航行器水下筒式发射过程中浮筒水面分离运动仿真

顾媛媛,薛志刚,宋志平

(中国船舶科学研究中心,江苏 无锡 214082)

利用浮筒包裹的水下干式发射技术,因为拥有诸多良好的性能而被广泛用于水下航行器的发射过程[1]。

干式发射过程中,浮筒经历水下发射、水下轨道、水面分离3个过程。前两个过程完全在水中进行;水面分离过程是航行器从水下轨道向空中轨道的过渡阶段,分离过程在水气两相的交界面处展开,浮筒相对于水面做运动,航行器相对浮筒发生运动,情况相对复杂。针对航行器和运载器水面分离过程的分析研究,对合理选择适配器、确定航行器分离后空中弹道的初始状态、分析各种发射状态及干扰因素对航行器初始状态的影响等都具有十分重要的意义。

在筒式干式发射中,浮筒与航行体之间需要一个衬垫,也就是适配器[1-2]。适配器可以在贮存、运输和发射过程中对航行器有支承、减振、导向以及控制发射时的初始扰动等的作用[3-5]。对于部分自推力式分离来说,适配器还能起到分离燃气的密封作用。

针对水面分离运动的研究有很多。邢天安讨论了潜射飞航式导弹的几种出水分离方式,并且研究了弹器分离的点火时机与分离时序对弹器分离的影响[6-7]。李晶等从多体动力学角度,对复杂水环境下的两刚体相对运动过程进行了数值仿真,计算了分离过程中的姿态及速度等的参数变化[8]。

1 分离过程

浮筒从水下发射出,依靠浮力和初速度在水中爬升。当浮筒头罩到达水面时,头罩上的感应装置获得信号,浮筒继续上浮一段距离,启动分离程序。分离过程中,首先抛落头罩。然后,分离燃气发生器点火,产生燃气推力,在尾腔压力作用下航行器加速向前运动,浮筒在推力的反作用下落入水中,实现航行器和浮筒的水面分离。具体水面分离示意图如图1所示。

2 动力学方程建立

2.1 分离过程受力分析

在航行器和浮筒分离过程中,浮筒所受的力有:重力、浮力、流体惯性力、流体黏性力、分离燃气推力、适配器作用力。

2.2 切片理论

切片理论最早由科文-克劳科夫斯基提出,后来又经过了TASAI、GRIM和SCHENZLE的推广应用。运用切片法可以将三维水动力问题简化为二维问题,从而简化计算过程。

切片法的使用前提是假设浮筒为细长型[9]。所谓细长,指筒体的径向尺寸远小于筒体的轴向尺寸,外部对流场的扰动沿径向方向变化不剧烈。本次试验中,浮筒可认为是细长体,求解水动力时可以应用切片理论。

2.3 惯性力和黏性力计算

浮筒所受的水动力,主要分为惯性力和黏性力。

对于水中物体,用λij表示其附加质量,则圆柱形浮筒的附加质量系数λij共有8个非零项,因此,其切片的流体惯性力可以根据下式得到:

式中:Fx,Fy,Fz为浮筒所受惯性力在浮筒连体坐标系中的3个分量;Mx,My,Mz为沿浮筒连体坐标系3个坐标轴的惯性力矩;p,q,r为浮筒的转动角速度在其连体坐标系的3个角速度分量;u,v,w为在浮筒连体坐标系中的3个方向速度分量。

2.4 适配器作用力

在航行器出筒过程中,适配器随航行器向外移动。适配器出筒后在重力作用下自然脱落,不再对浮筒和弹体产生作用。分离过程中,适配器的作用力分为阻尼力与弹性力。弹性力与其变形状况有关,变形由弹体和筒体相对位置的变化来描述。由于筒内适配器的变形是一小量,可认为变形范围都在适配器的弹性范围之内,适配器的弹性力与变形量成正比。阻尼力取决于适配器的阻尼系数与适配器节点的相对运动速度。

适配器作用力FA计算公式为

2.5 基本假设

在仿真过程中,给出以下基本假设:

①由于分离过程时间较短,忽略分离燃气在作用时间内的大小变化,假设分离燃气在作用时间内均匀分布。忽略分离过程中浮筒和航行器质心变化对分离的扰动。

②假设导弹和浮筒都是刚体,在分离过程中不发生变形。

③忽略尾空泡压力相对当地压力的变化。

综上,可以建立浮筒水面分离的仿真模型。分析浮筒和航行器的分离过程,利用MATLAB软件对浮筒和航行器受到的作用力进行仿真与计算。仿真软件的流程示意图如图2所示。

3 仿真分析

仿真模型中,参数设置如下:浮筒质量为10.45 kg,长度为1.318 m;航行器质量为28.35 kg,长度为1.209 m;适配器刚度为700 kN/m,阻尼系数为200 N·s/m。取分离燃气发生作用的时刻为时间零点,燃气推力作用时间为0.1 s,大小为1 020 N。仿真时长为0.2 s,仿真步长为0.000 5 s。

取时间零点时浮筒的重心为大地系坐标零点。仿真结果中速度和高度均取大地坐标系中的数值,俯仰角和角速度皆为弧度制单位。

3.1 模型验证

在利用模型进行分析之前,先对模型的准确性进行验证。

表1 水池分离结果与仿真结果对照表

以上各项结果表明,仿真计算结果与水池试验结果都在一倍方差范围之内。综上,仿真模型基本具备了工程估算的条件。

3.2 水面分离过程中姿态变化

假设分离开始时,航行器和浮筒相对静止,航行器中轴线与浮筒轴线重合,适配器预压均匀。利用仿真模型,可以得到分离过程中浮筒和航行器的姿态变化。用h表示分离过程中航行器和浮筒的高度,则位移高度、俯仰角速度、适配器作用力随时间的变化如图3～图5所示。

4 结果分析

将仿真开始时的参数设定为试验模型的参数,仿真结果与水池试验结果的均值存在一定误差,分析原因可能是因为分离推力常值化、未考虑尾部空泡作用,对分离结果产生一定影响。但是,仿真试验结果落在水池试验结果的一倍方差范围内,说明模型具备了工程估算的基本条件。

通过仿真模型,可以观察分离过程中航行器和浮筒的各项参数的变化。其中,两者的俯仰角速度绝对值逐渐减小;并且伴随着适配器的脱落,俯仰角速度曲线出现几次明显的波动。

分离过程中适配器作用力先增大后减小,并且有波动趋势。

5 结束语

本文未考虑水面波浪的影响,后期应该加以改进,增加波浪力模块。

仿真时未考虑尾空泡对试验结果的影响。实际上,出水过程中尾部空泡的压力变化将对试验产生一定的影响。

仿真时视分离燃气推力为常数,其实是发动机燃气在有限空间内的排流问题。后期应该考虑增加燃烧室分离压力变化曲线。

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