基于筒式保护结构的导弹出水分离过程研究

李 晶，李 吉，陆宏志

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

基于筒式保护结构的导弹出水分离过程研究

李 晶，李 吉，陆宏志

（中国运载火箭技术研究院，北京，100076）

在出水过程中，由飞行介质改变带来的载荷冲击及海面波浪等不确定因素造成的复杂水动力环境，极大地增加了导弹与保护筒的分离风险。从多刚体动力学角度出发，对复杂水动力环境下的两刚体相对运动过程进行数值仿真，通过试验数据的对比修正，最终获得比较成熟的出水分离仿真方法。试验与仿真方法相结合研究了导弹出水过程中角速度显著减小现象的形成机理，为出水分离姿态预估提供理论基础。

分离；套筒式水下航行器；试验；数值仿真

0 引 言

具有筒式保护结构的导弹在水下飞行过程中，强烈的载荷冲击完全由“筒”承担，该种方案大幅降低对导弹的结构强度要求，可增加有效质量，提高空中飞行射程。相比于传统的空中分离设计，导弹在出水过程中从“筒”内分离出来，其承受的载荷环境更为复杂。由飞行介质改变[1]带来的载荷冲击及海面波浪等不确定因素造成的复杂水动力环境，极大地增加了分离过程的风险。为了提高分离方案的可靠性，必须对这一过程进行深入研究。

崔乃刚[2]等建立了潜射导弹水下及出水运动数学模型，对冷、热两种发射形式的导弹在无控、比例积分微分（proportion Integration differentiation，pId）全程控制、模糊pId分段控制3种状态下的水下运动情况进行了仿真分析；张红军、陆宏志[3]等基于非定常雷诺平均N-S方程，采用动网格技术和多相流模型对导弹冷弹射出筒过程进行了三维非定常数值模拟；刘丙杰[4]等分析了影响潜射弹道导弹出水姿态的各个因素，应用神经网格分析了单因素变化的导弹出水姿态；邢天安[5]对潜射飞航式导弹的几种出水分离方式进行了讨论，介绍了不同分离方式的特点，提出选择的参考原则。上述工作的研究重点在于潜射导弹的水下运动，出筒、出水及分离过程，但都是以单个刚体为研究对象，没有考虑出水过程中的两体相对分离过程，也没有研究复杂的水下载荷环境。李思源[6]提出一种新的弹器分离方案——动力分离方案（即弹射分离方案），并对动力分离运载器的结构和弹道性能作了较详细的介绍，与静力分离方案作了较全面的比较；彭正梁[7]等研究了航行体出水分离过程适配器刚度和间隙、流体作用力、助推器分离力等影响下的二维弹道仿真模型。

本文采用数值仿真的方法，通过对复杂水动力环境的模拟，计入出水过程水动力跨越界面变化的影响，利用多刚体动力学研究导弹和“筒”分离过程中姿态及速度等关键参数的变化。在进行多发次的出水分离试验后，利用实验数据对仿真过程的不断修正，最终获得与实验数据吻合较好的复杂水动力环境下出水分离仿真方法，获取出水分离过程的关键影响因素。

1 出水分离过程分析

1.1 分离时序

如图1所示，“筒”包括筒盖和筒体两部分，其包裹导弹完成水下飞行。当筒盖露出水面后，T0时刻筒、盖分离燃气发生器点火，筒、盖开始分离；筒、盖分离结束后，在T1时刻筒体底部燃气发生器点火，导弹从筒内发出，在T2时刻完全脱离筒体；之后自由飞行一段距离后启动自身发动机继续飞行。

图1 出水分离时序

1.2 出水分离过程中受力分析

将分离过程分为两部分：筒、盖分离过程和筒、弹分离过程，分别对其进行力学分析。

1.2.1 筒、盖分离

对筒、盖分离过程进行受力分析，如图2所示。筒受自身重力G、水的浮力F浮、燃气发生器的推力F推、出水过程中轴向水动力aF、法向水动力NF和水动力弯矩M等的作用。

式中 l为套筒航行器全长；S为参考面积；h为套筒航行器出水高度；d为沿套筒轴向，浮心与质心的距离；Ca为轴向力系数，与俯仰角α有关；la为轴向出水系数，与出水高度h有关；CN为法向力系数，与俯仰角α有关；lN为法向出水系数，与出水高度h有关；CM为力矩系数，与俯仰角α有关；lM为力矩出水系数，与出水高度h有关；ρV2为动压；L为参考长度为平均压强。

图2 筒、盖分离过程受力分析

1.2.2 筒、弹分离

筒、弹分离过程中，由于存在相对运动，除了承受1.2.1节中的力外，两者之间还存在摩擦力Ff和分离燃气发生器产生的推力′，如图3所示。

图3 筒、航行器分离过程受力分析

式中 C为摩擦系数；1l为航行器、筒的轴向相对位移。

2 出水分离仿真研究

2.1 仿真方法

本次仿真是在MSc.adaMS2003软件环境下，基于adaMS/Solver解析器进行数值仿真，仿真界面如图4所示。

图4 adaMS软件界面

图5 轴向速度-出水高度

图6 轴向加速度-出水高度

从多刚体动力学角度出发，将导弹和“保护筒”简化为刚体，忽略附加质量和附加质量矩的影响，模拟各水动力因素造成的冲击，通过仿真软件模拟两刚体的分离过程，并获得轨迹、姿态、速度等参数的变化曲线。

2.2 仿真结果分析

仿真结果是针对4种情况进行比较分析的，其中包括3条试验曲线：在对筒、弹分离燃气发生器推力F推′细化的基础上，分为添加水动力和无水动力两条曲线，F推′取平均值曲线和缩比试验数据曲线。出水分离过程的姿态及速度对比情况如图5～7所示。

图5为导弹轴向速度随其理论尖端出水高度变化曲线。从图5中可以看出F推′细化后的两条曲线与试验曲线比较相似，但整体速度幅值要偏大，而F推′取平均值的曲线由于采用平均值方法导致曲线变化较均匀。比较细化F推′，有/无水动力的两条仿真曲线，添加水动力曲线整体速度幅值较小，与试验曲线更加接近，因此可以推断水动轴向力对于航行器轴向速度的修正作用。

图7 俯仰角-出水高度

图6 为导弹轴向加速度随其理论尖端出水高度的变化曲线。从图6中可以看出，F推′细化后的两条仿真曲线与试验曲线比较相似，但整体位置偏下，即对应高度值较小。分析原因主要是由于不添加水动力的情况下套筒分离过程所用时间最短，出水高度最小，因此加速度随高度变化曲线偏下；另外，由于F推′采用平均值方法导致加速度变化曲线在筒、航行器分离阶段保持不变，与试验结果相差较大。

图7为导弹俯仰角随其理论尖端出水高度的变化曲线。从图7中可以看出，随着出水高度的增加，航行器俯仰角逐渐增大。试验结果中航行器俯仰角变化最小，添加水动力的情况次之，F推′取平均值的结果最大。可以推断是由于俯仰水动力矩对导弹俯仰角的修正作用。

通过上述分析，可以看出3条仿真曲线与实验数据整体相差不大，通过对复杂水动力环境的深入模拟，并且计入出水过程水动力跨越界面变化的影响，以及试验数据对仿真方法的修正后得到复杂水动力环境下导弹出水分离仿真方法。

图8、图9分别为出水分离试验测得的导弹角速度和姿态角随出水高度的变化曲线，图中水平虚线代表海平面（相关量作归一化处理）。

从图8中可以看出，导弹在出水前角速度具有增大趋势，对出水安全性造成危害；随着头部露出水面后，在分离过程中角速度迅速减小并趋于稳定。图9为“保护筒”在出水过程中姿态角随出水高度的变化曲线。从图9中可以看出，导弹在露出水面后姿态角先增大后逐渐减小到安全范围内。

图8 角速度随出水高度变化曲线

图9 姿态角随出水高度变化曲线

出水过程的角速度和姿态角是影响分离过程成败的关键因素，通过对实验数据的分析，发现出水分离过程中导弹角速度和姿态角变化趋于稳定。为了更好地理解角速度在出水过程中的减小机理，开展了大量的数值仿真工作，通过对整个分离过程的深入分析，分别考虑各水动力因素，分析出角速度在出水过程中逐渐减小是由于水动力矩作用的结果，也可以说水动力矩对“保护筒”在出水过程中姿态变化起到了很好的修正作用。

3 结 论

本文对基于筒式保护结构的导弹出水分离过程受力情况和运动过程进行出水分离仿真研究。通过对复杂水动力环境的模拟，计入出水过程水动力跨越界面变化的影响，对整个分离过程进行数值仿真。利用试验数据对出水分离仿真方法进行多次修正，最终仿真结果与试验曲线吻合较好。

综上所述，结论如下：

a）基于筒式保护结构的导弹在出水分离过程中角速度与姿态角变化稳定性好，验证了该种分离方式的正确性；

b）通过试验数据的多次修正，综合筒、航行器分离燃气发生器推力F推′的优化，添加轴向水动力、法向水动力和俯仰水动力矩等因素，计入出水过程水动力跨越界面变化的影响，获得了复杂水动力环境下出水分离仿真方法，仿真结果与试验结果吻合较好，验证了仿真方法的可靠性。

[1] 黄寿康, 王侠超, 马国强, 等. 流体动力·弹道·载荷·环境[M]. 北京:宇航出版社, 1991.

[2] 崔乃刚, 曹春泉, 韦常柱. 潜射导弹水下运动过程仿真分析[J]. 弹道学报, 2009, 21(2): 95-99.

[3] 张红军, 陆宏志, 裴胤, 等. 潜射导弹出筒过程的三维非定常数值模拟研究[J]. 水动力学研究与进展, 2010, 25(3): 406-415.

[4] 刘丙杰, 姚奕, 刘勇志. 潜射弹道导弹出水姿态分析[J]. 火力与指挥控制, 2003, 28(6): 59-61.

[5] 邢天安. 潜射飞航式导弹出水分离方式探讨[J]. 飞航导弹, 1994(2): 1-5.

[6] 李思源. 潜射导弹无动力运载器的滚控暨分离技术研究[J]. 舰载武器, 2002(3): 7-12.

[7] 彭正梁, 王宝寿. 高速航行体与运载器水面分离平面弹道数学仿真[J].船舶力学, 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，工程师，研究方向为导弹武器系统总体设计