 潛射導(dǎo)彈無(wú)動(dòng)力運(yùn)載器的滾控暨分離技術(shù)研究[J]. 艦載武器, 2002(3): 7-12.

[7] 彭正梁, 王寶壽. 高速航行體與運(yùn)載器水面分離平面彈道數(shù)學(xué)仿真[J].船舶力學(xué), 2011, 15(1): 95-100.

Investigation on Water Surfacing Process Separation of Submarine Missile-in-container

Li Jing, Li Ji, Lu Hong-zhi
(china academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076)

experimental and numerical investigations are conducted for water surfacing process separation of submarine telescoping vehicle. It shows that the separation method presented is highly effective and engineering realizable by analyzing experiment data. The simulation focuses on the complicated hydrodynamic environment during water surfacing process, especially the effect of hydrodynamic change. The investigation is implemented to study the phenomenon that angular velocity decreases evidently. Finally, the reliable simulation method is obtained.

Separation; Submarine telescoping vehicle; experiment; Simulation

V448.1

a

1004-7182(2016)01-0013-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160104

2014-12-18；

2015-01-30

李 晶（1986-），女，工程師，研究方向?yàn)閷?dǎo)彈武器系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)