預(yù)置舵角下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程彈道特性研究

時(shí)素果， 王亞東， 劉樂華， 楊曉光

(北京機(jī)電工程研究所， 北京 100074)

預(yù)置舵角下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程彈道特性研究

時(shí)素果， 王亞東， 劉樂華， 楊曉光

(北京機(jī)電工程研究所， 北京 100074)

為研究超空泡航行體在水平面機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎過程中的彈道特性，采用航行體頭部設(shè)置預(yù)置舵角方法實(shí)現(xiàn)，開展了0°、3°和6°預(yù)置舵角下航行體自由運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)在水池中進(jìn)行，采用高速攝影觀察不同預(yù)置舵角下的空泡演化過程，采用內(nèi)測裝置測量航行體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，獲得了不同預(yù)置舵角下超空泡航行體水平運(yùn)動(dòng)過程中的彈道特性。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)預(yù)置舵角為0°時(shí)，航行體側(cè)向力由于非定常因素?cái)_動(dòng)小幅波動(dòng)，但均值基本為0；當(dāng)存在預(yù)置舵角時(shí)，隨著預(yù)置舵角的增大，軸向力和側(cè)向力不斷增加；預(yù)置舵角可以控制超空泡航行體的彈道水平機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，且預(yù)置舵角越大、彈道越容易轉(zhuǎn)彎，但舵角過大會(huì)導(dǎo)致航行體彈道失穩(wěn)。

流體力學(xué)； 超空泡航行體； 預(yù)置舵角； 機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎； 彈道； 試驗(yàn)研究

0 引言

航行體超空泡技術(shù)是指在空化器和人工通氣的共同作用下，形成一個(gè)包裹自身的大型氣泡，以此來大幅度降低摩擦阻力，從而使得水下航行體獲得90%的減阻量[1]。借此，水下航行體的速度可提高到100 m/s以上[2-3]，這種減阻水平將對水下武器的研制產(chǎn)生巨大的影響。但由于超空泡航行體流場的特殊性與復(fù)雜性，使得該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多挑戰(zhàn)，其中在超空泡狀態(tài)下航行體能否機(jī)動(dòng)或者機(jī)動(dòng)過程中彈道是否穩(wěn)定成為目前研究的熱點(diǎn)，國內(nèi)外很多學(xué)者對此開展了大量的研究。

近年來，國外學(xué)者Kirschner等[4]和Vasin[5]基于勢流理論預(yù)測空泡形態(tài)，簡化系列數(shù)學(xué)模型，構(gòu)建了最基本的超空泡航行體動(dòng)力學(xué)模型。Kulkarni等[6]和Kirschner等[7]基于單自由度研究了無控條件下超空泡射彈的運(yùn)動(dòng)過程，獲得了其動(dòng)力學(xué)行為，掌握了航行體水平航行的一些典型特征參數(shù)變化規(guī)律。Geol等[8]采用空泡膨脹獨(dú)立性原理的方法，在考慮空泡記憶效應(yīng)的基礎(chǔ)上，獲得了超空泡航行體尾部滑行的非線性力，建立了超空泡航行體非線性動(dòng)力學(xué)模型。Vanek等[9]研究了超空泡航行體6自由度運(yùn)動(dòng)，在小擾動(dòng)線性化的基礎(chǔ)上分析了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，發(fā)現(xiàn)縱向和橫向在無控條件下運(yùn)動(dòng)均處于穩(wěn)定狀態(tài)。國內(nèi)學(xué)者對超空泡狀態(tài)下的彈道特性也進(jìn)行了大量研究，蔣運(yùn)華等[10]采用理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，考慮航行體與空泡之間的相互關(guān)系，建立了水動(dòng)力計(jì)算方法和動(dòng)力學(xué)方程，獲得了巡航段水平面彈道特性。文獻(xiàn)[11-13]基于流場數(shù)值模擬方法和運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，建立了超空泡航行體動(dòng)力學(xué)仿真模型，獲得了超空泡航行體巡航狀態(tài)下縱平面內(nèi)的動(dòng)力學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)超空泡航行體在無控條件下仍具有一定的穩(wěn)定性。曹偉等[14-15]建立了自然超空泡航行體在縱平面內(nèi)簡化的運(yùn)動(dòng)方程，編制了相應(yīng)的彈道程序，并對其在100 m/s左右速度區(qū)段內(nèi)的典型彈道特性進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了定深直航、變航向、變深度等典型彈道機(jī)動(dòng)。馮光等[16]應(yīng)用細(xì)長體理論獲得了超空泡航行體的流體動(dòng)力，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模，仿真并獲得了超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)彈道。從上述研究成果可以看出研究超空泡狀態(tài)下彈道特性的必要性，但在彈道特性研究中，空泡形態(tài)和流體動(dòng)力主要采用經(jīng)典的勢流理論經(jīng)驗(yàn)公式或者數(shù)值模擬方法獲得，建立的動(dòng)力學(xué)模型也進(jìn)行了大量簡化處理，未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，因此迫切需要采用試驗(yàn)研究這種最能真實(shí)反映物理流動(dòng)過程的方法開展研究。

本文主要通過建立的一套水下高速航行試驗(yàn)裝置，通過試驗(yàn)研究的方法開展預(yù)置舵角下水下航行體高速自由航行試驗(yàn)，通過高速錄像觀察航行體水下高速航行過程的空泡演化規(guī)律，通過內(nèi)測裝置測量了航行體運(yùn)動(dòng)參數(shù)，在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上分析了超空泡航行體機(jī)動(dòng)過程彈道特性。

1 試驗(yàn)裝置與方法

超空泡航行體水下高速航行過程試驗(yàn)示意圖見圖1. 開展試驗(yàn)時(shí)，將試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶惭b在發(fā)射管內(nèi)，通過發(fā)射架將發(fā)射管安放在水下要求的深度，發(fā)射炮以不同的壓力發(fā)射，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ彤a(chǎn)生不同的水下航行速度，用高速攝像系統(tǒng)記錄入水過程空泡流場演化過程，用內(nèi)測裝置測量試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷倪\(yùn)動(dòng)姿態(tài)；航行體在水下高速運(yùn)動(dòng)一段時(shí)間后，在空泡未能包裹航行體現(xiàn)象出現(xiàn)之前，將被回收防護(hù)裝置一并回收。

圖1 超空泡航行體自由航行過程試驗(yàn)示意圖Fig.1 Schematic diagram of free motion experiment of supercavitating vehicle

其中，試驗(yàn)水池長70 m、寬44 m、深10 m；試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谒赂咚俸叫泻?，為避免在試?yàn)過程中對水池底部或壁面造成破壞，采用懸掛鋼板方式對模型實(shí)施攔截；發(fā)射裝置包含發(fā)射炮、發(fā)射架和高壓氣體壓縮機(jī)3部分，加速炮管(內(nèi)徑100 mm，長6 000 mm)管口設(shè)置有隔水薄膜，其工作原理為：將一定量的氮?dú)庾⑷胗邢摅w積的炮腔內(nèi)，調(diào)節(jié)閥門并通過氣壓表標(biāo)定氣壓強(qiáng)度，使試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮诤愣鈮旱某掷m(xù)作用下經(jīng)加速炮管加速到一定速度后射入水池。

測量運(yùn)動(dòng)參數(shù)時(shí)，選取以發(fā)射點(diǎn)為零點(diǎn)的地面坐標(biāo)系OXYZ，以及建立原點(diǎn)位于航行體質(zhì)心的彈體坐標(biāo)系oxyz來描述超空泡航行體運(yùn)動(dòng)，起始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻，地面坐標(biāo)系和彈體坐標(biāo)系零點(diǎn)重合。

6自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，3個(gè)通道的加速度計(jì)通過延長線與主板連接，加速度計(jì)模塊采用單面電路板設(shè)計(jì)，用兩個(gè)螺釘剛性連接在內(nèi)測支架上，以有效避免主電路板自身振動(dòng)帶來的影響。內(nèi)測裝置主要技術(shù)指標(biāo)為：軸加速度計(jì)，量程：70g；軸角速率陀螺，量程：2 000°/s；采樣精度：16位；采樣率：3 kHz(6通道同步)；容量：128 KB，最大采樣率時(shí)可存儲約3.5 s數(shù)據(jù)。

高速攝像系統(tǒng)采用美國REDLAKE公司HG-100K型號、機(jī)載內(nèi)存為4 GB的高速攝像機(jī)，以1 000幀/s的速度對整個(gè)入水過程進(jìn)行記錄。

為了實(shí)現(xiàn)航行體頭部向空泡內(nèi)通氣的功能，選擇碳纖維氣瓶(尺寸為φ62 mm×300 mm，額定壓力為30 MPa，容積為0.5L)置于模型內(nèi)部。試驗(yàn)前瓶內(nèi)充入一定壓力(p≤10 MPa)的氣體后保持密封狀態(tài)裝入試驗(yàn)?zāi)Ｐ停叫畜w開始運(yùn)動(dòng)時(shí)刻用重塊撞擊慣性閥打開通氣管路，高壓氣體從航行體前端通氣孔流入空泡內(nèi)。

2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

設(shè)計(jì)一個(gè)符合超空泡流型的試驗(yàn)?zāi)Ｐ烷_展水下高速航行試驗(yàn)，模型重量為7.6 kg，長800 mm，最大直徑100 mm，試驗(yàn)?zāi)Ｐ颓岸嗣嬷睆?5.2 mm，具體外形如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯?shí)物和尺寸圖Fig.2 Physical photograph and size of experimental model

主要無量綱參數(shù)軸向力系數(shù)Cx、側(cè)向力系數(shù)Cz分別定義如下:

(1)

(2)

式中：Fx和Fz分別為航行體所受到的軸向力和側(cè)向力；u為超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程不斷變化的速度；Ac為圓柱段面積；ρl為水的密度。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

為了探索超空泡航行體機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎過程的彈道特性，采用航行體頭部設(shè)置預(yù)置舵角的方法，開展不同預(yù)置舵角下航行體水下高速自由航行試驗(yàn)研究，其中預(yù)置舵角分別設(shè)計(jì)為0°、3°和6°，速度為60 m/s，通氣壓力為4 MPa.

為了分析不同預(yù)置舵角下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程的彈道特性，圖3和圖4分別給出了3種預(yù)置舵角下航行體運(yùn)動(dòng)過程中的受力與彈道特性曲線。

圖3 不同預(yù)置舵角下超空泡航行體 運(yùn)動(dòng)過程的受力曲線Fig.3 Force curves of supercavitating vehicle free motion at different preset rudder angles

圖4 不同預(yù)置舵角的運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線Fig.4 Motion parameters curves at different preset rudder angles

針對超空泡航行體自由航行過程的受力，從圖3可知，軸向力在一定值附近小幅波動(dòng)，隨著預(yù)置舵角的增大，在出筒的瞬間，由于尾氣的影響使軸向力變化規(guī)律不明顯，不再分析。隨著時(shí)間的推移，軸向力的絕對值隨著預(yù)置舵角的增大而增大，這是因?yàn)殡S著舵角的增大，空泡不再對稱，沾濕面積增大。這一現(xiàn)象與俄羅斯經(jīng)典理論公式超空泡航行體軸向力隨著空化器舵角的增大而增大的結(jié)論一致。對于側(cè)向力，當(dāng)預(yù)置舵角為0°時(shí)，航行體側(cè)向力由于非定常因素的擾動(dòng)而小幅波動(dòng)，但均值基本為0，隨著預(yù)置舵角的增加，側(cè)向力不斷增加。

表1 3種預(yù)置舵角下空泡流場演化過程

Tab.1 Evolutionary processes of cavity at three preset rudder angles

圖4分別給出了不同預(yù)置舵角下的運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線，結(jié)合受力圖可知，當(dāng)預(yù)置舵角為0°時(shí)，航行體未受到側(cè)向力，即不存在偏航力矩，水下航行體以直航高速運(yùn)動(dòng)，水平面彈道曲線基本為一條直線，彈道并未發(fā)生彎曲，偏航方向的位移基本上為0 m. 當(dāng)有預(yù)置舵角時(shí)，超空泡航行體高速運(yùn)動(dòng)，航行體在側(cè)向力的作用下對質(zhì)心形成偏航力矩，使航行體的彈道以一定的點(diǎn)為圓心轉(zhuǎn)彎，迫使航行體彈道產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。預(yù)置舵角越大，受到的側(cè)向力和力矩越大，轉(zhuǎn)動(dòng)半徑越小。

為了詳細(xì)分析產(chǎn)生上述現(xiàn)象的原因，表1給出了3種預(yù)置舵角下航行體運(yùn)動(dòng)過程中典型時(shí)刻空泡形態(tài)圖。結(jié)合圖3、圖4和表1可知，在超空泡航行體水下高速運(yùn)動(dòng)過程中，空泡形態(tài)并非一種固定形態(tài)，而是隨著超空泡航行體的運(yùn)動(dòng)而變化。當(dāng)預(yù)置舵角為0°時(shí)，由于非定常因素?cái)_動(dòng)的影響，超空泡航行體尾部左右輕微拍動(dòng)空泡壁，但仍處于運(yùn)動(dòng)平衡狀態(tài)，運(yùn)動(dòng)軌跡基本為一條直線，具體見運(yùn)動(dòng)參數(shù)曲線。針對本次實(shí)驗(yàn)，當(dāng)有預(yù)置舵角時(shí)，超空泡航行體受到向左方向的側(cè)向力，導(dǎo)致航行體向左轉(zhuǎn)彎，與常規(guī)航行體的轉(zhuǎn)彎不同。在向左轉(zhuǎn)彎的過程中超空泡航行體尾部右側(cè)拍擊空泡壁，局部沾濕，產(chǎn)生恢復(fù)力和力矩，隨著拍擊運(yùn)動(dòng)的增強(qiáng)，沾濕面積增大，尾部力和力矩增大，使尾部向泡內(nèi)運(yùn)動(dòng)，使得航行體的轉(zhuǎn)彎過程趨勢減小，偏航角度減小，預(yù)置舵角產(chǎn)生的力和力矩再次大于尾部受到的力和力矩，進(jìn)一步向左轉(zhuǎn)彎，使彈道逐漸完成偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，此過程可通過空泡形態(tài)演變過程及偏航角曲線等可知。

隨著預(yù)置舵角的增大，彈道曲線的回轉(zhuǎn)半徑減小，彈道更容易轉(zhuǎn)彎。但預(yù)置舵角也不能太大，如在進(jìn)行6°舵角試驗(yàn)過程中，超空泡航行體轉(zhuǎn)彎過程沒有出現(xiàn)明顯得拍擊現(xiàn)象，這是因?yàn)槎娼沁^大，其產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)力矩致使試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱杆俪霈F(xiàn)轉(zhuǎn)彎，而此過程中尾部拍擊產(chǎn)生的恢復(fù)力相對為一小值，最終導(dǎo)致彈道失穩(wěn)，故實(shí)際應(yīng)用過程中舵角應(yīng)小于此值。因此，最大預(yù)置舵角值應(yīng)基于航行體外形和空泡流型的不同而定。

4 結(jié)論

本文對不同預(yù)置舵角下超空泡航行體自由航行過程進(jìn)行了試驗(yàn)研究，分析了不同預(yù)置舵角下超空泡航行體運(yùn)動(dòng)過程的彈道特性，得出以下結(jié)論：

1)通過預(yù)置舵角可以控制彈道機(jī)動(dòng)轉(zhuǎn)彎，且預(yù)置舵角越大、彈道越容易轉(zhuǎn)彎、機(jī)動(dòng)半徑越小，但預(yù)置舵角過大，會(huì)導(dǎo)致航行體彈道失穩(wěn)；

2)當(dāng)預(yù)置舵角為0 ℃時(shí)，航行體側(cè)向力由于非定常因素的擾動(dòng)而小幅波動(dòng)，但均值基本為0，當(dāng)存在預(yù)置舵角時(shí)，隨著預(yù)置舵角的增加，軸向力和側(cè)向力將不斷增加。

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ResearchontheTrajectoryCharacteristicsofSupercavitatingVehicleatPresetRudderAngle

SHI Su-guo， WANG Ya-dong， LIU Le-hua， YANG Xiao-guang
(Beijing Electro-Mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China)

The turning maneuver trajectory characteristics of the supercavitating vehicle on the horizontal plane are realized by presetting the rudder angles in the head of supercavitating vehicle， and the free motion of vehicle at the preset rudder angles of 0°, 3°and 6° is investigated in experiment. The experiment is done in a pool. The eveluationary process of cavity is observed by using a high-speed video camera， the motion parameters of vehicle are measured using a built-in measuring device，and the turning maneuver trajectory characteristics of supercavitating vehicle on the horizontal plane at different preset rudder angles are acquired. The experimental results show that the side force of vehicle shows a small fluctuation due to the perturbation of the unsteady factors when the preset rudder angle is 0°， but the average value is basically 0. When the preset rudder angle exists， the axial and side forces increase with the increase in the preset rudder angle. The preset rudder angle can be used to control the horizontal turning maneuver of supercavitating vehicle. The larger the preset rudder angle is， the easier the turning maneuver is， but an overlarge preset rudder angle may cause the trajectory destabilization.

fluid mechanics; supercavitating vehicle; preset rudder angle; turning maneuver; trajectory; experimental study

2017-03-03

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11602260)

時(shí)素果(1982—)， 女， 工程師。 E-mail: shisuguo@126.com

TJ630.1

A

1000-1093(2017)10-1974-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.10.013