海流对水下航行体垂直出水运动影响研究

阎肖鹏，李智生，李 钊

(1.中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023； 2.火箭军驻石家庄地区军事代表室，河北 石家庄 050002)

海流对水下航行体垂直出水运动影响研究

阎肖鹏1，李智生1，李 钊2

(1.中国人民解放军91550部队，辽宁 大连 116023； 2.火箭军驻石家庄地区军事代表室，河北 石家庄 050002)

针对恒定海流解算其对航行体扰动而存在较大误差的问题，依据海流流速和流向随水深变化的特点，建立了分层海流数学模型，结合航行体水中运动数学模型，采用计算不同流层切片对航行体产生的阻力、升力、侧向力及其力矩的方法，仿真分析了海流对航行体弹道参数的影响。仿真结果表明，海流流速越大，弹道参数受扰动越严重。海流流向对航行体纵向位移影响较大，对航行体横向位移影响较小。

水下航行体；分层海流；流速和流向；弹道参数

0 引言

从水下垂直发射的航行体在水下运动过程中会受到复杂海洋环境的影响，尤其海流对航行体弹道和出水时刻姿态角影响较大[1]。由于海洋环境过于复杂且随机性很强，所以结合海流的数学模型来仿真分析航行体在水下的运动就显得极为重要。文献[2-3]采用运载器受海流恒定力模型，仿真分析了不同海流影响下运载器在出水时刻的姿态以及水弹道变化趋势。文献[4]研究了铅垂平面内潜射飞行器出水姿态参数确定问题，建立了波浪和水流的数学模型，给出了惯性力、粘性力和浮力计算公式并进行了仿真计算。文献[5-6]在用计算流体力学方法求得其流体动力无因次系数的基础上，采用切片法计算得到运载器的附加扰动力，并对均匀海流和分层海流2种情况下附加扰动力的计算结果进行了比较。

本文针对恒定海流解算其对航行体扰动而存在较大误差的问题，通过建立分层海流数学模型并结合航行体水中运动数学模型，仿真分析了海流对航行体在水下运动的影响，以及对航行体出水时刻俯仰角和水中弹道等影响。

1 水下航行体运动方程组

在xy平面内研究航行体在水中的运动，建立体轴坐标系x1y1z1，其原点在运动体的重心，x1轴与运动体的纵轴重合，在该坐标系内建立的描述水下航行体运动数学模型为[7-8]：

(1)

式中，A为浮力；G为重力；Jz1为航行体绕z1轴的惯性矩；M为航行体的质量；MTz1为发动机推力产生的力矩；MAz1为浮力产生的力矩；MBz1为航行体的俯仰力矩；Mgz1为水对航行体的惯性作用力矩；Pg为水对航行体的惯性作用力；T为发动机推力；v为航行体的线速度；x1为航行体纵轴；y1为航行体的法向轴；α为迎角；ϑ为弹道倾角；θ为俯仰角；ω为运动体角速度。

2 海流扰动模型

由于海流的复杂性，在水下航行体弹道计算中，仅以恒定海流速度求解其附加扰动力的常规方法存在较大误差，影响了航行体的出水姿态[9-10]。事实上，在航行体发射过程中，海流的流速和流向会随发射深度变化而发生变化。针对上述问题，本文假定海流速度沿深度方向呈梯度分布Vh=V0+0.03×h，其中Vh为水下h深度的海流流速，V0为水面海流流速，并将航行体沿轴向切片，计算在不同流层间每个切片上产生的阻力、升力和侧向力及其力矩。在仿真计算的每一时间步内，首先循环遍历每一个切片，通过切片中心的高度，插值求得所在分层海流的速度，结合航行体自身的速度分量，计算总的攻角和侧滑角；然后计算无海流时航行体所具有的攻角和侧滑角，求二者差值，最后计算有无海流时航行体所受流体动力和力矩的差值，求得航行体所受的海流扰动力。航行体切片示意图如图1所示。

图1 航行体切片示意

定义航行体的运动参数为(vx,vy,vz,wx,wy,wz,θ,ψ,φ,x0,y0,z0)。其中，vx,vy,vz,wx,wy和wz为体轴系下航行体的速度和角速度；θ,ψ和φ分别为航行体的3个姿态角；x0,y0和z0为航行体在地面系的位置坐标。

插值求切片中心处的海流速度，转换地面系转换到体轴系中为u，v和w。考虑相对运动，则叠加海流之后航行体速度为：

(2)

其攻角α，侧滑角β为：

(3)

在无海流条件下航行体自身的攻角和侧滑角为：

(4)

然后将式(3)与式(4)相减得到二者的差值，从而计算航行体所受的海流扰动力。

3 仿真计算与分析

海流对水下航行体弹道的影响主要表现在海流流速和流向角(即海流速度矢量方向与地面坐标系x0轴之间的夹角)2个方面，根据分层海流模型，分别对不同海流流速、不同海流流向条件下，航行体完全出筒瞬间到头部到达水面的整个水下弹道段的运动参数变化情况进行仿真计算，研究不同海流状况下航行体水弹道的变化趋势。设计计算工况如表1所示。

表1 计算工况

海流方向定义为：90°方向与水下发射平台运动分向相反。逆时针方向旋转为角度增大，反之则减小。海流流速为海面流速。

3.1 不同海流流速对航行体弹道参数影响

对2 kn、4 kn和6 kn三种不同海流流速，相同发射深度30 m，相同出筒速度15 m/s，相同艇速2 kn，进行仿真计算，计算结果如图2所示。

由图2的曲线可以看出，弹体在90°横向流作用下，攻角和侧滑角逐渐增大，2节以上的海流对航行体的俯仰角造成10°以上的偏离角。当海流速度达到6节时，航行体偏离角近15°，这对航行体出水相当不利。

图2 不同流速航行体弹道参数与时间关系

海流流速越大，x轴纵向速度衰减越大，相应的航行体出水需用时间变长，这将增加航行体的俯仰角度，加速航行体的倾覆过程。因此，为避免航行体出水过程速度不足而导致姿态失控，水下发射过程应选择适当海流流速下进行。

海流流速越大，弹道参数受扰动越严重，侧向偏距越大，且同一流速条件下靠近水面处弹道参数变化幅度较大，这是因为采用分层流，海面处流速最大，航行体受海流力越大所致。

3.2 不同海流流向角对航行体弹道参数影响

仿真计算航行体离管速度15 m/s，艇速2 kn，发射深度为30 m，海流流速为3 kn，流向角分别为0°，45°，90°，135°和无海流条件下航行体弹道参数的变化情况，如图3所示。

图3 不同流向弹道参数与时间关系

由图3的曲线可以看出，在海流流向为90°时对航行体出水攻角和俯仰角影响最大，即平行于发射平台的流向对弹道出水角度影响大。当海流流向为0°，即与发射平台垂直的流向对航行体出水角度影响最小，量值与静态流条件下相当。

海流流向对航行体Y向位移影响较大，流向为90°时对航行体横向位移影响最大，流向为0°时对航行体横向位移影响最小。

海流流向对航行体X向位移影响很小，即纵向弹道参数基本不受海流流向角影响。

4 结束语

本文建立了水下航行体水中运动数学模型和不同发射深度条件下的海流流速变化模型，通过不同流层间每个切片产生的阻力、升力和侧向力及其力矩，仿真计算了不同流速、流向海流对航行体在水下运动的影响，以及对航行体出水时刻俯仰角和水中弹道的影响。仿真结果表明，不同流向和流速的海流对水下航行体弹道参数的影响各不相同。

[1] 阎肖鹏,李智生,李 钊.高速水下航行体尾部流场特性分析[J].无线电工程，2014,46(11):33-37.

[2] 滕鹏桦,张宇文,张 平,等.海流对潜载导弹运载器水下运动的影响研究[J].计算机测量与控制，2012,20(5):1 297-1 300.

[3] 方国强.波浪和海流条件下潜射飞行器出水姿态参数研究[J].导弹与航天运载技术，2011,313(3):13-16.

[4] 邱海强,袁绪龙,王亚东.一种基于切片法的分层海流下运载器附加扰动力计算方法[J].鱼雷技术，2013,21(5):337-340.

[5] 蔡关龙，倪火才.潜地导弹水下变深度发射可行性和弹道参数相关性研究[J].水面兵器，1993(1):32-35.

[6] 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.

[7] 赵世平，蔡体敏.横向流对潜艇垂直发射导弹的影响[J].船舶力学，2006，10(4):33-36.

[8] 巩 明，王汉平.模拟弹水下垂直发射载荷分析[J].弹箭与制导学报，2015，35(5)：41-44.

[9] 李智生，夏光辉，李 钊.水下目标运动测量系统误差分析[J].无线电工程，2016，37(6)：52-55.

[10] 陈 玉.复杂海洋环境下航行体的水动力特性研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012：24-29.

阎肖鹏 男，(1973—)，高级工程师。主要研究方向：水下测量。

李智生 男，(1975—)博士，高级工程师。主要研究方向：水下测量。

Research of Ocean Current Impact on Vertical Motion of Underwater-launched Vehicle

YAN Xiao-peng1,LI Zhi-sheng1,LI Zhao2

(1.Unit91550,PLA,DalianLiaoning116023,China; 2.MilitaryRepresentativeOfficeofPLARocketForceinShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050002,China)

Aiming at the large error in conventional additional turbulent force calculation method based on constant ocean current velocity and direction,the layered ocean current model is established based on the characteristic that the ocean current velocity and direction always change with water depth.Combined with the mathematical model of the underwater vehicle,the impact of ocean current on ballistic parameter is simulated adopting the method of calculating resistance,lifting force,lateral force and their moment of different layered ocean current acting on the vehicle.It shows that the greater the current flows and the more serious the disturbance on the ballistic parameters.The flow direction of ocean current has a greater influence on the longitudinal displacement of vehicle,and lesser impacts on the horizontal displacement.

underwater vehicle;layered ocean current;ocean current velocity and direction;ballistic parameter

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.05.25

阎肖鹏,李智生,李 钊.海流对水下航行体垂直出水运动影响研究[J].无线电工程,2017,47(5):102-105.[YAN Xiaopeng,LI Zhisheng,LI Zhao.Research of Ocean Current Impact on Vertical Motion of Underwater-launched Vehicle[J].Radio Engineering,2017,47(5):102-105.]

2017-02-28

U661.1

A

1003-3106(2017)05-0102-04