基于EFD 的巡邏艇運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性影響因素研究

王 飛，鄭小龍，焦 俊，羅 朋，李成華

(1.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第六〇五研究院, 廣東 廣州 510250；2.中國(guó)特種飛行器研究所高速水動(dòng)力航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 湖北 荊門 448035；3.中國(guó)特種飛行器研究所水動(dòng)力研究中心，湖北 荊門 448035)

0 引 言

火炮系統(tǒng)作為現(xiàn)代武器裝備體系的重要組成部分，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要性日益凸顯。面對(duì)國(guó)內(nèi)外日益增長(zhǎng)的中小型艦艇火炮加裝需求，如何評(píng)估火炮加裝后對(duì)中小型艦艇穩(wěn)定性能產(chǎn)生的影響成為急需解決的問(wèn)題。

近年來(lái)，為維護(hù)海洋主權(quán)以及國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展，執(zhí)法巡邏艇設(shè)計(jì)技術(shù)也得到了快速發(fā)展，針對(duì)發(fā)射炮彈對(duì)巡邏艇穩(wěn)定性研究成為一項(xiàng)重要的研究課題。高速執(zhí)法艇一般在航行時(shí)完成射擊，當(dāng)發(fā)射大口徑炮彈時(shí)，產(chǎn)生的后坐力必然對(duì)巡邏艇施加一個(gè)橫向傾斜力矩，破壞船舶的平衡狀態(tài)。尤其是在風(fēng)浪條件復(fù)雜的開闊水域，巡邏艇在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生搖蕩，多自由度運(yùn)動(dòng)耦合會(huì)進(jìn)一步增大巡邏艇傾覆的可能性，對(duì)人員及船艇的安全性造成巨大威脅。因此，開展炮彈后坐力對(duì)高速巡邏艇的穩(wěn)定性研究，對(duì)掌握高速航行狀態(tài)下巡邏艇射擊炮彈的安全口徑范圍顯得尤為重要。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)高速艇的橫穩(wěn)性主要通過(guò)數(shù)值模擬和水池試驗(yàn)的方式對(duì)其橫穩(wěn)性損失問(wèn)題進(jìn)行研究。一般采用固定橫傾角模型試驗(yàn)或無(wú)航速靜穩(wěn)性試驗(yàn)[1-4]，而對(duì)于高速艇在有航速的狀態(tài)下也僅進(jìn)行了對(duì)船體施加固定橫傾力矩的橫穩(wěn)性數(shù)值模擬[5]，鮮有學(xué)者開展瞬時(shí)外力對(duì)高速滑行艇橫穩(wěn)性的影響研究。本文基于模型拖曳與外力瞬時(shí)沖擊耦合的方法，針對(duì)某高速滑行狀態(tài)的巡邏艇模型進(jìn)行多種外力作用方式下的橫搖運(yùn)動(dòng)模擬，得到巡邏艇模型的橫搖幅值及橫搖衰減特性，分析不同外力形式對(duì)巡邏艇運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性影響的規(guī)律，得到一種模擬炮彈后坐力對(duì)巡邏艇橫穩(wěn)性影響的試驗(yàn)分析方法。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ图胺桨冈O(shè)計(jì)

外力沖擊下的巡邏艇運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性試驗(yàn)依托中國(guó)特種飛行器研究高速水動(dòng)實(shí)驗(yàn)室開展。其高速拖曳試驗(yàn)水池及其配套的拖車、造波機(jī)等高速水動(dòng)力試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)指標(biāo)如下：

1）水池主尺度

池長(zhǎng)510 m，池寬6.5 m，池深6.8 m，水深5.0 m。

2）拖車性能

速度范圍0.1～25 m/s，車速穩(wěn)定精度優(yōu)于0.1%。

3）造波機(jī)性能

規(guī)則波波長(zhǎng)0.5～15 m，波高0.03～0.50 m；各類長(zhǎng)峰不規(guī)則波。

4）測(cè)試手段：試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理分析自動(dòng)化。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理分析自動(dòng)化。

1.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文選用的高速巡邏艇模型如圖1 所示。船?？傞L(zhǎng)L為2 840 mm，折角線寬為445 mm，排水量為128 kg，尾部的船底斜升角β為18°。在船體坐標(biāo)系中，以基線為X軸，向首為正；船寬方向?yàn)閅軸，向左舷為正；垂向?yàn)閆軸，向上為正。綜合各方面因素考慮，船?？s尺比選擇為5∶1。

圖1 巡邏艇模型Fig.1 Planning craft model

1.2 試驗(yàn)方案

與常規(guī)的船模拖曳試驗(yàn)不同，火炮后坐力沖擊下的巡邏艇運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性試驗(yàn)除了要模擬模型定速滑行外，還要模擬在運(yùn)動(dòng)過(guò)程突然受到的瞬時(shí)外力沖擊，因此需要對(duì)火炮后坐力的施加形式進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。

安裝于巡邏艇上的武器裝備在發(fā)射過(guò)程中，對(duì)艇體存在一個(gè)反作用力的作用，即為后坐力。由于火炮發(fā)射對(duì)艇體產(chǎn)生沖量，而沖量是力的時(shí)間累積效應(yīng)的量度，為矢量，通常用于求解短暫過(guò)程（如撞擊）物體間的作用力，試驗(yàn)較難模擬。因此，采用動(dòng)量等效模擬火炮發(fā)射時(shí)的反作用力。在艇體甲板面上方搭建一個(gè)L 型滑道，采用1 枚球形彈丸以指定的高度自由落體。以某一水平速度敲擊艇體，模擬炮彈后坐力產(chǎn)生的瞬時(shí)沖量，如圖2 所示。

這天，孟導(dǎo)又是下班后就到葉總店里報(bào)道了。孟導(dǎo)到的時(shí)候，葉總正忙著接待客人。今天葉總店里生意興隆，平時(shí)都是熟人過(guò)來(lái)聊天，而今天店里有好幾撥客人，讓孟導(dǎo)有些詫異。畢竟古玩市場(chǎng)里一直流傳著“不作買賣照樣賺大錢的葉總”這樣的說(shuō)法。

圖2 敲擊試驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2 Percussive experiment model

敲擊點(diǎn)貼壓力應(yīng)變片以測(cè)量敲擊力的變化時(shí)歷曲線，安裝在巡邏艇模型中的傾角傳感器可對(duì)模型橫搖角的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。沖量與動(dòng)量按下式進(jìn)行轉(zhuǎn)換：

式中：F為后坐力大?。籺為后坐力作用時(shí)間；M為彈丸質(zhì)量；V為水平敲擊速度。其中V的大小通過(guò)彈丸自由落體的高度來(lái)進(jìn)行控制，在試驗(yàn)開始前對(duì)彈丸擬達(dá)到的速度進(jìn)行校核。

1.3 試驗(yàn)工況

為研究模型狀態(tài)、外力狀態(tài)對(duì)巡邏艇模型橫穩(wěn)性的影響規(guī)律，開展不同重心位置的靜水阻力試驗(yàn)及不同重心高度、不同沖量、不同滑行速度的敲擊試驗(yàn)。

表1 為同一排水量的模型在前、中、后3 種不同重心位置的靜水拖曳試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果以選擇合適的重心位置開展敲擊試驗(yàn)。

表1 巡邏艇模型靜水阻力試驗(yàn)工況表Tab.1 Hydrostatic resistance conditions of model

表2 為敲擊試驗(yàn)的工況表，工況4～工況6 用以對(duì)比沖量變化對(duì)模型橫穩(wěn)性的影響規(guī)律，工況4 與工況7 用以研究模型的重心高度對(duì)橫穩(wěn)性的影響，工況6 和工況8～工況11 用以研究航速對(duì)模型運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

表2 敲擊試驗(yàn)工況表Tab.2 Percussive experiment conditions of model

2 試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

根據(jù)試驗(yàn)工況計(jì)劃開展模型試驗(yàn)，其中靜水阻力試驗(yàn)及敲擊試驗(yàn)工況5 為帶航速的拖曳試驗(yàn)，其余狀態(tài)均為零速靜水橫搖試驗(yàn)。

2.1 不同重心位置的阻力性能對(duì)比

3 個(gè)不同重心縱向位置的試驗(yàn)工況對(duì)比，如圖3 和圖4 所示?？梢钥闯?，在其他條件均相同時(shí)，重心位置在一定范圍內(nèi)越靠近船首，則航行縱傾角越小，導(dǎo)致模型濕表面積越大，滑行效率越低，阻力性能也就越差。

圖3 靜水阻力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig.3 Comparison of hydrostatic resistance experiment results

圖4 縱傾角對(duì)比Fig.4 Comparison of trim angle experiment results

圖5 工況4 的敲擊力時(shí)歷曲線Fig.5 The percussive force time-history curve of GK4

初始后重心與中重心的狀態(tài)下，阻力與模型縱傾角及阻力相差均較小?？紤]到選擇最優(yōu)阻力性能的狀態(tài)進(jìn)行水動(dòng)力試驗(yàn)，后續(xù)敲擊試驗(yàn)的模型重心位置均選擇為中重心。

2.2 不同沖量的敲擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

表3 不同沖量的敲擊試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Percussive experiment results of different impulse

從表3 的試驗(yàn)結(jié)果可以看出，模型橫傾角與外力的沖量大小呈正相關(guān)變化，但并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。從工況2 與工況3 的結(jié)果對(duì)比可以看出，當(dāng)沖量在較小的量級(jí)上增加時(shí)，橫傾角的變化率較大，而當(dāng)外力帶到一定數(shù)值時(shí)，最大橫傾角的增量將會(huì)變小，這與船體模型本身的橫向恢復(fù)力矩增加存在很大關(guān)系。

沖量為1.9 N·s 的敲擊力與橫傾角變化曲線如圖6所示?？梢钥闯觯诹闼贆M搖狀態(tài)，模型從最大橫傾角恢復(fù)至平衡位置的過(guò)程很緩慢，即橫搖衰減系數(shù)較小。

圖6 工況4 的橫傾角變化時(shí)歷曲線Fig.6 The roll angle time-history curve of GK4

2.3 不同重心高度的敲擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為研究重心高度對(duì)橫向穩(wěn)定性的影響，將模型重心位置進(jìn)行調(diào)整，開展工況4 與工況7 的對(duì)比試驗(yàn)。

圖7 為工況7 的橫搖衰減曲線?？梢钥闯觯S著重心的升高，模型的最大橫傾角增大為1.8°。這表明降低重心高度對(duì)模型的橫向穩(wěn)定性具有積極的作用，在巡邏艇火炮系統(tǒng)的安裝方面應(yīng)該注意其安裝高度。

圖7 工況7 的橫傾角變化時(shí)歷曲線Fig.7 The roll angle time-history curve of GK7

2.4 速度對(duì)模型運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性的影響

巡邏艇的火炮系統(tǒng)一般是在巡邏執(zhí)法過(guò)程中使用，艇速較快。因此，開展航速變化對(duì)火炮后坐力導(dǎo)致的橫向失穩(wěn)影響規(guī)律研究至關(guān)重要。

選取中、高速狀態(tài)進(jìn)行敲擊試驗(yàn)，開展工況8～工況11 的試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比不同速度的最大橫傾角，研究航速對(duì)橫向運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

圖8 為不同航速狀態(tài)下的模型最大橫傾角變化曲線?？梢院芸闯?，盡管受到的外力沖擊相同，但航速的不同導(dǎo)致巡邏艇模型的最大橫傾角存在一定的差異，尤其是零速狀態(tài)和帶航速狀態(tài)，最大橫傾角存在較大的差異。當(dāng)航速增大的一定程度時(shí)，速度的增加對(duì)最大橫傾角的影響開始變得較小。這是因?yàn)楫?dāng)巡邏艇以一定的航速進(jìn)行滑行時(shí)，艇體兩側(cè)會(huì)提供較大的水動(dòng)升力，當(dāng)受到火炮后坐力沖擊時(shí)，水動(dòng)升力能夠起到一定的抵消作用。

圖8 不同航速的最大橫傾角變化曲線Fig.8 Maximum roll angle at different speed

圖9 工況11 的橫傾角變化時(shí)歷曲線Fig.9 The roll angle time-history curve of GK11

3 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)高速執(zhí)法巡邏艇因火炮射擊后坐力而導(dǎo)致的橫向失穩(wěn)問(wèn)題，本文采用基于模型試驗(yàn)的方法，對(duì)高速艇在航行中受外力沖擊的運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性進(jìn)行縮比模型試驗(yàn)，就重心縱向位置、重心高度、沖量及航速大小等4 大因素對(duì)高速艇航行穩(wěn)定性的影響規(guī)律開展試驗(yàn)研究，得出主要結(jié)論如下：

1）在一定范圍內(nèi)，重心位置越靠近船首，模型的航行縱傾角越小，滑行效率越低，阻力性能越差。

2）零速狀態(tài)下，外力沖量在較小的量級(jí)變化時(shí)，最大橫傾角隨沖量的變化率更大。

3）巡邏艇模型的重心高度對(duì)其橫向穩(wěn)定性的影響較大，巡邏艇應(yīng)盡量控制其火炮系統(tǒng)的安裝高度。

4）航速對(duì)巡邏艇模型的運(yùn)動(dòng)橫穩(wěn)性具有明顯的影響，艇體模型在帶航速狀態(tài)比零速狀態(tài)更耐沖擊，但隨著航速增大，這種影響也會(huì)逐漸變小。