回轉(zhuǎn)體齊射出水過程空泡演化規(guī)律與彈道特性實(shí)驗(yàn)研究

盧佳興， 王聰， 魏英杰， 許昊， 宋武超

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 航天學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001)

0 引言

齊射是指兩發(fā)或多發(fā)回轉(zhuǎn)體以一定發(fā)射空間間距在極短時(shí)間間隔內(nèi)連續(xù)發(fā)射的一種發(fā)射方式，作為一種有效的飽和攻擊手段，齊射可以大幅度增加導(dǎo)彈突防概率。水下齊射過程中，回轉(zhuǎn)體發(fā)射出筒后，筒口氣團(tuán)會(huì)以隨體空泡的形式跟隨回轉(zhuǎn)體向上運(yùn)動(dòng)，在穿越自由液面時(shí)，空泡在大氣壓力、泡內(nèi)壓力、表面張力等作用下發(fā)生潰滅?；剞D(zhuǎn)體出水作為一種典型的跨介質(zhì)過程，具有強(qiáng)瞬時(shí)和非定常特性，同時(shí)涉及到湍動(dòng)、氣體- 固體- 液體三相耦合流動(dòng)和氣體的可壓縮性，加之齊射過程還存在兩發(fā)回轉(zhuǎn)體間的相互干擾，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)特性和流場(chǎng)特性都極為復(fù)雜。

國外關(guān)于水下發(fā)射空泡演化的研究中，Logvinovich[1]提出了截面獨(dú)立膨脹原理并將其應(yīng)用于空泡問題的計(jì)算；Brennen[2]首次利用有限差分法對(duì)回轉(zhuǎn)體空泡繞流進(jìn)行了非線性分析；Barros等[3]對(duì)單介質(zhì)流體中附加質(zhì)量的求解展開了研究；Weiland等[4]對(duì)水下熱發(fā)射問題開展了實(shí)驗(yàn)研究，給出了發(fā)動(dòng)機(jī)射流與航行體受力之間的關(guān)系；Finnegan等[5]首次將造波機(jī)理論應(yīng)用于波浪與結(jié)構(gòu)物耦合作用的數(shù)值模擬中。國內(nèi)近年來對(duì)單發(fā)回轉(zhuǎn)體發(fā)射后水下運(yùn)動(dòng)過程和出水過程中的空泡發(fā)展及其影響因素研究較多，給出了各影響因素下的規(guī)律性結(jié)論[6-9]。同時(shí)，相關(guān)學(xué)者就單發(fā)航行體出水過程中流體動(dòng)力和受載特性以及由此導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)特性改變開展了大量研究，取得了階段性進(jìn)展[10-14]。在水下發(fā)射方面，國內(nèi)對(duì)氣幕發(fā)射和共架發(fā)射過程中的流體動(dòng)力特性開展了研究，得到了相關(guān)數(shù)據(jù)[15-17]。

綜上所述，國內(nèi)外目前對(duì)單發(fā)回轉(zhuǎn)體水下運(yùn)動(dòng)和出水過程中空泡演化、流體動(dòng)力和受載特性等的認(rèn)識(shí)較成熟，但在2發(fā)回轉(zhuǎn)體水下齊射出水方面的公開研究成果較少。本文通過2發(fā)回轉(zhuǎn)體水下齊射實(shí)驗(yàn)，研究了齊射過程中2發(fā)回轉(zhuǎn)體的空泡演化特性和運(yùn)動(dòng)特性，并在此基礎(chǔ)上得到艇速對(duì)2發(fā)齊射過程空泡演化和運(yùn)動(dòng)特性的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與模型參數(shù)

本文實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由水下發(fā)射系統(tǒng)、時(shí)序控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，如圖1所示。水下發(fā)射系統(tǒng)由實(shí)驗(yàn)水槽、拖曳電機(jī)、艇速模擬裝置、水下軌道、高壓氣瓶、電磁閥、發(fā)射筒、防護(hù)板及其相應(yīng)氣路和電路等組成。實(shí)驗(yàn)水槽尺寸為1.5 m×0.8 m×0.9 m，使用壓縮空氣將回轉(zhuǎn)體彈射出筒，并通過調(diào)節(jié)高壓氣瓶中的氣壓控制出筒速度，水槽上方設(shè)有防護(hù)板，同時(shí)作為回轉(zhuǎn)體的回收裝置；本實(shí)驗(yàn)使用電機(jī)拖曳水下發(fā)射裝置模擬艇速，艇速模擬裝置與軌道間為滾動(dòng)摩擦，用以減小水下運(yùn)動(dòng)阻力，通過調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)在不同牽連速度下的發(fā)射；艇速模擬裝置上的發(fā)射筒與發(fā)射底座間為活動(dòng)連接，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要調(diào)節(jié)發(fā)射空間間距，連接形式如圖2所示。

時(shí)序控制系統(tǒng)由光電對(duì)射開關(guān)、時(shí)序控制盒、電磁閥和相應(yīng)線路組成。當(dāng)艇速模擬裝置運(yùn)動(dòng)至遮擋光電對(duì)射開關(guān)回路位置時(shí)，預(yù)編程序控制電磁閥相繼打開，實(shí)現(xiàn)2發(fā)回轉(zhuǎn)體以一定時(shí)間間隔連續(xù)發(fā)射，并關(guān)閉拖曳電機(jī)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由采集電腦、Photron FASTCAM SA-X型高速攝像機(jī)、背景光源等組成，相機(jī)采集幀率為4 000 幀/s，并安裝廣角鏡頭，以捕捉更多運(yùn)動(dòng)信息。

實(shí)驗(yàn)以60°錐頭圓柱作為回轉(zhuǎn)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Ｐ椭睆紻=15 mm，長(zhǎng)度L=105 mm，模型頭部和尾部為塑料材質(zhì)，身段殼體材料為有機(jī)玻璃，內(nèi)部配有配重以調(diào)節(jié)質(zhì)心，質(zhì)量0.08 kg. 回轉(zhuǎn)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。

圖3 回轉(zhuǎn)體實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.3 Experimental model

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單發(fā)回轉(zhuǎn)體出水過程空泡形態(tài)分析

對(duì)單發(fā)回轉(zhuǎn)體出水過程攝像，對(duì)回轉(zhuǎn)體和空泡外輪廓進(jìn)行加粗提取處理，并與原始圖像進(jìn)行疊加對(duì)比，同時(shí)淡化脫落氣團(tuán)。圖像處理方式如圖4所示。

圖4 圖像處理方式Fig.4 Image processing method

圖5給出了經(jīng)過處理的無艇速下單發(fā)回轉(zhuǎn)體出水過程圖像，回轉(zhuǎn)體模型質(zhì)心位置取為回轉(zhuǎn)體中心，發(fā)射速度為15 m/s. 為方便描述，定義回轉(zhuǎn)體頭部到達(dá)原靜水面位置瞬間為0時(shí)刻，小于0時(shí)刻定義為水下運(yùn)動(dòng)階段，大于0時(shí)刻定義為出水階段?；剞D(zhuǎn)體在水下航行至出水過程中經(jīng)歷了空泡閉合、空泡隨動(dòng)、空泡潰滅等階段。

空泡閉合階段是指空泡壁面受壓收縮、導(dǎo)致原本與筒口氣團(tuán)連通的空泡發(fā)生閉合的過程。在回轉(zhuǎn)體發(fā)射出筒過程中，發(fā)射筒內(nèi)氣體逸出，形成筒口氣團(tuán)；回轉(zhuǎn)體在穿過筒口氣團(tuán)過程中，在回轉(zhuǎn)體肩部流動(dòng)分離區(qū)內(nèi)低壓作用下形成空泡，空泡隨回轉(zhuǎn)體出筒而不斷拉長(zhǎng)并在慣性作用下向外擴(kuò)張，水體將空泡傳遞的動(dòng)能以勢(shì)能形式存儲(chǔ)起來。在能量轉(zhuǎn)化過程中，空泡壁面向外擴(kuò)張的速度發(fā)生衰減并逐漸趨近于0；當(dāng)動(dòng)能完全轉(zhuǎn)化為勢(shì)能后，受壓水體釋放勢(shì)能、回壓空泡，表現(xiàn)為空泡壁面向外擴(kuò)張的速度衰減到0時(shí)開始反向收縮，空泡發(fā)生頸縮并最終完成閉合，與筒口氣團(tuán)拉斷。

圖5 無艇速下單發(fā)回轉(zhuǎn)體出水過程Fig.5 Water-exit process of single revolving body

空泡隨動(dòng)階段是指空泡完成閉合，跟隨回轉(zhuǎn)體向上運(yùn)動(dòng)直至回轉(zhuǎn)體出水空泡潰滅之間的過程。在壓縮氣體彈射方案下，空泡在隨動(dòng)階段存在振蕩現(xiàn)象，這是因?yàn)樗w回壓空泡、完成空泡閉合的過程中，泡內(nèi)體積縮小，泡內(nèi)壓力升高至高于周圍環(huán)境壓力，空泡再次擴(kuò)張；隨著擴(kuò)張空泡體積的增大，泡內(nèi)壓力降低，擴(kuò)張速度逐漸衰減為0后空泡開始收縮，如此周而復(fù)始。在空泡擴(kuò)張、收縮過程中，能量以熱能形式耗散掉，同時(shí)伴隨空泡尾部泄氣使泡內(nèi)壓力趨于穩(wěn)定，表現(xiàn)為空泡振蕩幅度減弱，在水下彈道足夠長(zhǎng)的情況下，振蕩會(huì)完全消失，空泡以穩(wěn)定狀態(tài)出水。

空泡潰滅階段是指回轉(zhuǎn)體出水時(shí)，空泡在大氣壓、泡內(nèi)壓力、周圍水體壓力及表面張力作用下發(fā)生潰滅的過程。潰滅在內(nèi)外壓力差大且空泡壁面較薄的頭部開始，自上而下逐步潰滅。

2.2 2發(fā)回轉(zhuǎn)體齊射對(duì)空泡輪廓演化影響分析

首先對(duì)2發(fā)回轉(zhuǎn)體水下發(fā)射的位置關(guān)系和水下區(qū)域劃分進(jìn)行說明，如圖6所示。

圖6 2發(fā)回轉(zhuǎn)體水下區(qū)域說明Fig.6 Definition of underwater region

圖7所示為2發(fā)回轉(zhuǎn)體在1.5D空間間隔、15 ms時(shí)間間隔下無艇速連續(xù)發(fā)射的實(shí)驗(yàn)圖像，發(fā)射速度15 m/s.

由圖7可以看出：在2發(fā)回轉(zhuǎn)體齊射出水過程中，每發(fā)回轉(zhuǎn)體的空泡演化同樣經(jīng)歷了閉合、隨動(dòng)、潰滅3個(gè)階段；在空泡閉合瞬間，有回射流沖擊回轉(zhuǎn)體底部，隨動(dòng)過程中空泡存在振蕩現(xiàn)象；同時(shí)次發(fā)回轉(zhuǎn)體空泡輪廓呈現(xiàn)不對(duì)稱性，這是因?yàn)樵谙蛏线\(yùn)動(dòng)過程中泡內(nèi)氣體處于流動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)勢(shì)流理論中的空泡獨(dú)立膨脹原理，空泡壁面上任一點(diǎn)的擴(kuò)張取決于彈體肩部經(jīng)過該點(diǎn)所在空泡橫截面時(shí)的速度、阻力和泡內(nèi)外壓力差；對(duì)于次發(fā)回轉(zhuǎn)體而言，在經(jīng)過某一橫截面位置時(shí)，回轉(zhuǎn)體內(nèi)側(cè)、外側(cè)的速度和受到的阻力基本相同，但由于內(nèi)側(cè)區(qū)域的環(huán)境壓力相對(duì)外側(cè)較低，使內(nèi)側(cè)區(qū)域的泡內(nèi)外壓力差相對(duì)外側(cè)較大，進(jìn)而導(dǎo)致空泡內(nèi)側(cè)壁面擴(kuò)張的幅度更大。如圖8所示，在出水過程中，次發(fā)回轉(zhuǎn)體外側(cè)空泡輪廓基本保持不變，而內(nèi)側(cè)受首發(fā)回轉(zhuǎn)體的尾流場(chǎng)影響，存在低壓區(qū)，因此在低壓區(qū)位置附近的內(nèi)側(cè)空泡向外擴(kuò)張幅度較大，導(dǎo)致空泡不對(duì)稱發(fā)展。

圖7 無艇速2發(fā)回轉(zhuǎn)體齊射出水實(shí)驗(yàn)圖像Fig.7 Water-exit process of salvo revolving bodies

圖8 次發(fā)回轉(zhuǎn)體空泡輪廓演化Fig.8 Cavity evolution of the second revolving body

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：r*為空泡輪廓到中軸線的距離，定義右側(cè)空泡輪廓到軸線距離為正，左側(cè)空泡輪廓到軸線距離為負(fù)；Y為回轉(zhuǎn)體上任意位置點(diǎn)所在橫截面距離回轉(zhuǎn)體頭部的距離；y為豎直方向空間坐標(biāo)，在水面處為0，水面以下為正值，水面以上為負(fù)值；h為回轉(zhuǎn)體頭部到水面的距離，取頭部在水面以上時(shí)為正值。圖9所示為單發(fā)和2發(fā)回轉(zhuǎn)體水下4D、水下2D和接觸水面等3個(gè)位置的兩側(cè)空泡輪廓對(duì)比。

圖9 水下特征位置處的兩側(cè)空泡輪廓Fig.9 Cavity profiles at the underwater feature position

由圖9可知，對(duì)于單發(fā)回轉(zhuǎn)體和2發(fā)齊射首發(fā)回轉(zhuǎn)體的水下運(yùn)動(dòng)階段，流體在肩部(Y=0.12L)發(fā)生流動(dòng)分離，空泡輪廓呈流線型發(fā)展，隨回轉(zhuǎn)體接近水面，泡型呈現(xiàn)脹大趨勢(shì)。這是因?yàn)榭张蓍]合過程中泡內(nèi)壓力增加導(dǎo)致了空泡擴(kuò)張，印證了上文的空泡振蕩現(xiàn)象，同時(shí)通過對(duì)回轉(zhuǎn)體兩側(cè)的空泡對(duì)比發(fā)現(xiàn)，泡型在各個(gè)位置處基本對(duì)稱，表明在齊射中，當(dāng)2發(fā)回轉(zhuǎn)體的發(fā)射間距達(dá)到1.5D時(shí)，次發(fā)回轉(zhuǎn)體對(duì)首發(fā)回轉(zhuǎn)體的影響已接近于0；對(duì)于2發(fā)齊射中的次發(fā)回轉(zhuǎn)體，空泡仍呈現(xiàn)出振蕩引起的脹大趨勢(shì)，但由于空泡兩側(cè)的環(huán)境壓力差異，導(dǎo)致兩側(cè)泡型不對(duì)稱發(fā)展，回轉(zhuǎn)體內(nèi)側(cè)受首發(fā)回轉(zhuǎn)體尾流場(chǎng)影響，存在局部低壓區(qū)，泡型在泡內(nèi)外壓力差作用下向低壓區(qū)域的擴(kuò)張幅度相對(duì)較大，致使內(nèi)側(cè)空泡輪廓不再呈現(xiàn)流線型，而出現(xiàn)局部鼓脹，回轉(zhuǎn)體外側(cè)壓力基本維持與單發(fā)回轉(zhuǎn)體一致，但由于泡內(nèi)氣體大量向內(nèi)側(cè)充脹，外側(cè)空泡擴(kuò)張幅度要小于單發(fā)回轉(zhuǎn)體的擴(kuò)張幅度。

圖10所示為單發(fā)和2發(fā)回轉(zhuǎn)體頭部出水1D、出水3D和出水5D等3個(gè)位置的水面下兩側(cè)空泡輪廓對(duì)比。

由于回轉(zhuǎn)體出水過程中空泡不再隨體運(yùn)動(dòng)，空泡在水面附近發(fā)生潰滅，其相對(duì)大地坐標(biāo)系的位置基本保持不變，故圖10中改用y/L作為縱坐標(biāo)。由圖10可以看出，隨著空泡發(fā)生潰滅，空泡長(zhǎng)度不斷縮短，同時(shí)由于出水過程中空泡頭部為大氣壓力、尾部為靜水壓力，在壓力差作用下導(dǎo)致近水面處的空泡處于擴(kuò)張狀態(tài)，且擴(kuò)張幅度不斷衰減，而水下空泡處于壓縮狀態(tài)。對(duì)比3發(fā)回轉(zhuǎn)體輪廓演化趨勢(shì)可以發(fā)現(xiàn)，單發(fā)回轉(zhuǎn)體和2發(fā)齊射下首發(fā)回轉(zhuǎn)體空泡兩側(cè)輪廓基本對(duì)稱，泡型不一致是實(shí)驗(yàn)中筒口氣團(tuán)發(fā)展的隨機(jī)性導(dǎo)致的，而2發(fā)齊射過程中次發(fā)回轉(zhuǎn)體的內(nèi)側(cè)空泡輪廓向首發(fā)回轉(zhuǎn)體低壓氣團(tuán)區(qū)域的擴(kuò)張幅度較其他位置更大，外側(cè)由于環(huán)境壓力相對(duì)較高，出水空泡在出水3D至出水5D過程中外側(cè)輪廓基本維持不變。

2.3 艇速對(duì)2發(fā)回轉(zhuǎn)體齊射過程中空泡演化特性影響分析

圖10 出水過程特征位置處的空泡輪廓Fig.10 Cavity profiles at the feature position in the water-exit process

圖11 2發(fā)回轉(zhuǎn)體以0.5 m/s艇速齊射出水的實(shí)驗(yàn)圖像Fig.11 Water-exit processes of salvo revolving bodies at different submarine speeds

圖11所示為2發(fā)回轉(zhuǎn)體在1.5D空間間隔、15 ms時(shí)間間隔和15 m/s出筒速度下以0.5 m/s艇速齊射出水的實(shí)驗(yàn)圖像。

由圖11可見，與無艇速作用下的2發(fā)齊射相比，有艇速作用下的水下2發(fā)齊射過程中，由于迎流側(cè)的環(huán)境壓力相對(duì)較高，空泡內(nèi)外壓力差較小，同樣運(yùn)用勢(shì)流理論分析可知，背流側(cè)的空泡擴(kuò)張會(huì)更大，加之流體的沖刷作用，2發(fā)回轉(zhuǎn)體的空泡都存在背流側(cè)空泡發(fā)展較大且出現(xiàn)明顯的渦脫等現(xiàn)象。

(5)

式中：dmax為該時(shí)刻空泡最大直徑。

與(1)式不同，無量綱空泡比例半徑中將回轉(zhuǎn)體直徑D替換為dmax，使不同特征位置處無量綱空泡比例半徑曲線(見圖12和圖13)在真實(shí)反映空泡輪廓基礎(chǔ)上，在一定程度上給出了該側(cè)空泡占比，消除了由發(fā)射實(shí)驗(yàn)筒口氣團(tuán)發(fā)展隨機(jī)性引起的空泡飽滿程度不一致帶來的影響。

圖12 各工況下回轉(zhuǎn)體在特征位置處的左側(cè)空泡輪廓對(duì)比Fig.12 Comparison of left cavity profiles of revolving body at feature positions under different conditions

圖13 各工況下回轉(zhuǎn)體在特征位置處的右側(cè)空泡輪廓對(duì)比Fig.13 Comparison of right cavity profiles of revolving body at feature positions under different conditions

由圖12可見：?jiǎn)伟l(fā)回轉(zhuǎn)體和無艇速作用下2發(fā)齊射的首發(fā)回轉(zhuǎn)體左側(cè)空泡輪廓的變化趨勢(shì)基本相同，在水下運(yùn)動(dòng)階段(h<0)，無艇速作用下2發(fā)齊射的次發(fā)回轉(zhuǎn)體左側(cè)空泡占比最大；而有艇速作用下2發(fā)齊射的2發(fā)回轉(zhuǎn)體左側(cè)作為迎流側(cè)，其空泡占比要小于無艇速作用下單發(fā)發(fā)射的空泡占比。這是因?yàn)樵跓o來流時(shí)，次發(fā)回轉(zhuǎn)體左側(cè)(內(nèi)側(cè))存在低壓區(qū)域，空泡擴(kuò)展幅度較大；而存在來流時(shí)，左側(cè)作為迎流側(cè)，環(huán)境壓力較高，加之水體的沖刷作用，空泡向右側(cè)發(fā)展幅度較大。在出水階段(h>0)，近水面的空泡向外擴(kuò)張；在h=2D位置各工況下近水面附近的空泡占比近乎一致；當(dāng)回轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)至h=4D位置時(shí)，有艇速作用下2發(fā)齊射的次發(fā)回轉(zhuǎn)體左側(cè)在出水時(shí)不斷向首發(fā)回轉(zhuǎn)體出水后水中的氣團(tuán)低壓區(qū)發(fā)展并最終連通，形成圖12(e)所示的空泡輪廓。由圖13可見，有艇速作用下2發(fā)齊射的首發(fā)回轉(zhuǎn)體背流側(cè)(右側(cè))空泡擴(kuò)張幅度較大，而次發(fā)回轉(zhuǎn)體由于與筒口氣團(tuán)處于連通狀態(tài)，空泡發(fā)展受到筒內(nèi)氣壓影響，其直徑最大位置在接近筒口位置，故圖13中回轉(zhuǎn)體前部顯示的空泡占比相對(duì)較小。

2.4 回轉(zhuǎn)體出水過程中運(yùn)動(dòng)特性分析

(6)

式中：x為回轉(zhuǎn)體水平方向的坐標(biāo)，定義2發(fā)齊射首發(fā)回轉(zhuǎn)體的發(fā)射位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，其右側(cè)坐標(biāo)值為正值。根據(jù)(6)式給出回轉(zhuǎn)體水下運(yùn)動(dòng)軌跡如圖14所示。由圖14可見：?jiǎn)伟l(fā)回轉(zhuǎn)體和無艇速作用下2發(fā)齊射的首發(fā)回轉(zhuǎn)體軌跡為豎直線且基本一致，表明無艇速作用下2發(fā)齊射次發(fā)回轉(zhuǎn)體對(duì)首發(fā)回轉(zhuǎn)體基本無影響；而無艇速作用下2發(fā)齊射的次發(fā)回轉(zhuǎn)體在兩側(cè)壓力差作用下軌跡向內(nèi)側(cè)偏移，偏移量約為0.3D，軌跡在出水點(diǎn)附近有所波動(dòng)，且由于出水空泡潰滅帶來的沖擊，在出水后回轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)發(fā)生變化。對(duì)于有艇速作用下2發(fā)齊射的首發(fā)回轉(zhuǎn)體，在橫向來流作用下，回轉(zhuǎn)體向背流側(cè)偏移，水下運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生彎曲，在出水過程的潰滅沖擊作用下回轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)回正，以直線向上運(yùn)動(dòng)，次發(fā)回轉(zhuǎn)體在首發(fā)回轉(zhuǎn)體尾流場(chǎng)和橫向來流的共同作用下，向內(nèi)側(cè)的偏移量減小為0.15D.

圖14 回轉(zhuǎn)體運(yùn)動(dòng)軌跡Fig.14 Trajectories of revolving bodies

為提取回轉(zhuǎn)體在出水過程中的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)變化，定義運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角α為當(dāng)前回轉(zhuǎn)體軸線與豎直方向的夾角，取回轉(zhuǎn)體發(fā)生逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)時(shí)姿態(tài)角為正值，同時(shí)定義回轉(zhuǎn)體頭部到達(dá)原靜水面位置時(shí)為0時(shí)刻。姿態(tài)角隨出水時(shí)間變化曲線如圖15所示。

圖15 姿態(tài)角隨出水過程的變化Fig.15 Change of attitude angles of revolving bodies in water-exit process

由圖15可見：?jiǎn)伟l(fā)回轉(zhuǎn)體和無艇速作用下2發(fā)齊射的首發(fā)回轉(zhuǎn)體姿態(tài)角在出水過程中基本維持0°，回轉(zhuǎn)體豎直向上運(yùn)動(dòng)；而次發(fā)回轉(zhuǎn)體則發(fā)生逆時(shí)針方向的偏轉(zhuǎn)，且水下運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)角隨回轉(zhuǎn)體向上運(yùn)動(dòng)逐漸增大，在穿越自由液面過程中，次發(fā)回轉(zhuǎn)體不再受首發(fā)回轉(zhuǎn)體的尾流場(chǎng)低壓區(qū)影響，姿態(tài)角增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩，并最終以6°姿態(tài)角完成出水；有艇速作用下2發(fā)齊射時(shí)，首發(fā)回轉(zhuǎn)體在來流作用下發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)，在穿越自由液面時(shí)，空泡潰滅的沖擊壓力和周圍環(huán)境壓力變化導(dǎo)致回轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角逐漸變小并穩(wěn)定；而次發(fā)回轉(zhuǎn)體則發(fā)生逆時(shí)針方向的偏轉(zhuǎn)，同樣在穿越自由液面時(shí)回正，姿態(tài)角最終穩(wěn)定于0°.

3 結(jié)論

本文在2發(fā)齊射出水背景下，基于小尺寸水下冷彈垂直發(fā)射裝置，開展了發(fā)射速度為15 m/s的單發(fā)回轉(zhuǎn)體和2發(fā)回轉(zhuǎn)體的水下發(fā)射試驗(yàn)，其中2發(fā)回轉(zhuǎn)體齊射實(shí)驗(yàn)在1.5D空間間隔、15 ms的時(shí)間間隔下進(jìn)行，開展了載體靜止條件和0.5 m/s艇速條件兩種工況下的對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究。通過對(duì)識(shí)別提取的空泡和回轉(zhuǎn)體輪廓進(jìn)行分析，得到結(jié)論如下：

1) 根據(jù)無艇速作用下2發(fā)齊射回轉(zhuǎn)體出水過程中的空泡形態(tài)演化特性可知：次發(fā)回轉(zhuǎn)體受首發(fā)回轉(zhuǎn)體流場(chǎng)影響，其內(nèi)側(cè)空泡發(fā)展較大，呈現(xiàn)明顯的不對(duì)稱性；首發(fā)回轉(zhuǎn)體的空泡演化與單發(fā)回轉(zhuǎn)體出水過程中的空泡一致，回轉(zhuǎn)體兩側(cè)的泡型基本對(duì)稱。

2) 根據(jù)艇速對(duì)2發(fā)齊射回轉(zhuǎn)體出水過程中的空泡形態(tài)演化干擾特性可知：艇速對(duì)2發(fā)回轉(zhuǎn)體的空泡形態(tài)演化有較大影響，在迎流側(cè)的高壓和水流沖刷作用下，空泡向背流側(cè)發(fā)展，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)體空泡背流側(cè)占比更大。

3) 根據(jù)水下2發(fā)齊射回轉(zhuǎn)體出水過程中2發(fā)回轉(zhuǎn)體有無艇速作用下的運(yùn)動(dòng)特性可知：?jiǎn)伟l(fā)回轉(zhuǎn)體和無艇速作用下2發(fā)齊射首發(fā)回轉(zhuǎn)體的運(yùn)動(dòng)形式一致，基本為豎直向上運(yùn)動(dòng)；無艇速作用下2發(fā)齊射回轉(zhuǎn)體的次發(fā)回轉(zhuǎn)體在壓力差作用下發(fā)生向首發(fā)回轉(zhuǎn)體一側(cè)的偏轉(zhuǎn)，軌跡也逐漸向首發(fā)回轉(zhuǎn)體靠攏；有艇速作用的發(fā)射方式下，首發(fā)回轉(zhuǎn)體發(fā)生順時(shí)針偏轉(zhuǎn)并沿流向有較大偏移，次發(fā)回轉(zhuǎn)體存在向首發(fā)回轉(zhuǎn)體方向的姿態(tài)和軌跡偏轉(zhuǎn)，但偏轉(zhuǎn)幅度相對(duì)無艇速作用下的發(fā)射方式較小。