氣象風(fēng)影響下雷傘系統(tǒng)仿真研究

溫志文, 楊智棟, 蔡衛(wèi)軍

氣象風(fēng)影響下雷傘系統(tǒng)仿真研究

溫志文, 楊智棟, 蔡衛(wèi)軍

(中國船舶重工集團(tuán)公司 第705研究所, 陜西 西安, 710077)

空投魚雷在空中運(yùn)動過程中不可避免會受到氣象風(fēng)的干擾?；诖? 文中建立了空投魚雷雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 在此基礎(chǔ)上著重分析了氣象風(fēng)對數(shù)學(xué)模型的修正, 然后對空投魚雷在氣象風(fēng)影響條件下的空中彈道進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果證明了文中所建立的雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)修正模型的合理性, 能夠獲得穩(wěn)定的魚雷空中彈道。該仿真結(jié)果可為空投魚雷的彈道設(shè)計(jì)提供參考。

空投魚雷; 氣象風(fēng); 雷傘系統(tǒng); 仿真

0 引言

空中雷傘彈道是指魚雷離開運(yùn)載體(或與運(yùn)載體分離)開始到入水為止的空中飛行彈道[1]?？胀稐l件下的魚雷-降落傘系統(tǒng)(簡稱雷傘系統(tǒng))空中運(yùn)動彈道涉及到雷機(jī)分離安全性、空中運(yùn)動穩(wěn)定性、雷傘分離可靠性、入水參數(shù)(包括: 速度、姿態(tài)、落點(diǎn)等)能否滿足魚雷水下正常航行需求等諸多問題[2], 因此, 雷傘系統(tǒng)空中運(yùn)動彈道研究一直是空投魚雷研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

文中采用仿真方法對雷傘系統(tǒng)的空中運(yùn)動彈道進(jìn)行研究。降落傘對空投魚雷的作用力隨開傘動作時(shí)序逐漸變化[3], 文中通過分析雷傘系統(tǒng)空中動作時(shí)序, 研究了降落傘從開始投放至完全張開對魚雷的作用力變化規(guī)律。同時(shí), 由于雷傘系統(tǒng)在空中運(yùn)動過程中不可避免會受到氣象風(fēng)的干擾影響[4], 文中建立了氣象風(fēng)影響因素下的雷傘空中運(yùn)動彈道數(shù)學(xué)修正模型, 對空投魚雷在氣象風(fēng)影響條件下的空中彈道進(jìn)行了仿真分析, 為魚雷帶傘空投彈道的研究提供技術(shù)參考。

1 雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

為了建立雷傘空中運(yùn)動數(shù)學(xué)模型, 首先分析了降落傘對魚雷的作用時(shí)序及過程, 確定了降落傘對魚雷的作用力, 在此基礎(chǔ)上建立了雷傘系統(tǒng)空中彈道數(shù)學(xué)模型, 以進(jìn)行雷傘運(yùn)動過程分析。

1.1 雷傘空中彈道分段

通過分析雷傘空中動作時(shí)序, 研究雷傘空中運(yùn)動規(guī)律。如圖1所示, 將雷傘空中運(yùn)動時(shí)序分為以下5個(gè)階段: 1) 投放階段: 從投放指令發(fā)出, 到魚雷脫離平臺; 2) 傘繩+傘衣拉直階段: 從魚雷脫離平臺, 到降落傘的傘衣和傘繩拉直繃緊; 3) 降落傘充氣階段: 從降落傘傘衣開始充氣, 到傘衣完全漲滿; 4) 傘衣漲滿階段: 從傘衣漲滿, 到魚雷入水之前; 5) 降落傘與魚雷分離階段: 降落傘與魚雷解脫, 魚雷入水。各階段時(shí)間分別用1~5表示。

1.2 時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算及模型假設(shè)條件

1.2.1 時(shí)間節(jié)點(diǎn)計(jì)算

時(shí)間節(jié)點(diǎn)在彈道仿真中起著至關(guān)重要的作用[5], 所以在雷傘彈道建模中, 也必須包含有關(guān)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型。圖1中明確表示出了雷傘系統(tǒng)空中運(yùn)動過程中的5個(gè)階段及各階段之間的節(jié)點(diǎn)劃分和持續(xù)時(shí)間, 這些時(shí)間與傘衣傘繩、傘衣尺寸、投放高度和氣動特性等有關(guān)[6]。

在實(shí)際過程中可以近似認(rèn)為1=0。時(shí)間節(jié)點(diǎn)估值公式如下。

1)2賦值

2為降落傘(傘繩和傘衣)拉直時(shí)間, 考慮魚雷空速v影響, 則有

2)T計(jì)算

傘衣充氣漲滿時(shí)間取決于傘衣面積S和傘開始充氣時(shí)的魚雷空速v, 采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下

式中,為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

3)時(shí)間

圖1 雷傘系統(tǒng)空中運(yùn)動時(shí)序分段

為雷傘留空時(shí)間, 即圖1中1~5的總和, 由彈道計(jì)算中止條件決定。

1.2.2 模型假設(shè)

由于雷傘系統(tǒng)空中運(yùn)動時(shí)存在一定的復(fù)雜性和隨機(jī)性[7], 在建立數(shù)學(xué)模型時(shí), 不可能全面考慮影響魚雷和降落傘空中運(yùn)動的所有因素, 因此在建模之前做如下假設(shè)[8]: 1) 降落傘與雷尾是剛性連接; 2) 降落傘是單自由度, 不考慮降落傘的柔性; 3) 忽略雷體的氣動附加質(zhì)量; 4) 忽略降落傘的氣動附加質(zhì)量; 5) 忽略雷傘連接裝置的徑向尺寸, 雷傘在雷尾端為點(diǎn)連接, 連接點(diǎn)只傳遞作用力, 不傳遞力矩。

在上述假設(shè)條件下, 雷傘系統(tǒng)受力情況如圖2所示。

1.3 降落傘氣動力與力矩

從圖2看出, 在不考慮干擾的情況下, 魚雷在整個(gè)空中運(yùn)動過程中, 主要受到重力, 氣動力F和降落傘阻力Q的影響。對于穩(wěn)定性較好的降落傘, 可以近似認(rèn)為傘的迎面阻力方向與雷傘連接點(diǎn)處的速度方向一致, 從而可直接求出傘對雷的作用力大小和方向。下面著重針對降落傘對魚雷的作用力展開研究。

圖2 雷傘系統(tǒng)空中受力情況示意圖

在計(jì)算降落傘對魚雷作用的氣動力與力矩之前, 首先要已知傘衣的面積和阻力系數(shù), 然后確定降落傘在空中的運(yùn)動速度和氣動力, 最后將氣動力分解到雷體坐標(biāo)系中[9]。

1.3.1 降落傘阻力系數(shù)

通常由風(fēng)洞試驗(yàn)給出的是降落傘漲滿時(shí)的阻力特征面積, 而開傘過程的阻力特征面積是變化的, 所以, 已知傘衣漲滿時(shí)的阻力特征面積C時(shí), 以魚雷橫截面積為參考面積的傘衣漲滿時(shí)阻力系數(shù)為

按照雷傘彈道分段分別給出降落傘在不同彈道狀態(tài)下的通用阻力系數(shù)C。

1) 傘衣傘繩拉直階段(≤1+2)

2) 傘衣充氣階段(1+2＜≤1+2+T)

3) 傘衣漲滿階段(＞1+2+T)

1.3.2 降落傘氣動阻力

1.3.3 降落傘對雷體的作用力

1.3.4 降落傘對雷體的作用力矩

根據(jù)以上得到的降落傘對魚雷的作用力和力矩, 就可以得到雷傘系統(tǒng)的空中運(yùn)動數(shù)學(xué)模型。

2 氣象風(fēng)對數(shù)學(xué)模型的修正

高空投放魚雷時(shí), 必須考慮氣象風(fēng)對雷傘系統(tǒng)空中運(yùn)動的影響, 因此需要對與氣動力有關(guān)的魚雷速度、攻角和側(cè)滑角, 以及降落傘速度進(jìn)行必要的修正, 以便準(zhǔn)確計(jì)算空氣動力和力矩。

魚雷運(yùn)動中作用在魚雷上的流體動力, 如升力、阻力與力矩等都取決于魚雷相對于流體的速度、攻角和側(cè)滑角等。因此, 魚雷動力學(xué)模型中各運(yùn)動參數(shù)在這個(gè)意義上都是相對于流體的, 只有在無風(fēng)時(shí), 獲得的運(yùn)動學(xué)參數(shù)才是相對于地面坐標(biāo)系的, 即

所以, 在有風(fēng)的情況下, 當(dāng)應(yīng)用動力學(xué)模型時(shí), 對其初始條件要按照式(10)進(jìn)行修正。由于動力學(xué)模型是在雷體坐標(biāo)系中建立的, 需要轉(zhuǎn)換到地面坐標(biāo)系, 即

研究氣象風(fēng)對魚雷彈道的影響, 往往需要的是魚雷在地面坐標(biāo)系中的參數(shù), 而不是相對于氣象風(fēng)的參數(shù)?？梢酝ㄟ^絕對運(yùn)動、相對運(yùn)動及牽連運(yùn)動的關(guān)系, 獲得魚雷在風(fēng)中運(yùn)動時(shí)相對于地面坐標(biāo)系的運(yùn)動參數(shù), 即

由速度積分可以得到魚雷在地面坐標(biāo)系中的位移參數(shù)。

3 仿真分析

對上述建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行仿真分析。仿真初始條件: 魚雷質(zhì)量10 kg, 長度1 m, 初始彈道高度500 m, 飛機(jī)平飛速度320 km/h, 初始俯仰角為90°。大地坐標(biāo)系(0, 0,)為初始投放點(diǎn), 飛機(jī)航行方向?yàn)榇蟮刈鴺?biāo)系軸正方向。

3.1 無氣象風(fēng)影響下的仿真結(jié)果

圖3~7為無氣象風(fēng)干擾下的仿真結(jié)果。其中圖4為魚雷軸向運(yùn)動曲線, 由圖可以看出, 魚雷的下落速度在5 s后接近穩(wěn)定值, 約在10 s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài), 速度穩(wěn)定在29.45 m/s左右。

魚雷在一定高度、速度、角度和姿態(tài)條件下從空中投下, 經(jīng)過減速和姿態(tài)調(diào)整, 以一定的入水條件(如攻角、速度和姿態(tài)角的限制)入水, 空中彈道設(shè)計(jì)就是要使魚雷空中彈道滿足所需的限制條件。

圖3 魚雷二維彈道曲線

圖4 魚雷軸向速度曲線

圖5 魚雷攻角隨時(shí)間變化曲線

圖6 魚雷俯仰角隨時(shí)間變化曲線

圖7 降落傘的力隨時(shí)間變化曲線

由圖4~7可知, 魚雷的空中彈道屬于一個(gè)變速的過程, 在降落傘打開的過程中及完全打開后幾秒的時(shí)間內(nèi), 速度變化較快(迅速減小), 傘完全打開以后, 速度變化較緩慢, 可見降落傘起到了很好的減速作用; 魚雷的俯仰角最后趨近于–90o。

3.2 氣象風(fēng)影響下的仿真結(jié)果

表1、表2和圖8為魚雷空投速度320 km/h、不同投放高度和風(fēng)向時(shí), 水平氣象風(fēng)分別為8 m/s和17.1 m/s時(shí)對魚雷落點(diǎn)散布影響的仿真結(jié)果。

表1 氣象風(fēng)為8 m/s時(shí)魚雷落點(diǎn)散布

表2 氣象風(fēng)為17.1 m/s時(shí)魚雷落點(diǎn)散布

圖8 氣象風(fēng)影響下的魚雷落點(diǎn)散布圖

由表1、表2及圖8可知, 當(dāng)風(fēng)向角為90°或270°時(shí), 氣象風(fēng)在軸方向?qū)︳~雷落點(diǎn)散布影響最大; 當(dāng)風(fēng)向角為0°或180°時(shí), 氣象風(fēng)在軸方向?qū)︳~雷落點(diǎn)散布影響最大, 這與理論預(yù)期相一致, 證明了文中所建立的氣象風(fēng)條件下的雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)修正模型的合理性。

在試驗(yàn)過程中, 根據(jù)空投位置初始點(diǎn)的經(jīng)緯度、風(fēng)速及風(fēng)向, 參考文中仿真結(jié)果, 可以預(yù)估魚雷的落點(diǎn)位置; 然后結(jié)合實(shí)際落點(diǎn)的經(jīng)緯度, 可以對文中的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行修正。完成修正后可以為后續(xù)的空投試驗(yàn)提供參考。

4 結(jié)束語

空投魚雷在空中運(yùn)動非常復(fù)雜, 文中以帶傘空投魚雷為研究對象, 建立了雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型, 在此基礎(chǔ)上著重分析了氣象風(fēng)對空投魚雷彈道的影響, 建立了氣象風(fēng)條件下的雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)修正模型, 然后對空投魚雷在氣象風(fēng)影響條件下的空中彈道進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明, 文中所建立的氣象風(fēng)條件下的雷傘系統(tǒng)數(shù)學(xué)修正模型合理, 所獲得的魚雷空中彈道穩(wěn)定。該仿真結(jié)果可為空投魚雷的彈道設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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Simulation Research of Torpedo-parachute System under Influence of Meteorological Wind

WEN Zhi-wen, YANG Zhi-dong, CAI Wei-jun

(The 705 Research Institute, China Shipbuilding Industry Corporation, Xi’an 710077, China)

A mathematical model of torpedo-parachute system is established for the air-dropped torpedo. Then, the mathematical model is corrected considering the impact of meteorological wind. Simulation of the air trajectory of the air-dropped torpedo under the impact of meteorological wind is conducted, and the results show that stable air trajectory of torpedo can be obtained, which proves the rationality of the modified mathematical model. This study may provide reference for air trajectory design of air-dropped torpedo.

air-dropped torpedo; meteorological wind; torpedo-parachute system; simulation

TJ631.7; TJ630.1

A

2096-3920(2019)05-0589-06

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.016

溫志文, 楊智棟, 蔡衛(wèi)軍. 氣象風(fēng)影響下雷傘系統(tǒng)仿真研究[J]. 水下無人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 589-594.

2018-11-11;

2019-01-06.

溫志文(1992-), 男, 碩士, 主要研究方向?yàn)轸~雷總體技術(shù).

(責(zé)任編輯: 陳 曦)